真空熒光顯示技術第七章VFD（VacuumFluorescentDisplay）——真空熒光顯示屏是20世紀60年頭獨創的一種自發光平板顯示器，由于其特有的高亮度、廣視角、耐環境等優點，在顯示器家族中獨樹一幟，常被用作人機對話的終端顯示器。真空熒光顯示屏(vacuumfluorescentdisplay簡稱VFD)是從真空電子管發展而來的顯示器件，它由陰極、柵極和表面涂有熒光粉的陽極構成，全部的零件置于密封的真空玻璃容器內。真空熒光顯示器是基于低能陰極射線發光的一種平板顯示器件，也是唯一已形成產業化的平板CRT，已大量地用于家用電器、汽車、收款機等以綠色或多色作數碼、符號、字母、漢字和圖表顯示。1VFD基本結構及原理典型VFD基本結構如圖1所示，它是由一組陰極(燈絲)、一層柵網和陽極構成電子三極管，由玻璃外殼密封抽真空而成。工作原理如圖2所示。燈絲是在很細的鎢絲外包三元碳酸鹽的氧化物，再以適當的張力安裝在燈絲支架與固定支架上，兩端加上規定的燈絲電壓，使燈絲溫度達到600℃左右而放射熱電子。1柵極是在不阻礙顯示的原則下，將象不銹鋼此類的金屬薄片通過光刻蝕加工而成的金屬網柵干脆固定在基板上(島柵型)或安裝在固定引線框上(陣列型)，加上正電位，可加速引導并擴散來自燈絲所放射的熱電子，使其轟擊陽極；反之如加上負電位，則能阻擋射向陽極電子。陽極是指在印有顯示圖形的熒光粉在其加上正電位后，經柵極加速、擴散的電子將會轟擊熒光粉使其發光。每個VFD器件一般都有幾個柵極和陽極，在數碼管中每一位數字一個柵極，每位數字一般有七個陽極(對應七個筆段)，也有九個陽極(另加小數點和游標)。工作時柵極上按依次加掃描脈沖，陽極上加發光的筆段信號。只有一個發光點或一個筆段所對應的陽極和柵極同時都加正脈沖電壓(開通電壓)時，該點或筆段才能發光。發光亮度L與陽極電壓Ub、陽極電流密度Ib、發光效率η有如下關系陰極供應電子的實力和熒光粉的發光效率是影響器件性能的兩個重要因素。利用不同色調的熒光粉，可實現從紅色到藍色多色顯示，其中綠色熒光粉是目前最常用的熒光粉。圖3除了以上3種基本電極之外，在玻璃蓋內表面形成透亮導電膜（NESA），并且接上燈絲電位或正電位，形成靜電屏蔽層可以防止因外部的靜電影響而降低顯示品質。消氣劑（GETTER）是維持真空的重要零件。在排氣工程的最終階段，可利用高頻產生的渦流損耗對消氣劑加熱，在玻璃蓋的內表面形成鋇的蒸發膜，可用來進一步吸取管內的殘留氣體（GAS）。2VFD家族豐富多彩VFD自1967年獨創以來，技術不斷創新。現在產品由當時用作數碼顯示的數碼管發展到平板多位顯示屏、顏色由單一的綠色發展到多色。特殊是在吸取半導體加工技術后使得VFD家族更加豐富多彩。按運用要求不同可將VFD按電極結構、顯示形式、驅動方式來分類，如表1所示。還可按生產加工方式的不同來分類，如表2所示。

以上分類可依據不同的運用要求予以不同的組合。產品結構VFD依據結構一般可分為2極管和3極管兩種；依據顯示內容可分為：數字顯示、字符顯示、圖案顯示、點陣顯示；依據驅動方式可分為：靜態驅動（直流）和動態驅動（脈沖）。3產品特點自發光，顯示清晰簡潔實現多色顯示圖形設計自由度大工作電壓比較低牢靠性高（環境適應性好）4應用領域由于它可以做多色調顯示，亮度高，又可以用低電壓來驅動，易與集成電路配套，所以被廣泛應用在如下領域：汽車VFD面板家電VFD面板音響、VTRVFD面板事務機用VFD面板計量儀器用VFD面板通信設備用VFD面板5產品現狀VFD以發光亮度高、多色顯示簡潔、顯示圖案靈敏、視角大、牢靠性高和壽命長的優點被用戶廣為接受。目前的市場在LCD之后，占平板顯示器件的其次位，近幾年的銷售額約6.4億美元。其產品主要有下列六種：(1)數碼顯示，用于數字鐘、電子秤等；(2)固定圖形顯示，用于游戲機、儀表等；(3)條圖顯示，如音響、液位顯示，較常見的是高級音響的電平指示；(4)文字顯示，點矩陣形式，用于儀器儀表，如電子收款機的數字和字符顯示；(5)圖表顯示，X一Y矩陣，可作圖表、圖像顯示；(6)復合顯示，由固定的圖形和筆段數碼或點矩陣組成，最常見的有錄像機、影碟機、VCD等家用電器的顯示屏。表2為目前VFD所能達到的指標。其市場分布為：家電占12%，錄像機占28%，A/V占28%，汽車占22%，其他為10%。目前，液晶顯示器(LCD)主要用于筆記本電腦及用電池供電的小型電子儀器；發光二極管(LED)用于簡潔的信號指示和用于拼接大屏幕或巨大屏幕；等離子顯示屏(PDP)則在壁掛電視的開發中異軍突起；而VFD將在家用電器和辦公室自動化儀器等對亮度、視角要求高而電源限制小的場合仍占重要地位。26VFD的制作工藝VFD制作中的一個很重要的部分是陽極基板的加工，它包括作為各電極引線的導電層、絕緣層和陽極導電層的制作，陽極的圖案與熒光粉點的圖案相同。引線和陽極之間由絕緣層隔開；而在引線的端點，絕緣層留有小孔，以使陽極與引線相連。陽極基板的加工有厚膜印刷和薄膜工藝二種。陽極基板制作時先在一塊大的玻璃板上同時制作幾個屏的圖案，在印熒光粉或組裝前切割成每一個屏所需的大小。引線的材料一般為銀漿；絕緣材料為低熔點玻璃粉，摻人金屬氧化物使其為黑色，以提高顯示的反差；陽極材料一般為石墨，它對熒光粉的附著力高，可防止振動時熒光粉掉落。各層漿料在印刷后都要烘干、高溫焙燒，厚膜工藝可加工線寬和間隔分別不小于100um的引線，制作辨別率較低的顯示屏。工藝流程如圖4a所示。

厚膜印刷是絲印技術將各種漿料印在玻璃板上，要求制成屏后放氣少，否則殘留氣體將影響壽命和牢靠性。薄膜工藝的加工精度高，線寬可達30um，但生產成本也高。該工藝中二層導電物(引線和陽極)均為鋁膜，第一層鋁可借助光刻技術使光刻膠形成引線的圖案，再用磷酸、硝酸和醋酸的混合液使鋁膜也腐蝕成引線圖案，鋁膜的光刻主要依據下列反應：硝酸用于降低磷酸的粘度，有利于微小的氫氣泡從基板表面析出，提高蝕刻質量。絕緣層有A1203和Si02的雙層結構，前一層由引線的鋁膜有限制地經陽極氧化處理而成，雙層結構可防止絕緣層的微小缺陷而報廢整個基板。柵網一般用薄金屬片蝕刻成六角網狀。柵極有三種組裝結構:(1)用金屬框引出的一般結構;(2)柵框固定在陽極基板上的“島柵”結構;(3)最近由日本的則武(Noritake)公司開發的“肋柵(rib-grid)”結構。第一種方法比較簡潔，其次種方法可用于比較困難的復合顯示屏中，第三種方法比較靈敏，無柵網的變形問題，可用于大型顯示和高亮度顯示。肋柵VFD結構視圖在通電加熱后，陰極放射出熱電子。肋柵加上正電位后吸引熱電子。一部分電子被柵極所吸取，另一部分則通過肋柵轟擊陽極表面的低壓熒光粉發光。當肋柵上施加負電位則阻擋電子的通過，此時熒光粉不發光。陰極為直熱式氧化物陰極，涂粉后的直徑15~35um，每隔2-4mm一根，用薄不銹鋼片作彈簧固定，可補償陰極熱脹冷縮變更，每厘米長陰極放射電流Ip-p約為1-20mA。作為外殼的一部分的蓋板玻璃的內側有一層透亮導電膜(SnO2或ITO)與陰極相連，起屏蔽作用，消退外部電場對器件的影響。VFD是一種電真空器件，為降低成本，所用的玻璃一般為窗玻璃，用低熔點玻璃封接。圖4b為組裝和燒結的工藝流程圖，其排氣、陰極激活和老煉等與電子管的工藝很接近。7工作特性不同于其它平板顯示器的是VFD有陰極、柵極和陽極。熟悉的用戶可以充分利用各電極的作用，使顯示屏處于最佳工作狀態；而不熟悉的人可能會覺得它運用很不便利。由于VFD的產品繁多，不行能在此一一說明，下面只介紹其共同的特點。7.1驅動方式VFD的驅動通常有靜態方式和動態掃描方式二種。前一種方式用于顯示位數少的數碼和符號顯示，后一種用于顯示內容多的數碼屏、復合顯示和矩陣顯示屏中。靜態驅動屏的柵極由一根引線引出，加始終流正電壓，全部的筆段和符號都各有一個陽極引線，每一引線有一個驅動電路；這種方法原理簡潔，但驅動電路多，成本高。動態掃描的數碼屏和復合顯示中，每一位數字或一個符號群有一個柵極，每個柵極對應數碼的筆段或符號的陽極連在一起，各柵極分時間加掃描脈沖電壓，陽極加筆段和符號的發光信息。簡潔矩陣屏中，柵極和陽極均為條狀，分別對X和Y方向選址。大多數錄像機和VCD等顯示屏的驅動電路是同整機的電路一體化的，而點矩陣VFD有其專用的集成電路。VFD的品種越來越多，每一種結構都有自己的特點，驅動方法和驅動電路也各不相同。7.2陰極特性直熱式氧化物陰極可用直流(限于位數少、陰極短的屏)、溝通和脈沖驅動，陰極溫度的凹凸對發光亮度和器件的壽命有極大的影響，因而燈絲加熱電壓需穩壓。一般陰極表面穩定為650℃，而象時鐘顯示屏的溫度可低于600℃以延長壽命，但太低的溫度會降低亮度和破壞顯示效果。加熱電壓的有效值要依據運用要求確定，誤差不應超過標準值的士10%。圖5為NEC公司給出的壽命與陰極溫度關系，顯示屏為作時鐘用的數碼管。7.3陽、柵極特性在數碼和復合的VFD中，陽極和柵極的開通電壓是相同的，而且一個發光點或筆段只有在其對應的柵極和陽極同時開通才發光。在熒光粉沒有溫度碎滅發生時，亮度與陽極電壓呈5/2次方的關系。圖6為柵極電流、陽極電流和亮度與陽極電壓關系。圖7為幾種不同發光顏色的低壓熒光粉亮度隨陽極電壓的變更。8VFD的新發展借助于技術的進步和市場的開拓，開發了多種VFD的新品種，亮度、辨別率等性能也不斷地提高。進一步縮小體積、減小功耗、降低成本和提高辨別率、實現多色化是探討和開發人員的長期目標。8.1有關新技術VFD制造、相關材料及零件制作中的新技術、新工藝確定了新器件的開發。最近與其有關的新技術和工藝包括下面幾點：1.薄膜光刻技術：絕緣層、發光層的絲印工藝，用曝光法得到高精度的圖案。2.柵極支撐技術：島柵工藝使柵極的固定框面積縮小，并省去通向玻殼外的引腳，減小柵極功耗，并可用于比較困難的顯示圖案。最近獨創的肋柵(rib-grid)技術，完全省去了柵極邊框，干脆在陽極基板上印一網狀、約100um厚的絕緣層—肋墻，把柵網印在肋墻上，無柵網的變形問題，可獲得大發光面和高亮度的顯示，并可減小字符間的尺寸。3.CIG(ChipInGlass)技術，可削減器件的外部引線，以利用戶運用。4.無排氣管技術：排氣管是VFD最脆弱的部分，很簡潔破損，一般須要特殊留意，無排氣管VFD可避開這種損傷。5.發光材料探討：開發替代硫化物系列熒光粉的低壓高牢靠性材料。8.2新器件的開發在圖表顯示用的矩陣顯示屏中，開發了字高1.5英寸的160X16點陣和1英寸字高的256X16點陣的大型信息顯示屏。Noritake公司接受肋柵技術，制作的顯示面為510mmX100mm點矩陣屏，號稱目前世界最大；而該公司今年推出的MW25632C型VFD，256X32點陣，可顯示16大2個漢字，字高5.4mm，亮度3000cd/m2，耗電僅1.2W，熒光粉印在內藏的驅動集成電路上，因而亦稱CLVFD(ChipLightingVFD)。雙葉公司開發了100mmx270mm的大型汽車儀表盤顯示屏，內容除數字符號外，還包括模擬指針的速度、轉速、溫度和油量的顯示。這樣大面積的顯示屏須要解決玻璃外殼的抗大氣壓力和大面積柵極的熱脹冷縮問題。平視顯示用的VFD把顯示內容投射在汽車擋風玻璃上，讓駕駛員不用低頭就能看到數據結果，這類顯示器件的亮度可達13000cd/m2，進一步的目標是20000cd/m2以上。矩陣顯示屏已有320X240點陣，64級灰度的顯示組件問世，但驅動的電路仍需進一步開發。從1978年起先報道的VFD平板電視，雖經不斷改進，但由于難以解決高辨別率下的彩色化、低功耗以及驅動電路方面的問題，無法與液晶顯示器競爭，在相當長的一段時間內作小畫面平板電視上好用的可能性不大。吸取了CRT的技術，用VFD結構開發了多種的像素管，可用于大屏幕的顯示系統，目前日本的索尼和三菱都有產品。我國杭州高校也開發了室內彩色熒光像素管，發光點密度為15625點/m2，每一像素由二綠、一紅和一藍點組成。發光材料一般為紅色：Y2O2S:Eu，YZO3:Eu，綠色：ZnS:Cu，AI，Y3(AI，Ga)5O12:Tb，藍色：ZnS，Ag，AI。它可以實現同彩電一樣的三基色，視角大；進一步要解決的是提高牢靠性、壽命等問題。9結束語與LCD，PDP，LED等相比，人們認為近幾年來VFD發展緩慢。一方面是因為在其致命缺點上的突破比較少，新領域開拓的范圍不大。另一方面有時把VFD歸于平板CRT中，沒有產量和銷售統計方面單獨體現。事實上VFD在平板顯示市場中始終占其次位。VFD獨創于日本，目前的技術也主要集中在日本的伊勢(ISE)、則武(Noritake)、雙葉(Futaba)和日本電氣公司(NEC)，但在其它的亞洲國家和地區也有幾家生產廠。我國浙江真空電子有限公司從NE