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1、真空荧光显示技术第七章 nVFD（Vacuum Fluorescent Display）真空荧光显示屏n是20世纪60年代发明的一种自发光平板显示器，由于其特有的高亮度、广视角、耐环境等优点，在显示器家族中独树一帜，常被用作人机对话的终端显示器。n真空荧光显示屏(vacuum fluorescent display简称VFD)是从真空电子管发展而来的显示器件，它由阴极、栅极和表面涂有荧光粉的阳极构成，所有的零件置于密封的真空玻璃容器内。n真空荧光显示器是基于低能阴极射线发光的一种平板显示器件，也是唯一已形成产业化的平板CRT，已大量地用于家用电器、汽车、收款机等以绿色或多色作数码、符号、字母、
2、汉字和图表显示。n1VFD基本结构及原理n典型VFD基本结构如图1所示，它是由一组阴极(灯丝)、一层栅网和阳极构成电子三极管，由玻璃外壳密封抽真空而成。n工作原理如图2所示。n灯丝是在很细的钨丝外包三元碳酸盐的氧化物，再以适当的张力安装在灯丝支架与固定支架上，两端加上规定的灯丝电压，使灯丝温度达到600左右而发射热电子。1n栅极是在不妨碍显示的原则下，将象不锈钢此类的金属薄片通过光刻蚀加工而成的金属网栅直接固定在基板上(岛栅型)或安装在固定引线框上(阵列型)，加上正电位，可加速引导并扩散来自灯丝所发射的热电子，使其轰击阳极；反之如加上负电位，则能阻挡射向阳极电子。n阳极是指在印有显示图形的荧光
3、粉在其加上正电位后，经栅极加速、扩散的电子将会轰击荧光粉使其发光。n每个VFD器件一般都有几个栅极和阳极，在数码管中每一位数字一个栅极，每位数字一般有七个阳极(对应七个笔段)，也有九个阳极(另加小数点和游标)。工作时栅极上按顺序加扫描脉冲，阳极上加发光的笔段信号。只有一个发光点或一个笔段所对应的阳极和栅极同时都加正脉冲电压(开通电压)时，该点或笔段才能发光。n发光亮度L与阳极电压Ub、阳极电流密度Ib、发光效率有如下关系 n阴极提供电子的能力和荧光粉的发光效率是影响器件性能的两个重要因素。n利用不同色彩的荧光粉，可实现从红色到蓝色多色显示，其中绿色荧光粉是目前最常用的荧光粉。图3n除了以上3种
4、基本电极之外，在玻璃盖内表面形成透明导电膜（NESA），并且接上灯丝电位或正电位，形成静电屏蔽层可以防止因外部的静电影响而降低显示品质。n消气剂（GETTER）是维持真空的重要零件。在排气工程的最后阶段，可利用高频产生的涡流损耗对消气剂加热，在玻璃盖的内表面形成钡的蒸发膜，可用来进一步吸收管内的残留气体（GAS）。n2VFD家族丰富多彩nVFD自1967年发明以来，技术不断创新。现在产品由当时用作数码显示的数码管发展到平板多位显示屏、颜色由单一的绿色发展到多色。特别是在吸取半导体加工技术后使得VFD家族更加丰富多彩。n按使用要求不同可将VFD按电极结构、显示形式、驱动方式来分类，如表1所示。n
5、还可按生产加工方式的不同来分类，如表2所示。以上分类可根据不同的使用要求予以不同的组合。n产品结构nVFD根据结构一般可分为2极管和3极管两种；n根据显示内容可分为：数字显示、字符显示、图案显示、点阵显示；n根据驱动方式可分为：静态驱动（直流）和动态驱动（脉冲）。3 产品特点 q自发光，显示清晰q容易实现多色显示q图形设计自由度大q工作电压比较低q可靠性高（环境适应性好）4 应用领域 n由于它可以做多色彩显示，亮度高，又可以用低电压来驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在如下领域：n汽车VFD面板n家电VFD面板n音响、VTR VFD面板n事务机用VFD面板n计量仪器用VFD面板n通信设备用
6、VFD面板n5 产品现状nVFD以发光亮度高、多色显示容易、显示图案灵活、视角大、可靠性高和寿命长的优点被用户广为接受。目前的市场在LCD之后，占平板显示器件的第二位，近几年的销售额约6.4亿美元。其产品主要有下列六种：n(1)数码显示，用于数字钟、电子秤等；n(2)固定图形显示，用于游戏机、仪表等；n(3)条图显示，如音响、液位显示，较常见的是高级音响的电平指示；n(4)文字显示，点矩阵形式，用于仪器仪表，如电子收款机的数字和字符显示；n(5)图表显示，X一Y矩阵，可作图表、图像显示；n(6)复合显示，由固定的图形和笔段数码或点矩阵组成，最常见的有录像机、影碟机、VCD等家用电器的显示屏。n
7、表2为目前VFD所能达到的指标。n其市场分布为：家电占12%，录像机占28%，A/V占28%，汽车占22%，其他为10%。n目前，液晶显示器(LCD)主要用于笔记本电脑及用电池供电的小型电子仪器；n发光二极管(LED)用于简单的信号指示和用于拼接大屏幕或巨大屏幕；n等离子显示屏(PDP)则在壁挂电视的开发中异军突起；n而VFD将在家用电器和办公室自动化仪器等对亮度、视角要求高而电源限制小的场合仍占重要地位。2n6 VFD的制作工艺nVFD制作中的一个很重要的部分是阳极基板的加工，它包括作为各电极引线的导电层、绝缘层和阳极导电层的制作，阳极的图案与荧光粉点的图案相同。引线和阳极之间由绝缘层隔开；
8、而在引线的端点，绝缘层留有小孔，以使阳极与引线相连。阳极基板的加工有厚膜印刷和薄膜工艺二种。阳极基板制作时先在一块大的玻璃板上同时制作几个屏的图案，在印荧光粉或组装前切割成每一个屏所需的大小。n引线的材料一般为银浆；n绝缘材料为低熔点玻璃粉，掺人金属氧化物使其为黑色，以提高显示的反差；n阳极材料一般为石墨，它对荧光粉的附着力高，可防止振动时荧光粉掉落。n各层浆料在印刷后都要烘干、高温焙烧，厚膜工艺可加工线宽和间隔分别不小于100um的引线，制作分辨率较低的显示屏。工艺流程如图4a所示。n厚膜印刷是丝印技术将各种浆料印在玻璃板上，要求制成屏后放气少，否则残留气体将影响寿命和可靠性。n薄膜工艺的加
9、工精度高，线宽可达30um，但生产成本也高。该工艺中二层导电物(引线和阳极)均为铝膜，第一层铝可借助光刻技术使光刻胶形成引线的图案，再用磷酸、硝酸和醋酸的混合液使铝膜也腐蚀成引线图案，铝膜的光刻主要根据下列反应：n硝酸用于降低磷酸的粘度，有利于微小的氢气泡从基板表面析出，提高蚀刻质量。绝缘层有A1203和Si02的双层结构，前一层由引线的铝膜有控制地经阳极氧化处理而成，双层结构可防止绝缘层的微小缺陷而报废整个基板。n栅网一般用薄金属片蚀刻成六角网状。栅极有三种组装结构:n(1)用金属框引出的普通结构;n(2)栅框固定在阳极基板上的“岛栅”结构;n(3)最近由日本的则武(Noritake)公司开
10、发的“肋栅(rib-grid)”结构。n第一种方法比较简单，第二种方法可用于比较复杂的复合显示屏中，第三种方法比较灵活，无栅网的变形问题，可用于大型显示和高亮度显示。肋栅VFD结构视图在通电加热后，阴极发射出热电子。肋栅加上正电位后吸引热电子。一部分电子被栅极所吸收，另一部分则通过肋栅轰击阳极表面的低压荧光粉发光。当肋栅上施加负电位则阻止电子的通过，此时荧光粉不发光。n阴极为直热式氧化物阴极，涂粉后的直径1535um，每隔2-4mm一根，用薄不锈钢片作弹簧固定，可补偿阴极热胀冷缩变化，每厘米长阴极发射电流Ip-p约为1-20mA。n作为外壳的一部分的盖板玻璃的内侧有一层透明导电膜(SnO2或I
11、TO)与阴极相连，起屏蔽作用，消除外部电场对器件的影响。nVFD是一种电真空器件，为降低成本，所用的玻璃一般为窗玻璃，用低熔点玻璃封接。n图4b为组装和烧结的工艺流程图，其排气、阴极激活和老炼等与电子管的工艺很接近。n7 工作特性n不同于其它平板显示器的是VFD有阴极、栅极和阳极。熟悉的用户可以充分利用各电极的作用，使显示屏处于最佳工作状态；而不熟悉的人可能会觉得它使用很不方便。由于VFD的产品繁多，不可能在此一一说明，下面只介绍其共同的特点。n7.1 驱动方式nVFD的驱动通常有静态方式和动态扫描方式二种。前一种方式用于显示位数少的数码和符号显示，后一种用于显示内容多的数码屏、复合显示和矩阵
12、显示屏中。n静态驱动屏的栅极由一根引线引出，加一直流正电压，所有的笔段和符号都各有一个阳极引线，每一引线有一个驱动电路；这种方法原理简单，但驱动电路多，成本高。n动态扫描的数码屏和复合显示中，每一位数字或一个符号群有一个栅极，每个栅极对应数码的笔段或符号的阳极连在一起，各栅极分时间加扫描脉冲电压，阳极加笔段和符号的发光信息。简单矩阵屏中，栅极和阳极均为条状，分别对X和Y方向选址。n大多数录像机和VCD等显示屏的驱动电路是同整机的电路一体化的，而点矩阵VFD有其专用的集成电路。VFD的品种越来越多，每一种结构都有自己的特点，驱动方法和驱动电路也各不相同。n7.2 阴极特性n直热式氧化物阴极可用直
13、流(限于位数少、阴极短的屏)、交流和脉冲驱动，阴极温度的高低对发光亮度和器件的寿命有极大的影响，因而灯丝加热电压需稳压。一般阴极表面稳定为650，而象时钟显示屏的温度可低于600以延长寿命，但太低的温度会降低亮度和破坏显示效果。加热电压的有效值要根据使用要求确定，误差不应超过标准值的士10%。n图5为NEC公司给出的寿命与阴极温度关系，显示屏为作时钟用的数码管。n7.3 阳、栅极特性n在数码和复合的VFD中，阳极和栅极的开通电压是相同的，而且一个发光点或笔段只有在其对应的栅极和阳极同时开通才发光。在荧光粉没有温度碎灭发生时，亮度与阳极电压呈5/2次方的关系。n图6为栅极电流、阳极电流和亮度与阳
14、极电压关系。n图7为几种不同发光颜色的低压荧光粉亮度随阳极电压的变化。n8 VFD的新发展n借助于技术的进步和市场的开拓，开发了多种VFD的新品种，亮度、分辨率等性能也不断地提高。进一步缩小体积、减小功耗、降低成本和提高分辨率、实现多色化是研究和开发人员的长期目标。n8.1 有关新技术nVFD制造、相关材料及零件制作中的新技术、新工艺决定了新器件的开发。最近与其有关的新技术和工艺包括下面几点：n1.薄膜光刻技术：绝缘层、发光层的丝印工艺，用曝光法得到高精度的图案。n2.栅极支撑技术：岛栅工艺使栅极的固定框面积缩小，并省去通向玻壳外的引脚，减小栅极功耗，并可用于比较复杂的显示图案。最近发明的肋栅
15、(rib-grid)技术，完全省去了栅极边框，直接在阳极基板上印一网状、约100um厚的绝缘层肋墙，把栅网印在肋墙上，无栅网的变形问题，可获得大发光面和高亮度的显示，并可减小字符间的尺寸。n3.CIG(Chip In Glass)技术，可减少器件的外部引线，以利用户使用。n4.无排气管技术：排气管是VFD最脆弱的部分，很容易破损，一般需要特别注意，无排气管VFD可避免这种损伤。n5.发光材料研究：开发替代硫化物系列荧光粉的低压高可靠性材料。n8.2 新器件的开发n在图表显示用的矩阵显示屏中，开发了字高1.5英寸的160X16点阵和1英寸字高的256X16点阵的大型信息显示屏。Noritake公
16、司采用肋栅技术，制作的显示面为510mmX100mm点矩阵屏，号称目前世界最大；而该公司今年推出的MW25632C型VFD，256X32点阵，可显示16大2个汉字，字高5.4mm，亮度3000cd/m2，耗电仅1.2W，荧光粉印在内藏的驱动集成电路上，因而亦称CLVFD(Chip Lighting VFD)。n双叶公司开发了100mmx270mm的大型汽车仪表盘显示屏，内容除数字符号外，还包括模拟指针的速度、转速、温度和油量的显示。这样大面积的显示屏需要解决玻璃外壳的抗大气压力和大面积栅极的热胀冷缩问题。平视显示用的VFD把显示内容投射在汽车挡风玻璃上，让驾驶员不用低头就能看到数据结果，这类显
17、示器件的亮度可达13000cd/m2，进一步的目标是 20000cd/m2以上。n矩阵显示屏已有320X240点阵，64级灰度的显示组件问世，但驱动的电路仍需进一步开发。从1978年开始报道的VFD平板电视，虽经不断改进，但由于难以解决高分辨率下的彩色化、低功耗以及驱动电路方面的问题，无法与液晶显示器竞争，在相当长的一段时间内作小画面平板电视上实用的可能性不大。n吸收了CRT的技术，用VFD结构开发了多种的像素管，可用于大屏幕的显示系统，目前日本的索尼和三菱都有产品。n我国杭州大学也开发了室内彩色荧光像素管，发光点密度为15 625点/m2，每一像素由二绿、一红和一蓝点组成。n发光材料一般为红
18、色：Y2O2S:Eu，YZO3:Eu，绿色：ZnS:Cu，AI，Y3(AI，Ga)5O12:Tb，蓝色：ZnS，Ag，AI。n它可以实现同彩电一样的三基色，视角大；进一步要解决的是提高可靠性、寿命等问题。n9 结束语n与LCD，PDP，LED等相比，人们认为近几年来VFD发展缓慢。n一方面是因为在其致命缺点上的突破比较少，新领域开拓的范围不大。n另一方面有时把VFD归于平板CRT中，没有产量和销售统计方面单独体现。n事实上VFD在平板显示市场中一直占第二位。nVFD发明于日本，目前的技术也主要集中在日本的伊势(ISE)、则武(Noritake)、双叶(Futaba)和日本电气公司(NEC)，但
19、在其它的亚洲国家和地区也有几家生产厂。n我国浙江真空电子有限公司从NEC引进了一条生产线的关键设备和技术，通过国内设备的配套和开发，经过一年多的消化吸收，目前已自行开发出了几十个品种，产品质量接近日本同类产品，年产量可达300万片，目前的产品主要用于VCD和电子秤等。n这条线建成和蓬勃发展，将为我国家用电器等电子产品上一新的台阶提供了有力的保证。nVFD作为一种比较成功的平板显示器，n其市场在稳步增长。特别是近年来国内视频机制造行业的兴起，推动了国内VFD广泛应用，也促进了VFD在其它领域的应用。同时VFD自身的不断创新，也给各应用领域创造了良好的环境。n思考题:n1、为什么人们会把VFD归为CRT显示器类？n2、VFD工作原理及其结构。