ПАССИВНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

В эту группу входят три вида пассивных индикаторов: жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), электрохромные и электрофоретические индикаторы (ЭХИ и ЭФИ). Последние два, в свою очередь, входят в состав электрохимических пассивных индикаторов.

1.Жидкокристаллические индикаторы

Принцип действия жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на изменении оптических свойств жидких кристаллов под действием электрического поля. В отличие от активных индикаторов ЖКИ не генерируют оптическое излучение, а модулируют его интенсивность за счет изменения таких характеристик, как амплитуда, фаза, длина волны, плоскость поляризации и направление распространения.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет.

Жидкокристаллическое или мезоморфное состояние - это состояние вещества, при котором оно обладает свойствами, присущими как твердым кристаллам, так и жидкостям.

Ж

Рис.1

– это анизотропные жидкости, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. В ЖК наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества: - динамическое рассеяние(ДР), а также с поворотом молекул в электрическом поле - твист-эффект (ТЭ) и эффект гость - хозяин (Г-Х).

Конструкции ЖКИ

Конструктивные схемы ЖКИ показаны на Рис.1.

Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых (Рис.1.а) обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых: (Рис.1.б) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала. Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).

К

Рис.3

онфигурация электродов индикатора определяется либо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму (Рис.2), образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света.

В ЖКИ, работающем на основе ДР, при приложении электрического поля напряжённостью около 5 кВ/см (примерно 30 В - к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компаунды и т.д. (Рис.3).

---

Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят (Рис.4); тогда на черном фоне возникает белое изображение.

В

Рис.4

ЖКИ с использованием ТЭ, работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих к ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях; в промежуточных слоях осуществляется постепенный поворот направлений ориентации. В отсутствие электрического поля длинные оси молекул ЖК плавно поворачиваются на 90⁰, так что оси поляризации правой и левой плоскостей кристалла оказываются расположенными под прямым углом. В этом случае свет, проходящий через поляризатор, падает на ЖК слой и, поворачиваясь на 90⁰ за счёт расположения молекул ЖК, достигает второго поляризатора. Т.о. оба поляризатора оказываются прозрачными для падающего света; свет проходит через индикатор. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, плоскость поляризации света, проходящего через индикатор, не вращается и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном сером фоне отображаются темные знаки.

В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускает при подаче напряжения.

В индикаторах на эффекте Г-Х тонкий слой ЖК - «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя» (красителя). Слой ЖК - хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску: под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-Х хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте. Для повышения механической прочности и влагостойкости ЖКИ используют специальные защитные конструкции.

Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах, индикаторах для переносных радиоприемников, магнитофонов, автомобильных индикаторных устройствах и т. п.

В

Рис.5

жидкокристаллических индикаторах, предназначенных для работы в условиях низкой освещенности (менее 35 кд/м²), применяют подсветку.

Основные параметры ЖКИ:

1. Контрастность К и пропускание - это отношение интенсивности света, выходящего из ЖК ячейки в исходном состоянии, к интенсивности света в возбужденном состоянии ЖК ячейки называется пропусканием, если наблюдение ведется в направлении навстречу входящему лучу и контрастностью во всех других случаях.

2. Пороговое напряжение Unop и управляющее напряжение Uynp. Эти значения напряжений определяются по коэффициенту рассеяния света в ячейке (Кр). Зависимость коэффициента рассеяния света от напряжения, приложенного к электродам ячейки, показана на Рис.5. Пороговое напряжение Unop соответствует значению Кр=0,05. Управляющее напряжение Uупр - значению Кр=0,5. Значение Uпор для индикатора, использующего эффект ДР, увеличиваться на низких и высоких частотах (индикатор становится менее эффективным). Индикаторы на основе ТЭ обычно используют на частотах 1...10 кГц. В справочных данных индикаторов указывают рекомендуемую частоту управляющего напряжения.

3. Время включения (реакции) Твкл – это время, в течение которого контрастность достигает 90% установившегося значения.

4. Время выключения (релаксации) Твыкл – это время уменьшения контрастности от 90 до 10% установившегося значения.

5. Долговечность. В процессе эксплуатации ЖКИ изменяется внешний вид информационных полей, что проявляется как ухудшение и исчезновение контраста между активными и пассивными зонами, увеличивается время реакции. Изменения внешнего вида и времени реакции является следствием электрохимических явлений на границе жидкокристаллического вещества (ЖКВ) - поверхность подложки. Скорость деградационных процессов в основном определяется постоянной составляющей напряжения возбуждения, предельно допустимое значение которого указывается в справочных данных. Наличие постоянной составляющей приводит к электролизу ЖКВ, в результате которого возникает газовыделение в объёме ЖКВ, образуются пузырьки газов, визуально воспринимаемые как чёрные точки. Электроды индикатора (проводящие плёнки) теряют свою прозрачность, и сегменты становятся видимыми в отсутствие напряжения возбуждения. В результате старения нарушается ориентация молекул ЖКВ и растет ток, потребляемый индикатором. Ток также может расти за счет проникновения влаги через слой герметика. Влага разрушает ЖКВ.

---

При эксплуатации ЖКИ в условиях низкой температуры отдельные компоненты ЖКВ могут кристаллизоваться. Чередование замораживания и размораживания ЖКВ может привести к образованию воздушных пузырьков, которые выглядят как черные точки.

Достоинства ЖКИ:

1. малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист - эффекта удельная мощность потребления единицы мкВт/см²);

2. низкие рабочие напряжения (1,5...5 В);

3. хорошая совместимость с КМОП - микросхемами;

4. удобное конструктивное исполнение - плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);

5. возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;

6. большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).

Основные недостатки:

1. сравнительно низкое быстродействие;

2. ограниченный угол обзора;

3. необходимость внешнего освещения.

Электрохимические пассивные индикаторы.

В электрохимических индикаторах носителями зарядов являются ионы в жидких и реже в твёрдых электролитах, что позволяет реализовать характеристики, трудно достижимые или практически не достижимые в приборах, основанных на других физических явлениях.

Электрохимические индикаторы позволяют создавать малогабаритные устройства для отображения информации о различных процессах с низкими уровнями сигналов, низкими частотами полезных сигналов, с обеспечением возможности быстрого считывания в широком угле наблюдения и расширенным интервалом рабочих температур. Обеспечивают высокую функциональную плотность, возможность самовосстановления при электрических пробоях и других видах отказов (благодаря молекулярной подвижности среды-носителя), что обеспечивает высокую потенциальную надёжность приборов.

Возможно построение различных, принципиально отличающихся друг от друга устройств с широким спектром разнообразных характеристик.

В данном разделе нами будут рассмотрены два вида электрохимических индикаторов: электрохромные и электрофоретические.

Электрохромные индикаторы (ЭХИ)

В ЭХИ используется явление изменения цвета под действием приложенного электрического поля. В настоящее время разработаны ЭХИ на основе реакции восстановления металлических окислов WO₃ и реакции восстановления органических соединений - виологенов (компаундов и других соединений) на поверхности электродов. Конструктивное исполнение электрохромных индикаторов во многом подобно конструктивному исполнению электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ).

Электрохромные индикаторы на основе растворов органических веществ

В ЭХИ на основе растворов органических веществ используются электрохимические реакции, сопровождающиеся образованием интенсивно окрашенных ион-радикалов. У таких индикаторов бесцветная и окрашенная формы рабочего вещества всегда находятся в растворе между электродами. Следовательно, они не обладают “памятью”, так как в них окрашенное вещество растворяется в электролите так же хорошо, как и неокрашенное. В таких индикаторах обычно оба электрода бывают прозрачными, и процесс окрашивания происходит как на аноде, так и на катоде, что значительно уменьшает время записи. Вещества, окрасившиеся на аноде и катоде в результате обратимого электрохимического окисления и восстановления, диффундируют в глубь раствора, где при встрече обмениваются не спаренными электронами, возвращаются в исходное бесцветное состояние и снова диффундируют к электродам Рис.6.

---

Твёрдотельные электрохромные индикаторы

В

Рис.6

настоящее время известны два типа твёрдотельных ЭХИ - «влажные» и на основе твёрдых электролитов.

Конструктивно «влажные» ЭХИ представляют собой прозрачную стеклянную пластинку, на которую напылены прозрачные слои в следующей последовательности: стекло - проводящее покрытие из окиси индия - первый электрохромный слой (гидроокись никеля) - пористый твёрдый электролит, содержащий адсорбированную воду - второй электрохромный слой (трех окись вольфрама) - токопроводящее покрытие из окиси индия. Общая толщина напылённых слоёв составляет 1-1,5 мкм. При подаче на электроды постоянного напряжения слой трех окиси вольфрама окрашивается в голубой цвет, а гидроокись никеля - в чёрный. При перемене полярности электродов окраска исчезает.

Характеристики данного типа электрохромных индикаторов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Значение
Время записи, с	0,1
Время стирания, с	0,05
Потребление электричества за цикл срабатывания, мКл/см2	8
Исходное светоиспускание, %	85
Светоиспускание в окрашенном состоянии, %	15
Рабочее напряжение, В	1,4
Память, ч	12
Срок службы в циклах срабатывания	5·107

Основным недостатком « влажных » индикаторов является тот факт, что они теряют воду при низкой влажности окружающего воздуха или в вакууме и перестают переключаться. Помещённые во влажную атмосферу, они снова восстанавливают свою работоспособность.

Индикаторы на основе твёрдых электролитов представляют собой две параллельно склеенные пластины с прозрачным проводящим покрытием из SnO₂ на обращённых друг к другу сторонах. На электродах выращиваются плёнки окиси иридия толщиной около 0,15 мкм. Между электродами помещается слой твёрдого непрозрачного электролита - нафиона толщиной 250 мкм. Этот электролит является полимерным материалом с ионной проводимостью. Обычно он прозрачный, но подвергнутый специальной обработке становится непрозрачным. Одной из плёнок окиси иридия перед началом работы индикатора сообщается заряд, т.е. она окрашивается. Изменение окраски индикатора в процессе работы от бледно-голубого до тёмно-синего и обратно происходит примерно за 1с, что объясняется недостаточно плотным контактом плёнок с электролитом.

Наилучшими рабочими характеристиками обладают ЭХИ на основе окиси иридия и WO₃, причем последние обладают памятью.

Энергетические характеристики ЭХИ на основе твёрдых электролитов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	Значение
Минимальный заряд, требующийся для окрашивания ЭХИ на WO3	4 мКл/см2
Минимальный заряд, требующийся для окрашивания ЭХИ на виологенах	2 мКл/см2
Потребляемая мощность при напряжении 1В для ЭХИ на WO3	4 мДж/см2
Потребляемая мощность при напряжении 1В для ЭХИ на виологенах	2 мДж/см2
Рассеиваемая мощность для сигнала с частотой 1 Гц и скважностью 2	2 ÷ 8 мВт/см2

---

Достоинства ЭХИ: малая потребляемая мощность, широкий диапазон рабочих температур, малые рабочие напряжения (~1 В), большая контрастность, не зависящая от угла зрения. Кроме того, некоторые органические вещества способны окрашиваться в 2-3 цвета в зависимости от полярности и приложенного к электродам напряжения.

Недостатки ЭХИ: небольшой выбор цветов, большие времена реакции и релаксации, относительно малый срок службы.

Электрофоретические индикаторы (ЭФИ)

Принцип действия электрофоретических индикаторов основан на явлении электрофореза. В результате электрофореза изменяется коэффициент отражения и цвет рабочего вещества. Обычно такой коллоидный раствор состоит из четырех компонент: пигмента – мелкодисперсных белых частиц (TiO₂, BaSO₄, MgSO₄ и т. п.), полимера с длиной молекулы 5-50 нМ, неводного высококипящего растворителя или суспензионной жидкости (дибутилфталат, различные масла) и органического красителя, придающего раствору интенсивную окраску. Пигмент в чистых органических растворителях не растворим, но при добавлении в раствор полимера и перемешивании молекулы полимера адсорбируются на частицах пигмента и сообщают им заряд, что препятствует слипанию частиц и выпадению их в осадок.

Типичные параметры элемента ЭФИ толщиной 50 мкм приведены в таблице 3. Увеличение температуры приводит к возрастанию рассеиваемой мощности.

Таблица 3

Параметр	Значение
Время перемещения пигментных частиц	100 мс
Напряжение	30 В
Плотность тока	1 мкА/см2
Потребляемая мощность	<12 мкВт/см2
Диапазон температур	-15...+500 С
Ресурс работы	108 циклов

Работа электрофоретических индикаторов (ЭФИ) основана на миграции заряженных пигментных частиц в суспензии, которая заключена между парой электродов, один из которых прозрачен. Толщина слоя суспензии составляет 10-100 мкм. При приложении к электродам постоянного напряжения заряженные частицы пигмента перемещаются к электроду с потенциалом противоположного знака, прилипают к нему и образуют белое изображение па тёмном фоне. Цвет фона определяется красителем. При изменении полярности частицы пигмента перемещаются к противоэлектроду, в результате чего рабочий электрод приобретает окраску окружающего фона.

П

Рис.7

усть цвет положительно заряженных частиц (Рис.7) белый, а цвет суспензионной жидкости черный. В этом случае, когда к электродам прикладывается электрическое напряжение, прозрачный электрод заряжен отрицательно и белые пигментные частицы вследствие электрофореза движутся к прозрачному электроду, в результате эта часть электрода становится окрашенной в белый цвет. Цвет другой части индикатора черный, если прозрачный электрод заряжен положительно и белые пигментные частицы за счет сил отталкивания перемещаются от прозрачного электрода, то они скрываются за слоем черной суспензионной жидкости. При этом наблюдатель видит черно-белое изображение с высоким контрастом и широким углом обзора.

---

Смотрите также файлы

• LEX15.doc

• Obr_pic.doc

• ISTOR FILOSOF-1.doc

• Анализ философии Нового религиозного сознания-1.doc

• Вопросы к экзамену Истор филос-1.doc