王璐薇1，張方輝2

　?。兾骺萍即髮W(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

        摘要：為了方便研究OLED器件的光電特性，設(shè)計(jì)了一套能夠自動(dòng)、同步測(cè)量OLED器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性的綜合測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于非接觸式測(cè)溫方法，以計(jì)算機(jī)、PR655型光譜亮度計(jì)、Keithley2400電流電壓測(cè)試儀、自制的紅外測(cè)溫模塊、暗箱、光學(xué)導(dǎo)軌、載物臺(tái)等為硬件，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制測(cè)量?jī)x器對(duì)OLED器件進(jìn)行測(cè)量，利用光譜亮度計(jì)對(duì)器件的發(fā)光性能進(jìn)行測(cè)量，利用單片機(jī)和紅外測(cè)溫傳感器對(duì)器件的溫度進(jìn)行測(cè)量，利用可編程電源為器件測(cè)試提供穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)列表和曲線顯示，最終保存數(shù)據(jù)。最后，利用該系統(tǒng)對(duì)自主研發(fā)的OLED器件進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，表明該測(cè)試系統(tǒng)具有綜合性強(qiáng)、精確度高、操作簡(jiǎn)單、軟件擴(kuò)展性好、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OLED器件各項(xiàng)性能的自動(dòng)化測(cè)試，并已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用到多個(gè)研究單位。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；LabVIEW；光電性能；OLED；非接觸式溫度檢測(cè)

　　中圖分類號(hào)：O433.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.24.003

　　引用格式：王璐薇，張方輝. 采用LabVIEW編程的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（24）：8-11，15.

0引言

　　有機(jī)電致發(fā)光器件（Organic LightEmitting Diode，OLED）因具有主動(dòng)發(fā)光、全固態(tài)、能耗低、超薄、響應(yīng)快、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)，在照明和信息顯示等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1］。在OLED器件的研究過(guò)程中，器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)等參數(shù)，可以作為評(píng)價(jià)OLED器件性能好壞的重要依據(jù)，因此開發(fā)一種智能化、綜合性的光電特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是非常必要的。目前使用的測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)際構(gòu)建和應(yīng)用中主要存在以下問(wèn)題：采用分立設(shè)備手動(dòng)測(cè)量的方式，效率低且容易出現(xiàn)人為誤差；不能同時(shí)測(cè)量OLED器件的各項(xiàng)光電特性；以微控制器為核心的測(cè)試系統(tǒng)電路復(fù)雜、編程效率低，系統(tǒng)構(gòu)建難度較大；需要編寫繁雜的程序代碼。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用LabVIEW作為開發(fā)工具，由于它采用圖形化的編程語(yǔ)言，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑［2］。本系統(tǒng)可以完成OLED器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性的集成測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OLED器件各項(xiàng)性能的自動(dòng)化測(cè)試，具有綜合性強(qiáng)、精確度高、操作簡(jiǎn)單、軟件擴(kuò)展性好、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　為了能夠同時(shí)測(cè)量OLED器件的I-V-L、溫度、亮度等特性，需要電壓源、溫度計(jì)、光譜亮度計(jì)的協(xié)調(diào)工作，本系統(tǒng)將PR655型光譜亮度計(jì)、Keithley2400型電源、自制的紅外測(cè)溫模塊等組成硬件系統(tǒng)，如圖1所示。

　　本系統(tǒng)選用美國(guó)Keithley公司的Keithley2400型電源作為測(cè)量OLED電壓電流特性的儀器，其主要指標(biāo)為:直流電壓輸出范圍0～200 V，電流輸出范圍0～1 A［3］。本系統(tǒng)采用Agilent公司生產(chǎn)的Agilent 82357B型GPIB卡，該卡使用標(biāo)準(zhǔn)USB和IEEE488接口，能簡(jiǎn)便地連接計(jì)算機(jī)與通用源表［4］。

　　系統(tǒng)測(cè)量光譜采用美國(guó)PHOTO RESEARCH公司的PR655型光譜亮度計(jì)，儀器出廠時(shí)已通過(guò)相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)校準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)。

　　紅外溫度傳感器選用凌陽(yáng)科技公司生產(chǎn)的TN9紅外測(cè)溫傳感器，具有回應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣以及可同時(shí)測(cè)量目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度的特點(diǎn)，傳感器的測(cè)量結(jié)果出廠時(shí)已通過(guò)相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)校準(zhǔn)。其主要性能：測(cè)溫范圍為－33℃～+220℃；固有測(cè)溫誤差為0.7℃；測(cè)試距離與待測(cè)物體的直徑比為1∶1［5］。采用宏晶科技推出的STC15F104W單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理芯片，具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的特點(diǎn), 其主要性能為：Flash存儲(chǔ)器為4 KB, 具有高精度R/C時(shí)鐘［6］。

2測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　采用LabVIEW編程的OLED光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單。此系統(tǒng)可工作于電壓和電流兩種不同的測(cè)試模式，在不同的模式下，用戶可以設(shè)置相關(guān)測(cè)量參數(shù)。在此界面，可以查看不同的選項(xiàng)卡，在自定義選項(xiàng)卡中，用戶可以根據(jù)自己的需要，分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)選擇相應(yīng)的特性參數(shù)，能實(shí)時(shí)繪制出相應(yīng)的特性曲線，這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了操作界面的復(fù)雜度。在以往光譜比較選項(xiàng)卡中，可以對(duì)不同器件的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量OLED器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性參數(shù)，并且具備實(shí)時(shí)采集、分析與直觀顯示數(shù)據(jù)的功能。還具備快速數(shù)據(jù)定位功能，在每一次測(cè)試完成之后，用戶只需要拖動(dòng)圖像區(qū)域的十字游標(biāo)到圖像的任意一點(diǎn)，即可迅速定位到游標(biāo)顯示區(qū)域所在點(diǎn)的當(dāng)前測(cè)量值，方便對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的快速分析。

　　2.1電源控制輸出模塊

　　計(jì)算機(jī)與Keithley2400間的通信是通過(guò)GPIB來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電源控制輸出模塊程序的設(shè)計(jì)流程是：首先給出Keithley2400通信接口的地址，然后開啟遠(yuǎn)程模式，根據(jù)用戶選擇的電源工作模式，對(duì)Keithley2400進(jìn)行初始化設(shè)置，之后開啟GPIB通道，等待紅外測(cè)溫模塊和PR55測(cè)量完成后，利用VISA寫入控件向電源端口寫入返回實(shí)際輸出電壓值和電流值的指令，再利用VISA讀取控件讀取實(shí)際輸出的電壓值和電流值，之后如果沒(méi)有接收到結(jié)束測(cè)量的命令，則需要將采集到的電壓和電流值與最大設(shè)定值做比較，若沒(méi)有超過(guò)最大設(shè)定值，則進(jìn)入下一輪數(shù)據(jù)采集，反之則結(jié)束測(cè)量。圖2所示為電源控制流程圖。

　　2.2光譜亮度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊

　　計(jì)算機(jī)與PR655間的通信是通過(guò)RS-232來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光譜亮度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊程序的設(shè)計(jì)流程是：首先清除光譜存儲(chǔ)數(shù)組內(nèi)容，根據(jù)用戶對(duì)測(cè)量參數(shù)的設(shè)定，對(duì)PR655進(jìn)行初始化設(shè)置，然后由PR655對(duì)OLED的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；接著需要從PR655中讀取測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)，先通過(guò)VISA寫入控件向PR655端口發(fā)送讀取光譜數(shù)據(jù)的指令，再利用VISA讀取控件讀取返回的字符串?dāng)?shù)據(jù)；最后利用截取字符串控件對(duì)采集的字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到亮度、色坐標(biāo)等光譜數(shù)據(jù)，并同時(shí)將它們存放到不同的數(shù)組中。圖3所示為光譜亮度計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊流程圖。

　　2.3溫度采集模塊

　　計(jì)算機(jī)與紅外測(cè)溫模塊間的通信是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在溫度采集模塊的通信程序中，首先通過(guò)VISA寫入控件向紅外測(cè)溫模塊端口寫入返回溫度數(shù)據(jù)的指令，等待300 ms后，再用VISA讀取控件讀取5 B的返回?cái)?shù)據(jù)，讀取的溫度字符串是“TXX.X”的形式，所以需要用截取字符串控件將溫度值從讀取的字符串中截取出來(lái)，并存放到數(shù)組中。溫度采集模塊流程圖如圖4所示?！　?/p>

　　2.4數(shù)據(jù)的處理、顯示和保存模塊

　　數(shù)據(jù)處理模塊利用乘法運(yùn)算器和除法運(yùn)算器根據(jù)運(yùn)算關(guān)系進(jìn)行連接，完成電流密度、電流效率和功率效率等特性參數(shù)的計(jì)算。數(shù)據(jù)顯示和保存模塊主要利用電子表格控件和XY圖形控件，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與保存以及特性曲線的繪制與顯示功能。

3測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　該測(cè)量系統(tǒng)由PR655型光譜亮度計(jì)、Keithley2400型電源、自制的紅外測(cè)溫模塊、暗箱、黑色圓管、光學(xué)測(cè)量導(dǎo)軌、夾具、載物臺(tái)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其位置關(guān)系如圖5所示。暗箱的中間有一個(gè)圓孔，圓孔與黑色圓管同心，且其直徑比黑色圓管橫截面的大2%~5%；黑色圓管氣密性很好，管子內(nèi)壁為黑色，且不能發(fā)光；暗箱與黑色圓管、光學(xué)測(cè)量導(dǎo)軌和夾具連接保證暗室黑暗環(huán)境，可避免外界光源的干擾；黑色圓管與PR655用夾具固定連接在光學(xué)測(cè)量導(dǎo)軌上，然后將PR655鏡頭中心的高度調(diào)整到與黑色圓管中心高度一致；載物臺(tái)位于暗箱內(nèi)，可以調(diào)節(jié)其上下及左右方向的位置；支架固定在載物臺(tái)上，支架中間有一個(gè)圓孔，其直徑比紅外溫度傳感器的探頭大2%,紅外溫度傳感器的探頭直徑為1.1 cm,使探頭剛好卡在這個(gè)圓孔中，并保持測(cè)試距離小于待測(cè)器件的直徑（D∶S=1∶1）；將待測(cè)器件固定在支架上，紅外溫度傳感器的探頭位于器件后面；將PR655、Keithley2400、自制的紅外測(cè)溫模塊與計(jì)算機(jī)連接在一起。

4測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

　　用真空蒸鍍的方法在ITO透明導(dǎo)電玻璃基板上制備紅光磷光OLED器件，采用的器件結(jié)構(gòu)為ITO/V2O5(20 nm)/NPB(40 nm)/TCTA(10 nm)/CBP:R4B(6%)(30 nm)/BCP(10 nm)/Alq3(30 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)，當(dāng)金屬陰極蒸鍍完成后，將蒸鍍好的器件通過(guò)機(jī)械手傳送至氮?dú)馐痔紫鋬?nèi)，最后用環(huán)氧樹脂紫外固化包封。使用本系統(tǒng)對(duì)此結(jié)構(gòu)的OLED器件進(jìn)行了電流密度電壓發(fā)光亮度、電流效率電流密度、溫度以及電致發(fā)光光譜的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果及分析如圖6所示。

　　圖6(a)所示為器件的亮度電壓電流密度特性曲線圖，從圖中可以看出，器件啟亮電壓為3 V(3.6 cd/m2), 發(fā)光亮度隨著電壓的增加呈現(xiàn)非線性指數(shù)增加的趨勢(shì)，當(dāng)電壓為12 V時(shí)，最高亮度可達(dá)11 520 cd/m2；器件在低電場(chǎng)強(qiáng)度下表現(xiàn)出很好的二極管整流效應(yīng)，在驅(qū)動(dòng)電壓較低（小于6 V）情況下，電流密度隨著電壓的增加以近似于線性的方式緩慢增加，當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí)，電流密度呈非線性指數(shù)增加，說(shuō)明器件有很好的光電性質(zhì)。圖6(b)所示為器件的電流效率電流密度功率地效率特性曲線圖，從圖中可以看出，器件的電流效率和功率效率隨電流密度的變化趨勢(shì)基本相同，且效率滾降比較平緩，說(shuō)明器件有很好的穩(wěn)定性。圖6(c)所示為器件在12 V下的電致發(fā)射光譜曲線，從圖中可以看到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為12 V時(shí)，器件的光譜峰值處于616 nm附近，即來(lái)自R4B的特征發(fā)光，說(shuō)明在主體CBP和客體R4B之間有著很好的能級(jí)匹配并進(jìn)行了高效的能量傳遞。圖7(d)所示為器件的電壓溫度電流密度特性曲線圖，從圖中可以看出，器件的溫度隨著電壓的增加而升高，但溫度波動(dòng)不大。

　　測(cè)量結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對(duì)OLED器件進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，并且具有綜合性強(qiáng)、精確度高、操作簡(jiǎn)單、軟件擴(kuò)展性好、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室OLED器件參數(shù)測(cè)量具有實(shí)用價(jià)值。

5結(jié)論

　　本文使用LabVIEW 2013開發(fā)工具，將多臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電源和計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合在一起，開發(fā)了一套OLED器件光電性能綜合測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)測(cè)試軟件界面簡(jiǎn)潔，功能豐富，可以實(shí)時(shí)、同步、精確、高效地測(cè)量發(fā)光器件和顯示器件的電壓、電流、亮度、光譜、色坐標(biāo)、溫度等特性參數(shù)，并且具備實(shí)時(shí)采集、分析與直觀顯示數(shù)據(jù)的功能。同時(shí)采用非接觸式測(cè)溫的方法可以不受環(huán)境溫度的影響且不需要機(jī)械接觸被測(cè)器件，便可快速地測(cè)量器件的表面溫度，具有回應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)。本課題組已經(jīng)在研究不同OLED器件的性能方面做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作，并獲得很多非常好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)實(shí)際使用證實(shí)了測(cè)試系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)將可以實(shí)現(xiàn)多方位的角度控制，可以測(cè)量OLED器件在不同方位的發(fā)光性能。

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