Учебное пособие 800568

лем нагрузочных сопротивлений RН в пределах четырѐх порядков таким образом, что сила тока принимает значения 1, 10, 100 и 1000 мкА. Сила тока (J) через исследуемую структуру и падение напряжения между двумя внутренними зондами (U) контролируются двумя приборами Instek GDM-8145. Режим работы измерительной установки выбирается таким образом, чтобы отношение U/J было более, чем на порядок меньше RН, в этом случае включение сопротивления исследуемого образца в цепь не повлияет на величину силы тока. Измерительная четырѐхзондовая головка изготовлена из серебряных контактов полусферической формы электромагнитного реле. Механическая подача зондовой головки осуществляется микрометрическим винтом. Измерительная ячейка термостатирована, температура образца может изменяться от комнатной до 120 °C.

Целью работы является исследование температурной зависимости поверхностного сопротивления плѐнок соединения Cu2SnS3, изготовленных по двухстадийной методике – напыления металлического прекурсора из сплава меди и олова с последующим отжигом в парах серы [3, 4]. Для этого была изготовлена серия тонкоплѐночных образцов сульфидов, сопротивление которых исследовалось четырехзондовым методом как на стандартном вычисли- тельно-измерительном комплексе УЭС, так и на установке собственного изготовления. Сопоставление результатов позволило установить поправочный коэффициент (K) для калибровки изготовленного прибора.

В таблице содержатся результаты исследования величины поверхностного сопротивления некоторых образцов. Видно, что значения, полученные на приборе УЭС сопоставимы с результатами, полученными на изготовленном измерителе. Отличия в результатах, полученных на разных измерительных установках, определяются размерным фактором, связанным с различием в геометрии контактов, и с размерностью величин. Считая эталонными измерения на вычислительно-измерительном комплексе УЭС, определено среднее значение поправочного коэффициента по ряду калибровочных измерений как K = 3,5 1/□. Таким образом можно считать, что произведение K·(U/J) даѐт значение поверхностного сопротивления в размерности Ом/□.

При изучении температурных зависимостей поверхностного сопротивления плѐнок сульфидов образцы разделяются на две группы. В первой группе определѐнное по формуле K·(U/J) сопро-

60

тивление образцов линейно нарастает с ростом температуры так, как это изображено на рис. 1. Температурный коэффициент сопротивления, определѐнный по данному графику равен 1,43·10–3 К–1.

Поверхностное сопротивление исследуемых образцов

Поверхностное сопротивление, Ом/□

Температура, К

Рис. 1. Температурная зависимость поверхностного сопротивления образца ГИ33

61

Во второй группе образцов зависимость имеет Аррениусовский характер с экспоненциальным падением сопротивления по мере роста температуры. В масштабе ln(K·(U/J)) от обратной температуры точки графика укладываются на прямую (рис. 2), по наклону которой можно оценить энергию активации порядка 0,2 эВ.

ln(K·(U/J))

1000/T, К–1

Рис. 2. Аррениусовский график температурной зависимости поверхностного сопротивления образца ГИ31

Отличие между образцами ГИ33 и ГИ31 заключается только в толщине исходной плѐнки металла-прекурсора, 350 нм и 150 нм соответственно. Технологические условия отжига в парах серы для этих образцов совпадают – относительный состав металлического прекурсора Cu:Sn = 1,9:1 в атомных долях, температура отжига в парах серы 420 °С, время отжига 80 минут, температура источника серы в процессе отжига 135 °С. Поэтому отличия в характере температурных зависимостей сопротивления можно объяснить следующим образом. В первом случае плѐнка сульфида сформировалась неоднородной по фазовому составу с металлическими включения-

62

ми, что определяет высокую проводимость и характерную для металла температурную зависимость сопротивления. Во втором случае химическое взаимодействие металлического слоя-прекурсора с серой произошло на всю глубину слоя с образованием сульфида. Температурная зависимость сопротивления имеет активационный характер, энергия активации определяется либо механизмом изменения концентрации носителей заряда (генерацией дырок при захвате электронов на глубокие уровни), либо механизмом токопрохождения в поликристаллической плѐнке.

Таким образом показано, что характер температурной зависимости поверхностного сопротивления плѐнок сульфидов может служить индикатором качества обработки металла-прекурсора в парах серы.

Литература

1.Budanov A.V. Cu2SnS3 films synthesis during annealing of 2Cu:1Sn metall alloy layers in sulfur vapor / Budanov A.V. et al. // Chalcogenide Letters, 2019, Vol. 16, No. 6, p. 283 - 289.

2.Электронные схемы. 1300 примеров. / Р. Граф. М.: Мир,

1989.

3.Budanov A.V. Synthesis of a Cu2SnS3 ternary compound by thermal annealing of a metal layer in sulfur vapor/ Budanov A.V. et al. // Journal of Physics: Conference Series, 2019, Vol. 1347, 012105.

4.Буданов А.В. Формирование плѐнок соединения Cu2SnS3 для применения в устройствах фотовольтаики / Буданов А.В. с соавт. // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника, Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019, Вып. 18, С. 49 - 55.

Воронежский государственный университет инженерных технологий

63

УДК 621.311.182.4:61

А.К. Воробьева

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ АДАПТЕРА ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ

Работа посвящена рассмотрению вариантов оптимизации конструкции адаптера для медицинских приборов, предназначенных для диагностирования заболевания по составу выдыхаемого пациентом воздуха.

В настоящее время интенсивно развивается методика неинвазивной диагностики заболеваний человека по анализу компонентного состава выдыхаемого им воздуха [1, 2]. Анализ компонентов выдыхаемого воздуха становится многообещающим клиническим инструментом, с потенциальным применением для диагностики и лечения многих заболеваний. В литературе отмечен достаточно большой объем данных, освещающих возможности использования газообразных маркеров в биомедицинской диагностике. [3].

Известно большое количество газоанализаторов, предназначенных для регистрации биомаркеров в выдыхаемом воздухе [4, 5]. В настоящее время большинство коммерческих приборов для анализа выдыхаемого воздуха относятся к таким типам газоанализаторов как электрохимические сенсоры и хемолюминометры.

Газоанализаторы на основе электрохимических сенсоров используются для обнаружения H2, CO и NO (компания Bedfont Scientific LTD (Великобритания)). Чувствительность этих сенсоров достигает 1 - 5 ppb, точность измерение порядка 2 – 5 %, при этом время отклика составляет несколько десятков секунд. Принцип работы основан на регистрации электрического сигнала между электродами при попадании «искомого» газа на сенсор [10].

Метод хемолюминесценции принято считать наиболее точным для обнаружения оксида азота (NO). Существует множество коммерческих приборов, использующих этот метод регистрации

(ECO Medics (Швейцария), General Electric (США)). Чувствитель-

ность хемолюминометров составляет менее 1 ppm, а время отклика порядка 1 секунды. В состав хемолюминометра входят устройство

64

для ввода и смешивания образца и реагентов, резервуар, камера пробоотборника, детектор излучения, светонепроницаемый корпус, система сбора и обработки данных [6].

Перечисленные варианты газоанализаторов, как правило, оснащаются специальными трубками, контейнерами для забора выдыхаемого воздуха и резервуарами, а также системами управления потоками анализируемого воздуха, средствами контроля этих потоков и соответствующими системами обработки данных [7 – 11].

Исследование выдыхаемого воздуха с помощью портативного прибора Nobreath для измерения уровня оксида азота в выдыхаемом воздухе позволяет провести неинвазивное измерение оксида азота с высокой точностью, правильно оценить результат и своевременно назначить необходимое лечение [12]. Для прибора Nobreath предусмотрен адаптер NоbreathFlo (рисунок).

Адаптер NоbreathFlo

65

Адаптер NоbreathFlo (рисунок) 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 мундшту-

ка (5).

Оптимизация конструкции адаптера является экономически целесообразной, поскольку при использовании его в клинической практике могут быть выявлены конструктивные недостатки, которые могут способствовать снижению функциональных способностей устройства.

К конструкции адаптера предъявляются строгие требования. Адаптер должен обеспечить герметичную посадку мундштука. Адаптер должен иметь такую форму и размеры, чтобы он плотно прилегал к мундштуку. Адаптер можно использовать для обеспечения правильной ориентации мундштука. Адаптер может содержать систему измерения потока с расположенным внутри ограничителем потока, предназначенным для визуализации поддержания необходимого давления выдыхаемого воздуха на входе медицинского устройства. Данная система может представлять собой прозрачный ротаметр с пластиковым поплавком.

Размеры мундштука и адаптера следует выбирать так, чтобы достигалось относительно плотное и, следовательно, подходящее воздухонепроницаемое уплотнение между мундштуком и адаптером. Адаптер может служить для поддержки конструкции мундштука. Адаптер может надеваться, вставляться или накручиваться на мундштук по резьбе. Адаптер может быть выполнен в виде конуса, таким образом, что посадка между мундштуком и адаптером станет тем плотнее, чем глубже в адаптер вставляется мундштук. Можно подключить мундштук таким образом, чтобы он скользил внутри адаптера, но эта конструкция меньше поддерживает мундштук и, следовательно, требует использования более прочного материала для мундштука.

Поперечные сечения адаптера могут включать округлые или эллиптические фигуры. Для правильной ориентации при подсоединении мундштука к адаптеру и адаптера к прибору медицинской диагностики, адаптер может быть снабжен кольцевым выступом, повторяющим форму отверстий прибора и мундштука.

66

Выводы

1. Адаптер должен обеспечить герметичную посадку мунд-

штука.

2. Размеры мундштука и адаптера следует выбирать так, чтобы достигалось относительно плотное и воздухонепроницаемое уплотнение между мундштуком и адаптером.

Литература

1Копылов Ф.Ю. Перспективы диагностики различных заболеваний по составу выдыхаемого воздуха / Ф.Ю. Копылов, А.Л. Сыркин, Чомахидзе П.Ш., Быкова А.А., Шалтаева Ю.Р., Беляков В.В., Першенков В.С., Самотаев Н.Н., Головин А.В., Васильев В.К., Малкин Е.К., Громов Е.А., Иванов И.А., Липатов Д.Ю., Яковлев Д.Ю. // Клиническая медицина. 2013. Т. 91. № 10. С. 16 – 21.

2Кузнецов В.И. Метод высокочувствительной неинвазивной диагностики функционального состояния организма / В.И. Кузнецов, Тараканов С.А., Рыжаков Н.И., Коган В.Т., Козленок А.В., Рассадина А.А. // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2013. № 1. С. 95.

3.Назаров В.Е. Оценка риска патологических состояний с помощью анализа газового состава выдыхаемого воздуха / В.Е. Назаров, Карасева Г.Т., Успенский Ю.П., Джагацпанян И.Э. // Вестник Санкт-Петербургского университета. Медицина. 2013. № 4. С.

218 - 225.

4.Таганович А.Д. Получение конденсата выдыхаемого воздуха и анализ маркеров заболеваний легких / А.Д. Таганович // Белорусский медицинский журнал. 2002. № 2 (2). С. 28 - 34.

5.Платонов И.А. Микроаналитические системы для определения эндогенных биомаркеров в выдыхаемом воздухе / И.А. Платонов, И.Н. Колесниченко, В.И. Платонов, М.С. Лобанова, А.Э. Михеенкова // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2016. № 1 (23). С. 41 - 46.

6.Обвинцева Л. А. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной среде / Л. А. Обвинцева // Рос. хим. журнал об-ва им. Д.И. Менделеева. – 2008. - т. LII. -№ 2.- С. 113 – 121.

67

7.Малышева А.О. Внелабораторный экспрессный газохроматографический метод анализа выдыхаемого человеком воздуха с автоматизированной градуировкой / А.О. Малышева, М.Н. Балдин, В.М. Грузнов, Л.В. Блинова // Аналитика и контроль. 2018. Т. 22. №

2.С. 177 - 185.

8.О Хан До Опыт клинического использования портативного электрохимического анализатора монооксида азота (NO) в выдыхаемом воздухе / О Хан До, Г.Л. Осипова, Е.В. Бабарсков, А.Г. Чучалин // Вестник новых медицинских технологий / Тула: изд-во: Тульский государственный университет. – 2010, Том 17, № 3, С.

213-215

9.О Хан До Клинические исследования портативного электрохимического анализатора монооксида азота (NO) в выдыхаемом воздухе / О Хан До, Г.Л. Осипова, Е.В. Бабарсков // Пульмонология / Москва: изд-во: Научно-практический журнал "Пульмонология". – 2010, № 5, С. 94-98

10.Червякова Т.Л. Определение парциального оксида азота в выдыхаемом через нос воздухе с помощью нового портативного анализатора / Т.Л. Червякова // РОССИЙСКАЯ РИНОЛОГИЯ / Москва: изд-во: Общество с ограниченной ответственностью "Издательская группа "Медиа Сфера". – 2009, том 17, № 3, С. 51-54

11.Кричмар С.И Газовый сенсор для обнаружения оксидов азота / С.И. Кричмар, В.М. Безпальченко // Вестник Херсонского национального технического университета. 2011. № 1 (40). С. 22-25.

12.NObreath. Руководство пользователя 17 с.: ил.

Воронежский государственный технический университет

68

УДК 621.311.181.4

В.А. Воробьев

АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БЛОКЕ ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОГО

ПРИБОРА МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Работа посвящена анализу параметров аккумуляторов, используемых в блоке питания портативного прибора медицинской диагностики. Установлено, что в качестве аккумуляторов, используемых в блоке питания, следует выбрать литий-ионный аккумулятор, обладающий длительным сроком службы, высоким выходным напряжением и большой ѐмкостью.

Блок питания является неотъемлемым элементом 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 расчѐта необходимой мощности потребления.

К портативным медицинским приборам предъявляются достаточно жѐсткие требования по уровню надѐжности, времени работы без подзарядки, а также безопасности. Основная часть этих требований напрямую касается системы питания портативного медицинского устройства и еѐ комплектующих.

Одним из ключевых требований, предъявляемых к электронным компонентам блоков питания для портативных медицинских устройств, является минимальный ток потребления, влияющий на максимальную длительность работы от химических источников питания.

Принципы работы и компоновка портативных медицинских приборов всегда различны, но каждое из таких устройств обязательно содержит блок питания.

При проектировании портативных устройств отмечается одна общая закономерность: каждое последующее поколение приборов превосходит предыдущее не только по функциональным воз-

69