Учебное пособие 800568

Отклик при высокочастотном воздействии [см. анализ уравнения (5)] с ω>>ω0 может быть найден исходя из уравнения

контрольная масса перемещается как и объект и ускорение не может быть обнаружено, что равносильно нулевой чувствительности при высокочастотных воздействиях (рис. 4 и 5).

30

Выбор параметров колебательной системы определяет режим работы преобразователя инерционного действия:

-как акселерометра на частотах ниже резонансной частоты;

-как велосиметра в частотном диапазоне, лежащем по обе стороны вблизи от резонанса;

-как сейсмометра, обнаруживающего вибрацию объекта в частотном диапазоне выше резонанса.

На рис. 6 приведены зависимости перемещения x контроль-

ной массы [см. уравнение (8)] при воздействии вибрации величиной y(t)=sin( ), так что амплитуда ускорения есть 2, от отношения частоты вибрации к собственной частоте системы для различных значений коэффициента демпфирования . На рисунке также показан диапазон отношений частот, в котором система пружина—масса— демпфер измеряет ускорение — действует как акселерометр. Чтобы система действовала как акселерометр, отношение x/y должно отслеживать соотношение (/0)2 (зависимость 5) с минимальной ошибкой, что справедливо для низких рабочих частот, где рабочая частота, , намного меньше, чем собственная частота системы 0. Причем, согласно рисунку, наиболее широкий частотный диапазон

соответствует значению =1/2 . При частотах >40 отношение x/y приближается к 1, т. е. перемещение измерительной системы повторяет движение объекта и не зависит от его ускорения — система работает как сейсмометр.

При частоте внешнего воздействия намного меньше собственной частоты системы 0 уравнение (8) может быть упрощено до

Это означает, что перемещение контрольной массы прямо пропорционально входному ускорению и обратно пропорционально квадрату собственной (резонансной) частоты системы. Поэтому для увеличения чувствительности акселерометра его собственная частота должна быть как можно ниже, что может быть достигнуто путем увеличения размера контрольной массы и понижения коэффициента жесткости подвеса.

Полоса пропускания акселерометра является еще одной важной проблемой, которая может быть найдена путем вычисления ошибки, вносимой в уравнение (8а) делителем уравнения (8). На

31

рис. 7 показана ошибка измерения ускорения акселерометром при различных коэффициентах демпфирования. Как видно, максимальная полоса пропускания акселерометра с диапазоном частот 0 ≤ /0 ≤ 0,2 с ошибкой измерения менее 0,01 % может быть достигнута при коэффициенте демпфирования =1/2 .

Одними из очевидных требований к конструкции акселерометра являются обеспечение линейности амплитудно-частотной характеристики по величине ускорения и демпфирование собственных колебаний осциллятора при воздействии импульсной нагрузки (удара); при этом частота собственных колебаний системы должна превышать частотный диапазон измеряемых ускорений. Согласно уравнениям (8) и (9), линейность АЧХ обеспечивается при (ω/ωр)2 << 1 или ωр/10 , так что при полосе пропускания f круговая резонансная частота должна быть ωр 19,87f рад/с.

Для обеспечения большей протяженности плоского участка АЧХ необходимо использовать конструкцию акселерометра с низкой добротностью (Q1).

При критическом демпфировании или передемпфировании, т. е. при ζ 1 или Q 0,5 обеспечиваются малые амплитудные искаже-

32

ния входного сигнала и бóльшее быстродействие, характеризуемое временем преобразования (отклика) — минимальным временем с момента приложения воздействия на систему, по истечении которого выходная величина будет оставаться близкой к установившемуся значению с заданной точностью (рис. 8).

У системы второго порядка переходная функция входит в 2 %-ную зону приблизительно за время tп 4/(0) = 2/(f0).

Кроме того, для обеспечения постоянного значения электростатической чувствительности (линейности зависимости дифференциальной емкости от перемещения) необходимо выполнение условия |x| << d (d — зазор между сенсорными электродами). Это условие соблюдается, когда a << 02d, при этом выполняется условие малой величины выходного сигнала.

Воронежский государственный технический университет

33

УДК 621.38

К.А. Злотникова, А.В. Арсентьев

РАЗРАБОТКА ТЕСТОВОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

В работе рассматривается возможный вариант тестовой структуры, состоящей из полевого транзистора с областями истока, стока и с нижним расположением затвора по отношению к каналу, который может использоваться как газочувствительный элемент со встречно-штыревой структурой и состоит из двух электродов, имеющих форму квадрата, а также из гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями.

В настоящие время развитие многих отраслей промышленности и сфер деятельности человека характеризует автоматизация, что, в свою очередь, повышает потребность к созданию новых датчиков. Для исследования потребуется разработка топологии тестовой структуры полевого транзистора, который при внесении в газовую среду может выступать как газочувствительный элемент [1].

На рисунке 1 представлена топология газочувствительного датчика 2 × 2 мм2 со встречно - штыревой структурой; она состоит из полевого транзистора, состоящего из двух электродов (стока и истока) 200 × 200 мкм, имеющих форму квадрата и изготовленных из проводящих материалов, затвора, выполненного снизу относительно канала из металлооксидного полупроводника, подзаворного диэлектрика и подложки, а также из гребешков с периодически расположенными длинными узкими штырями. Расстояние между штыревыми электродами составляет 10 × 10 мкм (рис. 1 (б)) [2].

На рисунке 2 представлено поперечное сечение тестового элемента.

34

мента адсорбируются частицы примесей, находящиеся вокруг датчика.

Газочувствительный датчик, основанный на полупроводниковой пленке, имеет открытую поверхность, которая обладает некоторым количеством оборванных межатомных связей на границе раздела двух сред. Данные связи могут захватывать молекулы газа из окружающей среды, при этом полупроводник приобретает дополнительные донорные или акцепторные уровни в запрещенной зоне.

При повышении напряжения на контактах датчика газа наступает такой момент, когда доля электронов, способных преодолеть запрещенную зону между верхним краем валентной зоны и энергетическим уровнем примеси-акцептора, становится достаточной для протекания тока между элементами встречно - штыревой структуры газочувствительного элемента.

В таком виде датчик не требует дополнительного нагревате-

ля [3].

Литература

1.А. С. Березин Технология и конструирование интегральных микросхем : [учебное пособие для вузов по спец. "Физика и технология материалов и компонентов электрон. техники" и "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы"] / Березин А. С., Мочалкина О. Р. - М. : Радио и связь , 1992 – 782 с.

2.Арсентьев А.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1 – 4 по дисциплине «Основы проектирования

электронной компонентной базы» / А.В. Арсентьев, Е.Ю. Плотникова, А.А. Винокуров. – Воронеж: ВГТУ. – 2016 – 26 с.

3. Змитрович Т.В, Биосенсор на основе платформы со встреч- но-штыревыми электродами / Т.В. Змитрович [и др.] // Наноструктуры в конденсированных средах: сборник

Воронежский государственный технический университет

36

УДК 538.975

М.А. Белых

СИНТЕЗ СТОЛБЧАТЫХ СТРУКТУР ОКСИДА ЦИНКА НА ЗАТРАВОЧНОМ СЛОЕ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ СВОЙСТВ ПЛЁНОК

Работа посвящена разработке технологии получения столбчатытых структур оксида цинка на затравочном слое, изготовленном по зольгель технологии, и исследованию свойств полученных структур.

Наноструктуры оксида цинка (ZnO) вызывают значительный интерес из-за их превосходных электронных, оптических и фотонных свойств, а также шириной запрещенной зоны в 3,2 эВ, что дает преимущества для их применения в коротковолновой оптоэлектронике

Одномерные наноструктуры ZnO (наностержни, нанопроволоки и нанотрубки) могут способствовать более эффективному переносу носителей из-за уменьшения границ зерен, поверхностных дефектов, нарушений и прерывистых границ раздела.

Для выращивания столбчатых структур ZnO применяют различные методы такие как: осаждение из жидкой и твердой фаз, импульсное лазерное осаждение и химическое осаждение из газовой фазы.

Однако наиболее простым, экономичным и энергоэффективным методом синтеза столбчатых структур ZnO является гидротермальный метод.

Для достижения контролируемой морфологии и направления роста столбчатых структур в гидротермальной технике применяются посевные слои в виде тонких наноплѐнок оксида цинка.

Гетерогенное зародышеобразование способствует росту столбчатых ZnO, поскольку межфазная энергия между кристаллами и подложкой обычно меньше, чем межфазная энергия между кристаллами и раствором [1]. Следовательно, предварительное покрытие подложки затравочным материалом, подобным нанокри-

37

сталлам, позволяет эффективно контролировать рост столбчатых структур.

Широкий спектр возможного применения привел к разработке многих способов синтеза наноструктурированного ZnO как из растворов, так и из газовой фазы. Методы газовой фазы обычно дороги и требуют сложного оборудования, фазовый синтез из раствора, часто называемый химическим осаждением в ванне (CBD), считается простым, недорогим\методом. Так как синтез проводится в водном растворе, температура роста ниже точки кипения воды. Семейство методов CBD «влажной химии» включает осаждение из насыщенных растворов солей цинка, гидротермальный синтез, золь

– гель, и эмульсионные методы или пиролиз распылением. Простота методов CBD делает их очень популярными. Контроль структурной и морфологической однородности этих наноструктур важен для их внедрения в наноразмерные устройства и гетероструктуры. Морфологию и свойства наноструктур ZnO можно контролировать, регулируя условия роста (время, температура) и химический состав раствора (pH, природа химических прекурсоров и т.д.). Что касается массивов наностержней ZnO, их структурная однородность и вертикальное расположение сильно зависят от свойств подложки. Когда нет необходимости в вертикальной ориентации столбчатых структур, затравочный слой может состоять из случайно ориентированных наночастиц, осажденных из коллоидных растворов путем нанесения покрытия погружением или центрифугированием. Что касается массивов наностержней ZnO, их структурная однородность и вертикальное расположение сильно зависят от свойств подложки.

Золь-гель процесс стал популярным для приготовления затравочных слоев ZnO, поскольку он позволяет контролировать ориентацию кристаллитов. Во время золь-гель процесса соль цинка превращается из раствора в твердый осадок с использованием золя или геля в качестве промежуточного шага при низкой температуре. Золь – гель метод включает несколько химических процессов: гидролиз молекулярных предшественников; полимеризация за счет присоединения бимолекулярных ионов, образование оксогидроксильных аквамостиков; конденсация путем обезвоживания; и зарождение и рост кристаллитов. Раствор прекурсора состоит из трех основных компонентов: прекурсора цинка, растворителя и добавки. Прекурсор действует как источник ионов цинка. Многие химические формы соли цинка могут служить в качестве предшественни-

38

ков либо в виде неорганических солей, таких как нитраты, хлориды и перхлориты, либо в виде органических солей, таких как ацетат и ацетилацетонаты. Основным недостатком неорганических прекурсоров является невозможность удалить анионные частицы из конечного продукта. Поэтому использование ацетата цинка предпочтительнее, потому что разложение побочных продуктов происходит при термической обработке ксерогеля (высушенного геля). Кроме того, ацетат цинка играет важную роль в образовании золя, образуя комплекс с ионами цинка, конкурируя с добавкой. Растворитель необходим для растворения соли цинка путем образования алкоксидов. Наиболее часто используемые растворители - это спирты с низким числом атомов углерода, такие как метанол, этанол, 2- пропанол и 2-метоксиэтанол. [2]. Во время старения золя, комплексы цинка подвергаются гидролизу и образуют оксиацетат цинка Zn4O(CH3COO). Последний компонент, добавка, действует как основа и комплексообразователь. Он должен иметь хотя бы одну функциональную группу, что усиливает его роль как, хелатирующего агента.

Целью данной работы является получение столбчатых структур на посевном слое полученным золь-гель методом.

Для улучшения поглощающих свойств плѐнок ZnO были проведены эксперименты по выращиванию столбчатых структур. В качестве затравочного слоя используются пленки, выращенные по золь-гель технологии.

При приготовлении растворов для выращивания столбчатых структур использовались следующие компоненты:

Затравочный слой:

–цинк уксуснокислый двухводный 2,19 г (0,01 моль);

–2 – пропанол до 100 мл;

–диэтиламин – 0,75 мл (0,01 моль).

Перемешивание осуществлялось на магнитной мешалке с постепенным добавлением диэтиламина по каплям из шприца. Раствор перемешивался до полного растворения компонентов и получения прозрачного раствора.

В качестве подложек использовались предметные стекла размером 2,5 × 2,5 см2 для микропрепаратов (ГОСТ 9284-75). (предварительно отмытые в дистиллированной воде и спирте в ультразвуковой ванне).

39