（微电子学与固体电子学专业论文）有机电致发光自动测量系统的研制及应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 有机电致发光器件( o l e d ) 是显示领域内的一个研究热点，在研究过程 中需要用到相应的测量系统。而对于o l e d 测试系统的研究开发都是借鉴发光 二极管的测试系统，还不是很成熟。本文设计开发了新型有机电致发光i v b 自动测量系统和表面功函数测量装置，对o l e d 器件优化提供了有力支持。 本文首先回顾了o l e d 器件的发展历程、基本原理。对o l e d 器件各种参 数的意义及计算方法进行了详细的描述。为介绍测试系统设计开发奠定了基础。 阐述了测试在科学研究中的重要作用，并根据数据采集技术设计开发了i v b 自动测量系统。该系统主要是利用数据采集卡的控制来完成程控电压输出和基 本参数采集，与数据采集卡相配套的外围电路包括：电流电压的放大电路、电 流测量电路、电压测量电路、亮度采集电路。自动测量系统的控制是通过应用 程序来完成的，应用程序开发是运用n i ( n m i o n a li n s t r u m e n t ) 公司的图形化编 程平台l a b v i e w 开发环境。通过l a b v i e w 提供的丰富函数，我们实现了速度 可控的扫描电压、三组基本数据采集、数据计算处理、数据保存功能。并设计 了相应的人机界面来进行测量所需要参数设计、测试结果的显示、特性曲线绘 制等功能。本文还制备了基本o l e d 器件并运用自动测试系统进行测量。将测 量结果与现行测量系统的测试结果进行了比较，通过分析可以得知测量结果真 实可信。 。 利用接触势差法自行设计开发了一种新型的表面功函数测试装置。基本原理 是参考电极与样品之间形成电容，计算流过参考电极与样品之间的电流，通过 确定电流的零点来获得功函数。此测量仪器由函数发生、功率放大，振荡器等 多个功能模块组成。能在空气环境中快速测量半导体，金属、金属氧化物薄膜 的表面功函数。我们运用此装置成功的对有机电致发光的阳极氧化铟锡( d ) 薄膜、p 型硅片的功函数进行了测量，得到了样品经过u v o z o n e 处理前后功函 数随时间变化的曲线。为器件的优化提供了依据。 关键词：自动测量有机电致发光w b 功函数 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd e v i c e s ( o l e d ) h a v ea t t r a c t e dl a r g en u m b e r so f r e s e a r c h e r s i nt h ef i e l do fd i s p l a y b u tt h er e s e a r c ho f a u t o m a t i ct e s ts y s t e mn e e dt od e v e l o p ，i t i sn e c e s s a r yt od e s i g nn e wt e s ts y s t e mf o ro l e d i nt h i st h e s i san e wk i n d so f i n ba u t o m a t i ct e s ts y s t e ma n dn o v e li n s t r u m e n tf o rt h em e a s n r e r n e n to fw o r k f u n c t i o nu s i n gc o n t a c tp o t e n t i a ld i f f e r e n c em e t h o da r er e a l i z e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ar e v i e wo fc o n c e p t sa n dt h e n r i e sd e s c r i b i n gt h e m e c h a n i s m so fo r g a n i ce l e c t r o l u m i n e s c e n c ea r es u m m a r i z e d ，a n ds o m ek n o w l e d g e a b o u tm e a s 蝴n e n tt e c h n o l o g ya n dd a t aa c q u i s i t i o na r ei n t r o d u c e d ad a t a a c q u i s i t i o nc a r dw h i c hi sc o n n e c t e x iw i t hc o m p m e rb yp c i ，w a su s e dt og e n e r a t e t h es c b nv o l t a g ea n dt e s tt h ed a t e w ed e s i g ns o m ec t r c u l ti n c l u d e ：p o w e ra m p l i f i e r c i r c u i t ，c u r r e n tm e a s u r e m e n tc i r c u i t t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a sp r o g r a m m e db y l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ( l a b v i e w ) w h i c hp r o v i d e s v e r yp l e n t yo fu s e f u lf u n c t i o n u s i n gt h i sp r o g r a m m e ，w ec a no b t a i n ，a c c o u n ta n d s a v et h ed a t e w ed e s i g nt h ef r o n tp a n e lt oc o n n e c tw i t ho p e r a t o rt oi n p u ts o m e p a r a m e t e ra n dd i s p l a yt h et e s tr e s u l ta n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e w eh a v ef a b r i c a t e dt h e o l e dd e v i c e sa n dm e a s u r et h ep e - r f o r m a n c e b yc o m p a r e dw i t h2 4 0 0 $ o u r g em e t e r s y s t e m ，w ec a l lk n o wt h ep r e c i s i o no f t h es e l f - d e s i g ns y s t e m w eh a v em a d ean o v e li n s t r u m e n tf o rt h em e a s u r e m e n to fw o r kf u n c t i o nu s i n g c o n t a c tp o t e n t i a ld i f f e r e n c em e t h o d t h er e f e r e n c et 谗a n ds a m p l ea r eu s e dt of o r ma v i b r a t i n gc a p a c i t o r b yc o u n t i n gt h ec u r r e n tb e t w e e nt h es a m p l ea n dar e f e r e n c et i p ， w ef o u n dt h ew o r kf u n c t i o nb yf i x i n gt h ez e r op o i mo ft h ec u r r e n t i ti sm a i n l y c o m p o s e do fs i g n a lg e n e r a t o r , p o w e ra m p l i f i e r , a n do s c i l l a t o r s i g n a lg e n e r a t o rw a s t h es i g n a ls o u r c eo fs y s t e m ，i tg e n e r a t es i n es i g n a l a f t e rm a g n i f i e db yp o w e r a m p l i f i e r , s i g n a lw a ss e n tt oo s c i l l a t o rw h i c hc a nm a k et h er e f e r e n c eo s c i l l a t i n g c u r r e n tb e t w e e nt h es a m p l ea n dar e f e r e n c et i pw a ss e n tt oo s c i l l o g r a p hf o rr e a l t i m e m o n i t o r a tt h es a m et i m e ，w ea p p l yc o m p l e m e n tv o l t a g et ot h es u r f a c eo fs a m p l e v i 上海大学硕士学位论文 b ya d j u s t i n gt h ec o m p l e m e n tv o l t a g e ，w ec a nf o u n dt h ez 册p o i i l to ft h ec u r r e n t t l l i si n s t r u m e n tc a nm e a s u r et h ew o r kf u n c t i o no fm e t a l s e m i c o n d u c t o ra n d m e t a l o x i d ei na m b i e n tc o n d i t i o n s t h i si n s t r u m e n tw i t hh j 曲p r a c t i c a b i l i t ya n d d e f i n i t i o ni sh a n d yt oo p e r a t e , a n di tc a nw o r ki na m b i e n c e w eh a v em e a s u r e dt h e w o r kf u n c t i o no fe - t y p es i l i c o n ( s i ) a n dt h et h i nf i l mo fi t ow h i c hi su s e da st h e a n o d eo fo r g a n i cl i g h te m i t t i n gd e v i c e s ( o l e d s ) w eh a v es e tu par e l a t i o nb e t w e e n w o r kf u n c t i o na n dt i m e ，w h i c hs h o w st h ec h a n g eo fw o r kf u n c t i o nw i t ht i m e f o r c o n f i r mt h ep r a c t i c a b i l i t yo fi n s t r u m e n t ，w eh a v ef a b r i c a t e dt w ow h i t eo r g a n i cl i 曲t e m i t t i n gd e v i c e w eu s e du v - i t o ( n o t r e a t e db yu v - o z o n e ) a n di t ow i t h o u tu v f o ra n o d eo f d e v i c e s w eo b m i nt h ec u r r e n t ( i ) 一v o l t a g e ( c h a r a c t e ro f d e v i c e s i ti s c l e a rt h a tt h el m f o r m a n e eo fd e v i c e su s e du v - i t oi sb e t t e r 鹪t h er e s u l to ft h e i n c r e a s e dw o r kf u n c t i o no fi t o i ti su s e f u lf o rt h eo p t i m i z a t i o no f t h ed e v i c e s k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct e s to r g a n i cl i g h te m i t t i n g i v bw o r k f u n e t i o n v l i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特，1 1 ) j r 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： i i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章概述 本课题来源于国家自然基金重大项目“全彩色有机电致发光器件若干基础 问题的研究”，项目编号：9 0 2 0 1 0 3 4 和上海市重大攻关项目“长寿命单色( 红 蓝绿白) 及彩色小分子o l e d 器件制造工艺及测试技术开发”，项目编号 0 3 d 2 1 1 0 1 5 1 2 课题研究意义及现状 在发光显示器件产品研究和生产过程中，描述显示技术器件的性能参数已 成为光电显示器件发光机理研究、物理特性研究关键手段【1 埘。提高和解决这一 关键技术问题，除了要研究光电子显示器件性能参数的测量方法外，还要开展 发光器件物理特性参数自动测试装置的研制，实现准确的自动化测量。 1 2 1i - v - b 自动测试系统 发光器件以及相应的平板显示器的质量检测的技术要求中，电流电压亮 度( u v b ) 特性参数是用一组u v b 测试数据表示的特性曲线，它对表征器 件的电流电压特性，显示器件的电压亮度特性有重要的作用，其他参数如电流 效率、电压效率、起亮电压、最大亮度等都与这一组特性参数有着密切的联系。 因此，i v b 特性参数是最基本的检测参数【3 1 。 目前用得比较普遍的i - v - b 测量系统有美国k e i t h l e y 仪器公司研制的 k e i t h l e y 2 4 0 0 源表组合测量系统与2 5 1 测试软件配套，可用于发光显示器 件和显示器的i v 参数测量，k e i t h l e y 6 5 1 7 a 静电计也含有i 与v 组合 测量i v 参数测量的功能，与测量附件和他t p o h l t 软件结合还可进行c v 参数、电阻率和光学物理参数测量。它们代表了发光显示器件和显示器特性电 学参数检测仪器的技术水平，并已在产业获得应用【4 】。 对有机电致发光器件( o l e d ) 测试，国内也有用北京师范大学研制的o l e d 测试系统，对器件的电压电流亮度等参数进行测量。仍缺乏特性参数自动检 上海大学硕上学位论文 测仪器装置，目前还依靠进口国外仪器实现发光显示器件特性参数的检测垆一。 以上的测试系统的共同特点是：系统集成度不高，都是用现有通用程控电 源、电流计、亮度计等分立设备组合而成。不是专门针对o l e d 器件测试要求而 设计的集成测试系统。这样就造成了一些分立设备的资源利用率不高，成本提 高。实用性不高等缺点。而且由于p r 6 5 0 和l s l l 0 的速度比较慢，因此测量速 度很慢一个数据都要2 秒以上。因此，有必要开展专用型o l e d 显示器件的特性 参数自动测试装置的研制。以给o l e d 的研究做出有力支持。 1 2 2 表面功函数测试装置 另外，对于有机电致发光器件和半导体器件，表面功函数也是一个非常重 要的参数7 1 。功函数的大小决定了接触面的能级匹配情况，直接影响了粒子的注 入。目前，有机电致发光器件的功函数测量主要是采用紫外光电子能谱法( u p s ) 嗍和k e l v i n 探针【9 l 方法。这两种仪器价格非常贵，而且都是在真空中测量功函数， 对环境的要求严格。其中u p s 能测量局部的功函数，即功函数的区域分布情况。 k e l v i n 探针原理上与u p s 不同，通常情况下测出的结果比u p s 测量的结果稍 高。另外，有文献报道用扫描隧道显微镜也可以对功函数进行测量【l0 1 。所以， 我们有必要设计开发一种可以在大气环境下快速、方便的测量表面功函数的测 试装置。在我们的科研中方便的使用。 1 3 课题的主要任务 1 3 1 设计开发有机电致发光i v b 自动测量系统 ( 1 ) 利用数据采集卡完成步进电压的输出，器件电流、电压、亮度数据 的采集。 ( 2 ) 采集数据硬件电路的设计，p c b 设计。 ( 3 ) 测量系统应用软件电的开发，能够完成数据的采集、处理和保存。 2 上海大学硕士学位论文 1 3 2 设计开发了有自主知识产权的表面功函数测试装置 ( 1 ) 设计表面功函数测量系统整体结构。 ( 2 ) 设计表面功函数测试装黄硬件电路、测试平台。 ( 3 ) 设计p c b 板和仪器操作面板。 1 3 3 两种自动测量系统的应用 ( 1 ) 利用i v b 自动测量系统对o l e d 器件进行测试，并将结果与现有 测试系统的结果进行比较。 ( 2 ) 利用表面功函数测试装置对i t o 、硅片表面功函数进行测量。 1 4 有机电致发光器件 视觉作为人类获取信息最直接最主要的手段，使得信息显示技术所提供的 信息量占人类获取信息量的7 0 以上，特别是随着现代科学技术的进步和社会 的发展，人类所接触的信息量也在不断地增加。作为人机界面的新型显示器件 的研制，越来越引起人们的重视。信息显示是信息产业的核心技术之一，而信 息显示技术及显示器件多种多样，人类社会的信息化对显示技术提出了越来越 高的要求，既要显示的多样化，又要实现图像画面的高保真度，从微型显示直 至超大屏幕技术都成了社会的需求。 平板显示器如彩色液晶( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y , l c d ) 、等离子显示器 ( p l a s m a d i s p l a y p a n e l ，p d p ) 在计算机和电视机中的普遍应用；蓝色发光二极 管的研制成功以及全色半导体发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 大屏幕显 示器在众多公共场所的采用：有机电致发光器件( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd e v i c e o l e d ) 的迅猛发展等，都为信息显示技术产业的发展注入了强大推动力，使 之成为发展最快的产业之一。平板显示是目前显示技术中的佼佼者，其中，具 有自发光能力的发光器件是实现良好显示的重要元件，也是显示技术的发展趋 势，近年来新型发光器件和发光材料的研究和开发，已成为高新技术中极为活 跃的热点领域【1 1 ，。 有机电致发光显示器件由于响应速度快，适合于全彩色的动态图象显示， 3 上海大学硕士学位论文 同时驱动电压低，能与数字图像v l s i 技术兼容，也便于实现动态图象的显示 驱动，并且聚合物材料可以通过低成本的工艺做成柔性的大匦积平板显示，所 以它是实现未来超薄型可卷壁挂式彩色电视的关键技术，现被公认为是继液晶 显示l c d 、等离子显示p d p 后的新一代图形图像显示器件。图1 1 图中显示 是2 0 0 3 年三星公司在s i d 上展示的o l e d 全彩色显示器 图1 1 三星o l e d 矩阵全彩色显示器 与无机材料的电致发光相比，有机薄膜发光器件具有许多不可比拟的优越 性，主要表现在下述几方面【1 3 】： 第一有机电致发光材料可选范围广，容易得到全色显示，尤其可以得到无机 材料很难得到的蓝光。 第二响应速度快，温度适应范围广。 第三可以直接用十几伏甚至几伏的直流低压驱动，可以和集成电路直接相匹 配，能耗少，亮度大，效率高，视觉宽。 第四有机电致发光器件的制作工艺简单，可以低成本制成超薄平板显示器件， 良好的机械加工性能，容易做成不同形状等因此易于产业化 有机发光器件的研究始于本世纪三十年代，1 9 3 6 年d e s t r i a u 将有机荧光 化合物分散在聚合物中制成薄膜，得到了最早的电致发光器件。在2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 3 年，m p o p e 等【1 4 】首次在蒽单晶上实现了电致发光，继而w h e l 缸d ，i s 、e l o h m a 皿和d f w i l l i a m s 1 刀等人又相继报道了葸和萘等稠环芳 香族化合物的电致发光。但由于当时需要在大于1 0 0 v 的驱动电压下才能观察 到明显的发光现象，且量子效率也很低，还由于受各种条件的制约，未能很好 地解决成膜质量差和电荷注入效率低等问题，所以有机电致发光的发展一直处 4 上海大学硕上学位论文 于停滞不前的状态。直到1 9 8 7 年，美国柯达公司1 h 矿1 8 1 和v a ns l y k e 采用 8 一羟基喹啉铝络合物( a l q 3 ) 作为发光层，分别用i t o 电极和m g ：a g 电极作 为阳极和阴极，制成了高亮度( 1 0 0 0 c d m 2 ) ，高效率( 1 5l m 、聊的绿光有机电 致发光得到了量子效率为o 0 5 的蓝绿光输出，其驱动电压小于1 4 v 。由于聚 合物材料的制作工艺、稳定性以及化学修饰性都比有机小分子更为优越，所以 聚合物p p v 以及p p v 衍生物材料的研究进一步地推动了有机电致发光薄膜 的研究，使之成为新的研究热点。1 9 9 0 年，剑桥大学c a v e n d i s h 实验室b r a u n 等f 19 】用p p v 的衍生物制成了量子效率为1 的绿色和橙色光输出，其驱动电 压约为3v 。这些工作都极大推进了有机薄膜电致发光器件的发展，从而使得 有机电致发光的研究在世界范围内广泛地开展起来。 有机电致发光属于电流注入复合发光类型，原理上类似于半导体发光管和激 光器。其结构从玻璃基底算依次是注入空穴的透明电极( i t o 膜) 、空穴注入层、 发光层、电子注入层、电子注入电极。电子注入电极材料的逸出功越低越好，一 般用银镁或铝锂合金，除了具有较低的逸出功外，同时有一定的抗氧化作用。 有机电致发光器件的基本结构属于夹层式结构，即发光层被两侧电极像三明 治一样夹在中间，并且一侧为透明电极以便获得面发光。有机e l 器件一般使用 的阳极多为氧化铟一氧化锡玻璃电极( i t o ) ，而阴极通常由金属组成。根据有机 膜的功能，器件结构可以分为单层结构、双层结构、三层结构以及多层结构( 如 图1 2 所示) 。 单层结构是指在有机发光层两侧直接加上阴阳电极，有机发光层可以是有机 发光小分子，也可以为发光聚合物或掺杂的发光小分子。聚合物分子量大，可以 通过旋涂方式成膜，但是制备双层聚合物薄膜较为困难，因此从加工角度来讲， 聚合物器件通常采用单层结构。 毡鼍锗鼍 图1 2有机e i j 器件的基本结构 5 上海大学硕士学位论文 单层结构e l 器件中载流子浓度不平衡，器件发光效率和亮度相对较低，驱 动电压较高。k o d a k 公司的c w t a n g 等人先提出了双层有机膜结构，有效地解决 了电子和空穴的复合区远离电极和平衡载流子注入问题，提高了有机e l 器件的 效率，使有机e l 的研究进入了一个新阶段。双层结构的优势在于既能有效地解 决载流子的注入、传输和复合问题，又能克服单层有机小分子薄膜的漏电问题。 为了增加器件中载流子的有效注入、平衡载流子浓度从而提高载流子的复合 几率，日本的a d a c h i l 2 0 ，2 1 】首次提出了三层结构的e l 器件。这种结构的器件的特 点在于使用独立的空穴传输层( e t l ) 、发光层( e m l ) 、电子传输层( e t l ) ，这三层 功能层各尽其职，提高了电子和空穴在发光层的复合几率，降低了驱动电压，提 高了器件的效率和发光亮度。因此这种结构是目前有机e l 器件中最常采用的器 件结构。 在实际的有机e l 器件设计时，为了使器件的各项性能最优，充分发挥各 功能层的作用，通常采用多层结构。主要有两种形式，一种是在两电极内侧加 上缓冲层，以增加电子和空穴的注入量。另一种是为了提高器件的发光效率， 使用空穴阻挡层，这是由于空穴材料中空穴的的迁移率远大于电子，为了防止 空穴迁移过快，在与电子复合之前就泄漏到阴极，在e m l 层和e t l 层之间加 入h b l 层，使更多的空穴停留在e m l 层与注入的电子在e m l 层复合形成激 子，以提高器件的发光效率。 1 5 有机电致发光器件的主要参数 1 5 1 发光亮度 1 7 6 0 年由朗伯建立了光度学，他定义了光通量、发光强度、照度、发光亮 度等主要的光度学参量。 光通量( m ) 定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的 大小的量度。单位是流明( 1 m ) 。 发光强度( i ) 是用来描述在某一个指定方向上发出光通量的能力，定义在 指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除以这个立体角元， 6 上海大学硕士学位论文 所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度。用公式表示为：j = 象发 光强度的单位是坎德拉( c d ) 。 发光亮度是衡量器件光学性能的重要指标之一，它表示单位面积上的发光强 度，国际单位制为耐有时也称之为尼特( n t ) 。即：工= 砉。 1 5 2 发光效率 有机e l 效率可以用量子效率7 7 。、电流效率理。和流明效率7 7 ，：三种方式来 表征。 量子效率可以分为内量子效率7 一、和外量子效率7 7 ，。内量子效率即在器 件内部由复合产生辐射的光子数与注入的载流子数比。外量子效率即射出器件 的光子数与注入的载流子数之比。由于器件内部产生的辐射在向表面传播过程 中有一部分被吸收，在不同介质界面处还有一部分被反射，因此器件的发光效 率最终由外量子效率来反映。从有机e l 发光步骤来看，外量子效率可表示为： 7 7 。2 7 7 。刁：7 7 ，刁。 式中：叩。为注入载流子形成激子的效率： r ：为激子生成能发光的激发单重态的效率： r ，为激发态发生辐射跃迁产生发光的效率： 7 7 4 为射出器件的光子数与发光产生光子数的比值。 对于荧光e l 器件，r ：为激子生成激发单重态的效率。对于有机荧光物质， 除稀土配合物外( 理论上7 7 ：2 1 ) ，其它荧光物质遵守自旋统计原则，7 7 ：2 1 4 ，这 限制了外量子效率。另外，载流子的注入、复合效率以及器件各有机层、金属 层和玻璃层的折射、反射都影响外量子效率，因此理论上一个荧光有机器件的 外量子效率只有5 电流效率是器件的发光强度与电流的比值，单位是坎德拉安培。 7 上海大学硕士学位论文 流明效率也叫光度效率，是发射的光通量l ( 以流明为单位) 与输入的电功 率p ：之比，其表达式为： 研t - 警- 等 其中，s 为发光面积( m 2 ) ，b 为发光亮度( c d m 2 ) ，i 和v 分别为一定亮度下器 件中流过的电流和器件两端的电压，j 为相应的电流密度( a m 2 ) ，流明效率的 单位是流明瓦( l m w ) 。如果电能1 0 0 分别有效转变为5 5 5 n m 单色光和白光， 最大可能的效率分别为6 8 3 l m w 和2 5 0 l m w 。 1 5 3 发光寿命 发光寿命定义为发光亮度降低到初始亮度5 0 持续的时间。 发光寿命受多种因素的影响，如材料的电化学或热化学不稳定性、注入电 子和空穴的电荷平衡、晃面的不稳定性、局域场的破坏或热扩散、温度和驱动 电流等。人们普遍认为，器件发热导致的功能薄膜形态变化是导致器件寿命缩 短的重要原因p e b u r r o w s 等人认为，器件内部形成的小型短路放热是导致器 件寿命缩短的一个重要原因。 1 5 4 发光色度 为了对颜色有客观的描述和测量，1 9 3 1 年国际照明委员会( c i e ) 建立了标 准色度系统，这种系统推荐了标准照明物和标准观察者通过测量物体颜色的三 刺激值( x ，y ，z ) 或色坐标( x ，y ，z ) 来确定颜色。通常用x ，y 两个色品就可标 注颜色。 实验中，一般用色度计来测量颜色。简单的色度计是由三组滤光片和光电 池组成的光探测器构成，当测量光的颜色时，从三块光电池上得到的光电流正 比于三刺激值x y z ，由此三刺激值就可以计算色坐标x ，y 和z 8 上海大学硕士学位论文 1 s 5 表面功函数 金属内部电子受到正离于的吸引。但由于各离子的吸引力相互抵消，使电 子受的净吸引力为零。在金属表面处由于正离子的均匀分布被破坏，电子将 在金属表面处受到净吸引力，阻止它逸出金属表面。 这相当于表面处形成一高度为e 0 的势垒，金属中电子可看成处于深度为 e o 的势阱中的电子系统，电子的费米能级为e f ，电子要跳出金属至少需要从外 界得到的能量称为功函数。 表面功函数o l e d 器件制备中一个重要的参数。电极的功函数影响两极注入 的电子与空穴的平衡。提高载流子的平衡是一种有效优化器件性能的手段。有 机电致发光器件中阳极尽量选用功函数高的材料，有利于空穴的注入，阴极则 选用功函数较低的金属，都对提高器件性能有帮助。 9 上海大学硕士学位论文 第二章i v b 自动测量系统的组成 测量是人们认识客观事物并获得其量值的实验过程。在这个过程中，人们 借助专门的设备，通过实验的方法，求出被测量的大小，并给出单位。测量技 术是研究测量的原理、测量仪器和测量方法及其相互关系的技术学科。测量的 作用表现在：为认识客观世界和改造客观事物，提供理论、方法并获得其数量 概念，验证理论；探索新的事物和发现其线索。测量是揭示世界的规律，用数 字语言描述周围世界，进而改造世界的重要手段。英国科学家a h 库克( 物。 说：“测量是技术生命的神经系统精密的测量是准确的知识和经济的设计 所必需的，方便的测量是敏捷的通讯和有效的组织所必需的”。 测量的过程包含了控制技术、检测及转换技术、数据采集技术、指示技术、 信息处理技术的合理利用，以及测量原理、测量方法、测量仪器及其操作控制 等方面的内容。 2 1 数据采集技术介绍 数据采集技术1 2 2 矧是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与 处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它研究信息数据 的采集、存储、分析、处理及控制等，是获取信息的基本手段。数据采集系统 的基本任务是测量和产生现实世界的物理信号，在几乎所有涉及到数字信息处 理的领域中，数据采集系统都是其核心部分之一。 基于p c 机的数据采集系统( d a ma c q u i s i f i o i l d a q ) 大致有两种，一种是采 用插入p c 控制槽中的插卡形式实现数据采集并将数据直接通过p c 总线传入计 算机内存中；另外一种采用远端数据采集硬件完成数据采集，然后通过串行、 并行方式或者u s b 接口将数据传回计算机。本课题采用的是第一种方式构成的 数据采集系统，以便进行高速、大容量的数据采集和传输。 基于计算机的数据采集系统的结构如图2 - i 所示，该系统由传感器、信号 调理、数据采集( d a q ) 硬件、个人计算机、软件等基本要素构成。 i 0 上海大学硕士学位论文 躅2 1 羹予计算机的救据采集系统 数据采集系统各部分作用： ( 1 ) 传感器 传感器是把物理量转换成电信号的装置。例如：光电转换器、热电偶、电 阻温度检测器、热敏电阻、集成电路温度传感器等，熟电偶是将温度转变成电 压和电阻。又如应变片、流量传感器等将压力、流速转换成电信号。对于每种 传感器，电信号的大小都与被监测的物理参数成比例。选用不同传感器，可以 完成对不同物理量的测试。一些传感器，像热电偶等，由于精度较低，信号也 微弱，因而需要对其调理和校正才可能得出精确结果。 ( 2 ) 信号调理 从传感器输出的信号必须经过调理才能够有效地进行数据采集，常见的信 号调理包括放大、滤波、隔离、线性化等处理，以保证测量的精度。有些传感 器的工作还需要有电压或电流激励源。由传感器来的微弱信号需要进行放大， 以提高信号分辨率。为了达到最高的测试精度，应该使被测信号的电压变化范 围被放大至a d c 的最大量程附近，这样可以提高测量精度。 ( 3 ) 数据采集硬件 常用的数据采集硬件的功能包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输出、 定时i o 和触发等。 ( 4 ) 软件 在数据采集系统中，软件起着将d a q 硬件和p c 转换成一个完整的数据采 集、分析和显示系统的功能。软件主要有驱动器软件和应用软件两部分组成。 驱动器软件 数据采集系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采 上海大学硕士学位论文 集硬件系统进行操作的软件层，管理着系统的操作以及计算机资源的组合，比 如c p u 中断、d m a 传送、存储器等。驱动软件在保持高性能、提供给用户易 于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件级程序设计。越来越复杂的d a q 硬件、计算机、软件等实际上更提高了驱动程序的重要性和价值。选择好的驱 动软件能够缩短d a q 系统的开发时间，提高系统的性能和灵活性。 应用软件 对d a q 硬件系统进行程序设计，最常用和最有效的办法就是利用应用软 件来增加分析和显示功能，并且提供用户一个友好的人机界面。在驱动软件的 基础上，应用软件也就和数据采集的硬件结合在一起了。 2 2i 屉自动测量系统的组成 基于数据采集技术，利用数据采集硬件和软件工具，我们设计开发了专用 的集成的o l e d 自动测量系统。这个系统的特点是能够快速测量o l e d 器件， 因为对于研究中制备的o l e d 器件来说，多数测量都是对没有封装的器件直接 在空气环境中测量，而有机材料在空气中加电压发光的情况下氧化很快。如果 测试的速度比较慢，那么在高电压下测得的o l e d 器件性能就会和实际有较大 误差。下面介绍了本系统的结构组成。 2 2 1自动测量系统的框架图 图2 2 给出了自动测量系统框架图。从图中可以看出整个系统主要有分为 硬件和软件两大模块。硬件模块完成电压的输出，数据的采集。软件模块主要 完成对整个系统的自动控制。使系统在设定了一定的参数后能够自动的运行。 上海大学硕士学位论文 2 2 2 系统的工作流程 图2 - 2i n b 自动测量系统的框架 上图给出的硬件和软件构成了整个系统，在系统正常工作状态下数据的传 递流程是：首先由应用软件发出指令到数据采集卡，数据采集卡根据指令产生 一定扫描速率的扫描电压，扫描电压经过外围电路的放大，功率扩展然后加载 到测试样品上。同时，利用外围的测量电路测量此时样品的电压、电流。并将 测量的数据传输给数据采集卡，数据采集卡将采集到的信号传递到计算机并显 示在界面上。并绘制出相应的特性曲线图，同时保存数据。将光电转换器将光 信号转换为电信号并送到相应的电路中并将数据通过数据采集个返回到应用软 件中，应用软件根据光电转换理论计算出对应的器件的亮度，根据亮度绘制出 亮度的特性曲线图并保存数据。这样就完成了基本的i v b 参数的测量。同时， 要根据亮度学的理论计算出发光效率、功率效率参数并绘制出相应的特性曲线。 上海大学硕士学位论文 当整个系统设计完成后可以根据一定的流程完成样品的性能测试。样品测 量的流程如下： ( 1 ) 准备工作：开启计算机，接通测试系统电源。检查个线路是否连接好。 ( 2 ) 样品的安置：将制备好的o l e d 器件放置到相应的位置，并给样品接 好正负两极，将亮度测量的传感器固定在测量的发光面积上。以能够完 整的测量器件的发光亮度。 ( 3 ) 启动测量应用软件：设置相应的参数值，如扫描电压的初始值和终值、 电压的扫描速率、测量样品的大小等。 ( 4 ) 运行软件测试系统并观察操作界面上的曲线和测量结果。 ( 5 ) 将测量的结果保存到计算机中并进行相应的处理。 2 2 3 系统功能模块 一硬件系统 ( 1 ) 数据采集卡 要将外界的模拟信号或者数字信号输入到计算机，必须使用计算机基本 功能以外的其他方式。其中可实行的方式之一就是使用适配卡。数据采集卡 就是能够完成一定的特殊功能的适配卡，将这些适配卡插入到计算机后就可 以实现外界传感器信号与计算机之间进行通信。采集卡大多数由输入输出通 道、缓冲放大、a d 转换器、f i f o 缓存、p c i 总线控制器、计时器、逻辑控 制等单元组成。 数据采集卡的主要指标： 采样率一般的数据采集卡是用每秒钟取样的数据点作为该卡所拥有 的采样率，采样率就是进行a d 转换的速率，不同的数据卡有不同的 采样率，采样率越高当然越精确，但是采样率越高成本也会相应的提 高。 分辨率分辨率是指数据采集卡的精确指标，用模数转换器的数字位 数来表示。数据采集卡的模数转换器的位数越高，把模拟信号划分的 就越细，可以检测到的信号变化量也就越小。 1 4 上海大学硕上学位论文 通道数数据采集卡的通道数是指采集卡的数据通道数。包括模拟输 入输出通道和数字输入输出通道。一般的n i 卡有1 6 通道和6 4 通道 两种。在设计的过程中可以根据自己的需要选择相应通道数的采集卡。 同步采样如果要分析多个被测信号的相位关系是，选用的数据采集卡 应该有同步取样功能。 模拟输出、数字输入、输出有一些数据采集卡有模拟输出的功能，如 果需要输出一定的模拟信号的可以采用这种卡。 触发触发是对数据采集卡的控制功能，当满足一定的触发条件的时候 进行数据的采集和数据的输入输出等功能。 本课题使用的是n i 公司的p c i 6 0 1 4 高速数据采集卡，这款数据采集卡采 用p c i 接口可以直接与计算机相连。p c i 6 0 1 4 的主要指标【堋。 通道数：1 6 个模拟输入通道、2 个模拟输出通道、8 个数字输入输出 通道。 模拟输入阻抗l o g q 数据位数：1 6 位 采样率：2 0 0 k s 输入输出电压范围：+ 1 0 v 。 图2 3 给出的是p c i6 0 1 4 数据卡的管脚定义，通过一块c b 6 8 l p 端子 板与外部连接。 1 5 上海大学硕士学位论文 1 9 越 l g n d 脚1 0 i3 a i 1 4 a i g 劓a a i 3 a l b i g n d a 1 1 5 船0 k c p 0 4 d g n d p 啦 p 0 6 d 洲d + 5 v 0 g n 0 d g n d p r 洲s t 嘏c r t r 昭 p r l i a l r e f t r i g d g n d + 5 v d g n d p f i g o s m p c l k p r6 a os t , a r t t r g d g n d p 同剑c 丽o g 阮 c t r o o l r f f 随q o u t 1 0 a i g n d | o i2 砧g k d i l s e 弧8 e a 1 1 2 1 5 a i 翎d a 1 1 4 i7 l g n d a o g n o a o e p d d g n o p 0 0 p 05 d g - i p 0 2 p 0 7 p 0 3 a i l o l d c o m p e 射s t r 0 8 e d g f l d p f l2 a ic o n vc l j ( p f l 3 c t r ，s r c p f l4 i c t rig 艇 c t r l o u t d g n o p f i 训s a m p c l k p 翻g c t r 0s r c d g 辩d d g d 图2 3p c i 6 0 1 4 管脚图 数据采集卡的信号连接方式有三种分别为：差分d i f f ( d i f f e r e n t i a l ) 、参考 单端r s e ( r e f e r e n c e ds i n g l e ，- e n d e d ) 、非参考单端n r e s ( n o n r e f e r e n c e d s i n g l e e n d e d ) 。p c i6 0 1 4 只有d i f f 和n r e s 两种连接方式。 差分测试系统中信号的正负两极分别接入两个通道，所有输入信号都有自 己的参考点。差分系统是一种比较理想的测试系统，因为它不仅抑制接地回路 感应误差，而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声。当在的电平信号( 1 v ) 、 环境噪声比较大、每个信号都要求有自己的参考点的情况下采用差分测试系统。 1 6 上海大学硕士学位论文 单端测试系统的优点是可以使用两倍的测试通道。单端测试系统所有的信 号都参考一个公共参考点。当高电平信号、比较短的有合适屏蔽的电缆、环境 无噪声、所有信号可以有一个公共参考点情况下采用单端测试系统。