Разработка интегральных полупроводниковых термочувствительных элементов для приборов неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов

Многие физические характеристики материалов и качество готовых изделий из них можно определить с помощью теплофизических свойств этих материалов. Задача проектирования более качественных средств измерений с улучшенными метрологическими характеристиками соответствует наиболее актуальным задачам развития измерительной техники.

Актуальность работы. В настоящее время существенно расширяется номенклатура используемых естественных и искусственных материалов и изделий из них при одновременном увеличении объема контролируемых параметров и соответствующем увеличении стоимости контроля. Особенно это касается новых конструкционных, электроизоляционных, теплохладостойких материалов, эксплуатация изделий из которых связана с протеканием тепловых процессов и необходимостью периодического или непрерывного контроля теплофизических свойств в течение всего периода работы. По этой причине получают распространение и развиваются тепловые методы неразрушающего контроля (НК) теплофизических свойств (ТФС) материалов, характеризующиеся оперативностью и экономичностью, возможностью применения в самых различных технологических процессах для контроля качества исследуемых объектов. Однако достоверность и точность результатов измерений этими методами зависят не только от выбора и контроля пространственно-временных параметров исследуемых объектов в процессе проведения теплофизического эксперимента, но и от массогабаритных размеров, чувствительности, инерционности, временной стабильности первичных измерительных преобразователей (ПИП), использующихся в термозондах таких приборов. В этой связи актуальной задачей является создание термочувствительных элементов термозондов на базе полупроводниковых технологий. Это позволит улучшить ряд параметров существующих приборов бесконтактного контроля ТФС материалов: увеличит чувствительность, уменьшит инерционность, позволит упростить аппаратуру и легче совместить с современными средствами вычислительной техники. Поэтому задача разработки приборов НК ТФС материалов и готовых изделий с полупроводниковыми термочувствительными элементами термозондов является актуальной.

Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР «Неразрушающий контроль и диагностика», раздел 4 «Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля» на 1994 -1998 г. г.- программа Минвуза РФ «Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве» на 1998 — 2000 гг.- программа министерства образования РФ «Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в оборот», раздел «Инновационные научно — технические проекты» 2000 г.- программа Миннауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект «Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями», шифр: «Теплогидрощит» на 2000;2001 гг.

Цель работы. Исследование электрофизических, конструкторско-топологических и технологических параметров полупроводниковых структур и на основе полученных результатов создание методики проектирования интегральных термочувствительных элементов термозондов с заданными метрологическими характеристиками для средств оперативного неразрушающего контроля. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— анализ вопросов, связанных с разработкой термочувствительных элементов термозондов с заданными чувствительностью и диапазоном, высокой стабильностью и воспроизводимостью на базе полупроводниковых монокристаллических материалов и интегральных технологий;

— исследование влияния температуры на электрофизические параметры полупроводниковых структур на различных монокристаллических материалах с целью выявления возможности использования их в качестве термочувствительных элементов (ТЧЭ);

— разработка математической модели процессов в ТЧЭ, происходящих под воздействием температуры;

— исследование математической модели для оценки влияния основных параметров на выходную характеристику ТЧЭ и проверка ее адекватности;

— построение методики проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками на основе результатов исследования математической модели;

— выявить доминирующие операции процесса создания ТЧЭ, разработать термозонд с интегральными, полупроводниковыми ТЧЭ и провести экспериментальную проверку качества.

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 технологии» ТГТУ, в межкафедральной лаборатории «Энергоинформационные технологии, диагностика и приборы» ТГУ, в межвузовской лаборатории «Теплофизические измерения и приборы», регионального отделения «Российское общество по не-разрушающему контролю и технической диагностике» (РОНКТД) и в ряде промышленных и научно-исследовательских организаций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке математической модели физических процессов, происходящих под действием температуры с учетом основных электрофизических и конструктор-ско-топологических параметров полупроводниковых интегральных ТЧЭ термозондов для НК ТФС твердых материалов. На основе полученной модели создана новая методика разработки ТЧЭ термозондов с заранее заданными диапазоном и чувствительностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью. По полученной методике разработана новая конструкция термозонда с использованием ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.

Практическая ценность работы в том, что на основе созданной методики разработан и внедрен в производство термочувствительный элемент термозонда приборов НК ТФС материалов, что позволило увеличить точность теплофизических измерений и контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий в лабораторных и промышленных условиях. Результаты работы приняты к использованию в ОАО «Электроприбор» г. Тамбов, а также в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике и производстве печатных плат» (г.Пенза, 1999 г.), на П-ой Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (г.Тамбов, ТГУ, 2000 г.), на III-ей научно-технической конференции ТГТУ (г.Тамбов, 1996 г.).

Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и 4 приложения, изложенные на 140 страницах машинописного текста, 21 рисунках.

Список литературы

включает 72 наименования.

Выводы.

1 Проведенный на аналитической основе с использование математической модели метрологический анализ позволил выявить доминанты, влияющие на точность выходного параметра в общей погрешности.

2 На основе проведенного метрологического анализа выявлены доминирующие этапы технологии, оказывающие наибольшее влияние на точ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 Проведены теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, протекающих в полупроводниковой полевой структуре в результате изменения температуры. На основе проведенных исследований получены аналитические зависимости, устанавливающие связь между основными электрофизическими параметрами разработанной структуры и температурой. Выведенные зависимости являются теоретической основой для создания математической модели физических процессов.

2 На основе полученных зависимостей построена математическая модель, описывающая физические процессы в разработанном ТЧЭ, которые происходят под влиянием изменения температуры. Математическая модель учитывает необходимые физико-топологические, конструкторско-топологические и электрические параметры полупроводникового ТЧЭ. Модель позволяет исследовать процессы в разных полупроводниковых материалах с известными электрофизическими параметрами.

3 Проведено исследование модели, на основе которого установлена связь между основными исходными параметрами и метрологическими характеристиками разработанного полупроводникового ТЧЭ.

4 На основе полученной модели разработана методика проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками: диапазоном измеряемых температур, чувствительностью, линейностью и уровнем выходного сигнала. Исходными данными для проектирования являются: материал, концентрация примеси в материале, топологические размеры и потенциалы на входе, выходе и на управляющем электроде. По полученной методике можно проектировать ТЧЭ на различных полупроводниковых материалах с известными электрофизическими параметрами.

5 Проведены экспериментальные исследования технологии изготовления полупроводникового ТЧЭ. Экспериментально определены абсолют.