Учебное пособие 688

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

61-я НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПРОФЕССОРСКО-ПРЕПОДАВАТЕЛЬСКОГО СОСТАВА, СОТРУДНИКОВ, АСПИРАНТОВ И СТУДЕНТОВ ВГТУ

Секции «Материалы и технология полупроводниковых

приборов», «Проектирование и надежность полупроводниковых

приборов и ИС. Микроэлектромеханические системы»

Материалы конференции (г. Воронеж, 13 апреля 2021 г.)

Воронеж 2021

УДК 534.283.2

В.И. Митрохин, А.Д. Анисимов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ ПРИ РАБОТЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Демпфирующие факторы – это явления, которые ослабляют колебания волн, генерируемых пьезоэлектрическим излучателем. Данный термин происходит от немецкого слова Dämpfer – глушитель.

Одним из демпфирующих факторов является внутреннее трение – препятствие, обусловленное внутренними процессами в материале. Измерения данной величины выглядят следующим образом. Сигнал звуковой частоты с генератора подается на возбуждающий электрод. При совпадении частоты генератора с частотой собственных изгибных колебаний образца в нем возбуждаются колебания. С помощью измерителя частотной модуляции выделяем модулирующий сигнал, пропорциональный амплитуде изгибных колебаний образца. Селективный усилитель отделяет нужный сигнал от шумов. Осциллограф и частотомер контролируют форму и частоту изгибных колебаний. Сигнал с выхода селективного усилителя поступает на амплитудный дискриминатор, который пропускает сигнал в строго заданном интервале. Электронный счетчик подсчитывает количество колебаний.

Другая причина демпфирования – это температура. Были исследованы образцы высокоомного арсенида галлия, один из которых легирован железом, а другой медью. При температуре выше 400 К для первого образца и выше 440 К для второго вызванная световыми импульсами ЭДС уменьшается. При температурах ниже указанного интервала эти же колебания демпфируются за счет электронномеханической релаксации. При температурах без значительного внутреннего трения зависимость амплитуды изгибных колебаний от интенсивности световых импульсов практически линейна в обоих твердых телах.

3

УДК 538.975

В.Е. Полковников

СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ NO2 В ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ НА ОСНОВЕ Zn2SnO4 ДЛЯ ПРИБОРА ДИАГНОСТИКИ

БРОНХИАЛЬНОЙ АСТМЫ

Ортостаннат цинка Zn2SnO4 (zinc tin oxide – ZTO) это широкозонный полупроводник (Eg > 3 эВ) n-типа проводимости. Данный металлооксид в зависимости от способа и режима синтеза имеет разные электрофизические и морфологические характеристики.

В данной работе описана спрей-пиролиз технология осаждения из водных растворов солей металлов (Zn, Sn) поликристаллической пленки Zn2SnO4, с размером зерна 9 нм, вычисленным по формуле Шеррера.

Нанесение пленки происходит путем распыления смеси растворов солей металлов в виде аэрозоля на нагретую до 420 °С стеклянную подложку. Продемонстрирован оптимальный режим нанесения и произведен контроль состава полученной структуры с помощью рентгенофазового анализа. Морфология поверхности пленки изучалась методом атомно-силовой микроскопии. Измерения электрических параметров пленки производилось методом Ван-дер-Пау с помощью эффекта Холла. Измерены удельное сопротивление пленки, тип проводимости, концентрация и подвижность носителей зарядов. Полученная металлооксидная пленка Zn2SnO4 имеет толщину 0,45 мкм, концентрацию носителей заряда 1,5·1018 см-3, подвижность носителей заряда 4,86 см2/В·с, удельное сопротивление 0,49 Ом·см. Ширина запрещенной зоны определялась по спектрам поглощения света и составила 3,5 эВ.

С помощью полученной информации о составе и морфологии аналитическим путем, на основе литературных и расчетных данных, сделан вывод о возможности использовании данного полупроводникового материала для сверхчувствительного датчика экспресс контроля NO2 для прибора диагностики бронхиальной астмы.

4

УДК 538.975

Т.В. Свистова, Т.А. Перепечина, Ю.В. Шачнева

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ К ГАЗАМ-ОКИСЛИТЕЛЯМ

Вповседневной жизни, на производстве, на складах, в исследовательских лабораториях и цехах и в целом для экологического исследования возникает необходимость контроля предельнодопустимых концентраций (ПДК) токсичных газов во избежание негативных последствий для здоровья человека и окружающей среды.

Внастоящее время широко распространены газоанализаторы различного строения и назначения. Наиболее перспективными и выгодными с точки зрения экономики считаются металлооксидные полупроводниковые газовые датчики. Они сочетают в себе низкое энергопотребление, малый размер, избирательность, высокую чувствительность.

Целью данной работы является исследование чувствительно-

сти газовых датчиков к газам-окислителям. Объект исследования является кристалл газового датчика размером 1×1 мм2. Датчик состоит из следующих элементов: нагреватель, два газочувствительных элемента (ЧЭ) на основе диоксида олова, контакты в виде встречно-штыревой структуры из платины для чувствительного слоя. Расстояние между контактами 10 мкм.

Впроцессе исследования использовалось следующее оборудование: мультиметры MY64, источник напряжения HY3010E, , измерительная ячейка.

Основные параметры датчика: рассеиваемая мощность при-

мерно 500 мВт сопротивление нагревателя Rн = 20 - 30 Ом, температурный коэффициент сопротивления нагревателя ТКС = 0,002 град-1, сопротивление чувствительного элемента (Rчэ) единицы или десятки кОм – МОм. Газовая чувствительность к парам различных веществ в воздухе 2 – 60 отн. ед.

5

УДК 62.543

Е.Ю. Плотникова, Н.В. Авцинов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭТАЛОННЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Современные технологии являются важной составляющей процесса использования информационных ресурсов общества в различных сферах жизнедеятельности. Медицинская диагностика предполагает получение визуальной информации о здоровье пациента. Поэтому для формирования телемедицины необходимы информативные средства.

Так прибор Nobreath относится к микрофлюидным устройствам. Из этого следует, что прибор не может функционировать без системы распределения газов. Циркуляция газа в системе напрямую зависит от того, какие используются микро-насосы, микро-клапаны и прочие устройства. В оригинальном приборе используется микронасос Schwarzer Precision SP 270 EC-H; для снижения общей стоимости прибора в макете будет использоваться микронасос YIMAKER DC3-6V DIY. Параметры аналога схожи с параметрами оригинала, а ключевым параметром микронасоса являются его меньшие размеры, что в свою очередь подходит для создания портативного устройства. Напряжение питания насоса имеет величину от 3 до 6 вольт, что позволяет отказаться от блока питания в пользу обычных батареек.

Вся электроника будет управляется с помощью микроконтроллера Arduino, который имеет множество различных датчиков для тестирования. Плата программируется языком, который имеет множество готовых библиотек и по синтаксису похож на С++.

В макете будет сформировано два контура. Первый отвечает за измерение концентрации азота в атмосфере (калибровка), второй за концентрацию в выдыхаемом человеком воздухе. Чтобы контуры не пересекались, в макете использованы микро-клапаны. Трехпозиционные переключатели служат для смены контуров.

6

УДК 621.311.182.4: 621.311.181.4

Т.В. Свистова, В.А. Воробьев

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ ПРИБОРОВ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Портативное медицинское оборудование представляет собой технические средства небольшого размера, которые используются в медицинских целях для диагностики, профилактики и лечения заболеваний. К портативным медицинским приборам обычно предъявляют довольно жёсткие требования по уровню надёжности, времени автономной работы и безопасности. Большая часть этих требований напрямую затрагивает систему питания портативного медицинского устройства и её компоненты.

Блок питания является одним из важнейших элементов портативного медицинского устройства, но, как правило, на него обращают слишком мало внимания, забывая, что стабильность работы любого портативного медицинского устройства в немалой степени зависит от правильного выбора и обоснованного расчёта необходимой мощности потребления. Архитектура портативных медицинских приборов может отличаться, однако в каждом из таких устройств в обязательном порядке присутствует блок питания.

К источникам питания для медицинской техники предъявляется ряд требований, обусловленных спецификой применения, основная цель которых – безопасность пациентов. К наиболее важным требованиям относятся – повышенная электрическая прочность изоляции «вход-выход», «вход-корпус» и «выход-корпус»; малые токи утечки, удовлетворяющие требованиям международных и российских стандартов. Другими ключевыми требованиями, предъявляемыми к электронным компонентам блоков питания для портативных медицинских приборов, становятся минимальный ток собственного потребления, обеспечивающий максимальную длительность работы от батарей или аккумуляторов, и нулевое потребление энергии прибором от первичных источников или АКБ в ждущем режиме.

Разработка компактного, лёгкого, надёжного и безопасного блока питания для современных портативных приборов медицинской диагностики является актуальной задачей современного приборостроения.

7

УДК 543.27.08

Т.В. Свистова, А.К. Воробьева

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОТОТИПИРОВАНИЕ 3D-МОДЕЛИ АДАПТЕРА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ

Анализ компонентов выдыхаемого воздуха в настоящее время становится мощным диагностическим инструментом в здравоохранении для ранней неинвазивной диагностики различных заболеваний человека. Прямое детектирование веществ / газообразных маркеров в пробе выдыхаемого воздуха без предварительного концентрирования или обогащения является предпочтительным.

Известно большое количество газоанализаторов, предназначенных для регистрации биомаркеров в выдыхаемом воздухе. Такие приборы, как правило, оснащены специальными трубками и мешками для забора выдыхаемого воздуха, а также системами управления потоками поступающего на анализ воздуха, контроля этих потоков и соответствующими системами обработки данных.

Медицинские устройства, как правило, содержат адаптер для сопряжения с мундштуком. Мундштук может содержать противомикробный агент. При выборе размеров мундштука и адаптера следует учитывать, что между мундштуком и адаптером должно достигаться относительно плотное и воздухонепроницаемое уплотнение. Адаптер должен обеспечить герметичную посадку мундштука и может быть использован для обеспечения правильной ориентации мундштука. Адаптер должен иметь такую форму и размеры, чтобы он надежно прилегал к мундштуку. Поперечные сечения для адаптера могут быть круглые, эллиптические или конусообразные в зависимости от конструкции мундштука. Адаптер может быть дополнительно оснащен системой поддержания необходимого давления с ограничителем для визуализации формирования потока выдыхаемого воздуха с физическими характеристиками, оптимальными для сенсора прибора медицинской диагностики.

Технология 3D-моделирования позволит программно создать прототип адаптера и проверить его работоспособность, а технология быстрого прототипирования позволит проверить дизайн и эргономику будущего изделия и оперативно усовершенствовать его.

8

УДК 621.3

К.А. Злотникова, А.В. Арсентьев

РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ СЕНСОРНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА

В настоящие время развитие многих отраслей промышленности характеризует автоматизация, это в свою очередь выявляет проблему для определения сверхмалых концентраций многих низкомолекулярных газов. Для решения данной проблемы потребуется разработка топологии датчика газов на основе конструкций полевого транзистора.

На рисунке 1 представлена топология газочувствительного датчика 2 x 2 мм2. со встречно - штыревой структурой. В результате взаимодействия тестового элемента с определенным газом измеряется изменение электрического сопротивления поликристаллического элемента газочувствительного датчика, по которому происходит определение концентрации газов.

а) б)

а) топология тестового элемента; б) фрагмент шаблона

Принцип действия газочувствительного датчика основан на изменении электрического сопротивления полупроводниковой пленки химического соединения ZnO + SnO2 при наличии над поверхностью пленки в воздухе газовых примесей.

9