close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

222

код для вставкиСкачать
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Возможность формирования тонких сегнетоэлектрических пленок на
металлических, полупроводниковых и диэлектрических подложках
открывает широкие возможности для конструирования функциональных
устройств,
изготавливаемых
по
интегральной
технологии.
Сегнетоэлектрические оксиды, учитывая их функциональные возможности,
являются
чрезвычайно
перспективными
для
применения
в
микромеханических системах (MЭМС).
Достигнутые в последнее время наноэлектроникой результаты
значительно повысили интерес к размерным эффектам сегнетоэлектрических
материалов (пиро- и пьезоэффекты, аномально высокие значения
диэлектрической проницаемости, спонтанная поляризация). Еще больший
интерес вызывают исследования физических свойств наноразмерных систем:
малых частиц, нитей, тонких пленок. Свойства тонких сегнетоэлектрических
пленок могут значительно отличаться от известных свойств объемных
материалов, используемых при рассмотрении особенностей фазовых
переходов и процессов переключения спонтанной поляризации.
К числу наиболее эффективных сегнетоэлектриков относятся
пьезокерамические материалы системы цирконата-титаната свинца (ЦТС),
представляющие собой твѐрдые растворы цирконата свинца - PbZrO3и
титаната свинца - PbTiO3. Использование сегнетоэлектрических пленок ЦТС
качественно
расширяет
возможности
МЭМС.
Однако
свойства
сегнетоэлектрических пленок на сегодняшний день недостаточно
исследованы, в частности, не проведены экспериментальные исследования
процессов формирования сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных
кремниевых подложках методом высокочастотного реактивного плазменного
распыления. Мало изучены структурные и электрофизические свойства
пленок ЦТС, сформированных на окисленных кремниевых подложках.
Таким образом, в настоящее время вопрос о свойствах
сегнетоэлектрических материалов остается не до конца раскрытым. Тонкие
пленочные сегнетоэлектрические материалы представляют интерес в
качестве чувствительных элементов для различных типов датчиков.
Целью диссертационной работы является разработка технологических
основ
создания
сенсоров
физических
величин
на
основе
сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца.
В соответствии с поставленной целью, необходимо решить следующие
задачи:
1.
Разработать
технологический
маршрут
формирования
сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных кремниевых подложках
путем высокочастотного реактивного плазменного распыления в
кислородной атмосфере.
3
2.
Провести исследование влияния технологических параметров на
структурные и электрофизические свойства сформированных образцов
сегнетоэлектрических тонких пленок ЦТС на окисленных кремниевых
подложках.
3.
Разработать и исследовать макеты датчиков виброударных
воздействий и напряженности электростатического поля на основе
сегнетоэлектрических тонких пленок ЦТС, сформированных на окисленных
кремниевых подложках.
Объектами исследования являются сегнетоэлектрические тонкие
пленки цирконата-титаната свинца (ЦТС), сформированные на окисленных
кремниевых подложках.
Методы исследования.
Основные структурные свойства сегнетоэлектрических пленок ЦТС
исследовались
посредством
рентгенофазового
анализа,
растровой
электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской
фотоэлектронной спектроскопии и лазерного сканирования поверхности.
Исследования
основных
электрофизических
свойств
сегнетоэлектрических
пленок
ЦТС
проводились
на
специально
разработанных измерительных стендах, которые позволяют изучать петли
диэлектрического гистерезиса, емкостные показатели, а также влияния на
пленки виброударных воздействий и электростатического поля заданной
напряженности.
Научная новизна.
1. Определены закономерности процесса возникновения внутренних
нормальных механических напряжений в структурах Si-SiO2-ЦТС с учетом
физико-механических параметров материалов, а также технологических
параметров формирования пленок ЦТС методом высокочастотного
реактивного распыления.
2. Экспериментально установлено, что стехиометрический состав
сегнетоэлектрических тонких пленок ЦТС, сформированных методом
высокочастотного реактивного распыления на окисленных кремниевых
подложках, описывается химической формулой: Pb(Ti0,49,Zr0,51)O3.
3. Определена зависимость величины индуцированного заряда
сегнетоэлектрических пленок ЦТС от напряженности электростатического
поля.
Практическая значимость.
1.
Определены
технологические
режимы
формирования
сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных кремниевых подложках на
установке «Плазма-80СЭ», позволяющие получить сегнетоэлектрические
пленки ЦТС с емкостью не хуже 1,2 нФ, поляризацией не хуже 0,45 Кл/м2 и
4
воспроизводимостью 85%.
2. Установлена зависимость скорости осаждения сегнетоэлектрических
пленок ЦТС от времени формирования, которая составляет 15-18 нм/мин в
диапазонах технологических параметров: парциальное давление газа в
камере (P) – 0,4 ÷ 0,65 Торр, время формирования (t) – 30 ÷ 120 мин,
приложенная к электродам мощность (Nпр) – 270 ÷ 300 Вт.
3. Разработан технологический маршрут процесса формирования
сенсорных элементов для датчиков виброударных воздействий и
статического электричества на основе сегнетоэлектрических тонких пленок
ЦТС.
4. Разработаны и изготовлены макеты датчиков виброударных
воздействий и определены их основные технические характеристики: масса –
40 г, размер – 40×30×30 мм, емкость – 1,3 нФ, величина пьезомодуля – 140
пКл/Н, - частотный диапазон –0,01 – 25 Гц, чувствительность: 200 мВ/g.
5.
Разработана
конструкция
датчика
напряженности
электростатического поля на основе сегнетоэлектрических пленок ЦТС. На
ее основе изготовлены макеты датчиков и определены их основные
технические характеристики: масса - 53 г, габаритные размеры - 100×40×20
мм, диапазон измерений - 0,5 - 1000 кВ/м.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.
Математическая модель, описывающая процесс возникновения
внутренних нормальных механических напряжений в структурах Si-SiO2ЦТС, результаты расчета по которой коррелируют с экспериментальными
данными в диапазоне толщин пленок ЦТС от 100 до 300 нм.
2.
Зависимости структурных и электрофизических свойств
полученных сегнетоэлектрических тонких пленок ЦТС от технологических
параметров их формирования.
3.
Технологический маршрут процесса формирования сенсоров
физических величин на основе тонких сегнетоэлектрических пленок
цирконата-титаната свинца, формируемых методом ВЧ-реактивного
распыления.
Достоверность результатов работы.
Достоверность научных результатов, полученных в работе, обусловлена
проведением исследований по известным апробированным методам с
использованием стандартной измерительной аппаратуры, а также
корреляцией экспериментальных исследований с теоретическими данными.
Внедрение результатов работы.
Полученные в диссертационной работе результаты используются в
лекционных курсах учебных дисциплин основной образовательной
программы бакалавриата по направлению 20.03.01 «Техносферная
5
безопасность» и магистратуры по направлению 20.04.01 «Техносферная
безопасность».
Результаты диссертационной работы использовались в научноисследовательских работах «Разработка и исследование микросистемных
мультисенсорных
устройств
для
мониторинга
экологических
и
технологических сред» (№ 02.740.11.0122, науч. рук. Королев А.Н.);
«Разработка технологии формирования наноструктурированных материалов
и гибридных сенсорных систем на их основе» (№ 14.А18.21.2052, науч.рук.
Петров
В.В.),
проводимых
научно-образовательным
центром
микросистемной техники и мультисенсорных мониторинговых систем ЮФУ
(НОЦ МСТиМСМС ЮФУ), а также базовой части государственного задания
Министерства образования и науки РФ «Разработка научно-технологических
основ управляемого синтеза функциональных металлополимерных и
сегнетоэлектрических композиционных наноматериалов» (№ 1509, задание
№ 2014/174, науч.рук. Мясоедова Т.Н.).
Результаты диссертационной работы, а именно датчик напряженности
электростатического поля, были использованы при проведении измерений
качества заземления оборудования на ОАО «Таганрогский завод «Прибой».
Акты о внедрении результатов диссертационной работы представлены в
приложении к диссертации.
Апробация работы.
Материалы диссертации обсуждались на следующих конференциях:
International Conference on ―Physics and Mechanics of New Materials and Their
Applications‖ (PHENMA 2015), Azov, 2015; Международная молодежная
научная конференция «Актуальные проблемы пьезоэлектрического
приборостроения», г. Анапа, 2013; Международная научно-техническая
конференция и Молодежная школа- семинар «Нанотехнологии в электронике
и МЭМС», г. Таганрог, 2014; II международная молодежная научная
конференция
«Актуальные
проблемы
пьезоэлектрического
приборостроения», г.Ростов-на-Дону, 2015; Двадцатая Всероссийская
научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-20), г.
Екатеринбург – Ижевск, 2014; Всероссийская конференция и школа для
молодых ученых «Системы обеспечения техносферной безопасности», г.
Таганрог, 2014; VIII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов
базовых кафедр Южного научного центра РАН, г. Таганрог, 2012;
Молодежная научная конференция «NanoTech-2015», г. Таганрог, 2015.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 13
печатных работ, из них 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 1
статья в журнале, входящий в базу данных Scopus, 7 работ в сборниках
трудов конференций, 1 патент.
6
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения и списка литературы из 116 наименований. Общий объем
диссертации составляет 123 страницы, включая 65 рисунков, 19 формул и 13
таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и
основные задачи, приведена структура и краткое содержание диссертации,
охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных
результатов, определены положения, выносимые на защиту, а также
приведены сведения о реализации и внедрении результатов, апробации
работы и публикациях; обосновано соответствие результатов исследования
паспорту специальности 05.27.01.
В первой главе рассмотрены основные сегнетоэлектрические свойства
и показаны особенности сегнетоэлектрических материалов как одного из
типов диэлектриков. Показано, что к числу наиболее эффективных
керамических сегнетоэлектриков относятся пьезокерамические материалы
системы ЦТС, представляющие собой твѐрдые растворы цирконата свинца PbZrO3 и титаната свинца - PbTiO3.
Рассмотрены основные методы получения сегнетоэлектрических тонких
пленок. Отмечено, что методом ВЧ-распыления можно обеспечить
управление характеристиками пленки за счет изменения температуры
подложки, скорости осаждения, состава среды и других технологических
параметров. Применение метода ВЧ-распыления позволяет решить проблему
технологической совместимости формирования многослойных структур.
В главе на основе литературных данных описаны основные механизмы
роста тонких пленок и виды механических напряжений, возникающих в
тонких пленках в процессе формирования их вакуумными методами, а также
рассмотрены модели расчета напряжений в слоевых структурах.
Описаны некоторые области применения сегнетоэлектрических
материалов, а именно их использование в микроэлектромеханических
системах (МЭМС), что качественно расширяет возможности МЭМС, так как
чувствительность сенсоров с использованием сегнетоэлектрических пленок
увеличивается на три порядка по сравнению с существующими аналогами.
Вторая глава посвящена отработке процесса формирования тонких
сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных кремниевых подложках
методом
высокочастотного
реактивного
распыления.
Основными
изменяемыми технологическими параметрами являются парциальное
давление кислорода в камере (P), время формирования (t) и приложенная к
электродам мишени мощность (Nпр). Данные параметры изменяются в
следующих диапазонах: P – 0,4 -0,65 Торр, t – 30 – 120 мин, Nпр – 270 -300 Вт.
Скорость осаждения пленки прямо пропорциональна времени ее
7
формирования и составляет порядка 15-18 нм/мин в исследованных
диапазонах.
Создание контактных электродов проходило в две стадии:
формирование металлизации и формирование встречно-штыревой структуры
(ВШC). Формирование металлизации на поверхности пленки ЦТС
осуществляется методом вакуумного термораспыления металлов на
установке
«УВН-2М».
В
качестве
контактной
металлизации
экспериментально была выбрана металлизация системы V-Cu-Ni. Топология
ВШС формировалась методом контактной фотолитографии по стандартному
технологическому процессу. Качество адгезии системы подложка-пленкаконтакты было исследовано с помощью автоматического адгезиметра
DeFelsko PosiTest AT-A. Величина адгезии определялась по усилию на
разрыв (порядка 0,5 Мпа).
Основные исследования петель диэлектрического гистерезиса, а на их
основе и величин поляризации, проводились при напряженности поля
меньшем, чем коэрцитивное поле (E<Ec), так как для создания коэрцитивного
поля для данных пленок к контактным площадкам требовалось прикладывать
напряжение, близкое к пробивному (50 В). На рис. 1 показана петля
диэлектрического гистерезиса при подаче электрического поля 40 кВ/м, из
которой видно, что величина коэрцитивного поля лежит в районе 20 кВ/м,
при этом величина поляризации примерно равна 0,45 Кл/м2. Дальнейшие
исследования петель диэлектрического гистерезиса проводились при
величине внешнего электрического поля не выше 20 кВ/м.
P, Кл/м²
0.6
0.4
0.2
0
-60
-40
-20
-0.2
0
20
40
60
E, кВ/м
-0.4
-0.6
Рис. 1. Петля диэлектрического гистерезиса при подаче электрического
поля 40 кВ/м для сегнетоэлектрического образца, полученного при
Nпр=300Вт, t = 60 мин, P = 0.65 Торр
Исследование
влияния
технологических
параметров
на
электрофизические свойства пленок ЦТС показали, что величина
встроенного заряда у полученных образцов напрямую зависит от
технологических параметров формирования пленок (рис. 2). Выявлено, что
процесс поляризации сегнетоэлектрических пленок ЦТС увеличивает
величину встроенного заряда пленок на 30-35%. Исследование
воспроизводимости результатов показало, что максимальный разброс в
значениях емкостей образцов, сформированных при одинаковых
8
технологических параметрах, не превышает 17% (рис.3). Исследование
стабильности работы сенсорных элементов на основе сегнетоэлектрических
тонких пленок ЦТС показало, что данные сегнетоэлектрические пленки
проявляют стабильность своих свойств на протяжении года (рис.4).
0,51 Тор
0,44 Тор
P, Кл/м²
P, Кл/м²
0.002
0.001
0
20
70
120
t, мин
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0.45
300 Вт
0.5
P, Кл/м²
а)
0.55
290 Вт
0.6
0.65
0.7
P, Торр
б)
0.04
60 мин
30 мин
0.02
0
260
270
280
290
300
310
N, Вт
в)
Рис. 2. Зависимость величины встроенного заряда от технологических
параметров формирования пленок ЦТС, при постоянных: а – N = 270 Вт, б - t
= 60 мин, в - P = 0.51 Торр
Рис. 3. Гистограммы емкостей серий образцов сегнетоэлектрических
пленок ЦТС, выполненных при различных технологических режимах
P, Кл/м²
0.15
техрежим 20
0.1
техрежим 14
0.05
техрежим 12
0
0
3
6
9
12
t, мес
Рис. 4. Изменения величины поляризации различных образцов (при
частоте 100 Гц), снятые в годовой период
По итогам исследований был сформирован технологический маршрут
создания сенсорных элементов, который включает в себя технологические
операции, показанные на рис.5.
9
Рис.5. Технологический маршрут формирования сенсорных элементов
на основе сегнетоэлектрических пленок ЦТС
В третьей главе показаны результаты проведенных комплексных
структурных
исследований
полученных
образцов.
Структурные
исследования растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой
микроскопии (АСМ) были проведены в НОЦ "Нанотехнологии" ЮФУ;
рентгенофазовый анализ (РФА) был проведен в ЦКП "Рентгеновская
диагностика
материалов"
КБГУ;
рентгеновская
фотоэлектронная
спектроскопия (РФЭС) была сделана в лаборатории кафедры физики
конденсированного состояния КБГУ; лазерное сканирование поверхности
было сделано в лаборатории НКТБ «Пьезоприбор».
Построена математическая модель нормальных механических
напряжений, возникающих в сегнетоэлектрических пленок ЦТС. По
результатам РЭМ-исследования выявлено, что рост сегнетоэлектрических
пленок ЦТС на поверхности окисленного кремния происходит
по
механизму Странски-Крастанова (послойно-островковый рост) (рис.6).
а)
б)
в)
Рис. 6. РЭМ-изображения поверхности сегнетоэлектрических пленок
ЦТС, сформированные в течение (мин): а - 0.5; б - 5; в - 60
10
На основании выявленных недостатков математических моделей,
рассмотренных в главе 1, была предложена модель расчета внутренних
нормальных механических напряжений в трехслойных системах,
возникающих из-за различия коэффициентов термического расширения
(КТР) пленки и подложки в результате охлаждения системы от 400°С.
1

=
12ℎ 2 ℎ 2 1− 1 1 −2
ℎ 1
1 ℎ 1 1− 2
+
3 ℎ 3 1− 1 1 −3
1 ℎ 1 1− 3
,
(1)
где Е1, Е2, Е3 — модуль Юнга для соответствующих слоев; ν1, ν2, ν3 —
коэффициент Пуассона для соответствующих слоев; h1, h2, h3 — толщина
соответствующих слоев; ∆1, ∆2, ∆3 — температурная усадка слоя, ∆i= αiTi; αi—
коэффициент линейного расширения i-го слоя; Ti— температура
формирования i-го слоя; ρ— радиус кривизны всей системы; у — параметр
интегрирования толщины пленки; ε0 — деформация граничного слоя.
Результаты расчета по формуле (1) показывают, что с точки зрения
механических напряжений оптимальными толщинами сегнетоэлектрических
пленок ЦТС, сформированных на окисленных кремниевых подложках,
являются толщины до 900 нм. Также расчетами было показано
положительное влияние подслоя SiO2, который позволяет снизить
внутренние напряжения, возникающие в структурах Si-SiO2-ЦТС, по
сравнению с двухслойными структурами Si-ЦТС до 2,5 раз.
Для сопоставления с результатами моделирования были произведены
экспериментальные исследования (рис. 7). Из графика видно, что в процессе
увеличения толщины пленки происходит релаксация механических
напряжений. Предположительно, первый этап релаксации связан с
изменением механизма роста пленки с послойного на островковый, а второй
этап - с образованием кристаллических островков пирамидальной формы
(рис.6).
0
0
200
400
600
σ,ГПа
-20
800
1000
h, нм
-40
-60
расчетные
экспериментальные
-80
Рис. 7. Зависимости механических напряжений от толщины пленки
ЦТС, полученные расчетным и экспериментальным путями.
Сопоставляя величины полученных расчетных значений внутренних
термических напряжений и напряжений на поверхности пленок, видно, что
значения, полученные из исследования математической модели и
экспериментальными исследованиями, из-за различного рода релаксаций
коррелируют только в диапазоне 100-300 нм, что соответствует
11
островковому росту пленок.
По результатам атомно-силовой микроскопии (рис. 8) были рассчитаны
фрактальная
размерность
(Df)
и
среднеквадратичный
параметр
шероховатости поверхности (Rq), которые показывают, что исследуемые
поверхности сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных кремниевых
подложках, хотя и близки к двумерной структуре (Df = 2), но обладают также
и некоторыми свойствами трехмерности. Оптимальным временем
формирования пленок ЦТС является время до 60 мин, так как после 60 мин
формирования сегнетоэлектрических пленок происходит резкое увеличение
шероховатости, что впоследствии может негативно сказаться на
электрофизических свойствах образцов сенсоров.
а)
б)
Рис. 8. АСМ-изображения поверхности сегнетоэлектрических пленок
ЦТС, полученных при различных технологических условиях: а - t = 1 мин,
Nпр = 270 Вт, P = 0,51 Торр; б - t = 30 мин, Nпр = 270 Вт, P = 0,51 Торр
По результатам РФЭС исследований (рис.9) была определена
химическая формула исследованных образцов сегнетоэлектрических пленок
ЦТС на окисленных кремниевых подложках, которая выглядит следующим
образом: Pb(Ti0,49,Zr0,51)O3.
Рис. 9. РФЭС спектр, снятый с поверхности сегнетоэлектрической
пленки ЦТС
Рентгенофазовый анализ показал, что исследованные образцы
сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных кремниевых подложках
12
состоят из решеток с кристаллическими ориентациями (101), (110) и (211)
(рис. 10). Средние значения межплоскостных расстояний, для различных
кристаллографических ориентаций, следующие: (101) - 2,87Å, (110) - 2,72 Å
и (211) - 1,57 Å. Так же выявлено, что наибольший вклад в количественное
содержание кристаллов ЦТС в пленке вносит приложенная мощность (Nпр) и
парциальное давления газа в камере (Р).
Рис.10. Рентгенограмма, снятая при исследовании образца 12 (t=60 мин,
P=0,6Торр, Nпр=290)
В четвертой главе показаны результаты проведенных комплексных
электрофизических исследований полученных образцов, проведенных в
лаборатории ЦКП «Микросистемной техники и интегральной сенсорики»
ЮФУ. В состав электрофизического исследования входило изучение
величины емкости, анализ частотных характеристик полученных образцов,
исследование влияния электростатического электричества на полученные
образцы пленок ЦТС (выявление основных характеристик данного влияния).
Основными
измеряемыми
электрофизическими
параметрами
сегнетоэлектриков являются емкость, диэлектрическая проницаемость, угол
диэлектрических потерь (угол сдвига фаз), величина встроенного заряда.
Исследования показали, что значения емкостей полученных образцов
сегнетоэлектрических пленок ЦТС лежат в диапазоне от 150 до 1500 пФ и
напрямую зависят от технологических параметров. В результате
исследований влияния температуры на емкость было установлено, что резкое
увеличение значения емкости образцов происходит в районе 280°С. Это
говорит о том, что для сформированных сегнетоэлектрических пленок
характерна точка Кюри, лежащая в районе 280°С.
По результатам исследования петель диэлектрического гистерезиса
полученных образцов сегнетоэлектрических пленок ЦТС было выявлено, что
в сегнетоэлектрических пленках ЦТС на кремниевых подложках по
количеству преобладают «быстрые» домены, так как наибольшие значения
поляризации были отмечены в районе 100 Гц. Непрерывный рост значения
поляризации начинается на низких частотах ≈0,01 Гц и продолжается до 100
Гц, далее наблюдается резкий спад значения поляризации, которая, начиная с
частоты порядка 500 Гц, практически не изменяется (рис.11).
13
Рис. 11. Зависимость максимального значения поляризации от частоты
Выявлено, что на частоте 0,5 Гц наблюдается минимальное значение
угла диэлектрических потерь, равное 25°, далее происходит его резкое
увеличение, и на частоте 10 Гц наблюдается максимум, равный 80° (рис. 12).
Рис. 12. Зависимость значения угла диэлектрических потерь (δ) от
частоты внешнего поля (f).
Исследования механического резонанса сенсорных элементов на основе
сегнетоэлектрических пленок ЦТС показало, что резонансы данного типа
сенсорного элемента находятся на частотах 20-30 Гц, 50-60 Гц, 75-85 Гц, 100120 Гц и 220-250 Гц (рис. 13). Основной резонанс лежит в диапазоне частот
100 -120Гц.
В процессе исследования полученных образцов сенсоров на основе
сегнетоэлектрических тонких пленок ЦТС был обнаружен эффект высокой
чувствительности сенсорных элементов к статическому электричеству.
Зависимость выходного сигнала сенсорного элемента на основе
сегнетоэлектрической пленки ЦТС от величины напряженности
14
электростатического поля является прямолинейной (рис.14) и может быть
описана следующим уравнением: Qи = -αE.
Uвых, мВ
350
300
250
200
150
100
50
0
0
40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720
f, Гц
Рис.13. График резонанса сенсорного элемента на основе структуры SiSiO2-ЦТС в частотном диапазоне 1-700 Гц
Q, пКл
2500
2000
1500
1000
техрежим 16
техрежим 17
техрежим 20
500
0
0
200
400
600
800
1000
1200
E, кВ/м
Рис. 14. Зависимости индуцируемого заряда в сегнетоэлектрической
пленке ЦТС от напряженности электростатического поля для различных
технологических режимов
Направление поляризации сегнетоэлектрической пленки ЦТС под
действием электростатического поля зависит от направления самого поля.
Таким образом, данное свойство можно использовать для определения не
только количественной, но и векторной составляющей напряженности
электростатического поля.
В пятой главе показаны результаты разработки макетных образцов
датчиков виброударных воздействий и напряженности электростатического
поля. Показано, что полученные сенсорные элементы на основе
сегнетоэлектрических тонких пленок ЦТС на окисленных кремниевых
подложках являются универсальными, так как их можно применять в
различного рода датчиках без каких-либо конструктивных изменений.
Показаны разработанные функциональные схемы для макетных
образцов датчиков виброударных воздействий и напряженности
электростатического поля. Корпус виброударного датчика способствует
15
эффективному экранированию от различных типов наводок, в то время как
для создания датчика напряженности электростатического поля не требуется
экранировать сенсорный элемент и схему, что позволяет уменьшить затраты,
используя в качестве материала корпуса датчика не металл, а пластмассу.
Внешний вид макетных образцов датчиков представлен на рис.15.
а)
б)
Рис. 15. Внешний вид макета датчика виброударных воздействий (а) и
макета датчика напряженности электростатического поля (б).
Uвых, мВ
Для исследования параметров выходного сигнала макетных датчиков
были разработаны и собраны специальные лабораторные стенды, один из
которых способен моделировать динамические механические воздействия, а
другой - создавать электростатическое поле заданной напряженности. По
результатам исследований датчиков виброударных воздействий и
напряженности электростатического поля были построены графики
зависимостей величины выходного сигнала от уровня воздействий (рис. 1619).
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
E, мкДж
Uвых, мВ
Рис. 16. Зависимость величины выходного сигнала
виброударных воздействий от уровня ударного воздействия.
300
датчика
200
100
0
0
5
10
15
20
25
f, Гц
Рис. 17. Зависимость величины выходного сигнала
виброударных воздействий от частоты, при амплитуде 1 мм.
16
датчика
Uвых, мВ
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
Рис. 18. Зависимость величины выходного
виброударных воздействий от уровня ускорения.
g6
сигнала
датчика
U, мВ 2000
1000
0
-1000
-500
0
-1000
500
1000
E, кВ/м
-2000
Рис. 19. Зависимость выходного сигнала макета датчика напряженности
электростатического поля от величины напряженности электростатического
поля.
Из приведенных зависимостей выходных сигналов от различных типов
воздействий были выявлены основные технические характеристики
макетных образцов датчиков и напряженности электростатического поля.
Технические характеристики датчика виброударных воздействий:
- масса – 40 г;
- размер – 40х30х30 мм;
- емкость – 1,5 нФ;
- величина пьезомодуля – 140 пКл/Н;
- частотный диапазон –0,01 – 25 Гц;
-чувствительность: 200 мВ/g;
Технические
характеристики
датчика
напряженности
электростатического поля:
Диапазон измерений - 0,5 - 1000 кВ/м;
Габаритные размеры - 100×40×20 мм;
Масса - 53 г.
Основными преимуществами макетного образца датчика виброударных
воздействий являются:
- цена, которая в 10 раз ниже среднерыночной цены на данные типа
датчиков;
- чувствительность, которая в 2-4 раза выше чувствительности аналогов.
Основными преимуществами макетного образца датчика напряженности
электростатического поля являются
- масса, величина которой в 10-20 раз ниже массы аналогов;
- габариты (данный макетный образец в 2-3 раза компактнее аналогов);
17
- в 2-4 раза расширенный диапазон измерений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработан технологический маршрут формирования сенсоров
физических величин на основе тонких сегнетоэлектрических пленок ЦТС
методом ВЧ-распыления на окисленных кремниевых пластинах для сенсоров
виброударных воздействий и напряженности электростатического поля.
2. Исследован механизм роста сегнетоэлектрических пленок ЦТС на
окисленных кремниевых подложках. Рост пленок протекает по механизму
Странски-Крастанова. Скорость роста толщины пленок составляет 15-18
нм/мин.
3. Предложена математическая модель возникновения внутренних
нормальных механических напряжений в трехслойных структурах Si-SiO2ЦТС, результаты расчета по которой коррелируют с экспериментальными
данными в диапазоне толщин пленок ЦТС от 100 до 300 нм.
4. С помощью РФЭС исследований определена химическая формула
исследованных образцов сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных
кремниевых подложках: Pb(Ti0,49,Zr0,51)O3.
5. Рентгенофазовый анализ показал, что исследованные образцы
сегнетоэлектрических пленок ЦТС на окисленных кремниевых подложках
состоят из решеток с кристаллическими ориентациями (101), (110) и (211).
6. Электрофизические исследования показали, что значение величины
емкости и наведенной поляризации лежат в диапазонах 150-1500 пФ и 10 –
450 мКл/м2. Основной электромеханический резонанс данных типов
сенсоров лежит в диапазоне 100 - 120 Гц. На частоте 0,5 Гц наблюдается
минимальное значение угла диэлектрических потерь, равное 25°.
7.
Исследование
разброса
электрофизических
параметров
сегнетоэлектрических пленок от партии к партии показало, что максимальное
расхождение в значениях емкостей образцов, полученных при одинаковых
технологических параметрах, не превышает 15 %, а исследование временной
стабильности работы сенсорных элементов на основе сегнетоэлектрических
тонких пленок ЦТС составляет не хуже 8% в год.
8. Разработан лабораторный образец сенсоров виброударных
воздействий. Основными преимуществами макетного образца датчика
виброударных воздействий являются частотный диапазон, который на 1
порядок ниже существующих аналогов, и чувствительность, которая в 2-4
раза выше чувствительности аналогов.
9. Обнаружен эффект высокой чувствительности сенсорных элементов к
статическому электричеству, и на его основе разработан лабораторный
образец сенсора напряженности электростатического поля. Основными
преимуществами
лабораторного
образца
сенсора
напряженности
электростатического поля являются в 2-4 раза расширенный диапазон
18
измерений и 2-3 раза улучшенные (уменьшенные) массогабаритные
параметры.
Публикации в журналах из перечня ВАК:
1. Коваленко Д.А., Петров В.В., Клиндухов В.Г. Разработка датчика
динамических деформаций на основе сегнетоэлектрических пленок
цинконата-титаната свинца // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. №4
(153).C.184-190.
2. Коваленко Д.А., Петров В.В., Клиндухов В.Г. Исследование влияния
технологических параметров формирования тонких пленок цирконататитаната свинца на их структурные и электрофизические свойства // Известия
ЮФУ. Технические науки. 2014. №9 (158).C.124-132.
3. Коваленко Д.А., Петров В.В. Исследование электрофизических
свойств пленок цирконата-титаната свинца, сформированных на окисленных
кремниевых подложках // Электронный научный журнал Современные
проблемы науки и образования. 2015. № 2. (URL: http://www.scienceeducation.ru/129-22498).
4. Коваленко Д.А., Петров В.В. Разработка сенсоров на основе
сегнетоэлектрических пленок для гибридных сенсорных систем //
Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. 2012. №4(2).
(URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1357).
Публикации, входящие в базу данных Scopus:
5. Kovalenko D.A., Petrov V.V. Researches of the Internal Mechanical
Stresses Arising in Si-SiO2-PZT Structures //Journal of nano- and electronic
physics. 2015. Vol.7. № 3. P. 03036(1)-03036(5).
Публикации в других изданиях:
6. Коваленко Д.А., Петров В.В. Разработка сенсора скорости потока газа
// VIII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых
кафедр Южного научного центра РАН: Тезисы докладов. Ростов н/Д: Изд-во
ЮНЦ РАН. 2013. С. 198-199.
7. Коваленко Д.А., Петров В.В. Разработка сенсоров динамических
деформаций на основе сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната
свинца// Сборник трудов международной молодежной научной конференции
«Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения». Анапа: Издво ЮФУ. 2013. С.99-102.
8. Коваленко Д.А., Петров В.В. Разработка сенсоров динамических
деформаций на основе сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната
свинца //Сборник тезисов, материалы Двадцатой Всероссийской научной
конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-20).
Екатеринбург – Ижевск: Изд-во АСФ России. 2014. С. 177.
9. Коваленко Д.А., Петров В.В. Разработка макета датчика
динамических деформаций на основе сегнетоэлектрических пленок
цирконат-титаната свинца // Сборник трудов Международной научно19
технической конференции и Молодежной школы-семинара «Нанотехнологии
в электронике и МЭМС». – Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2014. С. 86.
10. Kovalenko D.A., Petrov V.V., Klinduhov V.G. The Research of Structural
Properties of the Thin Films of Lead Titanate Zirconate Based on Silicon Oxide //
Abstracts and schedule of the 2015 International conference on physics and
mechanics of new materials and their applications (PHENMA 2015). 2015. P. 139.
11. Коваленко Д.А., Петров В.В., Клиндухов В.Г. Разработка макетного
образца датчика статического электричества на основе сегнетоэлектрических
пленок ЦТС // Сборник трудов Молодежной научной конференции
«NanoTech-2015». – Таганрог: Изд-во ЮФУ. 2015. С. 103-104.
12. Коваленко Д.А., Петров В.В. Исследование частотных характеристик
сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца // сборник трудов II
международной молодежной научной конференции «Актуальные проблемы
пьезоэлектрического приборостроения». – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ.
2015. С. 99-102.
Патенты:
13. Патент РФ № 147601. Датчик статического электричества /
Коваленко Д.А., Петров В.В., Клиндухов В.Г.; Заявл. 21.02.2014 г.. Опубл.
10.11.2014. Бюл. № 31.
Личный вклад автора. В работе [4, 6, 7, 8] автором отработан
технологических процесс формирования сегнетоэлектрических пленок ЦТС
и электрофизические свойства сенсорных элементов на их основе; в [1, 9, 11,
13] автором были спроектированы датчики динамических деформаций и
статического электричества на основе сегнетоэлектрических пленок ЦТС, а
также исследованы основные характеристики макетных образцов данных
датчиков; в [2, 3, 10, 12] автором исследована взаимосвязь между
структурными и электрофизическими свойствами сегнетоэлектрических
пленок ЦТС и технологическими параметрами их формирования; в работе [5]
предложена математическая модель, описывающая поведение внутренних
нормальных механических напряжений, возникающих в трехслойных
структурах Si-SiO2-ЦТС
Подписано к печати
Формат 60×84/16. Бумага офсетная
Офсетная печать. Усл. печ.л.Тираж 130 экз. Заказ № ______
Отпечатано: Типография Южного федерального
университета в г. Таганроге
Таганрог, 347928, ул. Энгельса, 1
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 761 Кб
Теги
222
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа