Рассмотрены физико-технологические основы формирования электрета на основе диоксида кремния (SiO 2 ) для использования его в устройствах микросистемной техники. Исследования показали, что лучшими электретными свойствами обладает SiO 2 , полученный в атмосфере «влажного» кислорода, по сравнению с образцами, полученными другими методами окисления. Вероятно, это связано с большим количеством групп Si-ОН на поверхности оксида во «влажном» SiO 2 , что повышает эффективность действия гидрофобизирующих покрытий при модификации поверхности SiO 2 . Выявлено, что другие способы получения окисла, например, электрохимический или плазмохимический, не позволяют получить SiO 2 с хорошими электретными свойствами. Уменьшение инжектированного в электрет заряда может происходить вследствие наличия объемной или поверхностной проводимости, а также экранировки этого заряда зарядами противоположного знака из атмосферы, приводящих при высокой окружающей влажности к катастрофическому падению поверхностного потенциала электрета. С целью увеличения стабильности электретного эффекта необходима гидрофобизация поверхности SiO 2 – нанесение на его поверхность тонких (наноразмерных) водоотталкивающих покрытий. Приведены экспериментальные результаты по стабильности электретного поверхностного потенциала при использовании различных гидрофобизаторов. Наиболее перспективными для использования в качестве гидрофобизаторов являются высокотемпературный фоторезист ФПТ-1-40 и полиимидные нанослоевые композиции – пленки Ленгмюра – Блоджетт.
Разработаны модельные представления о физико-химических процессах при использовании электроадгезионного способа соединения материалов. Рассмотрена кинетика на-копления заряда в приэлектродной области диэлектрика. Рассчитана толщина области локализации заряда, напряженности электрических полей и значения пондеромоторных давлений, обеспечивающих соединение материалов. Показано, что для достижения необходимого пондеромоторного давления, составляющего единицы-десятки мегапаскалей, в типичных случаях требуется несколько десятков минут. Появление больших тянущих полей в процессе получения электроадгезионного соединения становится возможным благодаря миграционной поляризации диэлектрика, развивающейся под действием приложенного к нему электрического напряжения. Это приводит к накоплению слоя отрицательного заряда малой толщины у анода. Приложенное напряжение распределяется не по всей толщине диэлектрика, а фактически оказывается приложенным к тонкому слою объемного заряда у анода. Возникающие при этом сильные электрические поля приводят к соединению контактирующих материалов. Разработана физико-математическая модель, позволяющая оценить силовые характеристики неоднородного электрического поля. Рассмотрены зависимости параметров электроадгезионного контакта от времени. Получены выражения, позволяющие обоснованно выбирать время формирования электроадгезионного контакта, рассчитаны напряженности электростати-ческих полей и сил в динамике. Исследование влияния дискретности распределения заряда на напряженность электростатического поля на небольших расстояниях до заряженной плоскости показало значительные отличия результатов выполненного и традиционного расчетов.
Предложено устройство для измерения на постоянном напряжении основных электрических характеристик высокоомных диэлектрических материалов и изделий из них – электрической емкости и сопротивления. Принцип работы устройства основан на использовании переходных процессов в последовательно соединенных элементах, имеющих электрические емкость и сопротивление. В электрической схеме устройства используется МДП-транзистор с большим входным сопротивлением. Рассмотрены возможности прак-тического применения устройства для измерения поверхностного потенциала электретов, отбраковки потенциально ненадежных конденсаторов, диагностики коррозии металла под защитным диэлектрическим покрытием и др.
Представлен ряд экспериментальных методик обнаружения в аморфных слоях оксида тантала структурных дефектов, ускоряющих процессы разрушения в сильных электрических полях и являющихся потенциально опасными при длительном электротепловом нагружении конденсаторных структур. Показано, что аномальная частотная зависимость диэлектрических потерь и рост тока утечки с течением времени позволяют выявить потенциально ненадежные конденсаторы.
Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между телами, соединяемыми электроадгезионным способом, связаны с образованием электрических полей больших напряженностей на границе контакта. Неразрушающий способ контроля прочности получаемых соединений ионный диэлектрик – проводник основан на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании соединения и прочностью получаемого соединения. Теоретически обоснован новый технологический прием для неразрушающего контроля качественных соединений. Полученные результаты подтверждаются экспериментально.
В работе разработана физико-математическая модель, позволяющая оценить силовые и энергетические характеристики неоднородного электрического поля в электроадгезионных технологиях. Теоретически обоснован новый технологический прием для получения качественных электропроводящих покрытий на диэлектрических подложках с приложением электростатического поля. Полученные результаты подтверждаются экспериментально.
Рассмотрено программное обеспечение для реализации алгоритма определения параметров капсюля конденсаторной структуры с подвижными обкладками на основе использова- ния силового действия электростатического поля. Предлагаемая методика позволяет по одной операции снятия вольт-фарадной характеристики определять целый комплекс важнейших параметров капсюля – величину рабочего воздушного зазора, прогиб мембраны, электретный поверхностный потенциал и натяжение мембраны. Получены выражения, связывающие емкость капсюля с указанными параметрами. Разработано программное обеспечение для использования методики, позволяющее определять искомые параметры капсюля и оценить их погрешность. Рассмотренный в настоящей работе метод контроля является неразрушающим.
Появление больших тянущих полей в процессе получения электроадгезионного соединения становится возможным благодаря миграционной поляризации диэлектрика, развивающейся под действием приложенного к нему электрического напряжения. Это приводит к накоплению слоя отрицательного заряда малой толщины у анода. Поэтому приложенное напряжение распределяется не по всей толщине диэлектрика, а фактически оказывается приложенным к тонкому слою объемного заряда у анода. Возникающие при этом сильные электрические поля приводят к соединению контактирующих материалов. Разработана физико-математическая модель, позволяющая оценить силовые характеристики неоднородного электрического поля. Исследование влияния прерывистости заряда на напряженность электростатического поля на небольших расстояниях до заряженной плоскости показало значительные отличия результатов выполненного и традиционного расчета.
Физические процессы, приводящие к появлению больших сил притяжения между те- лами, соединяемыми электроадгезионным способом, связаны с образованием электриче- ских полей больших напряженностей на границе контакта. Неразрушающий способ кон- троля прочности получаемых соединений ионный диэлектрик – проводник основан на взаимосвязи между зависимостью тока от времени, протекающего при формировании со- единения и прочностью получаемого соединения. Теоретически обоснован новый техно- логический прием для получения качественных соединений. Полученные результаты под- тверждаются экспериментально.
Представлен ряд экспериментальных методик обнаружения в аморфных слоях оксида тантала структурных дефектов, ускоряющих процессы разрушения в сильных электрических полях и являющихся потенциально опасными при длительном электротепловом нагружении конденсаторных структур. Показано, что аномальная частотная зависимость диэлектрических потерь и рост тока утечки с течением времени позволяют выявить потенциально ненадежные конденсаторы.
В нетрадиционных для эмиссионной электроники условиях, когда поверхность контактирует с сильноионизованной плазмой, проведены исследования эмиссионных параметров и коэффициента отражения тепловых электронов от вольфрамовых термоэмиссионных катодов. Для измерения использовались зависимости электронного тока плазменного диода от напряженности поперечного магнитного поля. Измерены параметр Dj, характеризующий неоднородность катода по работе выхода, и коэффициент отражения r 0 для поликристаллического вольфрама и грани 110 монокристалла вольфрама. Проведено разделение вклада в эффективный коэффициент отражения электронов, отраженных непосредственно от поверхности и от потенциального барьера полей пятен.
Рассмотрена процедура определения параметров капсюля конденсаторной структуры. Методика позволяет по одной операции снятия вольт-фарадной характеристики определять целый комплекс важнейших параметров капсюля: величину рабочего воздушного зазора, прогиб мембраны, электретный поверхностный потенциал и натяжение мембраны. Получены выражения, связывающие емкость капсюля, с указанными параметрами. Зная аналитическое выражение для емкости капсюля в зависимости от указанных параметров, и измеряя его вольт-фарадную характеристику, можно, решая соответствующую систему уравнений, определить искомые параметры. Рассмотренная в настоящей работе процедура является неразрушающим методом контроля.
Предложено устройство для измерения на постоянном напряжении основных электрических характеристик высокоомных диэлектрических материалов и изделий из них: электрической емкости и сопротивления. Принцип работы устройства основан на использовании переходных процессов в последовательно соединенных элементах, имеющих электрические емкость и сопротивление. В электрической схеме устройства используется МДП-транзистор с большим входным сопротивлением. Рассмотрено также устройство на основе МДП-транзистора для измерения поверхностного потенциала диэлектриков. Использование этого устройства особенно эффективно при измерении поверхностного потенциала электретов. Обсуждены результаты исследования электретов на основе диоксида кремния.
Появление больших тянущих полей в процессе получения электроадгезионного соединения электропроводящей пленки с ионным диэлектриком становится возможным благодаря миграционной поляризации диэлектрика, развивающейся под действием приложенного к нему электрического напряжения. Это приводит к накоплению слоя отрицательного заряда малой толщины у анода. Поэтому приложенное напряжение распределяется не по всей толщине диэлектрика, а фактически оказывается приложенным к тонкому слою объемного заряда у анода. Возникающие при этом сильные электрические поля приводят к соединению контактирующих материалов. Показано, что использование данной технологии позволяет многократно увеличить адгезию проводящих пленок к диэлектрическим подложкам как в процессе их получения, так и после нанесения.
Рассмотрены некоторые конструкции емкостных сенсоров и активаторов, работа которых основана на использовании электрического поля. Показано, что эти конструкции относительно дешевы в изготовлении, но при этом обладают хорошими техническими характеристиками. Приведено теоретическое обоснование возможности использования электростатических сил для компенсации разности давлений в соответствующем измерительном устройстве. Рассмотрена методика определения параметров капсюля конденсаторной структуры. Методика позволяет по одной операции снятия вольт-фарадной характеристики определять целый комплекс важнейших параметров капсюля: рабочий воздушный зазор, прогиб мембраны, электретный поверхностный потенциал и натяжение мембраны. Зная аналитическое выражение для емкости капсюля в зависимости от указанных параметров и измеряя его вольт-фарадную характеристику, можно, решая соответствующую систему уравнений, определить искомые параметры. Рассмотренная процедура является неразрушающим методом контроля.
Основными электрическими характеристиками диэлектрических материалов и изделий из них являются их электрические емкость и сопротивление. Целью работы была разработка экспресс-методики и недорогого, мобильного устройства для измерения этих параметров высокоомных материалов на постоянном напряжении. Принцип работы устройства основан на использовании переходных процессов в последовательно соединенных элементах, имеющих электрические емкость и сопротивление. В электрической схеме устройства используется МДП-транзистор с большим входным сопротивлением. Устройство может быть использовано для оценки контролируемой, специально созданной пористости диэлектрических материалов; измерения влажности древесины, бетона и других пористых сыпучих материалов; выявления примесей в малых количествах в особо чистых веществах; выявления кристаллографической ориентации монокристаллов и др.
Проведен комплексный анализ основных существующих методов идентификации алмазов. Показано, что высокая теплопроводность не может однозначно свидетельствовать о подлинности алмаза в связи с появлением в последнее время имитаций на основе синтетического карбида кремния. Указано на перспективность и недостаточную полноту разработки электрических методов диагностики драгоценных камней. Предложена группа новых электрических методов идентификации алмазов. Разработаны схемы для измерения больших сопротивлений, диэлектрической проницаемости и поверхностного потенциала, которые могут быть использованы для идентификации алмаза. Изготовлен работоспособный макет, испытанный при исследовании новых и известных диэлектрических материалов. Показана возможность выявления данным способом различий в электрофизических свойствах внешне идентичных материалов.
Обсуждены методологические проблемы расчета электретных преобразователей. Показано, что капсюль электретного преобразователя является очень сложной для моделирования системой. Поэтому необходимо сделать ряд упрощающих допущений при моделировании. Например, считается, что мембрана имеет куполообразную форму. Поскольку амплитуда колебаний мембраны мала, рассматриваемый объект можно изучать в линейном приближении. Предложена методика расчета чувствительности электретного микрофона в зависимости от частоты колебаний, размеров преобразователя, натяжения и заряда электрета и т.д. Учитывается прогиб мембраны под действием электростатических сил. Показано, что использование предлагаемой методики позволяет получить сравнительно простые аналитические выражения. Использование данной методики позволяет разрабатывать способы неразрушающего контроля электретных микрофонов, оптимизировать их конструкции, использовать проектирование электретных преобразователей в учебном процессе и др.
