Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Разработка полупроводниковых тензочувствительных элементов для систем неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния материалов

Озаренко Александр Валентинович

Тамбов 2008

Работа выполнена на кафедре «Материалы и технология» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Брусенцов Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Чернышов Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент Ивановский Василий Андреевич

Ведущая организация ОАО «Холдинговая компания «Ленинец», г. Санкт-Петербург

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тамбовского государственного технического университета по адресу: 393032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, корп. «Б», а с авторефератом дополнительно - на сайте

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разрушения изделий, аппаратов, конструкций, связанные с нарушением прочности материалов, приводят к серьезным последствиям, а в некоторых отраслях и технологических процессах они просто недопустимы. Следовательно, при эксплуатации таких изделий, особенно в условиях интенсивных термосиловых воздействий, необходимо обеспечить периодический или непрерывный контроль состояния применяемых материалов.

В этой связи широкое распространение получают методы и средства неразрушающего контроля (НК) напряженно-деформированного состояния (НДС) материалов и изделий, применяемых в различных отраслях народного хозяйства. Однако используемые в них в качестве первичных измерительных преобразователей (ПИП) неэлектрических величин (механического напряжения, деформации, перемещения и т.д.) тензочувствительные элементы (ТЧЭ) и тензопреобразователи далеко не всегда удовлетворяют современным требованиям. К их недостаткам, прежде всего, стоит отнести низкую чувствительность и точность, сложность настройки и балансировки при изготовлении, нестабильные выходные характеристики.

Применение ТЧЭ и тензопреобразователей, созданных на основе новых полупроводниковых материалов и структур, благодаря высокой чувствительности полупроводников к механическим воздействиям, позволит улучшить ряд параметров существующих измерительных устройств: повысит чувствительность и точность измерений, расширит рабочий диапазон, позволит упростить аппаратуру и легче совместить ее с современными средствами вычислительной техники.

Поэтому задача разработки ПИП с улучшенными метрологическими характеристиками для систем НК НДС материалов на основе новых полупроводниковых ТЧЭ является весьма актуальной.

Цель работы: исследование физических процессов, возникающих в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структурах) при деформации, и разработка на их основе ТЧЭ и тензопреобразователей с улучшенными метрологическими характеристиками для систем НК НДС материалов и изделий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование влияния деформации на электрофизические параметры МДП-структур на основе монокристаллических полупроводников для выявления возможности их использования в качестве ТЧЭ;

- разработка математической модели физических процессов, происходящих в ТЧЭ на основе МДП-структуры при одноосной упругой деформации;

- создание методики разработки полупроводниковых ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками на основе результатов исследования полученной математической модели;

- разработка, экспериментальное исследование полупроводниковых ТЧЭ на основе МДП-структуры и создание на их базе интегральных тензопреобразователей механических величин;

- разработка микропроцессорной системы НК НДС материалов и изделий, в которой качестве ПИП используются ТЧЭ на основе МДП-структуры.

Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теоретических основах физики полупроводников, математическом моделировании, основах интегральных полупроводниковых технологий, физическом эксперименте с использованием опытных образцов, а также на экспериментальных исследованиях, проведенных на кафедре «Материалы и технология» ТГТУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель физических процессов, происходящих при деформации в полупроводниковых ТЧЭ на основе МДП-структуры, учитывающая влияние основных топологических, электрических и электрофизических параметров, на основе которой создана методика разработки ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками;

- проведены экспериментальные исследования влияния деформации на параметры МДП-структур, подтвердившие возможность их использования в качестве ТЧЭ;

- на основе созданной методики и проведенных исследований разработан новый полупроводниковый ТЧЭ, содержащий на поверхности монокристалла кремния n-типа проводимости диэлектрический слой двуокиси кремния, а также изолированный электрод, что позволяет повысить чувствительность и точность определения параметров НДС материалов и изделий;

- разработан интегральный тензопреобразователь, который, в отличие от известных тензорезисторных ПИП, является прибором с двойным управлением. Двойное управление выходным сигналом, осуществляемое как за счет деформации полупроводникового кристалла, так и изменения потенциалов на изолированных электродах МДП-структуры, позволяет повысить точность балансировки и упростить процедуру настройки тензопреобразователя;

- разработана микропроцессорная система НК НДС материалов и изделий, включающая в свой состав ТЧЭ на основе МДП-структуры и позволяющая проводить компенсацию разбаланса тензосхем в автоматическом режиме.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе созданной методики и проведенных исследований разработаны конструкции интегральных тензопреобразователей и микропроцессорная система НК НДС материалов, применение которых позволяет повысить точность измерений и достоверность мониторинга прочностных характеристик изделий. Используемые при их создании оригинальные технические решения признаны изобретением, подтвержденным положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение.

Результаты работы приняты к использованию на ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор», ОАО «Тамбовский завод «Ревтруд», а также в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на II, III, IV Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006-2007 гг.); Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2007» (Пенза, 2007 г.); III Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2007 г.); III Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2007 г.); II Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского» (Тамбов, 2007 г.); Шестой Международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из которых 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 1 положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, при непосредственном участии автора были получены основные теоретические и экспериментальные результаты, предложена математическая модель процессов, происходящих в ТЧЭ при деформации. Предложено алгоритмическое, технологическое и конструкторское обеспечение разработки и изготовления полупроводниковых ТЧЭ и тензопреобразователей. Разработана структурная схема микропроцессорной системы.

Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список используемых источников и приложения, изложенные на 131 странице машинописного текста, 38 рисунках, 8 таблицах.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту кафедры «Материалы и технология» ТГТУ А.П. Королеву за активную консультационную помощь при решении теоретических и экспериментальных вопросов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость диссертации.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих систем контроля напряженно-деформированного состояния материалов и изделий, тензометрических устройств для измерения деформаций, перемещений, давлений и т.п. Отмечено, что используемые в их составе в качестве тензочувствительных элементов проволочные и фольговые тензорезисторы обладают рядом серьезных недостатков, таких как невысокая чувствительность, относительно большие массогабаритные характеристики, слабый выходной сигнал.

Проведенный сравнительный анализ показал, что наиболее перспективным, с точки зрения улучшения метрологических характеристик систем контроля, является направление разработки и создания ТЧЭ и тензопреобразователей на основе полупроводниковых монокристаллических материалов. Полупроводниковые ТЧЭ имеют значительно большую тензочувствительность и высокий уровень выходного сигнала измерительных схем, что позволяет упростить схемотехническую реализацию устройств.

Важнейшей особенностью полупроводниковых тензорезисторов является возможность изменения в широких пределах их электрофизических свойств, что принципиально не осуществимо в проволочных и фольговых. При их производстве применима высокопроизводительная микроэлектронная технология.

Однако серийно выпускаемые полупроводниковые тензорезисторы и тензопреобразователи имеют низкую точность, узкий рабочий диапазон и нестабильные выходные характеристики, требуют сложной процедуры настройки при изготовлении.

В связи с этим целесообразна разработка полупроводниковых ТЧЭ и тензопреобразователей на основе прогрессивных конструкторско-технологи-ческих решений, позволяющих создавать полупроводниковые структуры с заданными метрологическими характеристиками: чувствительностью, уровнем выходного сигнала, линейностью выходной характеристики, что в целом приведет к расширению диапазона и повышению точности измерений.

В результате проведенного анализа определены цель и задачи исследования.

Во второй главе проведены исследование и анализ влияния одноосной упругой деформации на основные параметры МДП-структур с целью выявления возможности их использования в качестве ТЧЭ и получения аналитических зависимостей этих параметров от деформации, которые использовались при построении математической модели.

Структура разрабатываемого ТЧЭ представляет собой МДП-резистор в монокристалле кремния n-типа проводимости, управляемый электрическим полем потенциала на изолированном электроде.

При деформации полупроводника происходит изменение расстояний между атомами, что приводит к изменению ширины запрещенной зоны. В этом случае ширина запрещенной зоны может быть выражена следующим соотношением:

, (1)

где - ширина запрещенной зоны недеформированного полупроводника, эВ; - барический коэффициент, эВ/Па; - механическое напряжение, Па.

концентрация электронов проводимости, учитывающая изменение ширины запрещенной зоны при деформации, определяется по уравнению

, (2)

где - концентрация донорной примеси, м-³;

, - эффективные плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно, м-³;

k - постоянная Больцмана, эВ/К;

T - температура, К.

Деформация вызывает изменение подвижности основных носителей заряда в структуре полупроводникового ТЧЭ. Для расчета полупроводниковых структур с произвольными уровнями легирования использовалось обобщенное соотношение для подвижности основных носителей заряда с учетом рассеяния на акустических фононах, рассеяния на ионизированных атомах примеси, механического напряжения и поперечного электрического поля:

, (3)

где ; (4)

, (5)

здесь - подвижность, определяемая рассеянием на акустических фононах;

- подвижность, связанная с рассеянием на ионах примеси;

- пространственный заряд, Кл/м²;

- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

- относительная диэлектрическая проницаемость кремния;

- разность потенциалов между входом и выходом ТЧЭ, В;

- длина канала до деформации, м;

- средний продольный модуль упругости полупроводника, Па;

- максимальная скорость электронов, м/с;

e - заряд электрона, Кл;

- постоянная Дирака, эВ·с;

- эффективная масса электрона, кг.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

- деформация оказывает влияние на электрофизические параметры предлагаемой полупроводниковой структуры, что говорит о возможности ее применения в качестве ТЧЭ;

- полученные зависимости являются основой для разработки математической модели физических процессов, происходящих в полупроводниковом ТЧЭ при деформации.

В третьей главе разработана математическая модель, определяющая взаимосвязь выходного сигнала ТЧЭ с механическим напряжением, возникающим при деформации МДП-структуры.

Сопротивление элементарного участка проводящего канала структуры длиной определяется следующей зависимостью:

, (6)

где - сопротивление канала, Ом;

- длина канала, м;

- удельное сопротивление, Ом·м;

- ширина канала, м;

- глубина канала, м.

Однако на распределение носителей заряда в канале оказывают влияние значение управляющего потенциала () и напряжения на выходе ТЧЭ (). Влияние данных электрических параметров приводит к тому, что глубина области, обогащенной электронами у выхода ТЧЭ, больше, чем у входа.

В этом случае глубина канала W на расстоянии x от входа равна:

, (7)

где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под управляющим электродом;

d - толщина диэлектрика, м;

V(x) - напряжение на расстоянии x от входа ТЧЭ, В.

При деформации ТЧЭ изменяется удельное сопротивление полупроводникового кристалла (тензорезистивный эффект) и

, (8)

где - удельное сопротивление недеформированного полупроводника, Ом·м;

- продольный коэффициент пьезосопротивления, Па-¹.

Продольный коэффициент пьезосопротивления определяется параметрами кристаллической решетки, кристаллографическим направлением и типом проводимости полупроводника.

Ток, протекающий через любое сечение канала, одинаков, следовательно

. (9)

Математическая модель выходной характеристики ТЧЭ, учитывающая изменение длины канала при деформации, определяется интегрированием выражения (9) с граничными условиями V = 0, x = 0 и , :

(10)

Проведено исследование и анализ полученной математической модели с целью создания методики разработки полупроводниковых ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

На рис. 1 представлены зависимости выходного сигнала ТЧЭ от механического напряжения для структур с различной степенью легирования полупроводника. Из графиков видно, что с увеличением концентрации примесных атомов увеличивается выходной ток ТЧЭ. Однако с увеличением содержания примесных атомов в монокристалле уменьшается угол наклона графиков, определяющий величину изменения выходного сигнала от механического напряжения, т.е. чувствительность полупроводникового ТЧЭ. Уменьшение чувствительности связано с уменьшением подвижности основных носителей заряда.

С ростом количества примесных атомов в монокристалле увеличивается вероятность столкновения электронов проводимости с этими атомами. Следовательно, увеличение рассеяния носителей на ионах примеси уменьшает подвижность основных носителей заряда.

Рис. 1. Зависимость выходного тока от механического напряжения дляразличных концентраций примеси: 1 - ; 2 - ; 3 - собственный полупроводник

На рис. 2 представлены зависимости выходного тока от топологических параметров: толщины диэлектрика (а) и длины проводящего канала (б). Анализируя графические данные, можно сделать вывод, что уменьшение длины канала и толщины диэлектрика приводит к увеличению чувствительности и повышению уровня выходного сигнала. При уменьшении толщины диэлектрика под управляющим электродом увеличивается величина электрического поля, создаваемого потенциалом на электроде и проникающего через диэлектрик в подзатворную область полупроводниковой подложки. В результате увеличения электрического поля увеличивается количество основных носителей заряда, что приводит к увеличению выходного тока.

Увеличение уровня выходного сигнала, наблюдаемое при изменении длины канала, связано с уменьшением его электрического сопротивления.

Рис. 2. Влияние топологических параметров на выходную характеристику

При увеличении значений управляющего потенциала повышается уровень выходного сигнала полупроводникового ТЧЭ. Это связано с увеличением концентрации свободных носителей заряда, которые притягиваются положительным потенциалом на управляющем электроде. Увеличение количества свободных носителей заряда приводит к увеличению пространственного заряда, следовательно, и выходного тока полупроводникового ТЧЭ.

На основе разработанной математической модели и проведенных исследований создана методика разработки полупроводниковых ТЧЭ, устанавливающая взаимосвязь метрологических характеристик разрабатываемых элементов с параметрами МДП-структуры.

Сущность данной методики заключается в выборе с помощью полученной математической модели таких значений электрических (V_G, V_D), электрофизических (м_n, р_l, N_D) и топологических (L₀, Z, d) параметров (в пределах заданных диапазонов) разрабатываемого ТЧЭ, при которых функция преобразования реализуется в заданном диапазоне механических напряжений с максимально возможной чувствительностью, линейностью и уровнем выходного сигнала. Полученная методика позволяет выработать рекомендации по выбору таких диапазонов измеряемых величин и рабочих температур, в пределах которых разрабатываемый ТЧЭ обладает наилучшими метрологическими характеристиками.

Блок-схема, представленная на рис. 3, и приведенная последовательность действий в рамках разработанной методики отражают основные этапы достижения поставленной цели.

1. Вначале необходимо задаться исходными данными: набор полупроводниковых материалов с определенными концентрациями примеси ; напряжения на выходе и управляющем электроде , диапазон значений которых определяется условиями эксплуатации и схемотехническим решением; длина канала , толщина диэлектрика и ширина канала , минимальные значения которых определяются уровнем выбранной технологии, а максимальные - условием задачи.

Рис. 3. Укрупненная блок-схема методики разработки ТЧЭ

полупроводниковый тензообразователь метрологический контроль

2. Расчет чувствительности. Чувствительность определяется из выражения (10) как . Максимальное значение достигается выбором наибольших значений , и наименьших , из заданного интервала.

3. Определение максимальной рабочей температуры . Для этого необходимо определить температуру пробоя , при которой заданное напряжение на изолированном электроде вызывает пробой диэлектрика.

Расчет может быть произведен по следующей зависимости:

, (11)

где - высота потенциального барьера, эВ;

- эмпирический коэффициент.

4. Если меньше необходимой максимальной рабочей температуры, следует увеличивать с наименьшим приращением, определяя после каждого шага и сравнивая ее значение с максимальной рабочей температурой . Как только станет больше , выбор необходимо прекратить, потому что при таком значении d и ранее выбранных параметрах чувствительность максимальна в данном температурном диапазоне.

5. Оценка уровня выходного сигнала с выбранными ранее параметрами. Если уровень выходного сигнала соответствует условиям задачи - переходим к оценке линейности. При неудовлетворительном уровне выходного сигнала необходимо повышать величину потенциала на изолированном электроде с наименьшим приращением. При этом после каждого шага следует пересчитывать значение . Максимальное значение уровня выходного сигнала будет получено при таком значении , при котором удовлетворяется условие .

6. Оценка линейности. Для определения линейности функция (10) приводится к линейному виду с коэффициентом нелинейности K₁. Коэффициент нелинейности может быть определен из следующего выражения:

. (12)

Если полученное значение коэффициента нелинейности при выбранных выше параметрах удовлетворяет условиям задачи, выбор прекращают и осуществляют вывод полученных параметров.

7. В случае неудовлетворяющей условию задачи линейности следует уменьшить диапазон измерений. Диапазон необходимо изменять с наименьшим приращением для достижения требуемой линейности, а затем провести расчет чувствительности в полученном диапазоне измерений. Если чувствительность удовлетворяет условиям, выбор прекращают и осуществляют вывод полученных параметров. Если чувствительность ниже требуемого значения, необходимо вернуться к п. 1 для выбора другого материала.

В четвертой главе проведены экспериментальная проверка адекватности математической модели на полупроводниковых ТЧЭ с заданными топологическими параметрами и анализ погрешности экспериментальных данных.

На основе полупроводниковых ТЧЭ разработаны конструкции интегральных тензопреобразователей и микропроцессорная система НК НДС материалов, предназначенная для мониторинга прочности изделий и конструкций.

С учетом анализа полученной математической модели для изготовления опытных образцов использовалась технология, включающая в себя следующие стадии: диффузию, окисление, фотолитографию, термовакуумное напыление, ультразвуковую сварку. Уровень технологии, технологические параметры и режимы влияют на точность выполнения полупроводникового ТЧЭ.

Наиболее ответственными этапами в производстве ТЧЭ являются: окисление, фотолитография, диффузия. От этих этапов зависит точность получения топологических параметров, которые по результатам анализа математической модели являются одними из определяющих точность измерений.

Опытные образцы изготавливались на кремниевых пластинах n-типа проводимости, легированных фосфором или сурьмой типа КЭФ, КЭС. Уровень выбранной технологии изготовления полупроводниковых ТЧЭ позволял воспроизводить топологические параметры со следующими значениями абсолютных погрешностей: = 10-⁶ м; = 10-⁶ м; = 10-⁷ м.

Экспериментальная проверка достоверности результатов математического моделирования и работоспособности предлагаемой структуры полупроводникового ТЧЭ проводилась при постоянной температуре по схеме, представленной на рис. 4.

Для исследования образцы полупроводниковых ТЧЭ закреплялись на консольной балке постоянного сечения, выполненной из диэлектрического материала. Один конец балки был жестко закреплен, а к свободному концу балки прикладывалась нагрузка, определяющая деформацию ТЧЭ. Длинная сторона образцов ориентировалась вдоль оси балки.

Рис. 4. Схема проведения эксперимента: 1 - полупроводниковый ТЧЭ; 2 - источник постоянного тока; 3 - микроамперметр; 4 - регулируемый источник питания; 5 - консольная балка

Величина механического напряжения, возникающего при деформации в месте установки ТЧЭ, определялась по известному из экспериментальной механики выражению:

, (13)

где a - расстояние от центра образца до свободного конца балки, м;

h - толщина балки, м;

b - длина балки, м;

l - величина изгиба в вертикальном направлении, м;

С₁ - модуль упругости материала балки, Па.

Экспериментальные исследования, проведенные при разных напряжениях на выходе полупроводникового ТЧЭ и на управляющем электроде, подтвердили адекватность математической модели и эффективность созданной методики разработки полупроводниковых ТЧЭ.

В результате проведенного анализа погрешностей были выявлены доминирующие факторы, оказывающие основное влияние на погрешность выходного сигнала ТЧЭ. Рассчитана приведенная погрешность измерений ТЧЭ, изготовленного по современным интегральным технологиям, составляющая не более 0,5%.

На рис. 5, а представлена экспериментальная зависимость с различным значением потенциала на управляющем электроде, полученная при деформации полупроводникового ТЧЭ, выполненного на кремнии марки КЭФ с удельным сопротивлением = 0,1 Ом·м.

Разработано несколько вариантов конструкций интегральных полупроводниковых тензопреобразователей.

Один из вариантов представляет собой разделенные ячейки, нанесенные на гибкую основу. Каждая ячейка представляет собой полупроводниковый ТЧЭ. Межсоединения выполняются в пленочном варианте. Данное конструктивное решение позволяет определять деформации в деталях и конструкциях сложной геометрической формы с неровной поверхностью.

Второй вариант интегрального тензопреобразователя (рис. 5, б) представляет кремниевую мембрану, на поверхности которой сформированы четыре полупроводниковых ТЧЭ (2), объединенных в мостовую схему металлизацией (3). Кремниевая мембрана устанавливается на диэлектрическую подложку (1) и помещается в металлический корпус. Применение управляемых ТЧЭ в составе тензопреобразователя позволяет упростить процедуру настройки, повысить надежность и точность балансировки тензосхемы. Следует отметить, что расположение полупроводниковых ТЧЭ на кремниевой мембране может быть изменено в зависимости от требуемой чувствительности, точности, рабочего диапазона измеряемых величин.

На рис. 6 представлена структурная схема микропроцессорной системы НК НДС материалов. Основным блоком данной системы является процессор, позволяющий осуществлять балансировку тензомостов, линеаризацию и изменение диапазона выходного сигнала, диагностику состояния системы.

а б

Рис. 5. Выходная характеристика полупроводникового ТЧЭ (а) и конструкция интегрального тензопреобразователя (б)

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 6. Структурная схема микропроцессорной системы: АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; ППЗУ - энергонезависимая память; RS-485, RS-232 - последовательные интерфейсы; ПК - персональный компьютер

Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов настройки и коррекции параметров системы. Наличие двух последовательных интерфейсов позволяет передавать информацию как непосредственно на персональный компьютер, так и на удаленные расстояния. С целью повышения помехоустойчивости системы подключение каждого тензомоста выполняется по 6-проводной схеме. При этом одна пара проводов служит для питания моста, другая пара необходима для измерения подаваемого напряжения, третья пара - для измерения выходного сигнала.

В отличие от аналогов, применение управляемых ТЧЭ позволяет проводить балансировку мостовых схем в автоматическом режиме за счет организованной через ЦАП обратной связи.

Система может находиться в одном из следующих режимов:

- начальная диагностика: тест процессора, тест АЦП и ЦАП, контроль ППЗУ;

- режим «измерение»: измерение входных сигналов и передача информации по последовательным интерфейсам, постоянный контроль АЦП и ЦАП;

- режим «настройка»: настройка на используемый входной диапазон, балансировка тензосхем;

- система неисправна: система переходит в данный режим в случае обнаружения ошибки в ходе начальной диагностики и при отказе АЦП или ЦАП в процессе измерения.

Данная система может использоваться в промышленных условиях для мониторинга прочности ответственных конструкций и объектов повышенной опасности, а также при проведении натурных испытаний изделий на прочность.

В приложении приведены технологический процесс изготовления полупроводникового ТЧЭ, компьютерная программа расчетов технологических режимов, акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведен информационный анализ применяемых в настоящее время тензочувствительных элементов и тензопреобразователей, подтвердивший актуальность разработки ТЧЭ на основе новых полупроводниковых монокристаллических материалов и структур, позволяющих улучшить метрологические характеристики существующих систем НК НДС материалов.

2. Исследовано влияние деформации на основные параметры МДП- структур, выполненных на различных монокристаллических полупроводниках, и выявлены возможности их использования в качестве ТЧЭ.

3. Разработана математическая модель физических процессов, происходящих при одноосной упругой деформации и устанавливающая взаимосвязь выходного сигнала с топологическими, электрическими и электрофизическими параметрами МДП-структуры, являющаяся теоретической базой для создания методики разработки полупроводниковых ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

4. На основе результатов исследований математической модели создана методика разработки полупроводниковых ТЧЭ, позволяющая прогнозировать метрологические характеристики на этапе проектирования.

5. Разработан полупроводниковый ТЧЭ, содержащий на поверхности монокристалла кремния n-типа проводимости диэлектрический слой двуокиси кремния, а также изолированный электрод, что позволяет повысить чувствительность и точность определения параметров НДС материалов и изделий.

6. Проведены экспериментальные исследования и анализ погрешностей измерений разработанных полупроводниковых ТЧЭ. Результаты исследований подтвердили адекватность предложенной математической модели и корректность основных теоретических выводов, положенных в основу разработки ТЧЭ на основе МДП-структур и их применимость при создании ПИП механических величин.

7. Разработан интегральный тензопреобразователь, в котором реализована возможность управления выходным сигналом за счет изменения потенциалов на изолированных электродах. Применение ТЧЭ на основе МДП-структуры в составе тензопреобразователя обеспечивает повышение его надежности и точности балансировки мостовой схемы.

8. Разработана и принята к использованию в промышленном производстве микропроцессорная система НК НДС материалов, включающая в свой состав ТЧЭ на основе МДП-структуры, позволяющая повысить оперативность и достоверность контроля.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Озаренко, А.В. Особенности тензорезистивного эффекта в структурах металл-диэлектрик-полупроводник при статической и переменной деформации / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.П. Королев // Вестник Тамбовского государственного технического университетата. - 2008. - Т. 14, №1 - С. 158-163.

2. Озаренко, А.В. Цифровое устройство измерения деформаций на базе полупроводниковых управляемых тензорезисторов / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.П. Королев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2007. - №3(9). - С. 187-192.

3. Озаренко, А.В. Исследование влияния деформации на сопротивление полупроводниковых управляемых тензорезисторов / А.В. Озаренко // Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского: сб. материалов II междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2007. - С. 76-78.

4. Озаренко, А.В. Устройство повышенной точности для измерения деформаций / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов // Высокие технологии. Фундаментальные и прикладные исследования, образование: сб. трудов IV междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб., 2007. - Т. 11. - С. 361-362.

5. Озаренко, А.В. Температурная коррекция интегральных тензопреобразователей / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов // Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством: материалы Шестой междунар. теплофизической школы. - Тамбов, 2007. - Т. 2. - С. 98-101.

6. Озаренко, А.В. Интегральный полупроводниковый тензопреобразователь / А.В. Озаренко // Составляющие научно-технического прогресса: сб. материалов III междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2007. - С. 138-140.

7. Озаренко, А.В. Деформационная зависимость подвижности и концентрации носителей в полупроводниковых датчиках / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.П. Королев // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: труды междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. - С. 63-65.

8. Озаренко, А.В. Способ компенсации температурной погрешности тензопреобразователей / А.В. Озаренко // Глобальный научный потенциал: сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов, 2007. - С. 112-114.

9. Озаренко, А.В. Математическая модель процесса проводимости полупроводника при воздействии ультразвука / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.П. Королев // Высокие технологии. Фундаментальные и прикладные исследования, образование: сб. трудов III междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб., 2007.- Т. 8. - С. 123-124.

10. Озаренко, А.В. Проектирование первичного измерительного преобразователя для определения деформаций возникающих при ультразвуковом воздействии / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.П. Королев // Высокие технологии. Фундаментальные и прикладные исследования, образование: сб. трудов III междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб., 2007.- Т. 8.- С. 125-126.

11. Моделирование процессов проводимости в полупроводниковых структурах при ультразвуковом воздействии / Ю.А. Брусенцов, А.В. Озаренко, А.П. Королев, С.А. Попов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2007. - Т. 13, №1А. - С. 164-169.

12. Попов, С.А. Применение полевых структур для измерения деформаций возникающих при ультразвуковых воздействиях / С.А. Попов, А.В. Озаренко // Сборник статей магистрантов Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2006. - Вып. IV. - С. 137-140.

13. Брусенцов, Ю.А. Исследование электрофизических процессов в полевых полупроводниковых структурах для измерения теплофизических характеристик / Ю.А. Брусенцов, А.В. Озаренко, А.П. Королев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2006. - Т. 12, №1А. - С. 122-128.

14. Озаренко, А.В. Применение полевых структур в измерениях разности температур / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.П. Королев // Высокие технологии. Фундаментальные и прикладные исследования, образование: сб. трудов II междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб., 2006. - Т. 5. - С. 150-151.

15. Решение о выдаче патента РФ на изобретение. Устройство для измерения давления / А.В. Озаренко, Ю.А. Брусенцов, А.И. Фесенко, А.П. Королев. -128640/28(031192); Заявл. 25.07.2007.

Размещено на Allbest.ru