Разработка интегральных полупроводниковых термочувствительных элементов для приборов неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Королев, Андрей Павлович

• Королев, Андрей Павлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Королев, Андрей Павлович

Введение.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕ

СКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЗОНДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛ6ЕМЕНТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Общая характеристика проблемы измерения теплофизических свойств материалов с использованием термозондов.

1.2 Краткий обзор и анализ термочувствительных элементов (ТЧЭ), используемых в средствах контроля свойств материалов.

1.3 Постановка задачи исследования влияния температуры на параметры ячейки полупроводникового интегрального ТЧЭ в термозондах.

Выводы.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЧЭ.

2.1 Изменение концентрации основных носителей заряда.

2.2 Образование объемного заряда.

2.3 Температурная зависимость подвижности носителей с учетом полевого и размерного эффекта.

Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ТЧЭ ПОД ДЕЙ

СТВИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ.

3.1 Построение математической модели.

3.2 Параметрическое исследование математической модели.

3.2.1 Влияние физико-топологических параметров на выходную характеристику ТЧЭ.

3.2.2 Влияние конструкторско-топологических параметров на выходную характеристику ТЧЭ.

3.2.3 Связь электрических параметров ТЧЭ с выходной характеристикой.

Выводы.

4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЕЛЕМЕНТА.

4.1 Общие вопросы реализации методики проектирования.

4.2 Методика проектирования.

4.2.1 Определение динамического диапазона измерений.

4.2.2 Линейность выходной характеристики.

4.2.3 Получение заданной чувствительности.

4.2.4 Определение уровня выходного сигнала.

4.3 Алгоритм проектирования.

Выводы.

5 РАЗРАБОТКА ТЕРМОЗОНДА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ.

5.1 Технология изготовления термочувствительного элемента.

5.2 Исследование влияния технологических операций на метрологические характеристики термочувствительного элемента.

5.3 Разработка конструкций интегральных ТЧЭ и термозонда.

5.4 Разработка микропроцессорной измерительной системы для НК ТФС материалов.

5.5 Метрологический анализ разработанного ТЧЭ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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, тепло -хладостойких 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, 2000г.), на III-ей научно-технической конференции ТГТУ (г.Тамбов, 1996г.).

Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и 4 приложения, изложенные на 140 страницах машинописного текста, 21 рисунках. Список литературы включает 72 наименования.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Королев, Андрей Павлович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Королев, Андрей Павлович, 2000 год

1. Бриндли К. Измерительные преобразователи. М.: "Энергоатомиздат", 1991. - 143 с.

2. Коленко Е. А. Технология лабораторного эксперимента. -СПб.: "Политехника", 1994. 647 с.

3. Ротберг И. П., Удалов Н. П. Полупроводниковый диод как датчик температуры. "Автоматика и телемеханика", т.24, №5, 1963. - 324 с.

4. Удалов Н. П. Полупроводниковые датчики. М.: "Энергия", 1965.-435 с.

5. Авторское свидетельство SU № 1388703, 1988. Термозонд для определения толщины пленочных покрытий./ В.Н. Чернышев, А.П. Пудовкин, Ю.Л. Муромцев, И.В. Самойлов.

6. Авторское свидетельство RU № 2101674 С1, 1998. Термозонд для неразрушающего контроля толщины пленочных покрытий./ В.Н. Чернышев, A.B. Терехов.

7. Авторское свидетельство RU № 2123179 С1, 1998. Термозонд для неразрушающего контроля теплопроводности материалов./ В.Н. Чер-нышов, М.В. Макаров, Т.И. Чернышова, A.B. Селезнев, A.B. Терехов.

8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов М.: "Мир", 1984. - 455 с.

9. Тугов Ч. М. Полупроводниковые приборы. М.: "Энергоатомиздат", 1990. - 576 с.

10. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий приборов и схем. М: "Высшая школа", 1990. - 320 с.

11. Парфёнов О. О. Технология микросхем. М.: "Высшая школа", 1986.-320 с.

12. Никифорова Денисова С. Н., Любушкин Е. Н. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Термические процессы. - М: "Высшая школа", 1989. - 96 с.

13. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. М.: "Высшая школа", 1979.

14. Аваев H.A. Основы микроэлектроники. М.: "Радио и связь", 1991.-287 с.

15. Козырь И .Я. Горбунов Ю.И. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. М.: "Высшая школа", 1989. -222 с.

16. Новицкий П.В., Зограф H.A., Лабунец B.C. Динамика погрешностей. Л.: "Энергоатомиздат", 1990. - 188 с.

17. Корн Г.Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: "Наука", 1974. 832 с.

18. Pero К.Г. Метрологическая обработка результатов технологических измерений; Справочное Пособие. Киев.: "Техника", 1987.128 с.

19. Журнал "АВОК" № 5/6. 1993.

20. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем и микропроцессоров и микросборок. Учебник для вузов. М.: "Радио и связь", 1989. - 400 с.

21. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. М.: "Мир", 1989. - 630 с.

22. Стриха В.И. Физические основы надежности контактов металл-проводник в интегральной электронике. М.: "Радио и связь", 1987.-256 с.

23. Солимар Л. Лекции по электрическим свойствам материалов. М.: "Мир", 1991. - 504 с.

24. Пасынков B.B. Полупроводниковые приборы. М.: "Высшая школа", 1981. - 431 с.

25. Чистяков Ю.Д. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.: "Металлургия", 1979. - 408 с.

26. Бонч-бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: "Наука", 1990. - 688 с.

27. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: "Радио и связь", 1987. 464 с.

28. Авдеев Б.Я., Антошо Е.М., Душен Е.М. Основы метрологии и электрические измерения. Л.: "Энергоатомиздат", 1987. - 480 с.

29. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: "Машиностроение", 1983. - 424 с.

30. Туричин A.M., Новицкий П.В., Левшина Е.С. электрические измерения не электрических величин. Л.: "Энергия", 1975. - 576 с.

31. Рогельберг И.П., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. М.: "Металлургия", 1983. - 360 с.

32. Данишевский С.К., Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары. М: "Металлургия", 1977. - 232 с.

33. Геращенко O.A., Федоров В.Г. Техника теплотехнического эксперимента. Киев: "Hayкова думка", 1964. - 161 с.

34. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.: "Металургия", 1979. - 408 с.

35. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. М.: "Мир", 1989.-630 с.

36. Плазменная технология в производстве СБИС. Под ред. Айнспрука Н. Брауна Д. М.: "Мир", 1987. - 469 с.

37. Зи С. Технология СБИС, т.1. М.: "Мир", 1986. - 404 с.

38. Зи С. Технология СБИС, т.2. М.: "Мир", 1986. - 453 с.

39. Белоус Ю. Т., Мунин П. И., Шер Ю. А. Методы проектирования индуктивных и резонансных пленочных элементов. М.: "МИЭТ", 1977. - 52 с.

40. Березин А. С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. М.: "Радио и связь", 1983. - 232 с.

41. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ./ Под ред. А. В. Шальнова. М.: "Мир", 1985. - 494 с.

42. Валиев К. А., Раков А. В. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике. М.: "Радио и связь", 1984. - 350 с.

43. Гуськов Г. Я., Блинов Г. А., Газаров А. А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. М.: "Радио и связь", 1986. - 175 с.

44. Достанко А. П. Технология интегральных схем. Минск: "Вышэйшая школа", 1982. - 206 с.

45. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. М.: Высшая школа, 1986.-464 с.

46. Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микросборок и аппаратуры на их основе / Под ред. Б. Ф. Высоцкого. М.: "Радио и связь", 1981. - 216 с.

47. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование /Коле-дов Л. А., Волков В. А., Докучаев Н. И. и др.; Под ред. Л. А. Коледова. М.: "Высшая школа", 1984. - 231 с.

48. Малышева И. А. Технология производства микроэлектронных устройств. М.: "Энергия", 1980. - 448 с.

49. Матсон Э.А. Конструкции и технология микросхем. Минск: "Вышэйшая школа", 1986. - 207 с.

50. Матсон Э.А., Крыжановский Д. В. Справочное пособие по конструированию микросхем. Минск: "Вышэйшая школа", 1982. - 224 с.

51. Нестеров П.В., Шаньгин В.Ф., Горбунов В.Л. и др.; Микропроцессоры. Под ред. Л. Н. Преснухина. М.: "Высшая школа", 1986. - 495 с.

52. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных микросхемах/ И. Н. Воженин, Г. А. Блинов, Л. А. Коледов и др.; Под ред. Воженина И. Н. М.: "Радио и связь", 1985. - 264 с.

53. Мурога С. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем/ Пер. с англ. под ред. В. М. Кисельникова. М.: "Мир", 1985.- 579 с.

54. Анисимов Б. В., Белов Б. И., Норенков И. П. Машинный расчет элементов ЭВМ. М.: "Высшая школа", 1976.

55. Берг А., Дин П. Светодиоды: Пер. с анг./Под ред. А. Э. Юнови-ча. М.: "Мир", 1979.-686 с.

56. Батушев В. А. Электронные приборы. М.: "Высшая школа", 1980.-383 с.

57. Агаханян Т. М. Интегральные микросхемы. М.: "Энергоатомиэдат", 1983. - 464 с.

58. Кузьмин В. А. Тиристоры малой и средней мощности. М.: "Советское радио", 1971.

59. Лабунцов В. А., Тугов Н. М. Динамические режимы эксплуатации мощных тиристоров. М.: "Энергия", 1977.

60. Носов Ю. Р., Петросянц К. О., Шилин В. А. Математические модели элементов интегральной электроники. М.: "Советское радио", 1976.-304 с.

61. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: "Советское радио", 1989. -359 с.

62. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. -М.: "Высшая школа", 1987. 479 с.

63. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: "Энергия", 1977. - 423 с.

64. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. М.: "Советское