DE1548837B1 - Vorrichtung zur Informationsdarstellung - Google Patents

Vorrichtung zur Informationsdarstellung

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DE1548837B1
DE1548837B1 DE19661548837 DE1548837A DE1548837B1 DE 1548837 B1 DE1548837 B1 DE 1548837B1 DE 19661548837 DE19661548837 DE 19661548837 DE 1548837 A DE1548837 A DE 1548837A DE 1548837 B1 DE1548837 B1 DE 1548837B1
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thermochromic
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heating
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John Wheeler Blair
Hilton Wayne Spence
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Informationsdarstellung mit einer auf einem Substrat angebrachten Anzeigefläche, in der diskrete Flächenbereiche in beliebiger Zahl und Gruppierung zur Änderung der optischen Eigenschaften ansteuerbar sind.
Eine bekannte Vorrichtung dieser Art besitzt eine Anzeigefläche, in der diskrete Flächenelemente durch Anlegen einer Spannung in beliebiger Gruppierung derart erregbar sind, daß auf der Anzeigefläche die gewünschte Information sichtbar wird.
Das eigentliche Anzeigemedium der bekannten Vorrichtung ist ein elektrolumineszierendes Material, das beim Anlegen von Spannung Licht aussendet. Die Darstellung der Zeichen, wie Buchstaben oder Zahlen, erfolgt also durch einzelne Lichtpunkte, die zusammen das Zeichen bilden.
Der große Nachteil einer Zeichendarstellung durch selbstleuchtende Punkte ist die Schwierigkeit, mit der insbesondere bei hellem Umgebungslicht ein starker 20 dargestellt ist, Kontrast zwischen erregten und nicht erregten Licht- F i g. 6 bis 10
punkten erzeugt werden kann. Je heller das Umgebungslicht ist, desto schlechter lassen sich die durch die selbstleuchtenden Punkte dargestellten Zeichen erkennen. Fällt auf die Anzeigefläche ein direkter Lichtstrahl, dann ist das Zeichen in den meisten Fällen überhaupt nicht mehr zu sehen. Mit diesem entscheidenden Nachteil sind grundsätzlich alle Anzeigevorrichtungen behaftet, die zur Darstellung der gewünschten Zeichen selbstleuchtende Punkte verwenden.
Es ist auch bereits bekannt, thermochromes Material zur Temperaturanzeige zu verwenden. Dabei soll stets allein die Tatsache, daß ein Temperaturumschlag gezeigten Struktur auf der Schnittlinie 2-2 nach Aufbringen der thermochromen Schicht,
F i g. 3 eine bildliche Darstellung des Gerätes von F i g. 2, die das Gerät im Betrieb zeigt, wie es die Zahlen »8« und »4« darstellt,
F i g. 4 eine Oberansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine Reihe von Heizanordnungen mit einer über der Reihe angeordneten Schicht eines thermochromen Materials zeigt, wobei die Heizanordnungen in Form einer Vielzahl von Schriftzeichen angeordnet sind, so daß bei Zufuhr von Energie zu ausgewählten Anordnungen in jedem Schriftzeichen die Zahlen »1«, »2«, »3«, »4« und »5« dargestellt werden,
F i g. 5 eine Unteransicht eines Teils der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform-Anordnung, wobei die Bildung der Diode-Widerstandskombination in jeder Heizanordnung, die Leiter sowie das ausgedehnte Verbindungsleiternetz zwischen den Heizanordnungen
Schnittansichten eines Teils der in F i g. 5 gezeigten Heizanordnungen längs der Schnittlinie 6-6, wobei die aufeinanderfolgenden Herstellungsschritte der Ausführungsform von F i g. 4 dargestellt sind,
Fig. 11 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung, die izur Herstellung der Ausführungsform nach F i g. 4 verwendet wird, und
Fig. 12 ein schematischer Schaltplan, welcher als Beispiel die Arbeitsweise der Ausführungsform von F i g. 4 veranschaulicht.
Vor der Beschreibung der Herstellung des erfindungsgemäßen Gerätes soll eine Reihe von Ausdrücken definiert werden, die in der Beschreibung und den
stattgefunden hat, anzeigen, daß sich der das thermo- 35 Ansprüchen verwendet werden. Die Bezeichnung
chrome Material tragende Gegenstand auf einer bestimmten Temperatur befindet. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der Farbumschlag die Information und nicht das Mittel, mit dem beliebige Informationen dargestellt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der sich mit Hilfe des Farbumschlags von thermochromen Materialien beliebige Informationen auch bei hellerleuchteter Umgebung gut ablesbar darstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anzeigefläche in an sich bekannter Weise aus einer Schicht aus thermochromem Material besteht und daß unter jedem der Flächenbereiche eine wahlweise einschaltbare Heizanordnung angebracht ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Darstellung der Zeichen durch Punkte der Anzeigeflache, die wahlweise ihre Farbe so ändern können, daß sie sich deutlich vom Rest der Fläche unterscheiden. Das aus den Farbpunkten zusammengesetzte Zeichen ist dabei um so deutlicher zu erkennen, je heller das Umgebungslicht ist, da ja dann der stärkste Kontrast zwischen den Punkten mit geänderter Farbe und der übrigen nicht veränderten Anzeigefläche auftritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
F i g. 1 eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung vor Aufbringung der thermochromen Schicht,
F i g. 2 eine Schnittansicht eines Teils der in F i g. 1 »Vorrichtung« bezieht sich auf das Gesamtmuster der vielen einzelnen Heizanordnungen. Die Bezeichnung »Schriftzeichen« wird zur Beschreibung einzelner Gruppen von Heizanordnungen verwendet, wobei die Schriftzeichen voneinander einen Abstand aufweisen und zusammen mit ihren Abständen die »Vorrichtung« bilden.
An Hand von F i g. 1 werden nunmehr die Anfangsschritte der Herstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Informationsdarstellung beschrieben. Mehrere Dünnfilmwiderstände 3 werden selektiv in einer gewünschten Anordnung auf einem Substrat 2 aus einem Material mit hohem spezifischem Widerstand, wie z. B. Aluminiumoxyd, angeordnet. Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung bildet die Schriftzeichen 20 und 21, wobei jedes Schriftzeichen aus sieben Widerständen besteht.
Die Widerstände 3 werden aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt, beispielsweise aus Tantal oder Zinkoxyd; sie können nach üblichen Methoden, beispielsweise durch Aufspritzen oder Aufdampfen des Tantals durch eine Maske, aufgebracht werden. Wahlweise kann eine Tantalschicht hergestellt werden, die das Substrat 2 vollständig bedeckt und nach üblichen photographischen Maskierungs- und Ätzmethoden selektiv entfernt werden, um das gewünschte Muster oder die gewünschte Anordnung zu schaffen. Die sieben Widerstandsstäbe jedes Schriftzeichens können eine Größe von ungefähr 0,13 χ 1,8 mm und eine Dicke von ungefähr 0,01 mm aufweisen.
Aufgedampfte Metalleiter 4 bis 10, die beispielsweise aus Gold bestehen, stellen die Verbindung zu einem Ende jedes der Widerstände 3 des Schrift-
zeichens 20 her. Die anderen Enden der Widerstände können durch die Verbindung 11 und den Leiter 12 miteinander verbunden sein. Ein ähnliches Verbindungsleiternetz kann für das Schriftzeichen 21 hergestellt werden. Die gesamte Vorrichtung ist auf einem Wärmeableiter 1 montiert, der beispielsweise aus einem Kupferblock bestehen kann. Die Leiter sind dabei gegeneinander isoliert.
Eine Schicht 15 aus thermochromem Material wird über dem Substrat 2, der Widerstandsanordnung und den Verbindungsleitern abgeschieden, wie in F i g. 2 gezeigt wird, und zwar bis zu einer Dicke von ungefähr 0,01 bis 0,1 mm. Das thermochrome Material kann direkt abgeschieden werden, beispielsweise durch Sublimation, oder das Material kann pulverisiert und mit einem Bindemittel, wie organische Leime, Silikonfette oder -harze, gemischt und auf der Frontfläche der Vorrichtung ausgestrichen werden.
Viele verschiedene thermochrome Materialien stehen
Erhitzen ■
zur Verfugung, wobei jedes Material verschiedene Eigenschaften hat, so daß seine Verwendung für die Schicht 15 von den speziellen Forderungen des Entwurfs abhängt. Zu diesen verschiedenen Eigenschaften gehören die Erscheinung der Farbänderung, die thermischen Eigenschaften, die thermische Ansprechbarkeit sowie die physikalische und chemische Stabilität.
Die bei thermochromen Stoffen mit einer Temperaturänderung verbundene Farbänderung kann zwei verschiedenen Phänomenen zugeordnet werden. Das eine Phänomen kann als »Farbverschiebung« bezeichnet werden und beruht auf der zunehmenden Absorption energiereicher Photonen (Licht kurzer Wellenlänge), wenn das Material erhitzt wird. Die beobachtete Farbe entspricht dem nicht absorbierten Licht, und die Farbe verändert oder »verschiebt« sich allmählich durch einen Teil der Farbskala, wie nachstehend gezeigt:
Weiß, Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot, Braun, Schwarz
- Abkühlung
Beispielsweise ist Quecksilberjodid (HgJ2) bei niedrigen Temperaturen orangefarbig und erhält eine zunehmend dunkelrote Färbung, wenn sich die Temperatur 127° C nähert.
Viele Stoffe jedoch erleiden in einem engen Temperaturbereich eine rasche Farbänderung, eine Änderung, die von einem Bereich der Farbskala zu einem anderen erfolgt, und nicht notwendigerweise in gleicher Richtung. Diese Farbänderung beruht nicht auf einer Färb-» Verschiebung«, sondern auf Änderungen in der Energieabsorption, die durch Änderungen der kristallographischen Struktur des thermochromen Materials selbst verursacht wird, die wiederum durch die Temperaturänderungen hervorgerufen wird. Thermochrome Stoffe, die dieses Phänomen zeigen (häufig als Phasenänderung bezeichnet), eignen sich besonders zur Verwendung im erfindungsgemäßen Darstellungsgerät, da ihre Farbänderung scharf und plötzlich ist und nicht allmählich.
Unter den thermochromen Stoffen, die diese Farbänderung zeigen, erwiesen sich als geeignet die Jodide und Bromide der Form MX, MX2, M2, X2 und die Koordinationsverbindungen der Formel M2M1X4, worin M ein Element der Gruppe I-B des Periodischen Systems (Kupferuntergruppe) oder der äußeren Ubergangselemente der sechsten Periode bedeutet. X bedeutet die Halogenide. Einige dieser Stoffe werden zusammen mit ihren Farbänderungen und ihren ungefähren Farbumschlagstemperaturen nachstehend angegeben:
Thermochromes
Material		 Umschlags
temperatur
0C		 Farbänderung
CuJ
AgJ
HgJ
TIJ
HgBr
TIBr 		61
145
75
190
70
168		 Weiß zu Orange
Gelb zu Braun
Gelb zu Orange
Gelb zu Orange
Weiß zu Gelb
Weiß zu Hellgelb
Thermochromes
Material		 Umschlags
temperatur
0C		 Farbänderung
HgJ2 127 Rot zu Gelb
PbJ2 210 Orange zu Rot
HgBr2 105 Weiß zu Gelb
35 Cu2HgJ4 70 Rot zu Schwarz
Ag2HgJ4 51 Gelb zu Braun
Pb1HgJ4 134 Orangerot zu Gelb
Hg2HgJ4 160 Gelborange zu Rot
40 Tl2HgJ4 170 Gelb zu Gelborange
Cu2PbJ4 172 Gelb zu Lohfarben
Ag2PBJ4 122 Gelb zu Ziegelrot
Tl2PbJ4 210 Gelb zu Dunkelbraun
45 Hg2PbJ4 200 Gelb zu Dunkelbraun
Es wurde gefunden, daß diese Änderungen beim Kühlen reversibel sind. Andere anorganische Verbindungen, wie Oxyde, Sulfide, Chromate, Borate und Koordinationskomplexverbindungen, sowie zahlreiche organische Verbindungen sind thermochrom, ändern ihre Farbe bei der Umschlagtemperatur und kehren beim Abkühlen wieder zur Ursprungsfarbe zurück:
55 Thermochromes Material Ungefähre Farbänderung
Um
schlags-
Cu(BO2), temperatur, Blau zu Gelbgrün
PbCrO4 0C Gelb zu Dunkel
6o 140 braun
HgO 160 Rot zu Braun
Di-(N,N-diäthylen-
diamin) - Kupfer(II)- 100
65 perchlorat Rubinrot zu Tief
blau
42
5 6
Der Betrieb der Vorrichtung zur Informationsdar- abgekühlt werden kann, ohne daß es sofort zu seiner stellung kann in verschiedener Art und Weise erfolgen. ursprünglichen Farbe zurückkehrt, so daß eine dauer-Beispielsweise kann der in F i g. 1 gezeigte Leiter 12 haftere Darstellung erfolgt. Ein Material, welches geerdet (oder an ein negatives Potential gelegt), und diesen Hysterese-Effekt aufweist, ist HgI2, welches eine positive Spannung kann auf bestimmte aus- 5 scharf von Rot zu Gelb umschlägt, wenn es auf die gewählte Leiter, wie 4 bis 10, gelegt werden, so daß Umschlagstemperatur von 127° C erhitzt wird, aber die Spannungsdifferenz einen Stromfluß durch die erst zu seiner ursprünglichen Rotfarbe zurückkehrt, ausgewählten Dünnfilmwiderstände 3 hervorruft, die wenn die Temperatur auf ungefähr 90° C erniedrigt dadurch aufgeheizt werden. Die Temperaturzunahme ist. Zwar muß kein einziges thermochromes Material der Widerstände hat zur Folge, daß diejenigen Be- I0 notwendigerweise jede einzelne der obigen Bedingunreiche der thermochromen Schicht 15, die über den gen erfüllen, diese Faktoren sollten jedoch berückausgewählten Widerständen liegen, entsprechend auf- sichtigt werden, und die Wahl des geeigneten Materials geheizt werden, und wenn die Temperatur dieser sollte je nach der speziellen Verwendung erfolgen. Bereiche die Umschlagstemperatur des Materials Wenn die thermochrome Schicht 15 von Fig. 2 erreicht, ändern sie ihre Farbe und stellen so die 15 und 3 aufgebracht wird, indem das thermochrome gewünschte Information dar. Wie in F i g. 3 gezeigt, Material mit einem Bindemittel gemischt und auf die werden die ausgewählten Widerstände der Schrift- heiße Anordnung gestrichen wird, dient das Bindezeichen 20 und 21 mit Energie versorgt und zeigen mittel im wesentlichen zu zwei Zwecken: erstens es die Zahlen »8« bzw. »4«. In gleicher Weise können hält das thermochrome Material mechanisch in andere Widerstände selektiv mit Energie versorgt 20 Kontakt mit dem Substrat 2 und der Heizanordwerden, um die entsprechenden darüberliegenden nung, und zweitens es hält das thermochrome Material Bereiche des thermochromen Materials zu anderen in thermischem Kontakt mit der Heizanordnung. Zahlen, Buchstaben, Figuren usw. zu erhitzen. Die Wie oben angegeben, können verschiedene Arten von Wahl der für die Energiezufuhr richtigen Leiter (und Bindemitteln verwendet werden. Bei Betriebstempedamit der Widerstände) kann manuell oder durch eine 25 raturen zwischen —100 und 250° C können organische kompliziertere elektronische logische Schaltung er- Polymerisate verwendet werden, während oberhalb folgen. 250° C die Verwendung von Silokonharzen erwünscht Das für die Schicht 15 gewählte thermochrome sein kann. Abgesehen davon, daß es viele der gleichen Material sollte physikalische Stabilität aufweisen erwünschten Eigenschaften aufweisen sollte, die oben (beispielsweise Betrieb bei hoher Temperatur ohne 30 im Zusammenhang mit dem thermochromen Material. Verdampfung aushalten), chemisch stabil sein (sich diskutiert wurden, sollte das Bindemittel auch praknicht zersetzen oder mit der Umgebung oder mit tisch transparent sein, um nicht die Darstellungsbenachbarten Stoffen, wie Leiter, Substrat usw., un- eigenschaften der thermochromen Schicht 15 zu stövorteilhaft reagieren) und sollte leicht und bequem ren.
auf dem darunterliegenden Substrat über der Heiz- 35 Das Material, aus dem das Substrat 2 hergestellt anordnung angebracht werden können (vorzugsweise ist, sollte sowohl einen spezifischen elektrischen durch Sublimation). Die Schicht 15 Sollte eine niedrige Widerstand aufweisen, der ausreicht, um die elektrische spezifische Wärme aufweisen und möglichst dünn Isolierung zwischen den Leitungen und Widerständen sein, um die thermische Trägheit zu verringern, so sicherzustellen, als auch eine ausreichende thermische daß es möglich ist, die Darstellung rasch an- und 40 Isolierung, um ein Ausfließen der Wärme zu verabzuschalten und die Wärme aus der Schicht 15 meiden. Außerdem sollte das Substrat 2 eine thernach der Darstellung auch rasch abfließen kann, mische Leitfähigkeit aufweisen, die ausreicht, um eine damit ein »Auslaufen« der Wärme durch das thermo- rasche Abkühlung der Widerstände und des thermochrome Material zu anderen Teilen der Schicht 15, chromen Materials nach jedem Darstellungsvorgang die die Farbe nicht ändern sollen, vermieden wird. 45 zu erlauben. Ein Material, welches einen geeigneten Das gewählte thermochrome Material sollte auch Kompromiß zwischen diesen erwünschten Eigeneinen ausreichenden spezifischen elektrischen Wider- schäften bietet, ist Aluminiumoxyd bzw. Tonerde, stand aufweisen, damit irgendwelche Stromneben- Der Block 1 sollte aus einem Material bestehen, welschlüsse durch die Schicht 15 vermieden werden. ches seine Verwendung als Wärmeableitung erlaubt, Wie oben erwähnt, ist es normalerweise erwünscht, 50 beispielsweise aus Kupfer, sollte jedoch in einer daß die Informationsdarstellung scharf an- und ab- Weise hergestellt sein, die es möglich macht, die schaltbar ist. Dazu ist es erforderlich, daß das thermo- Leiter 4 bis 10 elektrisch gegeneinander zu isolieren, chrome Material die Farbe rasch ändert, wenn die Dies kann auf übliche Weise erfolgen, indem z. B. Umschlagstemperatur erreicht ist (also wenig oder Schlitze in der Seite des Blockes für die Leitungen keine überhitzung zeigt) und schlagartig zu seiner 55 vorgesehen werden und die Schlitze mit einem Isolierursprünglichen Farbe zurückkehrt, wenn die Energie- material abgedeckt werden.
zufuhr abgeschaltet wird und das Material unter seine Verschiedene andere Arten von· Heizanordnungen
Umschlagstemperatur abkühlt, also wenig oder kein können ebenfalls in Kombination mit dem thermo-
Unterkühlen zeigt). In manchen Fällen kann es jedoch chromen Material verwendet werden. Beispielsweise
erwünscht sein, ein Informationszeichen, wie einen 60 kann es erwünscht sein, an Stelle der Anbringung von
Buchstaben, eine Zahl usw., verhältnismäßig lange Dünnfilmwiderständen auf einem isolierenden Sub-
darzustellen. Dies kann natürlich dadurch erreicht strat, wie unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 3
werden, daß dem speziellen Leiter kontinuierlich beschrieben wurde, die Feststofftechnik anzuwenden
Impulse zugeschickt werden, so daß die gewählten und die Anordnung der Widerstände durch Diffusion
Teile des thermochromen Materials über der Um- 65 in eine Frontfläche einer flachen Halbleiterscheibe,
Schlagstemperatur gehalten werden. Wahlweise kann wie Silicium, herzustellen, wobei die thermochrome
es jedoch erwünscht sein, ein thermochromes Material Schicht über der diffundierten Anordnung liegt. Infolge
zu verwenden, welches unter die Umschlagstemperatur der thermischen Eigenschaften der Siliciumscheibe
können rasche Ansprechzeiten für die Informationsdarstellung erzielt werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 12 wird nun eine weitere Ausführungsform beschrieben. Fig. 4 zeigt eine Oberansicht einer Vorrichtung 30, welche ein Substrat 40 in Form einer Scheibe aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silicium, aufweist, in der fünf Schriftzeichen 41 bis 45 gebildet sind, wobei eine Schicht 31 aus thermochromem Material über
welches dem darzustellenden Buchstaben oder Zahlenzeichen entspricht. Die Auswahl der richtigen Leiter, denen die Energie zugeführt werden soll, kann mechanisch erfolgen oder z. B. durch einen besonderen Diodendigitaldecoder. Entsprechend können, wie in F i g. 4 gezeigt wird, ausgewählte Flächenbereiche der Schriftzeichen 41 bis 45 erhitzt werden, um die Zahlen 1,2,3,4 oder 5 zu bilden, die dann die darüberliegenden Bereiche der Schicht 31 erhitzen und eine
den Schriftzeichen liegt. Ein Teil der Schicht 31 ist io Farbänderung dieser Bereiche und die Darstellung
in F i g. 4 weggelassen, damit man die darunterliegenden Schriftzeichen 41,42 und einen Teil von 43 erkennen kann. Jedes der Schriftzeichen besteht aus einer Matrix von Thermoheizelementen, beispielsweise
der Zahlen 1,2,3,4 und 5 hervorrufen. (Die gewählten Heizelemente, die erhitzt wurden, werden in F i g. 4 durch eine gekreuzte Doppelschraffierung und die dargestellten Zahlen durch gestrichelte Linien an-
in Form von Flächenbereichen 51 bis 55 des Schrift- 15 gezeigt. In Abhängigkeit vom verwendeten Verbinzeichens 41. Jeder Flächenbereich stellt eine erhöhte dungsschema kann die Darstellung beispielsweise dadurch erfolgen, daß gleichzeitig ausgewählte Elemente der Schriftzeichen 41 bis 45 erhitzt werden, so daß
gleichzeitig eine ganze Reihe dargestellt wird oder
dargestellt werden.
In F i g. 5 wird eine Unteransicht eines Teils eines der Schriftzeichen 41 dargestellt, die einige seiner
Tafel aus Halbleitermaterial dar mit einer Schicht aus Siliciumcarbid 90 über der Oberseite der Tafeln und dem Rest des Substrats 40, wobei jede Tafel
miteinander verbunden eine Diode und einen Wider- 20 in dem ausgewählte Elemente der Schriftzeichen derart stand enthält. Die spezielle Anordnung oder die erhitzt werden, daß nacheinander die Zahlen 1 bis 5 Abmessungen der Schriftzeichen sind nicht kritisch.
In der hier gezeigten und beschriebenen speziellen
Ausführungsform jedoch besteht jedes Schriftzeichen
aus einer Anordnung von 5x5 Heizelementen. Jeder 25 Flächenbereiche 70, 71,72 und 73 mit den Heizder Flächenbereiche, beispielsweise 51 bis 55, hat eine elementen und ein typisches Schema für die Verbin-Länge von ungefähr 0,40 mm und eine Breite von düngen zeigt. Jeder der Flächenbereiche besteht aus ungefähr 0,30 mm, und der Abstand zwischen den einer erhöhten Tafel aus Halbleitermaterial (wie Flächenbereichen beträgt ungefähr 0,10 mm. Die man aus den in Fig. 6 bis 10 gezeigten Querschnitten Siliciumscheibe 10 kann ungefähr eine Breite von 30 erkennt), einer Dioden-Widerstandskombination, wie 7,62 mm und eine Länge von ungefähr 12,7 mm D70 und R10, die beispielsweise durch übliche Maskiesowie eine Dicke von ungefähr 0,025 bis 0,05 mm rungs- und Diffusionsverfahren hergestellt wurde aufweisen. Die aktive Darstellungsoberfläche (in ande- und in der Basis der Tafel liegt, wobei die Kombination ren Worten die über den Schriftzeichen und den miteinander und mit dem Rest des Systems verbunden Zwischenräumen liegende thermochrome Schicht). 35 ist. Die Widerstände R70, R71, R12 und .R73 dienen als nimmt eine Fläche von ungefähr 2,5 χ 12,7 mm ein Wärmequelle für jedes Heizelement, und die Dioden und ist zentral über dem Substrat 40 angeordnet. D70, D71, D72 und D73 dienen dazu, den Stromfluß Das Substrat 40 mit den darin angeordneten Flächen- nur durch diejenigen Widerstände zu dirigieren, die bereichen ist auf einem Keramikträger 50 montiert, so erhitzt werden sollen. Die Verbindungen des ersten daß die metallisierten Leiter, z. B. 60 bis 62, die auf den 40 Niveaus, wie 80 und 81, stellen die ohmsche Verbindung Seiten des Keramikträgers 50 liegen, die Verbindung zwischen den P-Zonen der Dioden D70 und D71 und
den P-Zonen der Dioden D72 und D73 mit der Verbindung des zweiten Niveaus 105 her, und die Verbindungen des ersten Niveaus 82,83 und 84 verbinden die Enden des Widerstandes 70 und der anderen Widerstände der anderen in F i g. 5 nicht gezeigten Tafeln mit den Verbindungen des zweiten Niveaus 60 a, 61a bzw. 62 a.
Die Diodenfunktion läßt sich besser verstehen an
Leiter 60 bis 62 können direkt auf der Oberfläche 50 Hand der schematischen Darstellung von Fig. 12. des Keramikträgers 50 gebildet werden, oder sie , Die Dioden-Widerstandskombinationen in den Fläkönnen in Schlitzen in den Seiten des Keramikträgers chenbereichen 70, 71, 76 und 77 sind, wie gezeigt, gebildet werden. Die Verbindung der verbreiterten untereinander verbunden. Angenommen, der Flächen-Leiter 60 a bis 62a mit den äußeren metallisierten bereich 70 soll-erhitzt werden (d.h. ein Strom soll Leitern 60 bis 62 kann nach jeder üblichen Methode 55 durch den Widerstand A70 des Flächenbereichs 70 erfolgen, beispielsweise durch eine Schmelzlötmittel- fließen), aber die Flächenbereiche 71,77 und 76 sollen
kalt bleiben, d. h., kein Strom soll durch die Widerstände R11, R11 und A76 fließen. An die Klemme 120 wird eine positive Spannung angeschlossen, und an 60 die Klemme 121 wird eine negative Spannung oder Masse angelegt. Infolge der Sperrwirkung der Diode 77 führt der einzige Stromweg zwischen der positiven und der negativen Klemme durch die Diode D70 und den Widerstand R10. Infolgedessen heizt sich nur der Stromfluß durch die Widerstände der ausgewählten 65 Flächenbereich 70 auf. In gleicher Weise können Heizelemente hervorruft. Die gewählten Heizelemente unter Anwendung des gleichen Prinzips und der werden dadurch auf die Umschlagstemperatur des gleichen Anordnung die übrigen Dioden und Widerthermochromen Materials in einem Muster aufgeheizt, stände der anderen Flächenbereiche in ähnlicher Weise
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mit den auf der Unterseite des überschüssigen Materials des Substrats 40 liegenden verbreiterten Leitern 60 a bis 62 a herstellen. Diese verbreiterten Leiter stellen tatsächlich ebenso wie die anderen verbreiterten Leiter Verlängerungen der Verbindungen des zweiten Niveaus dar, welche den Kontakt zu den verschiedenen Verbindungen des ersten Niveaus der in F i g. 5 gezeigten Heizelemente herstellen. Die metallisierten
Kehlnaht. Unter die überhängenden Teile der Siliciumscheibe kann dann ein Epoxydharz gebracht werden, um eine zusätzliche mechanische Unterstützung zu schaffen.
Der Betrieb der Darstellungsvorrichtung kann in verschiedenartiger Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein kurzer Hochenergieimpuls auf ausgewählte Außenleiter, wie z. B. 60 bis 62, gelegt werden, welcher einen
ίο
lichste Verfahren zur Abscheidung besteht in der Reduktion von Siliciumtetrachlorid mit Wasserstoff, einem wohlbekannten Verfahren, das hier nicht weiter beschrieben werden muß. Der Leitfähigkeitstyp der Schicht 91 ist nicht kritisch. Die Kristallstruktur kann auch entweder einkristallin oder amorph sein. Die Schicht 91 sollte eine Stärke von vielleicht 0,15 bis 0,20 mm oder mehr aufweisen, um die Handhabung zu erleichtern.
Als nächster Schritt in der Herstellung wird die Struktur von Fig. 6 auf ihrer unteren Stirnfläche geläppt und poliert, um das gesamte ursprüngliche Siliciummaterial mit Ausnahme der in den Flächenbereichen 70, 71 und 75 verbleibenden Teile zu ent
gezeigt. Die obere Oberfläche des Substrats wird zuerst maskiert und unter Bildung eines Musters von erhabenen Flächenbereichen, wie bei 70, 71 und
einer lichtempfindlichen Ätzschutzschicht erfolgen, das eine ausgezeichnete geometrische Kontrolle ermöglicht. Die Höhe der Flächenbereiche 70,71 und 75
bereiche durchschnitten wird. Zweitens kann infolge der genauen Kontrolle, die beibehalten werden kann, die tatsächliche Dicke des Halbleitermaterials in den
oder auf jede andere übliche Weise verdrahtet werden, so daß die gewünschten Elemente selektiv erhitzt werden und die Dioden als Stromblockierungen fungieren. Es wird darauf hingewiesen, daß die Verwendung der Dioden eine Begrenzung der Zahl der Außen- 5 leitungen ermöglicht. Wenn zu jedem Element jedes Bildzeichens zwei Leitungen führen, sind Dioden nicht notwendig.
Unter Bezugnahme auf die Schnittbilder der Fig. 6
bis 10 wird nunmehr die Herstellung der Vorrichtung io
von F i g. 4 beschrieben, insbesondere die Herstellung
der Silicium-Tafelheizelemente und der darüberliegenden Schicht aus thermochromem Material. Ein Einkristall-Halbleitermaterial, wie Silicium, wird als Ausgangsmaterial für ein scheibenförmiges Substrat 40 15 fernen, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Siliciumcarbidverwendet. Ein Teil dieses Substrats wird in Fig. 6 Überzug 90 fungiert als im wesentlichen zusammenhängende Haltemarke für das Läppen und Polieren und ermöglicht die Aufrechterhaltung einer genauen Kontrolle über die Menge an Halbleitermaterial, die
75, geätzt. Die Maskierung kann mit Hilfe von 20 in den Flächenbereichen zurückbleibt. Dies ist aus Wachs oder vorzugsweise nach dem Verfahren mit verschiedenen Gründen von Bedeutung. Erstens wird
sich das Siliciumsubstrat infolge der verschiedenen dem Läppen vorhergehenden Herstellungsschritte werfen und der Läppvorrichtung eine etwas konvexe
zum Beispiel oder, in anderen Worten, die Tiefe der 25 oder konkave Oberfläche darbieten. Wenn daher Ätzung kann ungefähr 0,4 bis 0,5 mm betragen. Nach das Läppen und Polieren ausgeführt wird, um das der Herstellung der Flächenbereiche wird die Ober- Substrat unterhalb der Tafelregionen zu entfernen, fläche des Substrats mit einem überzug 90 aus SiIi- wird eine beträchtliche Anzahl von Flächenbereichen ciumcarbid abgedeckt, das nach irgendeinem Ver- durchschnitten und zerstört werden. Die Siliciumfahren auf eine Dicke von vielleicht 0,008 bis 0,02 mm 30 carbidschicht 90 dagegen hält das Läppen an der gebracht werden kann. unteren Oberfläche 92 auf, so daß keiner der Flächen-
Ein Verfahren zur Abscheidung des Siliciumcarbids
wird in Zusammenhang mit Fig. 11 beschrieben.
Eine Vorrichtung zur Abscheidung des Siliciumcarbids besteht aus einem Reaktionsgefäß in Form 35 Flächenbereichen genau geregelt werden. Dies ist eines Brennofens mit einem Rohr 100 mit Heizschlan- von Bedeutung, da die Dicke jeder der Flächenbereiche gen 101. Der Ofen kann horizontal oder vertikal an- die Geschwindigkeit ihrer Erhitzung oder Abkühlung geordnet sein und für eine einzige oder eine Vielzahl beeinflußt (in anderen Worten das thermale Anvon Substraten geeignet sein; er kann entweder induk- sprechen), was wiederum die Geschwindigkeit des tiv oder mit einem Heizwiderstand geheizt werden. 4° Erscheinens und Verschwindens bzw. An- und Aus-Siliciumsubstrate, einschließlich des Substrats 40, mit
den darin gebildeten Flächenbereichen, werden derart in den Ofen gebracht, daß sie den Gasen ausgesetzt
sind, die durch eine Leitung 103 in das Rohr strömen.
Dämpfe von Toluol (C7H8) und Siliciumtetrachlorid 45 darstellt, sieht die Struktur aus, wie in F i g. 8 gezeigt. (SiCl4) werden in die Leitung 103 aus flüssiges Toluol Die Flächenbereiche 70 und 71 dienen nun als Re- bzw. flüssiges Siliciumtetrachlorid enthaltenden Zy- gionen, in die anschließende Diffusionen erfolgen lindern eingeführt, durch die man Wasserstoffblasen können, oder epitaxiale Abscheidungen aufgebracht strömen läßt. Gereinigter, getrockneter Wasserstoff werden können zur Herstellung der Diode-Widertritt in das Ende 102 der Leitung ein. Der Gasfluß 50 Standskombinationen in jedem Heizelement. In dieser im Rohr 100 wird durch übliche Ventile geregelt. speziellen Ausführungsform werden die Diode-Wider-
Die Abscheidungsgeschwindigkeit wird weitgehend bestimmt durch die Temperatur, bei der der Reaktor gehalten wird, die Fließgeschwindigkeit durch die
Leitung 103 und die prozentuale Zusammensetzung 55 bzw. 71 hergestellt, der Bestandteile. Wenn beispielsweise die Fließge- Die im P-Typ diffundierten Zonen 83 a und 93 b
schwindigkeit bei ungefähr 10 l/min und die Tempe- stellen die jeweiligen Anoden für die Dioden D70 und ratur bei ungefähr 10800C gehalten wurde und die D71 dar, während die verlängerten Zonen 94 α und 94 b Reaktionsmischung aus 0,87 Molprozent SiCl4, vom P-Typ, die gleichzeitig mit den Anodenzonen 0,18 Molprozent C7H8 und im übrigen aus H2 be- 60 hergestellt wurden, die Widerstände R70 und Rn stand, wurde eine Siliciumcarbidschicht auf dem bilden. Das N-Typ-Material der Flächenbereiche 70 Substrat 40, wie in Fig. 6 gezeigt ist, mit einer Ge- und 71 bildet die Kathoden der Dioden D70 und D71. schwindigkeit von ungefähr 1 μ/min abgeschieden. Der Kontakt zur N-Zone wird, wie gezeigt, durch
Als nächstes wird dann eine Schicht 91 aus einem die N+-Zonen von niedrigem spezifischem WiderMaterial, wie z. B. polykristallinem Halbleitermaterial, 65 stand gebildet. Die Diffusionsvorgänge finden unter über der obenliegenden Oberfläche des Substrats 40 Anwendung der Siliciumoxydmaskierung statt, wie an die Siliciumcarbidschicht 60 angrenzend abge- angegeben, so daß eine Oxydschicht 95 gebildet wird, schieden, wie aus Fig. 6 zu ersehen ist. Das gebrauch- die in der endgültigen Vorrichtung eine stufenartige
Schaltens der darzustellenden Information bestimmt.
Wenn man nun die Struktur umdreht und auf die
bisherige untere Oberfläche 92 von F i g. 7 blickt, die nunmehr die obenliegende Stirnfläche der Einheit
Standskombinationen D70 und .R70 und D71 und Rn durch bekannte Oxydmaskierungs- und -diffusionsvorgänge im N-Typ-Material der Flächenbereiche 70
Konfiguration aufweist. Im Oxyd werden öffnungen an den Stellen angebracht, an denen ein Kontakt notwendig ist, dann wird über dem Oxyd ein Metallfilm abgeschieden und selektiv entfernt, um die gewünschten Kontakte und Verbindungen zu schaffen.
Zu beachten ist, daß der Flächenbereich 75 während der Herstellung der Dioden und Widerstände in den verschiedenen Heizanordnungen mit der Siliciumoxydschicht 95 maskiert wird. Dieser Bereich stellt den Abstand zwischen den einzelnen Schriftzeichen her, wie auch in den F i g. 4 und 5 zu erkennen ist. Die Verbindungen des zweiten Niveaus 60 a, 61a und 62 a beispielsweise werden über diesen Flächenbereichen zwischen den Schriftzeichen hergestellt und nicht über den Heizanordnungen, um zu verhindern, daß die Isolierung zwischen diesen Leitern den hohen Temperaturänderungen ausgesetzt werden, die beim Betrieb der Darstellungsanordnung auftreten. Eine Isolierschicht 96, die die hohen Temperaturen aushalten kann, wird nach üblichen Methoden zwischen den Verbindungen des ersten Niveaus und den Verbindungen des zweiten Niveaus 60 a und 61a, wie in F i g. 8 gezeigt, gebildet.
In den letzten Stufen der Herstellung wird die zusammengesetzte Struktur mit den einzelnen Heizanordnungen in einzelne Scheiben zerlegt und umgedreht auf dem Keramikträger 50 mit einem geeigneten Klebstoff 98, beispielsweise einem Epoxydharz, wie in F i g. 9 gezeigt, montiert. Die Scheibe mit den Heizanordnungen wird so angeordnet, daß die Ver- 3°: bindungen des zweiten Niveaus, beispielsweise 60 a, 61a und 62 a, in die entsprechenden metallisierten Leiternetze auf dem Keramikträger eingreifen, wie in F i g. 4 gezeigt, wobei die Verbindung der Metalle durch Löten erfolgt. Dann wird die polykristalline Halbleiterschicht 91 unter Ausbildung der in Fig. 9 gezeigten Struktur vollständig entfernt, wodurch alle Heizanordnungen, beispielsweise 70 und 71, durch die Siliciumcarbidschicht 90 und die umgebende Atmosphäre (beispielsweise Luft) gegeneinander isoliert sind. Das Entfernen erfolgt durch Aufbringen eines Ätzmittels, beispielsweise einer Mischung aus 2 Volumteilen Fluorwasserstoffsäure, 15 Volumteilen Salpetersäure und 5 Volumteilen Essigsäure, auf die Oberfläche, wobei alles polykristallines Material 91 weggeätzt wird, während das Halbleitermaterial in den einzelnen Tafeln durch die Siliciumcarbidschicht 90, die als Ätzbarriere wirkt, geschützt wird.
Die thermochrome Schicht 91 wird dann, wie in Fig. 10 gezeigt, in der gewünschten Dicke über die Heizanordnungen angebracht. Wenn an die richtigen Leiter eine Spannung angelegt wird, so fließt, wie weiter oben beschrieben wurde, ein Strom durch die ausgewählten Widerstände und heizt diese auf. Die Temperaturerhöhung verursacht eine Erhitzung der Flächenbereiche, die wiederum die ausgewählten Bereiche der thermochromen Schicht auf die Umschlagstemperatur erhitzen, so daß die Information dargestellt wird. Diese Vorrichtung mit den einzelnen plättchenartigen Flächenbereichen bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens können infolge der Erhitzung der Flächenbereiche die Heizanordnungen extrem dicht nebeneinander angeordnet werden, so daß eine sehr hohe Auflösung erzielt werden kann. Zweitens sind die Diode-Widerstandskombinationen sowie die metallischen Leiter und Verbindungen von der thermochromen Schicht 31 entfernt angeordnet. Dies ist erwünscht, wenn die Schicht 31 aus einem Material hergestellt ist, welches mit den Widerständen und den Leitern chemisch reagieren würde, beispielsweise wenn sie diese direkt berühren würde.
Die Betriebseigenschaften der beschriebenen Vorrichtung zur Informationsdarstellung hängen daher von der Art der verwendeten Heizanordnung, der Wahl der Materialien und den verschiedenen Abmessungen der Einzelteile ab. Bei einer speziellen Struktur, bei der Heizanordnungen der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet wurden, nämlich auf ein Keramikträger aufgedampfte Widerstände und das Gerät bei einer konstanten Gleichspannung von 25 V betrieben wurde, erforderte die Darstellung 300 mW pro Heizanordnung oder 2,1 W pro Schriftzeichen. Durch Anlegen einer impulsförmigen Spannung kann die erforderliche mittlere Leistung jedoch beträchtlich unter den beim Betrieb der meisten Darstellungsgeräte vom aktiven Typ erforderlichen Wert erniedrigt werden.
Die beschriebenen Ausführungsformen können in verschiedener Weise abgeändert werden. Da die Umgebungstemperatur während des Betriebs des Gerätes schwanken könnte, kann beispielsweise eine Regelung der zugeführten Energie als Funktion der Umgebungstemperatur erfolgen. Dazu können übliche Einrichtungen, wie thermostatisch geregelte Gehäuse, temperaturkompensierte Substrate usw., verwendet werden.
Außerdem läßt sich die Vorrichtung zur Informationsdarstellung natürlich in gleicher Weise zur Darstellung von Zahlen, Ziffern, Symbolen oder anderen Informationstypen darstellen, obwohl sie oben nur unter Bezugnahme auf eine numerische oder alphanumerische Darstellung beschrieben wurde. Die Heizanordnungen können in jeder beliebigen Anzahl von Zeichen oder aber auch zu einem einzigen großen Zeichen, das den ganzen Darstellungsschirm ausfüllt, gruppiert sein.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Informationsdarstellung mit einer auf einem Substrat angebrachten Anzeigefläche, in der diskrete Flächenbereiche in beliebiger Zahl und Gruppierung zur Änderung der optischen Eigenschaften ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigefläche in an sich bekannter Weise aus einer Schicht (15, 31) aus thermochromem Material besteht, und daß unter jedem der Flächenbereiche (51 bis 55, 70 bis 77) eine wahlweise einschaltbare Heizanordnung (3, D70, R10) angebracht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizanordnung aus einzelnen, jeweils unter den Flächenbereichen liegenden Dünnfilmwiderständen (3) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizanordnung unter jedem der Flächenbereiche (51 bis 55,70 bis 77) aus einer Dioden-Widerstandskombination (D70, K70) besteht, die in das Halbleitermaterial des Substrats (40) eindiffundiert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden-Widerstandskombination (D70, R70) von der Außenfläche jedes Flächenbereichs (51 bis 55, 70 bis 77) getrennt und dicht bei der ebenen Fläche des Substrats (40) angebracht ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
DE19661548837 1965-10-24 1966-10-24 Vorrichtung zur Informationsdarstellung Withdrawn DE1548837B1 (de)

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