Учебное пособие 800594

а также относительной спектральной чувствительности ( ) используемого фотодиода по следующей формуле:

( ) ∑ ( ) ( )⁄ ( ( ))

Рис. 4. Теоретический отклик датчика pH при использовании зеленого и синего светодиодов

Полученные результаты показывают, что разработанная конструкция фотоприемника для оптоволоконного датчика pH может быть использована в микробиореакторах для широкого класса биотехнологических приложений.

Литература

1. Schapper D. Development of a single-use microbioreactor for cultivation of microorganisms [Текст] / D. Schapper, S.M. Stocks, N. Szita, K.V. Gernaey // Chemical Engineering Journal. – 2010. –

V.160. – P. 891 - 898.

2.Wang H. Multi-wavelength spectrophotometric determination of pH using phenol red-doped sol-gel film sensors [Текст] / H. Wang, B. Liu, Z. Li, et al. // Spectroscopy Letters. – 2017. – V. 50. – P. 307 - 315.

Воронежский государственный университет

150

УДК 621.3

К.С. Пахунова, А.В. Арсентьев

ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МОСТИКОВОЙ СХЕМЫ В КАЧЕСТВЕ СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ДАТЧИКА

Работа посвящена разработке схемы измерения для газочувствительного анализатора. Мостиковая схема Уитстона является универсальным и экономичным методом для измерения малых изменений сопротивлений различных датчиков, в том числе и датчиков газа.

Измерение сопротивлений при постоянном токе попрежнему имеет важное значение в электротехнике, электронике, микроэлектронике и в нанотехнологиях. Оно может обеспечиваться различными методами, например, путем измерения падения напряжения на резисторе при пропускании через него неизменного тока. Этот метод часто применятся в цифровых приборах, так как не требует настройки измерительной цепи и дает линейную зависимость показаний [1]. Более же точными методами измерения являются различные мостиковые схемы.

Цель работы заключается в исследовании точности измерения мостиковой схемы Уитстона и возможности ее применения в качестве схемы измерения показаний газочувствительного датчика с сопротивлением порядка 100 кОм.

Существуют различные виды мостиковых схем. Мост Уитстона является классическим и самым распространённым методом. Возможны различные его конфигурации, такие как четвертьмостовая, полумостовая и полномостовая. Мост Кельвина применяется для измерения очень малых сопротивлений и, следовательно, для наших целей не подходит. В схеме измерения присутствует только один чувствительный элемент (датчик), который включается в одно из плеч моста, поэтому в нашем случае используется четверть мостовая конфигурация моста Уитстона.

151

В ходе исследования приводилось моделирование схемы в схемотехническом симуляторе, что показано на рис. 1, где Rx1 – сопротивление резистивного датчика.

Рис. 1. Моделирование мостиковой схемы Уитстона

Принцип измерения сопротивления основан на уравнивании потенциала средних выводов двух ветвей [2]. Для определения изменения величины плеч моста измеряют напряжение диагонали моста:

(1)

где Uв – напряжение питания, R1, R2, R3, Rx – сопротивления плеч моста.

Откуда получаем формулу для нахождения неизвестного сопротивления резистивного датчика:

при R1 = R2 = R3 = 100 кОм.

Экспериментально, а также в ходе моделирования получаем экспоненциальную кривую напряжения диагонали моста от сопротивления резистивного датчика (рис. 2).

152

Рис. 2. Кривая зависимости напряжения диагонали моста от значений сопротивления резистивного датчика

На рис. 3 представлена кривая зависимости напряжения диагонали моста от сопротивления сенсора, полученная в ходе эксперимента.

Рис. 3. Экспериментальная кривая зависимости напряжения диагонали моста от значений сопротивления резистивного датчика

В работе [3] представлены экспериментальные данные по измерению электрических параметров датчика газа NO. В таблице представлены значения тока этого сенсора при подаче различной концентрации газа на него.

153

При нахождении сопротивления датчика по имеющимся значениям из таблицы получаем зависимость (с учетом погрешности измерения) сопротивления датчика от концентрации паров NO (рис. 4).

Применение схемы мостика Уитстона для датчика в газоанализаторе возможно. Полученная зависимость напряжения диагонали моста от значений сопротивлений резистивного элемента позволяет определять концентрации газа, однако она не линейна, возможно на готовом изделии потребуется линеаризация кривой для повышения точности измерения.

Литература

1.Дьяконов В.П. Современная техника и приборы для измерения резистивности и снятия ВАХ [Текст] / В.П. Дьяконов // Компоненты и технологии. – 2010. – № 10. – С. 137 - 144.

2.Шевченко А.А. Электротехника и электроника [Текст] / А.А. Шевченко, С.Н. Бегдай; под общ. Ред. О.В. Григораш. – 2-е изд. перераб. и доп. – Краснодар: КубГАУ, 2014. – 544с.

3.Macagnan А. Sensing asthma with portable devices equipped with ultrasensitive sensors based on electrospunnanomaterials [Текст] / A. Macagnano, A. Bearzotti, F. De Cesare et al. // Electroanalysis. – 2014. – № 26. – С. 1 - 11.

Воронежский государственный технический университет

154

УДК 621.382

В.А. Буслов, О.Г. Викин, Т.В. Пашнева*

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ МОЩНЫХ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

В работе рассмотрена возможность использования при производстве корпусов мощных СВЧ транзисторов перспективного композитного материала – поликристаллического алмаза, погруженного в массив из спеченных при высокой температуре и давлении зерен карбида кремния и синтетического алмаза.

Важнейший элемент практически любого транзистора – его корпус. Он должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к конструкции прибора, его назначению, стойкости к воздействию внешних факторов, в том числе и специальных, и иным требованиям надежности. Кроме того, корпус должен быть устойчив к технологическим режимам сборки транзистора. Как правило, корпус мощного СВЧ-транзистора содержит металлический теплоотводящий фланец, на котором размещены изолятор из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, на который монтируется полупроводниковый кристалл, с присоединенными к нему плоскими внешними выводами. [1]

Для анализа целесообразности использования перспективных материалов, был проведен расчет теплового сопротивления модельного транзистора в корпусе, где в качестве конструкционных материалов использована композиция пластины поликристаллического синтетического алмаза, погруженного массив из спеченных при высокой температуре и давлении зерен карбида кремния и синтетического алмаза, получившей название «Скелетон» (далее – «композит»). Теплопроводность основных конструкционных материалов современных корпусов мощных СВЧ транзисторов представлены в табл. 1.

155

Таблица 1 Теплопроводность основных конструкционных материалов

современных корпусов мощных СВЧ транзисторов

Распределение тепла в твердом теле в самом упрощенном виде можно представить в виде усеченного конуса, на верхней грани которого находится источник тепла, нижняя является стоком тепла в теплоотвод. Форма конуса и площадь его основания, при всех прочих равных условиях, зависит от теплопроводности материала. Чем выше теплопроводность, тем сильнее «растекается» тепло в объеме и тем больше площадь основания, тем большую мощность может отвести от источника и рассеять в теплоотвод полученная конструкция. Данное утверждение можно проиллюстрировать примерами, представленными на рис. 1,

Рис. 1. Схематичное изображение распределения тепла в корпусе мощного СВЧ транзистора, с диэлектрической прокладкой

из материалов с различной теплопроводностью , 1< 2.: 1 – источник тепла, например, кристалл СВЧ транзистора;

2 – прокладка из ВеО (а) и композиции синтетический алмаз в матрице материала «Скелетон» (б); 3 – фланец из псевдосплава МД-40; 4 - плита теплоотвода

156

На рис. 1 схематично изображено распределение тепла в корпусе мощного СВЧ транзистора, изготовленного из материалов с различной теплопроводностью – широко распространенная конструкция с применением BeO керамики и фланца из псевдосплава медь-молибден МД-40 (40 об. % Мо) (а) и композиции синтетический алмаз в массиве материала «Скелетон» и фланца из псевдосплава медь-молибден МД-40 (40 об. % Мо) (б).

Для оценки эффективности использования указанных материалов были проведены расчеты теплового сопротивления переходкорпус Rt п-к СВЧ транзисторов методом эквивалентов [2], представленные в табл. 2.

Из представленных в таблице результатов расчета видно, что замена в конструкции корпуса мощного СВЧ транзистора материала изолирующей прокладки из ВеО на композитную приведет к снижению теплового сопротивления на 33 % при прочих равных условиях.

Для проверки результатов расчетов были изготовлены два транзистора. Кремниевый кристалл толщиной 220 мкм и фланец из псевдосплава медь-молибден МД-40 толщиной 1500 мкм были использованы одинаковые для обоих транзисторов.

Кристаллодержатель из керамики на основе оксида бериллия ВеО имел толщину 1100 мкм. На большие грани ВеО кристаллодержателя напылялся молибден толщиной 10 мкм для обеспечения паяемости. На большие грани кристаллодержателя из «композита» магнетронным распылением из составной мишени была напылена композиция титан-вольфрам общей толщиной 5 мкм так же для обеспечения паяемости. Кристаллодержатели и фланец соединенялись пайкой с применением припоя ПСр 72 в атмосфере водорода при

температуре 870 С. Транзисторный кристалл и кристаллодержатель соединялись при помощи образующейся при 450 С эвтектики кремний-золото (рис. 2).

157

1

2 3

4 5

Рис. 2. Поперечное сечение исследуемого транзистора: 1 – кремниевый кристалл; 2 – эвтектика кремний-золото;

3 – кристаллодержатель (BeO или «композиция»); 4 – припой ПСр 72; 5 – фланец из псевдосплава МД-40

медь-молибден (40 об.% Мо)

При измерениях транзистор закреплялся на охлаждаемом водой массивном теплоотводе. Температура фланца измерялась при помощи термопары, помещенной в просверленное в фланце отверстие диаметром 0,8 мм. Спай термопары размещался под центром кристалла. Температура кристалла измерялась по интенсивности его инфракрасного излучения при помощи программно-аппартного комплекса на основ камеры Flir SC655. В процессе измерения температура кристалла транзистора устанавливалась равной макси- мально-допустимой температуре для кристаллов с металлизацией на

основе золота tp-n = 200 С.

Распределение температуры по поверхности кристалла транзистора, созданного с применением «композита», представлено на рис. 3. Электрически режим эксперимента U = 20 В, I = 3,93 А, при

этом tp-n = 200 С, tКомпозит = 142 С, tкорпуса = 50 С. Таким образом, тепловое сопротивление данного транзистора составляет:

Rt п-к = (tp-n - tкорпуса)/(U×I) = (200-50)/(20×3,93) = 1,91 С/Вт. (1)

Сравним полученные данные с распределением температуры по поверхности кристалла транзистора, созданного с применением ВеО керамики, представленным на рис. 4.

Электрически режим эксперимента U = 20 В, I = 3,12 А, при

этом tp-n = 200 С, tВеО = 72 С, tкорпуса = 52 С. Таким образом, тепловое сопротивление данного транзистора составляет:

Rt п-к = (tp-n - tкорпуса)/(U×I) = (200-52)/(20×3,12) = 2,37 С/Вт. (2)

158

Рис. 3. Распределение температуры по поверхности кристалла транзистора, созданного с применением «композита»: U = 20 В, I =

3,93 А, tp-n = 200 С, tКомпозит = 142 С, tкорпуса = 50 С, Rt п-к = 1,91 С/Вт

Рис. 4. Распределение температуры по поверхности кристалла транзистора, созданного с применением ВеО керамики: U = 20 В,

I = 3,12 А, tp-n = 200 С, tВеО = 72 С, tкорпуса = 52 С, Rt п-к = 2,37 С/Вт

Из картины распределения тепла можно сделать вывод о хорошем тепловом контакте кристалла и кристаллодержателя, так как распределение температуры однородное, без областей локального

159