Приборы и методики измерений электрических параметров активных диэлектриков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Фимин Андрей Владимирович

• Фимин Андрей Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Фимин Андрей Владимирович

Введение

Глава 1. ПАРАМЕТРЫ АКТИВНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Направления использования активных диэлектриков в современных изделиях приборостроения

1.2 Анализ используемых пьезоэлектрических материалов чувствительных элементов датчиковой аппаратуры

1.2.1 Монокристаллы

1.2.2 Пьезокерамика,

1.3 Основные параметры активных диэлектриков, подлежащие измерениям _

1.4 Установление фазового перехода в сегнетоэлектриках по результатам измерения температуры Кюри

1.5 Анализ существующих методов измерений пьезоэлектрических параметров,

1.7 Измерение петель гистерезиса

1.8 Аналитический обзор методов и средств измерения диэлектрических

параметров сегнетоэлектриков

Выводы по главе

Глава 2. МОДЕЛИ ВЗАИМОСВЯЗИ ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПАРАМЕТРОВ - ВОЗДЕЙСТВИЙ

2.1 Графовая модель взаимосвязи информативных и неинформативных разнородных параметров, влияющих на измеряемые параметры активного диэлектрика

2.2 Модель взаимосвязи параметров пьезоэлектрического материала и ее метрологический анализ

2.3 Оценивание погрешностей измерения параметров пьезоэлектрических материалов, обусловленных невозможностью фиксации влияющих параметров,

2.4 Моделирование косвенно измеряемых диэлектрических параметров слоистых сегнетоэлектрических структур

2.4.1 Модель, описывающая зависимости измеряемых косвенно относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь структуры

2.4.2 Методика косвенного определения емкости слоистого

сегнетоэлектрического конденсатора

Выводы по главе

Глава 3. РАЗРАБОТКА И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Прибор, реализующий метод измерения электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов по параметрам отраженного сигнала

3.2 Модель, описывающая влияние параметров на результат определения фазового состояния активного диэлектрика

3.3 Методика определения вероятности ошибочного решения о фазе

сегнетоэлектрического материала при измерении температуры Кюри

Выводы по главе

Глава 4. МЕТОДИКА УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

4.1 Особенности ускоренных испытаний элементов функциональной электроники на основе активных диэлектриков

4.2 Методика ускоренных испытаний сегнетоэлектрических материалов и

элементов на их основе

Выводы по главе

Заключение

Список использованных источников

Приложение. Акты внедрения результатов диссертационного исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Приборы и методики измерений электрических параметров активных диэлектриков»

Введение

Актуальность темы исследования. Возможность использования активных диэлектриков, обладающих сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами в элементах функциональной электроники, микромеханических приборах указывает на актуальность измерения их электрических параметров с гарантированной точностью. При этом неопределенная информация присутствует на разных этапах исследований:

- на этапе синтеза материалов с заданными свойствами в виде области неопределенности задаются диапазоны воздействующих факторов, обуславливающих ожидаемые реакции;

- на этапе исследования материалов априорная информация о его свойствах также представляется в виде области неопределенности.

Распространенные в настоящее время средства измерений параметров линейных диэлектрических материалов не предназначены для исследования активных диэлектриков (у которых электрические параметры меняются за период измерительного сигнала), не позволяют косвенно измерять функциональные характеристики материалов в широком частотном диапазоне, либо имеют высокие погрешности (в диапазоне от 2 до 10%), а также не учитывают дополнительные погрешности, связанные с влиянием многих разнородных факторов. Совершенствование приборов и методик измерений электрических параметров активных диэлектриков является актуальной задачей, на решение которой направлено данное диссертационное исследование.

Степень разработанности темы исследования. На сегодняшний момент разработкой и исследованиями пьезоэлектрических материалов и их параметров занимаются следующие научные школы: кафедра «Электроакустики и ультразвуковой техники» (ЛЭТИ, г. Санкт-Петербург), кафедра «Информационных и измерительных технологий» ИВТиПТ (ЮФУ,

г. Ростов-на-Дону), НКТБ «Пьезоприбор» (г. Ростов-на-Дону), АО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза) и многие другие.

Существенный вклад в фундаментальные исследования, разработку методов и средств измерений активных диэлектриков материалов внесли российские ученые: А.С. Сигов, И. А. Глозман, Р. Г. Джагупов, А. И. Трофимов, А. М. Туричин, О. П. Крамаров, Б. В. Малов, В. Л. Земляков, М. В. Богуш, А. Е. Панич, В. П. Буц, Е.А. Мокров, Е.П. Осадчий, Е.А. Ломтев, Э.С. Атрощенко, В.В. Кикот, В. М. Шарапов; а также зарубежные научные школы К. Окадзаки, У. Кук, Д. Берлинкур, Е. Кекучи, У. Мэзон, Б. Яффе, Г. Яффе.

По достоинству оценивая научные достижения перечисленных ученых и отмечая высокую теоретическую и практическую значимость результатов их исследований, следует отметить относительно невысокую точность измерений электрических параметров, а также ограниченные диапазоны измерений, что сказывается на достоверности характеристик элементов функциональной электроники на основе активных диэлектриков.

Цель диссертационного исследования - совершенствование приборов и методик измерений электрических параметров активных диэлектриков на основе применения усовершенствованной модели взаимосвязи воздействующих и измеряемых параметров активных диэлектриков.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Разработка графовой модели и математической модели взаимосвязи информативных и неинформативных разнородных параметров, влияющих на измеряемые параметры активного диэлектрика.

2. Разработка математической модели, описывающей зависимости измеряемых электрических параметров двухслойной сегнетоэлектрической структуры от температуры и толщины слоёв.

3. Разработка структуры, функциональный и метрологический анализ прибора для измерений электрических параметров активных диэлектриков, основанного на отражении импульсного сигнала генератора от выхода коаксиального кабеля с нагрузкой - конденсатором с комплексным сопротивлением, между обкладками которого помещен образец исследуемого активного диэлектрика.

4. Разработка методики определения вероятности ошибочного решения о фазе сегнетоэлектрического материала при измерении температуры Кюри с учетом его химического состава, давления, температуры и погрешностей измерений указанных величин.

5. Разработка методики ускоренных испытаний сегнетоэлектрических материалов для определения предельно допускаемого количества циклов переключения материала.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории вероятности и математической статистики, системного анализа, теории надежности и качества, физики активных диэлектриков, теории графов, теории электрических цепей, математического моделирования, теоретической и прикладной метрологии.

Основные теоретические выводы подтверждены результатами экспериментов.

Объект исследования: методики и приборы для измерения электрических параметров активных диэлектриков.

Предмет исследования: погрешности измерения электрических параметров активных диэлектриков.

Проблемы и задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальности 2.2.4. «Приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)»:

- п.1 - Создание новых научных, технических и нормативно-технических решений, обеспечивающих повышение качества продукции, связанных с измерениями электрических и магнитных величин;

- п.2 - Совершенствование научно-технических, технико-экономических и других видов метрологического обеспечения для повышения эффективности производства современных изделий, качество которых зависит от точности, диапазонности, воспроизводимости измерений перечисленных величин, а также их сохраняемости на заданном промежутке времени;

- п.3 - Совершенствование научно-технических, технико-экономических, оперативных (временных) показателей метрологического обеспечения соответствующих систем и производств.

Обоснование и достоверность научных положений и выводов подтверждается соответствием фундаментальным законам физики активных диэлектриков, математическим моделированием с использованием современных аналитических и расчетных методов, испытаниями измерительных приборов электрических параметров пьезоэлектрических элементов и соответствием их результатов требуемым характеристикам точности, экспериментальными исследованиями зависимостей измеряемых параметров и совпадением результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложено научное решение, способствующее повышению точности косвенных измерений электрических параметров активных диэлектриков путем учета влияния на результаты измерений изменяющихся неинформативных параметров посредством разработанной модели взаимосвязи свойств материла, воздействующих параметров и реакций на них (соответствует п. 1 паспорта специальности 2.2.4).

2. Предложено научное решение повышения достоверности результатов косвенных измерений относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь структуры, состоящей из двух сегнетоэлектрических слоев, что возможно на основе разработанной модели, формализующей зависимости измеряемых косвенно параметров от

температуры и толщины слоёв, что позволяет установить их области неопределенности (соответствует п. 2 паспорта специальности 2.2.4).

3. Разработана структура, выполнен функциональный и метрологический анализ нового прибора для косвенного измерения электрических параметров (емкости, относительной диэлектрической проницаемости) активных диэлектриков по результатам прямых измерений мгновенных значений отраженного импульсного сигнала генератора от выхода коаксиального кабеля, нагруженного на конденсатор, между обкладками которого помещен исследуемый активный диэлектрик (соответствует п. 2 паспорта специальности 2.2.4).

4. Предложена новая методика, которая на основе измерения температуры Кюри активного диэлектрика с учетом его химического состава, давления, и погрешностей измерений указанных величин позволяет оценить вероятность безошибочного решения о присущей сегнетоэлектрику фазе, а также вероятности ошибочного принятия параэлектрической фазы за сегнетоэлектрическую и наоборот (соответствует п. 2 паспорта специальности 2.2.4).

5. Разработана методика ускоренных испытаний сегнетоэлектрических материалов на усталость, в основу которой положены выполненные исследования зависимости остаточной поляризации тонких пленок титаната свинца от количества переключений и возможность кусочно-линейной аппроксимации указанной функции (соответствует п. 3 паспорта специальности 2.2.4).

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложенные теоретические модели являются научной основой повышения точности измерения электрических параметров активных диэлектриков и позволяют:

- получить новые аналитические выражения, связывающие влияющие и измеряемые электрические параметры активных диэлектриков;

- учесть погрешности измерений электрических параметров пьезоэлектрических материалов, обусловленные невозможностью фиксации влияющих параметров.

Результаты апробированы в процессе измерения параметров сегнетоэлектриков и пьезоэлектрических материалов и элементов на их основе, но могут быть распространены на подобные задачи измерений электрофизических параметров активных диэлектриков и иных материалов.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Разработанная структура нового прибора для измерения электрических параметров активных диэлектриков, его функциональный и метрологический анализ позволяют выполнять измерения с гарантированной точностью, при этом инструментальная погрешность не превышает 1 %, методическая погрешность не превышает 0,1 %.

2. Предложенная методика определения фазы сегнетоэлектрического материала с учетом его химического состава, давления, температуры и учитывающая наличие погрешностей измерений указанных величин, позволяет минимизировать вероятность принятия ошибочных решений при создании элементов функциональной электроники на основе активных диэлектриков.

3. Предложенная методика ускоренных испытаний сегнетоэлектрических материалов на усталость позволяет сократить время испытаний не менее чем в 3 раза.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы получены при проведении НИР на тему «Получение пьезоэлектрических материалов для изделий функциональной электроники и исследование их электрофизических параметров» (грант РФФИ № 20-3890151).

Метод измерения параметров пьезоэлектрических элементов на основе отраженного сигнала, а также экспериментальные результаты, полученные

при реализации предлагаемого метода внедрены в научно-технической деятельности АО «ПО «Электроприбор» (г. Пенза).

Структура прибора для измерения электрических параметров элементов функциональной электроники на основе отраженного сигнала, методика ускоренных испытаний активных диэлектриков использованы в научно-технической деятельности АО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза).

Методика установления фазы сегнетоэлектрического материала реализована при разработке информационно-измерительной системы для исследования материалов и структур электроники в ООО «Комстенд» (г. Пенза).

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 научно-технических конференциях различного уровня, наиболее значимые из них: «Saint-Petersburg OPEN» (г. Санкт-Петербург, 2019, 2020, 2021), «International Moscow IEEE-workshop» (MWENT - 2020, Москва, 2020г.), «Достижения в области материаловедения - AMS-Workshop-2021» (Красноярск, 2021), XIV МНТК «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» («Шляндинские чтения - 2022», Пенза, 2022), V Межведомственная НТ «Актуальные проблемы и перспективы развития автоматизированных систем специального назначения» (Санкт-Петербург, 2021), VIII Всероссийская межвузовская НПК «Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы», (ВМНПК - 2021, Пенза, 2021г.).

На защиту выносятся:

1. Научное решение, способствующее повышению точности косвенных измерений электрических параметров активных диэлектриков путем учета влияния на результаты измерений изменяющихся неинформативных параметров посредством разработанной модели

взаимосвязи свойств материла, воздействующих параметров и отклика на них.

2. Научное решение повышения достоверности результатов косвенных измерений относительной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь структуры, состоящей из двух сегнетоэлектрических слоев, что возможно на основе разработанной модели, формализующей зависимость измеряемых параметров от толщины слоёв и их температуры и позволяющей установить их области неопределенности.

3. Структура прибора для косвенного измерения электрических параметров (емкости, относительной диэлектрической проницаемости) активных диэлектриков по результатам прямых измерений мгновенных значений отраженного импульсного сигнала от выхода коаксиального кабеля, нагруженного на конденсатор, между обкладками которого помещен исследуемый активный диэлектрик.

4. Методика, основанная на измерении температуры Кюри активного диэлектрика в зависимости от его химического состава и давления, которая позволяет оценить вероятность безошибочного решения о присущей сегнетоэлектрику фазе, а также вероятности ошибочного принятия параэлектрической фазы за сегнетоэлектрическую и наоборот по причине наличия погрешностей измерений влияющих параметров.

5. Методика ускоренных испытаний сегнетоэлектрических материалов на усталость, в основу которой положены результаты измерений зависимости остаточной поляризации тонких пленок титаната свинца от количества переключений и возможность кусочно-линейной аппроксимации указанной функции. Внедрение предложенной методики позволяет сократить время испытаний не менее чем в 3 раза.

Личный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателем сформулированы задачи, обоснованы методы их решения, выполнен анализ полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 научных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в журналах, индексируемых в Scopus и WoS, 3 статьи из перечня РИНЦ, 2 свидетельства о государственной регистрации базы данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 64 наименований, одного приложения. Объем работы: 114 страниц текста, включая 32 рисунка и 1 таблицу.

Глава 1

ПАРАМЕТРЫ АКТИВНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

В данной главе представлены результаты сравнительного анализа методов и средств измерений электрических параметров активных диэлектриков.

1.1 Направления использования активных диэлектриков в современных изделиях приборостроения

Активные диэлектрики, обладающие сегнетоэлектрическими, пьезо- и пироэлекрическими свойствами, находят широкое применение в современных устройствах функциональной электроники, таких как миниатюрные конденсаторы большой емкости, микроактюаторы, энергонезависимая память, динамическая память с произвольной выборкой и т.д. [1]. Указанным материалам в определенном температурном диапазоне, которому соответствует сегнетоэлектрическая фаза, присуща спонтанная поляризация. Она проявляется в виде сегнетоэлектрического гистерезиса, причем коэффициент прямоугольности петель гистерезиса близок к единице. С одной стороны это обуславливает область применения сегнетоэлектриков в запоминающих устройствах, с другой стороны - указывает на невозможность применения методов и средств измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь пассивных диэлектриков, основанных на усреднении результата измерения за период воздействующего гармонического сигнала [2-7].

Возросший в последнее десятилетие интерес к сегнетоэлектрикам в тонкопленочном исполнении обусловлен совершенством технологий их изготовления, в результате чего достигается высокая воспроизводимость

параметров и возможность управления свойствами. В настоящее время основной исследовательской задачей в пьезоэлектрическом приборостроении является увеличение диапазонов значений параметров и обеспечение их стабильности при внешних воздействующих факторах [3, 5, 8-13].

Отечественными исследователями при проектировании чувствительных элементов большое внимание уделяется их технологии производства (применение высокотехнологичных методов спекания [14], оптимизация маршрутного производственного пути при изготовлении пьезоэлектрической керамики [15, 16], исследование изготовленных структур [17-19]).

На данный момент широко известны фундаментальные работы и новые разработки в области пьезоэлектрического приборостроения российских и ученых, таких, как: И. А. Глозман, Р. Г. Джагупов, А. И. Трофимов, А. М. Туричин, О. П. Крамаров, Б. В. Малов, В. Л. Земляков, М. В. Богуш, А. Е. Панич, В. М. Шарапов, А.А. Левицкий, а также их зарубежных коллег: К. Окадзаки, У. Кук, Д. Берлинкур, Е. Кекучи, У. Мэзон, Б. Яффе, Г. Яффе, Ф. Матиас и др.

К настоящему времени в России разработаны уникальные пьезоэлектрические датчики и устройства с пьезоэлектрическими чувствительными элементами как научно-исследовательские, так и серийно изготавливаемые; некоторые из них внедрены в производство на предприятиях, занимающихся подобными изделиями (АО «НИИФИ», г. Пенза; АО «НИИ «Элпа», г. Зеленоград; АО «Пьезо», г. Москва; ООО «Аврора-ЭЛМА», г. Волгоград; ООО «Пьезоэлектрик», г. Ростов-на-Дону; и

др.).

В существующих исследованиях представлены новые структурные материалы, обозначены достигнутые параметры изучаемых пьезоэлектрических материалов, а также продемонстрированы опытные устройства с пьезоэлектрическими чувствительными элементами.

В процессе разработки и создания элементов функциональной электроники на основе пьезоэлектрических материалов необходимо выполнять измерения зависимостей их электрических параметров от ряда влияющих факторов, к которым относятся, в первую очередь, температура и напряженность внешнего электрического поля.

1.2 Анализ используемых пьезоэлектрических материалов чувствительных элементов датчиковой аппаратуры

Пьезоэлектрические исследования начались с 50-х годов 20 века. В последующем кристаллы естественного происхождения не могли перекрыть все существующие потребности, поэтому растущий спрос в подобных материалах побудил ученых к промышленному освоению производства кристаллов. В настоящее время ведутся разработки, направленные на поиск материалов с лучшими пьезоэлектрическими свойствами (чувствительность, механическая прочность, диапазон рабочих температур, температурная стабильность резонансной частоты, пониженное рабочее напряжение и другие) [20, 21].

Пьезоэлектрические материалы можно разделить по различным классификационным признакам. Одним их основных является структура материала, в зависимости от которой выделяют следующие разновидности:

- кристаллические пьезоэлектрические вещества (монокристаллы);

- поликристаллические пьезоэлектрические вещества (пьезокерамика);

- органические полимеры (пьезоэлектрические полимеры).

Структура материалов оказывает влияние на выбор методов и средств

измерений их электрических параметров. Например, методы измерений объемных образцов материалов не всегда могут быть применены к исследованию тонкопленочных материалов, в которых проявляются размерные эффекты. Кроме того, в силу зависимости электрических параметров активных диэлектриков от температуры, важным является

исследование методов установления фазы материала (сегнетоэлектрической или параэлектрической), для определения которой необходимо измерение значения температуры Кюри [22 -24].

1.2.1 Монокристаллы

Первый коммерчески используемый пьезоэлектрический материал, широко применяемый в настоящее время и являющийся наиболее распространенным представителем своей группы, является в чистой форме кварц (5702) и другие его разновидности - аметист, цитрин, дымчатый кварц, черный морион и розовый кварц. В дополнение к пьезоэлектрическим свойствам он также имеет очень стабильные химические и механические параметры.

Однако пьезоэлектрические свойства кварца не так высоки, как у других пьезоэлектриков и для технических целей пригоден не весь кварц природного происхождения, поскольку его структура, неравномерность монокристаллической решетки сказываются на конечных свойствах. Выход пригодного для работы кристалла составляет несколько сотен грамм из нескольких тонн породы, а подходящие породы были обнаружены в Бразилии и на Мадагаскаре.

Созданный синтетическим способом из расплава по методу Чохральского кварц обладает идентичными свойствами [23].

Данный материал широко используется в электротехнике и радиоэлектронике, а именно в преобразователях механических величин (силы, ускорения, давления) - радары, часы, датчики, телефоны, компьютеры. В этих названных он в основном используется в качестве резонатора благодаря высоким значениям механической добротности (@т) и твердостью, а также его общей стабильности и долговечности про температурах до 570 °С, химической износостойкостью (к кислотам и щелочам).

Редкий природный кристалл со схожими кварцу свойствами является берлинит (А1Р04). Он имеет более высокий коэффициент электромеханической связи (К) и также преимущественно производится в виде искусственных кристаллов. Похожими свойствами обладает фосфат галлия (0аР04), при этом более стабилен в диапазоне температур и применяется, например, в качестве датчиков давления для двигателей внутреннего сгорания.

В основном выращенные по методу Чохральского танталат лития (ЫТа03), ниобат лития (ЫЫЬ03) используются в сенсорных экранах, в оптических устройствах для подготовки оптических структур с периодическими поляризациями к генерации высших гармонических частот света, а также в качестве материалов для резонаторов объемных (БАШ) и поверхностных акустических волн (БА Ш).

Одним из первых открытых минералов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, были группа турмалины различных структур, ориентированные только по одной оси 2. Турмалины используются в датчиках, однако они очень зависят от температуры.

Также для некоторых пьезоэлектрических датчиков используется относительно недорогой материал - сегнетова соль, который обладает стабильными свойствами только при относительной влажности воздуха 35% - 85% из-за своего химического состава, поэтому для для повышения долговечности в готовых устройствах поверхность иногда герметизируют, покрывая, например, лаком [21].

1.2.2 Пьезокерамика

В основном это искусственные материалы, обладающие неупорядоченной поляризацией, которая ориентируется в сильном электрическом поле обычно при температуре немного ниже точки Кюри, проявляя тем самым хорошие пьезоэлектрические свойства в том числе и за

счет остаточной поляризации доменов. Вносимые в структуру примеси влияют не только на пьезомодуль, но и на точку Кюри, что сказывается на температурных ограничениях при применении таких материалов. При этом керамика вносит допускаемый предел электрического и механического воздействующего напряжения, превышение которых приводит к потере или изменению пьезоэлектрических свойств [24].

Однако данные материалы обладают рядом преимуществ, таких как высокие коэффициент электромеханической связи, величины пьезомодулей, относительной диэлектрической проницаемости, а также стоимости изготовления, и поэтому являются наиболее широко используемыми из пьезоэлектрических материалов.

Примерами пьезокерамических материалов являются титанат бария (БаТЮз), цирконат свинца (РЪ2тЮ3), титанат свинца (РЪТЮ3), титанат висмута (Ы4Т13012), ниобат свинца (РЪЫЪЮб), цирконат-титаната свинца -ЦТС (РЪ(ггхТЁ])0з) [24, 25].

1.3 Основные параметры активных диэлектриков, подлежащие измерениям

В настоящее время планарные структуры «диэлектрик -полупроводник», «металл - диэлектрик - полупроводник» или еще более сложные многослойные системы, в том числе «металл - сегнетоэлектрик -полупроводник - металл» и «металл - нитрид кремния - окисел -полупроводник» находят широкое применение в элементах нано- и микросистемной техники. Возможность использования активных диэлектриков и полупроводниковых материалов в микромеханических приборах указывает на актуальность всестороннего изучения соответственно их диэлектрических и электрофизических параметров с требуемой точностью [26]. Нечеткая информация присутствует на разных этапах исследований:

- на этапе синтеза материалов с заданными свойствами в виде области неопределенности задаются диапазоны воздействующих факторов, обуславливающих ожидаемые реакции;

- на этапе исследования материалов априорная информация о его свойствах также представляется в виде нечеткого множества.

Приведенные выше два этапа приводят к тому, что при выборе методов и средств измерений параметров материалов диапазон измеряемых величин известен не точно, номенклатура измеряемых физических величин также однозначно не определена, поскольку зависит от конкретного класса материала и конкретизируется в процессе исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фимин Андрей Владимирович, 2023 год

Список использованных источников

1. Печерская, Е. А. Структура интеллектуальной системы поддержки исследований параметров сегнетоэлектриков // Искусственный интеллект. Интеллектуальные системы: сб. трудов Междунар. научно - технической конференции. - Таганрог, 2009. - С. 173 - 176.

2. Баринов И.Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии. 2010, №8. С. 64-71.

3. Печерская, Е. А. Методы и средства исследования активных диэлектриков для наноиндустрии: системный подход: монография / Е. А. Печерская. - Пенза: Инф.-изд. центр Пенз. гос. ун - та, 2008. - 130 с.

4. Е.А. Печерская, А.Н.Головяшкин, А.А.Головяшкин, А.В. Фимин, Т.О. Зинченко, А.В. Печерский // Исследование влияния технологических параметров на воспроизводимость свойств активных диэлектриков // Научно-информационный журнал «Модели, системы и сети в экономике, технике, природе и обществе», 2018. - № 1 (25). - Стр. 167-177.

5. Берман, Л.С. Моделирование вольт - фарадных характеристик сегнетоэлектрика // Физика и техника полупроводников. - 2005. - т. 39. - в. 12. - С. 1436 - 1439

6. Kolorotny V V, Nazarenko A V, Giragosova N A 2021 Piezoceramic materials for ultrasonic methods of non-destructive testing (Actual problems of piezoelectric instrumentation) pp 113-117.

7. Vasiliev A M, Zemlyakov V L 2021 Investigation of methods for determining the piezo module on non-standard piezoelectric elements (Actual problems of piezoelectric instrumentation) pp 260-263.

8. А.В. Фимин, Е.А., Печерская, А.В. Печерский, В.С. Александров, А.В. Волик, А.Е. Шепелева. Investigation of the dielectric fatigue of active dielectrics on the example of lead titanate films PbTiO3 // Journal of Physics: Conference Series, 2021. 2086 012179.

9. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений:

учебное пособие / А.А. Бобцов, В.И. Бойков, С.В. Быстров и др. - СПБ ГУ ИТМО, 2011.

10. Fialka J, Benes P 2012 Comparison of Methods for the Measurement of Piezoelectric Coefficients (IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings).

11. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем: учебное пособие / В.В. Матвеев, В.Я. Распоров. -СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2009.

12. Левицкий, А.А. Моделирование пьезоэлектрических вибрационных гироскопов / А.А. Левицкий, П.С. Маринушкин // Интеллект и наука: сб. науч. тр. - Красноярск, 2010. - С 50-51.

13. Pecherskaya E A, Fimin A V, Alexandrov V S, Varenik Y А, Volik A V, Levin A I 2021 Metrological Analysis of the Relationship Model Between the Properties of Piezoelectric Materials (Materials Science Forum) 1049 pp. 305-310.

14. Корнюшин, М.В. Процесс холодного спекания керамики BaTiO3 / М.В. Корнюшин, А.В. Смирнов, Ю.Д. Ивакин // Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. - Ростов-на-Дону, 2021. - С. 100-104.

15. Харченко, П.А. Влияние технологических приемов на электрофизические параметры пьезокерамического материала ПКП-33 / П.А. Харченко, А.В. Нагаенко, А.В. Нагаенко // Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. - Ростов-на-Дону, 2021. - С. 122-125.

16. Панич Е.А. Исследование процесса шликерного литья тонкопленочных элементов системы ЦТС / Е.А Панич., Р.А Байдаров, Л.А Дыкина, В.А Бардин // Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. - Ростов-на-Дону, 2021. - С. 143-

17. Астафьев, П.А. Электродинамические свойства твердых растворов 0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3- zPbNb2/3Mg1/3O3) - 0.02PbGeO3 в СВЧ диапазоне / П.А. Астафьев, А.А. Павелко, Ю.М. Нойкин // Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. - Ростов-на-Дону, 2021. - С. 167-171.

18. Жидель, К.М. Исследование оптических свойств пленок титаната стронция, выращенных на кремниевых подложках / К.М. Жидель, А.В. Павленко // Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. - Ростов-на-Дону, 2021. - С. 172-176.

19. Глазунова, Е.В. Диэлектрические свойства в многоэлементных керамиках на основе ниобата натрия-калия / Е.В. Глазунова, Л.А. Шилкина, И.А. Вербенко, Е.И. Ситало, А.Н. Величко, А.С. Черевков, И.А. Лигостаев, Н.И. Серопян, Л.А. Резниченко // Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. - Ростов-на-Дону, 2021. - С. 151156.

20. Фимин, Д.В., С.А. Гурин, Е.А. Печерская, К.Ю. Спицына, А.В. Артамонов, А.Е. Шепелева Thin piezoelectric films for micromechanical systems // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), 2020. P. 1-5.

21. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчкик / под ред. В.М. Шарапова. - М: Техносфера, 2006. С.632.

22. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. Ростов-на-Дону, 2021.

23. Иона, Ф. Сегнетоэлектрические кристаллы / Ф. Иона, Д. Ширане. -М. : Мир, 1965. - 556 с.

24. А.В. Фимин, С.А. Гурин, Е.А. Печерская, П.Е. Голубков, Г. В. Козлов, К. Ю. Крайнова Sensitive elements of microelectronic sensors of fast variable and static pressure // Journal of Physics: Conference Series, 2019. 1410 012230.

25. А.В. Фимин, С.А. Гурин, Е.А. Печерская, Т.О. Зинченко, К.О. Николаев Конструкции и технологические режимы формирования чувствительных элементов микроэлектронных датчиков быстропеременного и статического давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль, 2019. - № 3, 111-118.

26.. Берман, Л.С. Структурные дефекты на границе раздела сегнетоэлектрик - полупроводник / Л.С. Берман, И.Е.Титков // Физика и техника полупроводников. - 2004. - т. 38. - в. 6. - С. 710 - 715.

27. Delimova L A, Gushchina E V, Yuferev V S 2016 Peculiarities of Electrical Characteristics of Ferroelectric Memory Elements Based on PZT-Films (Russ Phys J 58) pp 1301-1305

28. Sidorkin A S, Nesterenko L P and Pakhomov A Y 2012 Influence of fatigue processes on the switching currents in lead titanate and lead zirconate-titanate films (Phys. Solid State 54) pp 1008-1010

29. Nguyen H T, Sidorkin A S, Milovidova S D 2020 Dielectric properties of ferroelectric nanocomposites of nanocrystalline cellulose and sodium nitrite (Appl Nanosci 10) pp 499-506

30. Darinskii B, Sidorkin A, Sigov A and Popravko N 2018 Influence of Depolarizing Fields and Screening Effects on Phase Transitions in Ferroelectric Composites (Materials, 11) p 85

31 . А.В. Фимин, Е.А. Печерская. Взаимосвязи свойств пьезоэлектрических материалов: метрологические аспекты // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе, 2021. - №3, 71-79.

32. Бородулин В.Н. Конструкционные и электротехнические материалы. М.: Высшая школа, 1990.

33. Спиваков А.А. Особенности структурных фазовых переходов в

системе цирконата-титанат свинца в ромбоэдрической области: дис. ... канд. физ.-мат.наук. Ростов-на-Дону, 2017. 15 с.

34. Mnyukh Y. Ferroelectric State and Phase Transitions. Concluding Papers of Yuri Mnyukh on Phase Transitions, DirectScientific. Farmington CT, 2017:119-130.

35. Mnyukh Y. The Nature of Ferroelectricity. American Journal of Condensed Matter Physics 2020, 10(1), 2020:18-29.

36. Wei XK., Prokhorenko S., Wang BX., Liu Z., Xie YJ., Nahas Y., Jia ChL., Dunin-Borkowski R. E., Mayer J., Bellaiche L., Ye ZG. Ferroelectric phasetransition frustration near a tricritical composition point. Nature Communications, 2021. 12:5322.

37. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. труд. III молодежной всероссийской научной конференции с международным участием. Ростов-на-Дону, 2021.

38. S.L. Miller, R.D. Nasby, J.R. Schwank, M.S. Rodgers, P.V. Dressendorfer. J. Appl. Phys., 68, 6463 (1990).

39. Вендик, О.Г. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика / О.Г.Вендик, С.П.Зубко, М.А.Никольский // Журнал технической физики. - 1999. - т. 69. -в.4. - С.1 - 7.

40. Юдин, П.Н. Применение метода Монте - Карло для моделирования диэлектрического отклика сегнетоэлектрика / П.Н.Юдин, М.А.Никольский, С.П.Зубко // Журнал технической физики. - 2003. - т. 73. - в.8. - С.56 - 61.

41. Вендик, О.Г. Размерный эффект в тонком сегнетоэлектрическом слое / О.Г. Вендик, Л.Т.Тер - Мартиросян // Журнал технической физики. -1996. - т. 66. - в. 4. - С. 92 - 98.

42. Алексеева, Н.О. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости нанокомпозита NaNO2 - опал / Н.О. Алексеева, А.И.Ванин, С.В.Панькова, В.Г.Соловьев // XVIII Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков: Тр. - Санкт - Петербург, 9 - 14 июня 2008. - С.117.

43. Tianguan L. Generalized continuum theory for ferroelectric thin films / Tianguan L., Wenwu C. // Physical review B 66, 024102 (2002)

44. Кукушкин, С.А. Теория переключения в сегнетоэлектриках / С.А.Кукушкин, А.В.Осипов // XVIII Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков: Тр. - Санкт - Петербург, 9 - 14 июня 2008. - С.64.

45. Берман, Л.С. Деполяризация в структуре металл - p -сегнетоэлектрик - n - полупроводник // Физика и техника полупроводников. - 2005. - т. 39. - в. 3. - С. 332 - 335.

46. Берман, Л.С. Моделирование гистерезиса структуры металл -сегнетоэлектрик - полупроводник // Физика и техника полупроводников. -2001. - т. 35. - в. 2. - С. 200 - 202.

47. Берман, Л.С. Моделирование вольт - амперных характеристик полевого транзистора с сегнетоэлектрическим изолятором // Физика и техника полупроводников. - 2001. - т. 35. - в. 11. - С. 1391 - 1395.

48. Miller, S. L. Modeling ferroelectric capacitor switching with asymmetric nonperiodic input signals and arbitrary initial conditions / S. L. Miller, J. R. Schwank, R. D. Nasby, M. S. Rodgers // J.Appl. Phys., 70, 2849 (1991)

49. Турик, А.В. К теории поляризации и гистерезиса сегнетоэлектриков / А.В. Турик // Физика твердого тела. - 1963. - т. 5. - в. 4. - С. 1213 - 1215.

50. Турик, А.В. Экспериментальное исследование статистического распределения доменов в сегнетокерамике / А.В. Турик // Физика твердого тела - 1963. - т. 5. - в. 10. - С. 2922 - 2925.

51. P.E.Golubkov, E.A. Pecherskaya, A.N. Golovyashkin, A.A. Golovyashkin, A.V. Pecherskiy, Y.V. Shepeleva, Analysis of the technological parameters influence on the reproducibility of the active dielectrics properties, International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, (2018) 57-61.

52. Е.А. Печерская, А.В. Фимин, В.С. Александров, Ю.А. Вареник, А.В. Волик, А.И. Левин. Metrological analysis of the relationship model between the

properties of piezoelectric materials // Materials Science Forum (MSF), 2021. 1049, P. 305-310.

53. Фимин А.В. Методы измерений электрофизических параметров пьезоэлектрических материалов // Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы : сб. ст. по материалам VIII Всерос. межвуз. науч.-практ. конф., 2021. С. 354-357.

54. Фимин А.В., Журина А.Е., Печерская Е.А., Анализ и совершенствование схем Сойера - Тауэра // Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2022. Т. 1. С. 29-30.

55. Фимин А.В., Печерская Е.А., Голубков П.Е. Измерение резонансных частот пьезоэлектрических чувствительных элементов // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Шляндинские чтения - 2022»). Материалы XIV Международной научно-технической конференции с элементами научной школы и конкурсом научно-исследовательских работ для обучающихся и молодых ученых. Пенза, 2022. С. 315-318.

56. Свидетельство о регистрации базы данных № 2019622111. Электронная монография «Методы и средства измерений электрофизических параметров сегнетоэлектриков» / Фимин А.В., Печерская Е.А., Головяшкин А.А., Николаев К.О., Гурин С.А. - зарег. 20.11.2019.

57. Свидетельство о регистрации базы данных № 2022622255. Систематизация конструкций датчиковой аппаратуры для регистрации быстропеременного и статического давления / Фимин А.В., Печерская Е.А., Гурин С.А., Александров В.С. - зарег. 15.09.2022.

58. Фимин А.В., Печерская Е.А., Журина А.Е., Емельянов Н.С. Метод "резонанс-антирезонанс" для определения электрофизических параметров пьезоэлектриков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2022. № 3 (41). С. 76-82.

59. Е.А.Печерская, П.Е, Голубков, А.В. Печерский, А.В. Фимин, Т.О. Зинченко, К.О. Николаев. Modeling of Dependence of Dielectric Parameters of

Double-layer Ferroelectric Structure on Temperature and Layers Thickness // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), 2018. P. 1-4.

60. Е.А. Печерская, П.Е. Голубков, А.В. Фимин, Т.О. Зинченко, А.В. Печерский, Ю.В. Шепелева Intelligent System for Active Dielectrics Parameters Research // Procedia Computer Science, 2018. Vol. 132. P. 1163-1170.

61. С.А. Гурин, Е.А. Печерская, А.В. Фимин, К.О. Николаев, Ю.В. Шепелева, Д.В. Артамонов Low-dimensional heterostructures obtaining from an intelligent material and carbon material on a silicon // Journal of Physics: Conference Series, 2019. 1410 012021.

62. Д.В. Артамонов, В.А. Баранов, Е.А. Печерская, А.В. Пушкарева, Б.В. Цыпин, А.В. Фимин Application of a Hyper-Complex Impedance Model for Indirect Measurements of Materials Parameters of Functional Electronics // 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2019. P. 760-764.

63. Delimova L A, Gushchina E V, Yuferev V S 2016 Peculiarities of Electrical Characteristics of Ferroelectric Memory Elements Based on PZT-Films (Russ Phys J 58) pp 1301-1305.

64. А.М. Лотонов, В.К. Новик, Н.Д. Гаврилова О дисперсии диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика триглицинсульфата (ТГС) в широкой области температур // Вестник Московского университета, Сер. 3. Физ. Астрон. 2006. № 5. С. 27.

Приложение.

Акты внедрения результатов диссертационного исследования

УТВЕРЖДАЮ

Акционерное обшесию «Научно - нсс.1СД01Ш1<мьскнГ| институт joicktринно-мсшшичсских приборов»

(АО «НИИ ЭМШ)

ОКПО 075674W. ОГРН 1115834003185. И111 l.'K I II I 5M41IM17Ч/5ХЛ4Л1001

Лир ее; Солки. 11 JöUU, . I Juna. ул. Карлкшииа. 11 Г-mail' тчтгг •■' niirnr гм. «чу» n ¡¡.чип n Тмсфон: [phone] фл«: (1H 12.144-SK-2J

«

C^1

AKT

об использовании результатов диссертаиионной работы на соискание пенен и

Научно-технический сонет АО «НИИЭМГТ» составил настоящий акт о том, что структура прибора для измерения электрических параметров элементов функциональной электроники на основе отраженного сигнала, методика ускоренных испытаний активных диэлектриков, представленные в диссертационной работе Фимина A.B. использованы з научно-технической деятельности АО «НИИЭМП».

Заместитель генерального дирекюра по научно-техническому развитию.

кандидата технических наук, аспиранта кафедры

«Информационно-измерительная техника и метрология» Пензенского юсу дарственного университета ФИМИНА Анлрся Владимировича

руководитель I ITC, к.т.н.

оми* A.A. Рыжов

Начальник метрологическою отдела, к.т.н.

И.А. Кострикина

Начальник лаборатории НГЖ-1, к.т.н.

СПРАВКА

об использовании результатов диссертационной работы Фимина Андрея Владимировича,

представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Настоящей справкой подтверждается, что результаты диссертационной работы Фимина Андрея Владимировича использованы в научных исследованиях при выполнении научно-исследовательской работы в рамках проекта «Получение пьезоэлектрических материалов для изделий функциональной электроники и исследование их электрофизических параметров» (грант РФФИ 20-38-90151\20).

Директор Политехнического института

Заведующий кафедрой ИИТиМ

Начальник Научно-инновационного управления

1 IV!

М.В. Кузнецова

Утверждаю Генеральный директор

.9» мая 2023 г.

О.В. Карпанин

О «Комстенд»

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Фимина Андрея Владимировича, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Настоящим актом ООО «Комстенд» (г. Пенза) подтверждает, что на предприятии при разработке информационно-измерительной системы для исследования материалов и структур электроники внедрена методика установления фазы сегнетоэлектрического материала, которая является результатом диссертационной работы Фимина Андрея Владимировича, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Благодаря использованию указанных результатов, полученных А. В. Фиминым, достигнуто повышение точности измерений электрических параметров активных диэлектриков, в том числе, относительная инструментальная погрешность измерения емкости не превышает ±1 %.