Разработка алгоритмов проектирования тонкоплёночных электролюминесцентных индикаторных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка алгоритмов проектирования тонкоплёночных электролюминесцентных индикаторных устройств

М.К. Самохвалов, О.В. Максимова



Рассмотрены вопросы автоматизации проектирования тонкоплёночных электролюминесцентных индикаторных устройств. Представлены принципы, аспекты, средства построения САПР тонкоплёночных электролюминесцентных индикаторов и их структура.



Создание современных систем автоматизированного сбора и обработки информации привело к усовершенствованию средств отображения информации - индикаторных устройств. Усложняются функции, возлагаемые на эти устройства, повышаются требования к их электротехническим, информативным, метрологическим и конструктивным параметрам, что приводит к увеличению объема и трудоемкости процесса их проектирования. тонкоплёночный электролюминесцентный автоматизация

На основе существующих методик проектирования устройств отображения информации (прямые аналитические методы синтеза, разработаны для ряда простых типовых механизмов; эвристические методы проектирования - решение задач проектирования на уровне изобретений, например, алгоритм решения изобретательских задач; синтез методами анализа - перебор возможных решений по определенной стратегии, например, с помощью генератора случайных чисел - метод Монте-Карло с проведением сравнительного анализа по совокупности качественных и эксплуатационных показателей (часто используются методы оптимизации минимизация сформулированной разработчиком целевой функции, определяющей совокупность качественных характеристик изделия) [1-3]) был разработан типовой алгоритм проектирования индикаторных устройств (ИУ), который представлен на рис. 1.

Говоря об определении структуры и организации ИУ, следует понимать разработку конструкции ИУ исходя из их общего назначения и особенностей отображаемой информации. Эта схема позволяет определить этапы, их последовательность и направления проектирования любых индикаторных устройств.

В последние годы интенсивно развиваются новые виды плоских индикаторных устройств. К одним из наиболее перспективных направлений в области их развития относятся тонкоплёночные электролюминесцентные индикаторы (далее ТПЭЛИ). Основной причиной успеха является простота изготовления ТПЭЛИ по сравнению с другими типами плоских индикаторов, благодаря чему может быть создано недорогое и в то же время надёжное индикаторное устройство. Электролюминесцентные индикаторы обладают уникальными сочетаниями рабочих характеристик: широким температурным диапазоном работы, малой потребляемой мощностью, высокой яркостью и светоотдачей, пространственной однородностью изображения, способностью выдерживать ударные нагрузки высоты, радиационной стойкостью. Большой угол обзора, легкость получения полутонов, быстродействие делают тонкопленочные источники излучения наиболее перспективными.

Тонкоплёночные электролюминесцентные структуры (рис. 2) типа МДЛДМ (прозрачный электрод - диэлектрик - люминофор - диэлектрик - металл) обычно состоят из пяти последовательно нанесённых на стеклянную подложку слоёв с использованием методов тонкоплёночной технологии.

В качестве люминесцентных слоёв используют сульфид цинка, легированный марганцем или фторидами редкоземельных элементов. Перспективными люминофорами показали себя сульфиды стронция и кальция, легированные фторидами редкоземельных металлов, селенид и фторид цинка, фторид кадмия, окислы кремния и др. [4].

Для создания диэлектрических плёнок в электролюминесцентных структурах применяют оксиды кремния, алюминия, иттрия и редкоземельных металлов нитрида кремния, их композиции, сегнетоэлектрические материалы [5].

Для получения непрозрачных электродов используют алюминий, индий, олово, тугоплавкие металлы. Иногда для увеличения проводимости тонких протяженных электродов в матричных панелях поверх прозрачных электродов наносят более узкие полоски металлов с более высокой электропроводностью [5].

В ходе проведённых исследовательских работ в области проектирования тонкопленочных электролюминесцентных индикаторных (ТПЭЛИ) устройств были выделены следующие этапы их проектирования:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Алгоритм проектирования индикаторных устройств

1) составление технического задания на ТПЭЛИ;

2) определение структуры и организации ТПЭЛИ;

3) определение электрических и конструктивных параметров элементов, компонующих устройство;

4) коррекция структуры и оценка спроектированного ТПЭЛИ.

Был детально рассмотрен третий этап как наиболее важный и трудоемкий. Данный этап проектирования можно разделить на следующие процессы.

1. Анализ электрических характеристик:

расчёт максимально допустимого напряжения;

расчёт порогового напряжения электролюминесцентных конденсаторов.

2. Анализ светотехнических характеристик:

расчёт яркости электролюминесцентных конденсаторов;

расчёт светоотдачи.

3. Анализ конструктивных параметров:

выбор материала;

выбор конфигурации.

Для разработки конструкции ТПЭЛИ и расчета режимов работы устройств на их основе необходимо изучение влияния конструктивных параметров индикаторного элемента на такие его характеристики, как пороговое напряжение, область безопасных для работы устройств напряжений, яркость, светоотдачу.

Учитывая, что пленка люминофора является высокоомным полупроводником (для сульфида цинка удельное сопротивление составляет (10⁹ч10¹⁰) Ом·см [6]), можно считать, что в предпороговом режиме активный ток через него не протекает и слой люминофора также является диэлектриком. Для своей работы ТПЭЛИ требуют знакопеременного напряжения, следовательно, в предпороговом режиме тонкопленочная структура представляет электролюминесцентный конденсатор, содержащий между обкладками (верхний и нижний электроды) последовательно три диэлектрических слоя [7].

Заряд на обкладках конденсатора определяется как Q=C·U, где U_д1, U_д2, U_л падение напряжения на конденсаторе.

C·U=C_д1·U_д1= C_д2·U_д2= C_л·U_л , (1)

где U_д1, U_д2, U_л падения напряжений, приходящиеся на первый, второй диэлектрические и люминесцентный слои соответственно. Следовательно, в допороговом режиме падения напряжений на отдельных слоях конденсаторной структуры распределяются обратно пропорционально емкости каждого слоя.

При достижении порога включения ТПЭЛИ заряд всей структуры и заряд слоя люминофора составят величину

Q=C·U_п=Q_л=C_пл·U_пл , (2)

где U_п пороговое напряжение включения полной структуры, U_пл падение напряжения, приходящееся на слой люминофора при достижении порога включения ТПЭЛИ.

Отсюда пороговое напряжение ТПЭЛИ связано с пороговым напряжением слоя люминофора как

(3)

С учетом того, что емкости слоев ТПЭЛИ соединены между собой последовательно, выражение (3) принимает вид



. (4)

Для того чтобы более наглядно показать зависимость порогового напряжения от конструктивных параметров конденсаторных слоев, необходимо детализировать формулу (4). Размеры электродов ТПЭЛИ много больше толщин слоев структуры, поэтому полагаем ТПЭЛИ плоским. Поле можно считать однородным и пренебречь краевыми эффектами. Тогда в формуле (4) выражаем емкости отдельных слоев C_i как емкости плоских конденсаторов , где е_i, d_i соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и толщина отдельного слоя;

(5)

В случае, когда оба диэлектрических слоя выполнены из одного и того же материала, т.е. е_д1=е_д2=е_д, выражение (5) принимает более простой вид:

, (6)

где d_д= d_д1 + d_д2 суммарная толщина диэлектрических слоев.

Значение порогового напряжения слоя люминофора определяется величиной напряженности электрического поля в люминофоре E_пл, необходимой для возникновения свободных носителей заряда, участвующих в возбуждении центров свечения: U_пл= Е_пл .d_л.

Отсюда выражение (7) запишется как

. (7)

Выражения (6), (7) ранее встречались в работах [8-10], но вывод их был менее подробным. В работе [9] выражение (6) преобразовано к виду

. (8)

Вместе с тем в этих работах не производится оценка максимально допустимого напряжение в структуре излучателя.

Падение напряжения на всей структуре ТПЭЛК рассчитывается по формуле [4]:

, (9)

где U_л и Е_л, U_д1 и Е_д1, U_д2 и Е_д2 падения напряжений и напряженности электрического поля, приходящиеся на слой люминофора, первый и второй диэлектрические слои соответственно.

В идеальном случае при превышении порога включения ТПЭЛИ падение напряжения и напряженность электрического поля в слое люминофора остаются практически постоянными и равны пороговым значениям [6].

Максимально допустимое напряжение, прикладываемое к структуре, ограничивается выражением

, (10)



где Е_пр.д1, Е_пр.д2 пробивные напряженности первого и второго диэлектрических слоев соответственно.

В случае, когда оба диэлектрических слоя выполнены из одного и того же материала, выражение (10) принимает вид

. (11)

Следовательно, повышения максимально допустимых напряжений, прикладываемых к ТПЭЛК, можно добиться за счет увеличения толщин диэлектрических и люминесцентного слоев, а также при использовании материалов с большими значениями электрических прочностей материалов люминофора и диэлектрика. С учетом того, что с увеличением E_пл, d_л и d_д одновременно будет происходить увеличение порогового напряжения, предпочтительным вариантом является увеличение U_max за счет использования диэлектриков с большими значениями Е_пр.д.

Таким образом, полученные выражения позволяют определить влияние конструктивных параметров тонкопленочного излучателя на пороговое и максимально допустимое напряжение, прикладываемое к структуре, т.е. оценить область рабочих напряжений ТПЭЛИ.

Яркость B_ср и светоотдача з относятся к числу наиболее важных характеристик источников света и зависят от условий возбуждения (амплитуды, формы и частоты питающих напряжений, температуры), от параметров слоев, входящих в состав ТПЭЛИ [6] и др.

Исследование зависимости рассеиваемой мощности от конструктивных параметров необходимо для оценки области безопасных для работы ТПЭЛИ напряжений и определения взаимосвязи мощности рассеяния со светотехническими и электрическими параметрами слоев структуры.

B_ср связана с P_ср следующим соотношением:

, (12)

где з₀ максимальная светоотдача, В₀ максимальная средняя яркость излучения:

, (13)

где F параметр, определяемый условиями возбуждения свечения, з_е эффективность светового выхода, равная отношению яркости излучение ТП ЭЛК к числу фотонов, возникающих в пленке люминофора в единицу времени, ф_r - постоянная времени для излучательных переходов, соответствующая основной (рабочей) длине волны, N - концентрация центров свечения, d_л - толщина слоя люминофора.

, (14)

где f - частота возбуждающего напряжения U .

Следовательно, состояние максимальной яркости излучения B_ср= B₀ возможно лишь для бесконечной большой мощности, рассеиваемой в ТПЭЛИ, т.е. является практически недостижимым.

С учетом введенных обозначений

. (15)

На основе анализа математического аппарата для расчёта параметров ТПЭЛИ были сделаны следующие выводы.

1. Все определяемые величины зависят от следующих параметров:

материалов слоёв ТПЭЛИ;

толщин слоёв ТПЭЛИ.

2. Определение электрических и светотехнических параметров представляет собой разветвлённую систему решений

Алгоритм проектирования ТПЭЛИ (рис. 3) разработан исходя из вышеизложенного.

В ходе подготовки к разработке алгоритма проектирования ТПЭЛИ были рассмотрены и обобщены аспекты создания систем автоматизированного проектирования (САПР) применительно к ТПЭЛИ.

Необходимым условием решения задачи автоматизации проектирования является формализация проектных задач, т.е. возможность составления формального алгоритма проектирования [11, 12].

Были определены группы задач проектирования ТПЭЛИ по способу формализации.

1. Полностью формализуемые задачи. Выполняются в автоматическом режиме. Сюда были включены расчёт электрических и светотехнических параметров ТПЭЛИ, а также определение толщин слоёв.

2. Неформализуемые задачи (задачи творческого характера, выбор принципов построения чего-либо). Выполняются инженерными методами без обязательного применения информационно-вычислительной техники. Для ТПЭЛИ такой задачей является подбор оптимальных соотношений параметров проводящих, люминесцентных и диэлектрических слоёв.

3. Частично формализуемые задачи (многочисленная группа) параметрический и структурный синтез. Выполняются в автоматизированном режиме. В данном случае это выбор материалов слоёв ТПЭЛИ.

В ходе исследования принципов построения САПР [12, 13] были сформулированы следующие требования к этим системам.

1. Системное единство - связи между подсистемами должны обеспечивать целостность системы. Система представляет собой базу данных для выбора материалов слоёв, модуль математического расчёта параметров ТПЭЛИ и управляющий модуль взаимодействия.

2. Развитие - САПР должны создаваться с учётом пополнения, совершенствования и обновления. Имеется в виду пополняемая база данных материалов слоёв ТПЭЛИ.

3. Информационное единство - использование единых условных обозначений, терминов, символов, языков, способов представления информации. САПР ТПЭЛИ должна соответствовать принятым стандартам представления данных в проектировании.

4. Совместимость - совместное функционирование подсистем при сохранении открытости структур, т.е. возможность модификации программного кода.

Р и с. 3. Алгоритм проектирования ТПЭЛИ

Описание задачи автоматизированного проектирования ТПЭЛИ включает в себя следующую информацию:

1) описание рассчитываемых параметров (выходных) - тип параметра, условия расчета; сюда включаются электротехнические параметры - пороговое напряжение U_п, максимально допустимое рабочее напряжение U_max и светотехнические параметры ТПЭЛИ - яркость B, светоотдача з;

2) описание условий анализа параметров - тип варьируемых внутренних параметров, шаг и диапазон изменения; сюда включаются: параметр, определяемый условиями возбуждения свечения F, частота возбуждающего напряжения f , средняя мощность, рассеиваемая в слое люминофора, P_ср; максимально достижимая величина светоотдачи з_0, напряженность электрического поля в люминофоре E_пл ; максимальная средняя яркость излучения В₀ ; эффективность светового выхода з_е; постоянная времени для излучательных переходов ф_r; концентрация центров свечения N;

3) описание условий оптимизации параметров - сведения о варьируемых параметрах, выходных оптимизируемых параметрах, ограничениях, критериях оптимизации; для ТПЭЛИ условием оптимизации является минимизация порогового напряжения U_п ;

4) описание алгоритмов расчёта, анализа и оптимизации - типы алгоритмов и параметры, определяющие их скорость, точность и надёжность, маршруты проектирования. По результатам анализа процессов проектирования были определены три направления проектирования ТПЭЛИ:

определение U_п (исходя из условий ТЗ) > определение толщины слоёв d_i (пошаговое варьирование) > выбор материалов слоёв ТПЭЛИ (из определения диэлектрических проницаемостей слоёв е_i);

определение толщины слоёв d_i (варьируемых с определённым шагом) > выбор материалов слоёв ТПЭЛИ (удовлетворяющих условиям ТЗ) > определение U_п (с выполнением условий оптимизации);

выбор материалов слоёв ТПЭЛИ (удовлетворяющих условиям ТЗ) > определение U_п (исходя из условий ТЗ) > d_i (рассчитываемые исходя из условий технологического исполнения);

5) описание задания на вывод результатов - форма представления результатов (таблица, график, чертеж), параметры выходного документа (шаг печати, масштаб, диапазон). В разрабатываемой САПР ТПЭЛИ предполагается табличный вид представления результирующей информации.

По результатам исследования ПО для создания САПР ТПЭЛИ к ним были разработаны основные требования:

информационная согласованность (согласованность пакетов прикладных программ (ППП) САПР для совместного использования или модулей внутри ППП);

открытость ПО (открытость для модернизации, обновления, пополнения).

В рамках автоматизации проектирования ТПЭЛИ можно подразделить ПО на следующие группы.

1. Общее ПО САПР (ОПО), разрабатывается для обеспечения организации функционирования САПР и технических средств (планирование и управление вычислительным процессом и проектирование, распределение ресурсов). Это функции операционной системы (ОС). САПР ТПЭЛИ должна реализовываться в среде Windows, так как данная ОС наиболее распространена.

2. Специальное ПО САПР (СПО), реализует математическое обеспечение для непосредственных задач проектирования. Чаще всего это ППП для отдельных этапов проектирования - подсистем САПР. Для автоматизации проектирования ТПЭЛИ такой подсистемой будет являться табличный редактор Microsoft Excel.

3. Базовое программное обеспечение (БПО) - вспомогательные средства САПР (подсистемы машинной графики, системы управления базами данных (СУБД)). Хранение сведений о материалах слоёв и оперирование этими данными реализуется в СУБД Microsoft Access.

Автоматизация проектирования ТПЭЛИ реализуется CASE-средствами, так как не требует геометрического и схемотехнического моделирования.

В информационное обеспечение САПР входят, во-первых, сведения о типовых материалах ТПЭЛИ и их параметрах, а во-вторых, способы, алгоритмы и программы, предназначенные для упорядоченной записи, хранения, перемещения и извлечения этих данных.

На основе анализа моделей баз данных (БД) была выбрана реляционная модель, которая позволяет наиболее полно описать параметры материалов ТПЭЛИ и связи между ними.

В ходе исследования средств автоматизации проектирования был сделан вывод, что существующую математическую модель этапа проектирования можно реализовать двумя способами:

1) путём разработки управляющего модуля, в котором описана математическая модель. Этот модуль реализует взаимодействие различных программных продуктов, решающих узконаправленные задачи проектирования;

2) путём разработки одного программного продукта, в котором решаются все поставленные задачи автоматизируемого этапа проектирования.

С учетом анализа существующих САПР [14], а также современного рынка программного обеспечения был сделан вывод, что разработка управляющего модуля, обеспечивающего взаимодействие нескольких программных продуктов, которые позволяют осуществить автоматизацию выбора начальных условий проектирования и расчётов необходимых параметров, является наиболее перспективным и наименее трудоёмким способом. Так как при проектировании ТПЭЛИ нет основной привязки к геометрическому моделированию (конструкция ТПЭЛИ задаётся и является неизменной на протяжении всего процесса проектирования), а автоматизации подлежит расчетная часть проектирования, то её можно реализовать непосредственно в программах расчетного профиля (например, MathCAD), а информационное обеспечение процесса проектирования представить в табличном виде (например, Microsoft Excel) или в виде баз данных (например, Microsoft Access).

Приведённые данные и расчёты свидетельствуют о необходимости и возможности автоматизации процессов проектирования ТПЭЛИ. Действительно, при подробном рассмотрении структуры и расчётов параметров ТПЭЛИ отмечены неоднократно повторяющиеся действия для подбора конструктивных параметров ТПЭЛИ.

Таким образом, в результате исследований разработан алгоритм проектирования ТПЭЛИ. Для его реализации предложены два способа, один из которых может быть осуществлён на базе уже существующего программного обеспечения. Данный способ и был выбран за основу для последующих исследований.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании тонкоплёночных электролюминесцентных источников излучения и индикаторных устройств.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973. 296 с.

2. Джонс Дж. К. Методы проектирования / Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир, 1986. 326 с.

3. Дитрих Я. Проектирование и конструирование: системный подход / Пер. с польск. М.: Мир, 1981. 456 с.

4. Бригаднов И.Ю. Плёночные электролюминесцентные элементы микроэлектронных устройств: Автореф. дис. … канд. техн. наук / УлГТУ, 1995. 58 с.

5. Самохвалов М.К. Конструкции и технология тонкоплёночных электролюминесцентных индикаторов. Ульяновск: УлГТУ, 1997. 54 с.

6. Электролюминесцентные источники света / И.К. Верещагин, В.А. Ковалев, Л.А. Косяченко, С.М. Кокин; Под ред. И.К. Верещагина. М.: Энергоатомиздат, 1990. 168 с.

7. Самохвалов М.К. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения: Учеб. пособ. Ульяновск: УлГТУ, 1999. 116 с.

8. Muller G.O. Basics of electron-impact-excited luminescence devi-ces // Phys.Stat.sol (а). 1984. V.81. N 2. P. 597-608.

9. Гурин Н.Т. Взаимосвязь параметров диэлектрических слоев и порогового напряжения ТП ЭЛК // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1990. B.1 (I35). С. 88-90.

10. Howard W.E. The importance of insulator properties in a thin-film electroluminescent device // IEEE Trans. Electron Dev. 1977. V. ED-24. N 7. P. 903-906.

11. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: Высш. шк., 1983. 272 с.

12. Системы автоматизированного проектирования: Пособие в 9 кн. / Под ред. И.П. Норенкова. М.: Высш. шк., 1986.191 с.

13. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. М: Энергоатомиздат, 1987. 400 с.

14. Кошелев А.В., Рубанович М.Г., Синякин А.К., Тырышкин И.С., Хрусталев В.А. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. пособ. Новосибирск: СГГА, 2005. - http://www.ssga.ru.

Размещено на Allbest.ru

...