Методическое пособие 751

Рис. 3. Модель активной индуктивности

Поведение комплексного сопротивления Z(jω) модели можно охарактеризовать диаграммой Боде его модуля в частотной области, рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма модуля комплексного сопротивления модели

На диаграмме можно отметить три участка частотного диапазона (I – III) с характерными зависимостями, из которых нужно выделить второй (II), соответствующий индуктивному характеру комплексного сопротивления.

Предметом для изучения индуктивного эффекта выбрана конфигурация, состоящая из трех стандартных инверторов с технологической нормой 0,18 мкм. Пара из них (M5, M6 + M8, M9) формирует неинвертирующий преобразователь напряжение-ток, третий (M1, M2) – инвертирующий преобразователь, рис. 5.

Рис. 5. Активная индуктивность на основе инверторов

40

Для описания МОП-транзисторов в процессе моделирования использована модель BSIM3v3. В табл. 1 и 2 сведены параметры активной индуктивности и ее RLC-модели.

На рис. 6 приведены кривые модулей комплексных сопротивлений инверторной индуктивности (сплошная линия) и ее RLC-модели (пунктир) в диапазоне частот, соответствующем области II рис. 4.

Рис. 6. Графики модулей комплексного сопротивления активной индуктивности (сплошная линия) и ее RLC-модели (пунктир)

Кривые показывают, во-первых, способность активной индуктивности работать до частоты в 1 ГГц и, во-вторых, демонстрируют в этом диапазоне точность модели не хуже 15 %.

Литература

1.Zhang F. Design of components and circuits underneath integraed inductors

/F. Zhang, P. Kinget // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2006. – Р. 2265-2271.

Воронежский государственный университет

41

УДК 543.27.08

Т.В. Свистова, А.К. Воробьева*

АДАПТЕР ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ

Работа посвящена разработке адаптера выдыхаемого воздуха для портативных медицинских приборов. Адаптер необходим для герметичного сопряжения мундштука с корпусом медицинского прибора.

Анализ компонентов выдыхаемого воздуха в настоящее время становится мощным диагностическим инструментом в здравоохранении для ранней неинвазивной диагностики различных заболеваний человека. В настоящее время медицинские учреждения имеют потребность в портативных, высокочувствительных приборах для контроля состава воздуха, выдыхаемого пациентом. Загрязнение воздушной среды выхлопами автомобилей и промышленными выбросами приводит к росту легочных патологий и к востребованности портативного прибора ранней экспресс-диагностики.

Целью работы является разработка адаптера выдыхаемого воздуха для портативных медицинских приборов.

Адаптер – это устройство, которое обеспечивает сопряжение мундштука с портативным прибором медицинской диагностики и предназначено для обеспечения герметичности посадки мундштука и его правильной ориентации. Адаптер может быть изготовлен из любого одного или более подходящих материалов, имеющих достаточную жесткость и прочность для работы, включая, без ограничений, пластик, металл, керамику, композитный материал или другой подходящий материал.

Для достижения воздухонепроницаемого соединения между мундштуком и адаптером могут использовать уплотнительные конструкции (например, уплотнительное кольцо), изготовленные из другого материала, чем сам адаптер, такого как эластичный, упругий материал, подходящий для уплотнения, включая, без ограничений, резиновый, пластиковый или силиконовый материал.

Наиболее оптимальными сечениями для адаптера принято считать круглые и эллиптические. Мундштук может вставляться внутрь адаптера или надеваться на адаптер сверху.

Адаптер может быть соединен с газоанализатором с помощью зажимного или резьбового механизма или может удерживаться на месте с помощью таких крепежных средств, как винты или клей [1].

42

Адаптер NоbreathFlo (рис. 1) представляет собой полую пластиковую трубку (1) и содержит ротаметр (2), предназначенный для измерения скорости потока выдыхаемого воздуха, D-образный разъем (3) для присоединения к прибору медицинской диагностики, цилиндрический разъем (4) для присоединения сменного мундштука (5) [2].

Рис. 1. Адаптер NоbreathFlo с оригинальным сменным мундштуком

Предлагаемая конструкция адаптера состоит из трех частей: трубы овального сечения, на которую надевается мундштук; усеченного конуса; трубы D- образного сечения, сужающейся по направлению к входному отверстию портативного прибора медицинской диагностики и предназначенной для закрепления адаптера в корпусе прибора. Плотная посадка адаптера на корпус прибора обеспечивается за счет сужающейся конструкции третьей части. Все три части имеют общую ось, общая длина адаптера составляет 87 мм, что меньше длины адаптера фирмы «Bedfont» (95 мм). Внутри адаптера расположено сквозное отверстие, являющееся каналом для поступления выдыхаемого воздуха к датчику медицинского прибора. На рис. 2 представлена распечатанная на 3-D принтере конструкция адаптера.

Рис. 2. Распечатанная на 3-D принтере конструкция адаптера

43

На рис. 3 показан способ крепления адаптера (1) к корпусу прибора (2) с мундштуком (3), все детали напечатаны на 3D-принтере.

Рис. 3. Способ крепления адаптера к корпусу прибора

Технология 3D-моделирования позволила программно создать прототип адаптера и проверить его работоспособность, а технология быстрого прототипирования - проверить дизайн и эргономику будущего изделия и оперативно усовершенствовать его. Для построения 3D-моделей конструкций адаптера использовалась программа для компьютерного 3D-моделирования SketchUP компании Trimble. Для создания трехмерных моделей адаптеров использовался 3D-принтер высокой точности Kingroon KP3-FDM 3-D. Предлагаемый адаптер напечатан из HIPS-пластика, который отличается ударопрочностью, простотой постобработки и является прочным на разрыв слоев.

Оптимизация конструкции адаптера для портативного медицинского устройства является экономически целесообразной, поскольку при использовании в клинической практике зарубежного коммерчески готового решения могут быть выявлены конструктивные недостатки, которые в свою очередь могут способствовать снижению функциональных способностей медицинского устройства. Предложенная конструкция адаптера является более бюджетной в изготовлении, по сравнению с оригинальным прототипом, и может внести существенный вклад в решение проблемы импортозамещения.

Литература

1.Воробьева А. К. Оптимизация конструкции адаптера выдыхаемого воздуха для медицинских приборов / А. К. Воробьева // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж :

Изд-во ВГТУ. – 2020. – Вып. 19. – С. 64-65.

2.NObreath. Руководство пользователя. – 17 с.

Воронежский государственный технический университет *АО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж

44

УДК 621.372

А.В. Буданов, Ю.Н. Власов, Г.И. Котов, Е.В. Руднев*

ФОРМИРОВАНИЕ КРУПНОБЛОЧНЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ СУЛЬФИДА КАДМИЯ В СИСТЕМЕ n-CdS/p-Si ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Работа посвящена исследованию условий напыления крупноблочных кристаллических слоев сульфида кадмия на монокристаллических подложках кремния методом горячей стенки. Изучено влияние условий напыления на кристаллическую структуру и морфологию поверхности пленок сульфида кадмия. Выявлены оптимальные режимы формирования с точки зрения достижения большего размера кристаллитов, сопоставимого по величине с толщиной слоя сульфида.

Солнечные элементы на подложках монокристаллического кремния со слоями гидрогенизированного аморфного кремния демонстрируют рекордные значения КПД по мощности порядка 30 % в классе однопереходных элементов. Однако, высокая себестоимость оборудования для синтеза таких многослойных структур методом плазменного химического осаждения из паровой фазы, а также отсутствие долговременной стабильности характеристик готовых устройств в процессе их эксплуатации не позволяют насытить рынок тонкопленочных солнечных батарей элементами с приемлемым соотношением ценакачество [1]. Получившие широкое распространение солнечные элементы на основе гетеросистемы сульфида-теллурида кадмия n-CdS/p-CdTe в настоящее время не достигают теоретически предсказанного предела КПД в 25 % из-за трудностей в контролируемом легировании CdTe, пассивации сопутствующих дефектов и т. д. [1].

В качестве одного из путей решения проблемы создания солнечных элементов относительно невысокой себестоимости и высокого КПД предлагается рассмотреть гетеропереходы типа полупроводниковое соединение на монокристаллическом кремнии. В частности, система n-CdS/p-Si изучается более тридцати лет и рекордное значение КПД порядка 10 % получено авторами [2] в 2018 году при термическом напылении на принудительно не нагреваемую кремниевую подложку в высоком вакууме путем термического резистивного испарения соединения CdS из вольфрамовой лодочки. В дальнейшем производился отжиг гетероструктуры при температуре 250 – 300 °С в процессе напыления прозрачного проводящего оксида цинка-алюминия, используемого в качестве токосъёмного широкозонного окна. Авторы последней работы указывают на паразитное поглощение света в слоях CdS изготовленных ими структур в результате того, что полученные таким путем слои сульфида кадмия аморфны и

45

содержат высокую концентрацию дефектов. Поэтому наибольшее значение КПД достигается в структурах с минимальной толщиной слоя сульфида кадмия. Указанный факт не позволяет экспериментально установить влияние толщины плёнки высокого качества на возможные значения КПД для достижения его максимального предела в гетеросистеме n-CdS/p-Si.

Целью данной работы является исследование условий формирования слоев сульфида кадмия на монокристаллических подложках кремния Si (111) и на слюде методом горячей стенки с целью дальнейшей разработки технологии солнечных элементов на основе гетероструктуры n-CdS/p-Si. Технологические режимы напыления слоев методом горячей стенки представлены в табл. 1.

Таблица 1

Условия формирования исследуемых образцов

Структурные исследования пленок проводились на рентгеновском дифрактометре Empyrean PANalytical с источником излучения Cu K-α на длине волны 1,5406 Å. Исследования образцов методами атомно-силовой микроскопии проведены на приборе Solver Pro. Рентгенофазовый анализ позволяет установить, что на поверхности подложек формируются пленки CdS гексагональной модификации группы симметрии P 63mc. На рис. 1 представлены характерные дифрактограммы пленок CdS, сформированных напылением при условиях, отраженных в табл. 1. Четко выраженным максимумам на кривых а и б (см. рис. 1) соответствует набор отражений от плоскостей гексагональной модификации CdS (табл. 2). При температуре подложки 300 °C (см. рис. 1, в) дифракционных пиков не наблюдается, что соответствует аморфному состоянию пленки (см. рис. 2, г).

46

Интенсивность, отн.ед.

2Θ, °.

Рис. 1. Дифрактограммы образцов № 5 (а), № 8 (б) и № 9 (в), сформированных на подложках из Si

47

Таблица 2

Характерные пики рентгеновской дифракции на исследуемых слоях по сравнению с эталонными для гексагональной модификации CdS

Рис. 2. АСМ-изображения поверхностей образцов № 5 (а), № 7 (б), № 8 (в), №9 (г), №10 (д) и № 11 (е); масштаб – 5×5 мкм2

48

Скорость напыления определялась температурой источника CdS. Толщина плёнки задавалась временем напыления. Представленные а табл. 1 толщины определены с помощью микроинтерферометра Линника МИМ-4. При температуре подложки 440 °C латеральный размер кристаллитов пленки имеет порядок мкм (см. рис. 2, изображения а и б). Увеличение температуры подложки в процессе напыления при снижении времени напыления приводит к тому, что на поверхности Si кристаллиты CdS не успевают сформироваться и наблюдаются агрегаты с характерными латеральными размерами порядка долей мкм (см. рис. 1, б и рис. 2, изображение в).

Увеличение температуры источника сульфида и температуры подложки до 470 °C при обработке в течение 300 мин позволяют сформировать пленку сульфида кадмия с характерным размером кристаллитов в несколько мкм (рис. 2, изображения д и е).

Из приведенных данных можно сделать следующие выводы. В камере квазизамкнутого объема при температурах источника в интервале 650 – 700°C и температурах подложки 440 – 470 °C формируются пленки сульфида кадмия гексагональной модификации. При использовании слюды в качестве подложки рельеф полученных пленок сульфида кадмия более гладкий по сравнению с пленками на кремнии. Ориентирующее действие подложки слюды практически отсутствует в отличие от подложки из монокристаллического Si (111). При увеличении температур источника и подложки характерные размеры кристаллитов возрастают от 0,5 до 2 мкм. Это наиболее отчетливо проявляется для образцов на кремниевой подложке.

Литература

1.Liu F. Emerging inorganic compound thin film photovoltaic materials: Progress, challenges and strategies / F. Liu [et al.] // Materials Today, 2020. – V. 41.

–P. 120-142.

2.Gao B. Fabrication of cadmium sulfide/p type silicon heterojunction solar cells under 300°C with more than 10 % efficiency / B. Gao [et al.] // Solar Energy, 2018. – V. 173. – P. 635-639.

Воронежский государственный университет инженерных технологий

*Воронежский государственный университет

49