Учебное пособие 1612

УДК 621.382

Р.А. Мещеряков, А.А. Винокуров

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ ГАЗОВ

В настоящее время актуальной является задача разработки чувствительных элементов датчиков газов на основе перспективных материалов, например, оксидов металлов. Разработки новых материалов направлены на снижение стоимости датчиков, повышение чувствительности к определенным видам газов, снижение энергопотребления, расширения условий применимости и т.д.

Сигнал с чувствительного элемента может быть непригоден для обработки микроконтроллером или иными цифровыми схемами. Поэтому многие современные датчики представляют собой систему в корпусе, включающую чувствительный элемент, усилительные схемы, аналоговые фильтры, аналого-цифровой преобразователь, систему питания и т.д.

Для интегральных схем (ИС) существует понятие «информативный параметр», т.е. параметр, который характеризует деградационные процессы в структуре и потенциальную надежность ИС. Чувствительный элемент со схемотехнической точки зрения обычно представляет собой простую схему, например, одиночный p-n переход или резистор с переменным сопротивлением. Поэтому контроль чувствительных элементов проводят при помощи измерения вольт-амперных характеристик и их зависимостей от внешних факторов.

Первоначальным объектом исследования является датчик MQ. Это датчик, содержащий чувствительный элемент на основе SnO2 и нагревательный элемент. Для анализа деградационных процессов в готовых датчиках измеряются такие параметры, как чувствительность, времена отклика и восстановления, сопротивления нагревателя и чувствительного элемента. Также измеряются зависимости параметров от напряжения питания датчиков и температуры окружающей среды.

20

УДК 628.9

В.А. Криволапов, Е.Ю. Плотникова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ В СИСТЕМАХ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Всовременной технике находят широкое применение оптоэлектронные полупроводниковые приборы. Развитие технологий в данной области на основе светоизлучающих кристаллов привело к широкому использованию этих приборов в системах отображения информации.

Впоследние годы одним из главных направлений в освоении новейших средств отображения информации является развитие

исовершенствование мультимедийных информационных технологий, и это неслучайно. Дело, в том, что 85 процентов информации базируется на визуальной основе. К подобным методам информирования относятся: световые объёмные буквы, светодиодные и ламповые короба, лайтбоксы, акрилайты и так далее. Один из ведущих способов передачи информации – отображение через светодиодное табло.

Вданной работе будет изучен процесс программирования светодиодного табло Hoozoe Р-10 Green, подключенного через шлейф 16 PIN к контроллеру BX-5A1 (на базе микропроцессора LM3S5762-IQR50-A0), запитанному в свою очередь при помощи преобразователя 5VN200V5-A. Контроллер так же возможно доукомплектовать датчиком температуры и датчиком влажности окружающей среды. Программирование контроллера BX-5A1 осуществляется через WIFI в программе LEDShowTW.

21

УДК 621.3.049.774

Худошина М.Н., Меньшикова Т.Г.

ОПТИМИЗАЦИЯ ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ TRENCH-MОП ТРАНЗИСТОРА

Trench-МОП транзистор (trench – траншея, канавка) предназначен для применения в силовой электронике. Его особенностью является вертикальная форма затвора, выполненного в виде «траншеи». Затвор формируется в объеме полупроводника, что позволяет получить вертикальную форму канала. Такая структура по сравнению с горизонтальной позволяет при низком сопротивлении канала получить большие величины допустимых токов с минимальным выделением тепла.

Потери мощности в транзисторе тем меньше, чем выше плотность на единицу площади поверхности канавок-тренчей. Основной технологией формирования канавок является Boschпроцесс. Он представляет собой многократное повторение плазмохимического травления и пассивации до достижения требуемой глубины канавки.

Высокая плотность канавок обеспечивается разрешающей способностью и качеством процесса фотолитографии. Из-за большого количества операций фотолитографии, необходимых для изготовления структуры, эта операция считается одним из узких мест в технологическом процессе. Поэтому значительная часть публикаций направлена на оптимизацию организации процесса фотолитографии.

К основным контролируемы параметрам пленки фоторезиста относятся его средняя толщина и её неоднородность.

Основные технологические параметры, изменяя которые можно оптимизировать параметры пленки, – температура фоторезиста, влажность воздуха, скорость дозирования и скорость вращения пластины.

22

УДК 621.382

Т.Г. Меньшикова, П.С. Панов

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗВАРКИ КОНТАКТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИС

Внастоящее время в современных СБИС и полупроводниковых приборах, у которых размер контактных площадок достиг микронных размеров, процесс присоединения проволочных выводов, контактных площадок корпуса с контактными площадками кристалла занимает одну из самых сложных и трудоемких операций.

Целью данной работы является исследование стабильности параметров ультразвуковой сварки методом «клин – клин» алюминиевой проволоки размером 30 микрометров. Задача выбора оптимальных режимов УЗС заключается в том, чтобы найти из варьированных трех параметров такую комбинацию, при которой получится самая высокая прочность соединения при желательном разрыве вывода по центру основания. Варьировались три параметра: время сварки, усилие сжатия инструмента и мощность УЗГ. Разварка выполнялась на установке Bondjet BJ-820.

Прогресс в развитии методов формирования межсоединений позволил существенно снизить трудоемкость операций и добиться заметных успехов на пути к их полной автоматизации. Однако трудоемкость операции формирования межсоединений остаётся определяющей в процессе производства изделий микроэлектроники и для разных типов приборов составляет от 30 до 60 % всей трудоемкости сборки. Нужно учитывать все нюансы при формировании петли, подборе параметров и контроле качества разварки.

Вданной работе были исследованы зависимости прочности микросварных соединений от параметров ультразвуковой микросварки. Экспериментальные исследования показали, что прочность микросоединений в основном зависит от времени сварки. Применение данных результатов исследований позволит повысить качество

инадежность выпускаемой продукции. Так как оптимальные режимы параметров используются не для конкретного прибора, а имеют большой диапазон применения, то данные результаты перспективны в использовании.

23

УДК 621.3.082.5

Л.А. Плахотник, А.В. Арсентьев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДИМОГО И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ZnO И SnO2

В настоящее время большое внимание исследователей привлекают тонике пленки оксидов металлов. На основе этих пленок создаются не только полупроводниковые лазеры и светодиоды, но и различные датчики. В данном случае интерес вызывают газочувствительные датчики. Датчики газа работают при температуре чувствительного элемента 350 – 550 °C. Достаточно высокая рабочая температура позволяет десорбироваться атомам и молекулам кислорода с поверхности, что повышает его чувствительность. Но данное техническое решение ведет к ограничению возможностей его использования – нельзя использовать во взрывоопасных средах и встраивать в мобильные устройства. Для решения данной проблемы в настоящей работе нагрев датчика был заменен на облучение ультрафиолетовым светом.

Целью данной работы является исследование влияния видимого и ультрафиолетового излучения на электрические характеристики тонких пленок ZnO и SnO2. Для начала были рассмотрены исследования электрического сопротивления пленок ZnO и его изменение под действием УФ. Было отмечено, что облучение пленок светом с длинной волны менее 390 нм приводит к обратимому уменьшению сопротивления, причем возврат к прежнему значению происходит гораздо медленнее. Под действием столь малой интенсивности ультрафиолета при комнатной температуре изменение состава кристаллических дефектов внутри оксида цинка маловероятно. Вероятнее наблюдается процесс адсорбции и десорбции кислорода с поверхностей пленок. Для проверки данной теории будет исследоваться влияние видимого и ультрафиолетового излучения на электрические характеристики тонких пленок ZnO и SnO2.

24

УДК 621.382

Д.Н. Бугаев, В.Р. Власик, Д.В. Чуков

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРТАТИВНОГО УСТРОЙСТВА МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ДЛЯ ОСУШЕНИЯ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

Существует технология определения бронхиальных заболеваний по концентрации примесных газов в выдыхаемом воздухе. На базе этой технологии были разработаны медицинские приборы для детектирования отдельных примесных газов.

Одной из важных частей таких приборов является адаптер с осушающим фильтром и датчиком скорости потока воздуха, так как на точность измерений оказывают влияние влажность поступающего воздуха и его скорость. Для получения более точных данных относительная влажность поступающего на датчик воздуха должна составлять 10 – 80 %.

Исходя из вышесказанного, целью проекта является исследование и разработка, схожего по параметрам с существующими аналогами устройства многоразового использования для осушения выдыхаемого воздуха.

В данной работе будет приведены результаты работы портативного прибора многоразового использования для осушения выдыхаемого воздуха с использованием в качестве адсорбирующего материала силикагеля и частично рассмотрена конструкция устройства. Также будут рассмотрены отличия данного осушающего устройства от других подобных устройств с использованием иных осушающих материалов и возможные способы регенерации с возможными последствиями.

25

УДК 621.316.722.9

Е.Г. Ширинкина, С.А. Акулинин

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МДП-СБИС

Эффект поля в структуре МДП лежит в основе действия одного из важнейших полупроводниковых приборов — МДПтранзистора (МДПТ). В режиме сильной инверсии приповерхностная область полупроводника в структуре МДП изменяет тип проводимости, причем поверхностная концентрация неосновных носителей превышает концентрацию основных носителей в объеме. В МДПТ эта поверхностная область называется каналом. Тип проводимости канала противоположен типу проводимости подложки.

Поверхностная проводимость канала зависит от поля в диэлектрике и, следовательно, от напряжения между затвором и каналом. Поэтому сопротивление канала в направлении, параллельном границе с диэлектриком, зависит от потенциала затвора. Изменяя потенциал затвора, можно управлять током в цепи канала при постоянном напряжении, приложенном к каналу.

МДП-транзистор представляет собой четырехполюсный прибор (исток, сток, затвор, подложка), однако в большинстве практических случаев электроды подложки и истока объединяются (VBS = 0). Наилучшие усилительные свойства МДПТ проявляются в случае, когда входным электродом является затвор, а выходным

— сток. При этом входным напряжением является напряжение VGS, а выходным током — ток стока ID. Поскольку входной ток (ток затвора IG) практически равен нулю, статические ВАХ описываются функциями ID(VGS, VDS) или Id(Vcs,Vcd). Рассматриваются возможные методы регулирования порогового напряжения в технологии субмикронных СБИС, основанные на применении диэлектриков высокой диэлектрической проницаемостью и оптимизацией распределения примесей в канале транзистора.

26

УДК 538.975

М.А. Белых, С.И. Рембеза

ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОКСИДА ЦИНКА, ЛЕГИРОВАННОГО АЛЮМИНИЕМ

Работа посвящена получению пленок оксида цинка легированного алюминием, исследованию электрофизических свойств, получение токопроводящих слоёв оксида цинка в составе солнечного элемента, синтезу столбчатых структур с использованием затравочных слоёв оксида цинка, полученных золь-гель методом.

Среди полупроводниковых материалов оксид цинка является универсальным материалом благодаря своим физикохимическим свойствам, таким как механические, электрические, оптические, магнитные и химические.

Целью работы является, получение и анализ электрофизических свойств тонких плёнок на основе оксида цинка, легированного алюминием, применение золь-гель метода для получения проводящих слоёв солнечного элемента, получение столбчатых структур с применением затравочных слоев оксида цинка, полученных зольгель методом.

Золь-гель методом были получены пленки оксида цинка с содержанием алюминия 1 %, нанесение пленок проводилось методом центрифугирования на стеклянную предварительно подготовленную подложку. Проведены замеры электрического сопротивления, спектра пропускания и фазового состава образцов.

Затем с использованием прекурсора, применяемого при получении пленок, методом дипкоутинга были нанесены слои оксида цинка на стеклянную подложку для создания гетероструктуры солнечного элемента.

Для улучшения поглощающих свойств плёнок проводятся эксперименты по выращиванию столбчатых структур. В качестве затравочного слоя используются пленки, выращенные по золь-гель технологии.

27

УДК 621.311.6

С.И. Рембеза, В.А. Воробьев

РАЗРАБОТКА БЛОКА ПИТАНИЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО ПРИБОРА МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Рынок портативного медицинского оборудования является одним из редких небольших сегментов, в котором отсутствует экономическая выгода от условий и масштабов цен, в отличие от сегментов рынка источников питания. Тем не менее, перспективы развития рынка источников питания для портативного медицинского оборудования достаточно устойчивы. Портативные медицинские приборы нуждаются в надёжных аккумуляторах большой зарядной ёмкости. Аккумуляторная батарея может состоять из свинцовых, никель-металлогидридных (Ni-MH) или никель-кадмиевых (Ni-Cd), литий-ионных (Li-ion) или литий-полимерных и т.п. вторичных источников тока.

Исходя из зарядной ёмкости в зависимости от массы и объёма батареи, а также учитывая частоту использования, данному назначению по своим эксплуатационным свойствам лучше всего соответствует литиевая аккумуляторная батарея. Батарея литиевых вторичных источников тока характеризуется длительным сроком службы в силу отсутствия эффекта памяти, более высоким выходным напряжением 4,2 В и большей ёмкостью, высокой плотностью энергии каждого элемента, превосходными показателями цикла заряда и разряда и способностью долго сохранять номинальные выходные значения. Литиевая аккумуляторная батарея обеспечивает стопроцентную производительность в диапазоне температур от 0 до 40 °C и т еряет свои разрядные характеристики при выходе за его пределы. Таким образом, в качестве аккумулятора для разрабатываемого портативного прибора медицинской диагностики следует выбрать литий-ионный аккумулятор (Li-ion). Для зарядки аккумуляторов будет использоваться стандартный кабель USB (на одном конце зарядного кабеля штекер USB type-A, на другой стороне штекер micro-USB) для подключения к разнообразным зарядным устройствам подобного типа.

28

УДК 543.272

С.И. Рембеза, А.К. Воробьева

РАЗРАБОТКА АДАПТЕРА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ

Внастоящее время получает бурное развитие методика неинвазивной диагностики заболеваний человека по анализу компонентного состава выдыхаемого им воздуха. Известно, что выдыхаемый воздух содержит в своем составе помимо основных атмосферных компонентов (азот, кислород, углекислый газ, пары воды) более двухсот других видов молекул с различной концентрацией.

Пробоотбор для диагностики по выдыхаемому воздуху имеет ряд проблем, таких, например, как взятие пробы воздуха в фазе выдоха человека; накопление и сохранение выдыхаемого воздуха в течение периода обследования; формирование потока выдыхаемого воздуха с физическими характеристиками, оптимальными для сенсора устройства диагностики; сокращение длительности проведения обследования.

Вбольшинстве медицинских устройств предусматривается форсированное (с глубоким вдохом) дыхание пациента для преодоления пневматического сопротивления емкости сбора выдыхаемого воздуха, что приводит к увеличению объема воздуха в пробе, а, следовательно, к снижению концентрации исследуемой газовой компоненты.

Медицинские устройства, как правило, содержат адаптер для сопряжения с мундштуком. Адаптер должен обеспечить герметичную посадку мундштука. Мундштуки (например, для спирометрии) должны быть доступны в двух формах: для взрослых и для детей. Мундштук может содержать противомикробный агент. Адаптер можно использовать для обеспечения правильной ориентации мундштука. Мундштук должен содержать видимый или тактильный маркер, указывающий правильное расстояние для введения мундштука в рот пациента. Адаптер должен иметь такую форму и размеры, чтобы он плотно прилегал к мундштуку. Подходящие поперечные сечения для адаптера могут быть круглые или эллиптические, при желании адаптер может быть конусным.

29