Индикаторы

14. Измөнение  оптических свойств вещества при переходе из жидкой фазы в парообразную при нагрөве электрическим током (парожидкостные индикаторы).

Солоставление этих эффектов позволяет сделать  ряд обобщенйй:

— все виды индикаторов  можно подразделить на индикаторы с  активным и пассивным растрами. К первой группе относятся приборы на основе светогенерациоиных эффектов (1—7), приборы второй группы требуют внешней подоветки (8—14);

— в светогенерационных индикаторах выделяются приборы  с прямым (2, 3, 4, 6) и двухступенчатым (1, 5, 7) преобразованием электрической энергии в световую;

- индикаторы  с пассивным растром могут  быть основаны на измөнении  коэффициентов отражения (8, 11, 12, 13. 14), пропускания (8, 12, 13), поглощения (9, 13) света и на вращении плоскоста  поляризации (8, 10);

— управлевие индикаторами может осуществляться электрическим  током (1, 4, 5, 6, 14), напряжением (2, 3,

6, 7, 8, 10, 12), зарядом  (9, 11);

— в качестве активных сред в индикаторах выступают  металлы (1, 11), монокристаллы (4, 5), твердые  по-ликристаллические вещества (6, 9, 10), порошки (3, 7), жидкости (8, 12), газы (2, 14);

—наиболыпее распространение  получили полупроводниковые, газоразрядные  и жидкокристаллические ин-дикаторы. 

3. «ТРИ КИТА»  ИНДИКАТОРНОЙ ТЕХНИКИ

3.1 Полупроводниковые индикаторы (ППИ) примечательны прежде всего тем, что могут перекрыть весь видимый диапазон спектра (рис. 3.4). Яркое и чистое свечение, удобство управлеиия, экономичность, технологичность, долговечность открывают перед этими приборами безграничные перспективы.

Исторически освоение цветовой гаммы идет справа налево: от красного, через оранжевый и желтый к зеле-ному. Это было связано со значительными успехами в области технологии синтеза GaAsP и GaP. Наиболь-шие принципиальные трудности вызывает получение синего света, однако следует заметить, что когда эти трудности будут преодолены, то такой материал, как GaN,

может оказаться  одним из самых дешевых, так как  выращивается в виде тонких пленок на сапфировых под-ложках. Решение проблемы эффективного синего излучателя откроет путь для создания единой технологии индикаторов всех цветов, основанной на преобразовании этого излучения в более длинноволновое с использовани-ем подходящих фотолюминофоров. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В полупроводниковых  индикаторах используются две основные конфигурации высвечиваемых элементов:

— семисегментная (рис. 3.5,а), позволяющая воопроизводить все дөсять цифр и несколько букв (цифровой индикатор);

— матричная (рис. 35,6) с числом точөк 36 (7x5+1), воспроиэводящая  все цифры, буквы и знаки стан-дартного кода для обмөна информацией (универсальный цифро-буквенный индикатор).

Для малых по размеру индикаторов используется монолитная конструкция, для больших  — в целях экономии дорогостоящих  материалов — гибридная, т. е. наборная из отдельных кристаллов. Высокая  яркость свечения светодиодоа позволяет использовать различные способы увеличения изображевия. Кроме простейшего линзового увеличения (8 на рис. 1.8,6) достаточно широко используются «псевдосветоводные» конструкции (рис. 3.6). Здесь кристалл помещөн в основании конически расширяющейся прорези в пластмассовой пластине. Иногда внутренние стенки такого световода металлизируют, а сверху помещают пластмассовую линзорастровую пластину, «выравнивающую» яркость свечения по площади прорези. Такая конструкция позволяет получать светящиеся площадки, на порядок превышающие площадь кристалла. Основная масса полупроводниковых индикаторов имеет малые размеры знаков (Н=3 ... 7,5 мм), использование оптического увеличения позволяет продвинуться до Н = 12,5 ... 17,5 мм, в наборных конструкциях реализуют Н = 25 ... 50 мм, что позволяет считывать информацию с расстояния 10 ... 15 м.

Для удобства применения изготавливаются многоразрядные индикаторы (три, четыре, шесть, девять и т. д. знаков в одном корпусе), иногда в тот  же корпус помещается и монолитная схема управления (дешифратор-формирователь).

Важной и сложной  является задача получения приборов с перестройкой цвета свечения. Простейшее реше-ние — помещение нескольких разных кристаллов в один корпус —  для индикаторов не подходит. Могут использоваться (GaP-светодиоды, легированные одновременно азотом, кислородом и цинком, у которых при повышении инжекционного тока последовательно наблюдается красное, желтое, зеленое свечение. Однако цветовая насыщенность таких приборов невысока. Более перспективными представляются структуры с двумя p—n - переходами и с общей базовой областью.

Усложнение светоизлучающего элемента позволяет расширить его  функциональные возможности и в  схемо-техническом плане. Так, в GaP- структуре  типа р⁺—n—і—n⁺ фоточувствительная і - область образует внутреннюю положительную обратную связь, поэтому такой светодиод имеет динисторную вольт-амперную характеристику, т. е. обладает  «памятью».

Прогресс физики и технологии светоизлучающих диодов позволяет перейти к созданию монолитных много-элементных матриц: вполне достижимо получение 103 ... 104 светящихся точек (т. е. 30 ... 300 знаков) на одном кристалле площадью 1,5 ... 15 см2. Такие матрицы явятся элементарной ячейкой наборного полупроводникового экрана, для технической реализации которого необходимо решение проблем многоуровневой коммутации, отвода тепла, схем управления. При использовании элементов, обладающих памятью и перестройкой цвета, могут быть созданы достаточно экономичные, малогабаритные, многоцветные экраны индивидуального использования с объөмом одновременно отображаемой информа-ции, эквивалентной 0,3—0,5 стр. машинописного текста.

3.2 Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) относятся к «молодым» и бурно прогрессирующим оптоэлектронным прибором. Жидкокристаллическое состояние вещества характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (оптическая анизотропия). Такое состояние может обнаруживаться в некотором температурном интервале между точкой кристаллизации Т_к и точкой превращения вещества в однородную прозрачную жидкость Т_ж. Имеется несколько структурных разновидностей жидких кристаллов (ЖК); для индикаторных приборов используются нематические ЖК, характеризующиеся следующими основными особенностями:

— молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую, нитевидную конфигурацию;

— в равновесном  состоянии проявляется тенденция  к ориентации больших осей молекул  вдоль какого-то преимущественного  направления;

—  межмолекулярные  взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости (характер ориентации мо-лекул) может легко изменяться под влиянием внешних воздействий;

— имеет место  оптическая и электрическая анизотропия: значения показателей преломления  и диэлектрической постоянной в  направлении вдоль больших осей молекул (n₁₁ и ε_{11 ‌‌}) и перпендикулярно ему (n_┴ и ε_┴) различны (ЖК — кристаллы с двойным лучепреломлением);

— В зависимости  от знака величины Δε=ε₁₁ – ε₁ различают положительную и отрицательную диэлектри-ческую анизотропию — при приложении электрического поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа — поперек поля;

— наличие анизотропии  и возможность перестройки структуры  проявляются в двух разновидностях электро-оптических эффектов; изменение  характера поляризации проходящего (отраженного) света и изменение коэффициента отражения (пропускания) света.

В качестве жидких кристаллов могут выступать очень  многие органические соединения (тысячи), наи-лучшие для технических применений результаты дают их смеси. «Классическими» нематическими смесами являются МББА (н- (п-метоксибензилиден) — п- (н-бутиланилин)) и ЭББА (н- (п-этоксибензилиден) — п- (н - бутиланилин)), обеспечивающие получение ΔТ_жк =Т_ж—Т_к=15 ... 70°. Среди всех структурных разновидностей жидких кристаллов нематические отличаются наименьшей вязкостью, что обеспечивает их наибольшее быстродействие, определяемое временем переориентации молекул ~10^-1 с (и до ІО^-2 ... 10^-3 с в специальных рабочих режимах). Удельное сопротивление нематических ЖК очень велико (~10¹⁷ Ом*см и для его некоторого уменьшения (что порой необходимо) в жидкость вводятся органические примеси, при диссоциации которых возникают свободные ионы.

Исторически первым электрооптическим эффектом, использованным в индикаторной технике, стал эффект динамического рассеяния. Если к слою слегка проводящего нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а возникающий поток ионов стремится ларушить эту ориентацию.

При некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентности, разрушающее ранее упо-рядоченную структуру ЖК. Беспрерывные хаотические изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света (отсюда и название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК. Вольт-контрастная   характеристика   ЖКИ  представлена  на рис. 3.7.

Лучшие характеристики индикаторов дает использо-

вание твист-эффекта, суть которого заключается в сле-

дующем. В зазоре между двумя пластинами тем или

иным способом достигают «скручивания» номатической

структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда

 их большие оси параллельны  ограничивающим по-

верхностям, а  направления этих осей вблизи одной  и

другой пластин  взаимно перпендикулярны  (рис. 3.8,а).

В толще жидкости ориентация   молекул меняется

постепенно   от   верхней граничной  ориентации к

нижней.   Технологически такая скрученная струк-

тура достигается, например, путем   однонаправ-

ленного  натирания  внутренних       поверхностей

стеклянных   пластин   во взаимно   перпендикуляр-

ных направлениях, что и ведет к соответствующей

ориентации молекул. 

Слой скрученного  нематического ЖК вращает плоскость  поляризации проходящего света  на п/2. Если к ячейке приложить электрическое  поле, то (при условии использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы ориентируются вдоль поля (рис. 3.8,6) и эффект скручивания пропадает. Теперь слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света. Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.

Твист-эффект в  отличие от эффекта динамического  рассеяния является чисто полевым: для его реализации пропускание  тока через структуру не нужно. Это  дает существенный выигрыш в энергопотреблении.

Устройство жидкокристаллического  индикатора (рис. 3.9) достаточно просто, здесь удобно реализуюгся современные  плоские панельные конструкции. Для получения низких управляющих  напряжений (единицы вольт) зазор  между пластинами должен быть небольшим (~10^-3 см), а используемая жидкость должна

иметь круто  нарастающую вольт-контрастную характеристику (рис. 3.7). Характерно, что стоимость  ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало зависит от их площади  — изготавливаются приборы с  высотой цифр от 3 до 500 мм. Используются конструкции, работающие как в отраженном свете (большинство типов), так и в проходящем. Все ЖКИ работают на переменном токе; при попытках использовать постоянное управляющее напряжение оказываются существенными электролитические эффекты и срок службы прибора становится недопустимо малым.

Жидкие кристаллы  представляют собой достаточно удобную  основу для создания информационных табло повышенной информационной емкости  и экранов мало-кадрового телевидения. Причины этого—малая потреб-ляемая мощность, высокая контрастность, низкое питающее напряжение, технологичность. Основные сложности связаны со схемами управления:  

низкое быстродействие

ЖКИ затрудняет использование мулыиплексных режи-

мов, приводит к созданию ЖК матриц с большим коли-

чеством внешних  выводов.  Перспективы   преодоления

этой проблемы видятся в разработке конструкции  экра-