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武汉大学毕业设计(论文)1第1章引言1.1平视武器瞄准系统1.1.1平视武器瞄准系统的概况20世纪60年代数字电子技术、真空电子器件的发展，引发了航空火控系统从探测传感到控制计算和瞄准显示的“数字革命”。从目标探测及飞机传感到计算与显示都发生了原理和结构的巨大变化。平视武器瞄准系统是首当其冲的。为了克服飞行员既要上视远看目标及飞机外界(空中、地面)的景物，又要低头看座舱内仪表板上极近距离的飞行数据、各功能分系统工作情况和武器准备状态，所带来的视觉转换造成的黑视与延误，用光学电子瞄准系统—平显火控系统代替光学瞄准具，瞄准的同时又能够观察飞行信息，充分利用视准特性，保障可边攻击边对飞行状态及外部环境进行了解，提高了作战效率[5]。1.1.2平视武器瞄准系统的功能平视武器瞄准系统所执行的功能有：1)显示飞行参数及引导控制数据，保障载机起降、航行与接敌过程的指挥，消除飞行员在飞行中对座舱内、外交替观察的困扰。2)适应空空导弹、航炮等武器对空中目标的攻击，完成它们的瞄准计算与控制，显示易于判读和操作的瞄准图像。3)适应空地/空海导弹、炸弹、航箭、航炮等武器对地、对海目标的攻击，完成它们的瞄准计算与控制，显示易于判读和操作所需的瞄准图像。4)按作战状态确定应发武器的特性，输给武器改善其性能的装入信号，指挥武器投射。5)反映平显火控系统及飞机的现状，显示必须的警告、故障等信息。1.1.3平视武器瞄准系统的组成平视武器瞄准系统由下列设备组成：驾驶员显示器(PDU)——它装于飞行员前方，其内部结构集真空电子、高压电磁偏转、视准光学结构为一体的电子视准显示设备，它具备光亮度自动调节能力[13]。电子组件(EU)——它突破了第一代火控系统中模拟计算装置的唯一性，是一个火力控制、任务计算、显示生成、多信息接口的数字计算机系统，其所装软件完全符合上述的工作状态及画面格式。前控制面板(UFCP)——它是平显火控系统的主要人机接口，集中控制系统工作状态和作战装入参数，其控制与显示和操作都与工作状态相对应。它可以作为惯导及悬挂管理数据装入的控制盒及指示器用，起到了综合控制的功能[5]。武汉大学毕业设计(论文)21.1.4平视武器瞄准系统的发展平视武器瞄准系统是一个集中控制式的系统，因而在现今超大规模集成电路支持下，它很容易将电子组件扩展成一个计算机系统中集合多功能用的硬件单元，利用共享存储器构型，把平视武器瞄准系统改变为综合核心处理系统。因此，平视武器瞄准系仍然在不断发展。方法之一是加强PDU的独立化(即把显示生成、画面处理都置于其内)，接收数字信息完成显示画面的处理，成为一个只接受数字信息的独立显示器，又称为灵巧型平显，将EU改成多功能任务计算系统。除上述作战与显示功能外，还可增加引导处理、数据融合、头瞄定位、下显光栅等多种功能，构成以内部共享存储器为信息联接的核心处理机，即成平显综合火控系统。另一发展方法是与驾驶操纵及飞行领航相联，使用红外前视探测器及毫米波前视雷达，将PDU的笔划字符生成改变成笔划2光栅混合显示，形成与外景相重叠的人工合成图像，作为军用机和民航机的夜间及复杂气象起降用的平视引导系统(HGS)。用它后达到Ⅲ级着陆要求，确保着陆安全。1.2场致发射显示器1.2.1场致发射显示器的概况场致发射显示器(FED)被认为是最有可能真正与等离子(PDP)和液晶显示器(LCD)相竞争的平板显示器。其产生图像的原理与阴极射线管(CRT)相同，均为电子撞击荧光粉发光，但采用的是矩阵选址方式，画面质量和分辨率可做到优于CRT。FED兼有了阴极射线管(CRT)与一般平板显示器的优点，并克服了热阴极的预热延迟，他的响应速度非常快，不大于20us[2]。FED所需要的零件数和生产工序少，成本低。FED还具有分辨率高、对比度好，耐严酷的高低温、抗振动冲击、电磁辐射底、易于数字化显示等特点。FED这一系列的优点，使得它有可能成为新一代性能优良的平板显示器件，应用前景十分广阔。1.2.2场致发射显示器的工作原理FED采用的是场致电子发射技术，只需要在阴极表面加一个强电场，不需要任何附加的能量，就能使阴极内的电子具有足够的能量从表面逸出。其工作原理：在强电场作用下，阴极表面势垒高度降低，宽度变窄，电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空，轰击三基色荧光粉单元[1]。要得到足够大的发射电流，应采用：1）提高栅极工作电压；2）采用低表面逸出功的发射材料或阴极表面涂敷低逸出功材料；3）改变阴极的几何形状以增大几何因子。受到高速电子束的激发，这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法(将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色武汉大学毕业设计(论文)3的方法)产生丰富的色彩[9]。FED的发光原理和传统的CRT显示器非常相似，都是利用电场吸引阴极电子源发射电子束，撞击荧光物质发光。但FED在物理结构上却与CRT截然不同。CRT是用一组电子枪负责整个屏幕的显示，因此电子枪必须以扫描的方式才能生成一幅完整的画面。而FED则将电子枪微型化，每一个像素点都有三个微型电子枪分别对应像素点上RGB三色。不同种类的FED，萤光屏侧的阳极基板没有太大不同，差别仅在于电子发射方式，即阴极基板侧的电子发射源各有不同。1.2.3场致发射显示器的结构FED基本结构为两块平板玻璃和一层空间，即由电子发射源板和荧光显示屏两部分组成，上层为荧光屏板，下层为微阵列电子发射源板，相互靠得很近。在每个像素点后面不到3mm处都放置了成千上万个极小的电子发射器[7]。电子源撞击像素点上的荧光物质(RGB)，显示屏就呈现出不同的图形与色彩。结构如下图所示：图1.1FED的基本结构1.2.4几种主要的场致发射显示技术1.FEAFEA为FED最早的构造设计方式，属圆锥状的立体构造，如图所示。它具有功耗小、工作电压低、亮度高、视角宽和能在恶劣环境下稳定工作等优点。这种场致电子发射是由作用于表面的电场将金属表面的势垒降低并减薄后，使金属内的大量电子可以越过势垒顶部而成为自由电子在外电场的作用下形成发射[1]。为了得到足够的有效发射，需采取一些必要的措施：1）加大工作电压以增加场强；2）寻求低逸出功的微尖材料或采用微尖表面涂敷低逸出功材料；3）改变微尖的几何形状以增大几何因子β，降低发射阈值等。武汉大学毕业设计(论文)4由于FEA的工艺制造复杂，合格率控制难度较高，同时存在支撑结构上电荷积累问题，需要严格控制好束流的发散度以确保器件的耐压特性和稳定性。大面积均匀成型锥尖所需的设备问题、栅极成膜的边缘形貌与栅控效果的一致性问题、降低成本问题都是其技术产业化的瓶颈，因此进入商品化运作的企业较少。微尖场发射显示器(FEA)结构示意图如下图所示：图1.2微尖场发射显示器结构示意图2.CNT多璧碳纳米管在场发射显示器中作为电子发射源。与微尖相比，CNT具有较低的发射阈值电场，适合制作冷阴极电子源。CNT电子源制作有电弧法和化学气相沉积法等，前者制作工艺流程较容易，但在基板上垂直成形较困难，必须进行提纯去除杂质，再采用印刷法丝印含有CNT浆料成型，这样的阴极发射均一性较差，阈值不一，在进行激光退火以后发射性能会得到提升。CVD法是将催化剂金属直接沉积在基板上，CNT在与基板垂直方向上生长出与催化剂相同的图形，但该方法需要较高的生长温度，所选基板材料受到限制，且用该方法制备的发射体难以保证大面积发射的均匀性[8]。CNT场发射显示器的三极式结构如下图所示：阴极基板阴极基板金属电极支撑CNT荧光粉栅极阴极图1.3CNT显示器结构示意图近几年来由于对CNT的理论研究和制备工艺都取得不同程度的突破和进展，国内外的许多研究机构已经加入到对CNT场致发射显示器的研发。许多公司都在CNT场发射显示器方面取得了巨大的进展，如三菱、日立、伊势、三星等。武汉大学毕业设计(论文)53.SED表面传导显示器SED的技术是由Canon开发的，是由超微细PdO粒子所形成的薄膜，在阴极组件的电极之间形成纳米级的沟道，当施加电压时产生电子隧穿，隧穿电子到达电极另一端后发生碰撞散射，一部分散射电子经由阳极的作用力而射向荧光屏形成有效发射[1]。其结构如下图所示：玻璃基板玻璃基板SED阴极荧光粉金属电极层黑矩阵UaUf图1.4SED阴极的结构和原理图SED显示器通过在每对阴极电极上利用喷墨打印技术形成PdO薄膜，并施加脉冲电压，形成亚微米级的裂缝，再通过通电激活处理工序，在微缝处生长碳膜，进一步缩小缝隙到5nm左右，从而就能在低电压下得到足够大的阴极传导电流[1]。通电激活处理是阴极组件获得稳定发射、降低阈值的关键工艺，也是该SED的核心技术部分之一。现在SED显示器在大尺寸上已经开发成功，SED显示器的量产工作也已启动。但SED显示器的研究将始终贯穿在预产和量产过程中，说明这一新技术在成本控制方面还有较大的改进空间。我们有理由相信随着技术的发展，SED显示器技术成本的降低，这一新技术必将在显示领域造成巨大的冲击，有望成为新一代主流显示技术。4.MIM＆MISM这种场发射显示方式属于薄膜内场致发射。它是藉电子隧穿效应产生热电子，形成有效发射。这种场发射显示方式有直流型(MIM)和交流型(MISM)两种工作形式。这种薄膜内场致发射的电子是基本上垂直于表面出射，而在电极的边缘部分有明显的自聚焦作用，对解决色纯、分辨率和避免电荷积累等方面的问题有着很大的优势。早期MIM的绝缘介质层采用阳极氧化工艺，阳极氧化的绝缘介质层致密度高，阈值内漏电流小，适用于小尺寸显示器的制作。尺寸增大后阳极氧化介质的效果就变差，漏电流增加，均匀性和耐压性能很难得到保证。后来工艺扩展为采用溅射、武汉大学毕业设计(论文)6CVD等工艺直接形成或复合、渐变形成绝缘层，上电极采用逸出功低的金属薄膜。增加工作电压、提高电子平均自由程进都能提高发射率。MIM场发射显示器结构示意图如下图所示：玻璃基板玻璃基板荧光粉上电极介质层下电极电子铝层图1.5MIM场发射显示器结构示意图MISM结构与MIM结构的差别在于有传输层的存在，它来完成电子的加速和传输，是交流工作模式，负半周时电子由上电极注入到传输层，并存储在传输层与绝缘层之间的界面态能级上，正半周时，存储在界面态能级上的电子在传输层中获得加速到达上电极，一部分能量高的电子穿过上电极逸出而成为发射电子[1]。MISM类型阴极结构优点：1）寻址电压低，约20V；2）制作工艺简易；3）发射的电子具有自聚焦特性；大面积工艺相对简单。虽然MISM有如此多优点，但是多年来它一直没有达到实用化。这主要是因为它发射比小和发射均匀性差的问题，所以MISM显示器在功能材料和工艺上的开发要达到实用化要求还有一段艰巨的路要走。5.BSD弹道电子表面发射显示BSD是在阴极上通过阳极氧化对硅薄膜层进行多孔处理形成一多孔性的纳米晶硅层，当中有细的微结晶粒，直径约5nm，表面是薄的二氧化硅层，在上部沉积一层金属层作为栅极。电子从基底进入多孔硅中，电子和纳米晶粒之间的碰撞几率很小，电子的自由程比较大，故称弹道式电子传输。当在阴极与阳极间施加直流电压时，电子注入纳米晶硅层并进入多晶硅的微结晶之间，电子加速运动得到高能量而放出，一部分电子穿过电极成为自由电子，电子发射效率可达2.1%。由于高能量的电子是从阴极的垂直方向飞出，不需要作电子束斑调整，因此具有平面状电子束流。其发射阈值低，16V时电流密度可达113mA/cm2，功耗相当于同尺寸PDP的1/2，故有高发光效率、高亮度、低功耗的特点，并且最大的一个优势就是这种显示器对器件的真空度要求比较低，从高真空到低真空武汉大学毕业设计(论文)7状态发射电流变化不大，相对比较稳定，但也面临大面积成膜和氧化成膜的问题。弹道电子表面发射显示BSD显示器结构示意图如下图所示：金属电极NPS层Poly-SiPoly-Si5nm固体真空金属电子发射电子e-e-e-氧化膜PPSe-阳极阴极图1.6BSD显示器结构示意图第2章模拟软件及模拟模型2.1模拟软件(FEPG)2.1.1FEPG的概况本次模拟使用的软件是北京飞箭软件有限公司旗