eng
Выпуск #8/2025
К. Волков
Устройство динамического контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при протекании в многослойных тонкопленочных структурах
Устройство динамического контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при протекании в многослойных тонкопленочных структурах
Просмотры: 547
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.250.8.62.66
Разработано устройство, позволяющее определять в динамическом режиме основные функциональные характеристики реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в многослойных тонкопленочных структурах. В статье представлена структурная схема и описывается конструкция устройства.
Ключевые слова: реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, функциональные характеристики, многослойные тонкопленочные структуры, динамический контроль
Разработано устройство, позволяющее определять в динамическом режиме основные функциональные характеристики реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в многослойных тонкопленочных структурах. В статье представлена структурная схема и описывается конструкция устройства.
Ключевые слова: реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, функциональные характеристики, многослойные тонкопленочные структуры, динамический контроль
Устройство динамического контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при протекании в многослойных тонкопленочных структурах
К. Волков
Обсуждается разработка устройства для контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при протекании в многослойных тонкопленочных структурах. Представлена структурная схема устройства, описаны основные электрические соединения, приведены диапазоны контролируемых изменений величин. Особое внимание уделено возможности динамического контроля функциональных характеристик в режиме реального времени за один эксперимент на одном образце. Приведены особенности разработанной печатной платы и корпуса устройства.
ВВЕДЕНИЕ
Реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) — это экзотермический лавинный процесс, при котором реакция горения протекает
за счет выделяющейся тепловой энергии. В тонкопленочных структурах реакция СВС представляет особый интерес благодаря возможности точного управления функциональными параметрами. Тонкопленочная структура представляет собой материал, состоящий из чередующихся слоев металлов двух или более веществ,
например, алюминия и никеля, титана и бора, алюминия и титана и других комбинаций. Получение фольги производят различными методами формирования тонких пленок, например, методом магнетронного распыления [1–3]. Общая толщина получаемой фольги, состоящей из множества чередующихся слоев, составляет от нескольких до сотен микрометров. Активация реакции СВС происходит путем локального разогрева области фольги внешним импульсом: тепловым, лазерным, электрическим, механическим.
Рассмотрим основные функциональные характеристики реакции и связанные с ними области применения:
1. Выделяемая энергия. Достигает 1 200 Дж/г, ограничена участком пленки. Применяется в технологиях соединений и пайки для локального плавления припоя, когда требуется избежать разогрева всей детали, например, для соединения микросхем
с подложкой.
2. Поверхностное сопротивление. До и после реакции проводимость остается металлической.
3. Скорость распространения фронта горения реакции. Достигает 8–10 м/с [4]. Высокая скорость фронта
обуславливает применение реакции для быстрого поджига горючих материалов, в том числе в бескислородной среде, а также в конструкции быстродействующих датчиков.
4. Минимальная энергия активации реакции. Зависит от способа активации и составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч мДж. В настоящей работе используется импульсный метод активации с подачей энергии от источника напряжения. При этом энергетический вклад выражается в форме плотности энергии, что позволяет конвертировать данные для сравнения с другими способами активации.
Получение фольги – сложный высокотехнологичный процесс, требующий отлаженной технологии магнетронного распыления и наличия данных по влиянию технологических параметров на функциональные характеристики реакции СВС. Для оптимизации технологического режима получения образцов методом магнетронного распыления и выходного контроля готового продукта – фольги, а также для более детального исследования протекания реакции СВС в тонкопленочных структурах
с целью расширения возможных областей их функционального применения требуется устройство для комплексного контроля основных функциональных характеристик.
К настоящему времени нет опубликованных сведений об устройстве, способном динамически, в режиме реального времени определять выделяемую энергию в процессе реакции, поверхностное сопротивление образца во время протекания реакции, минимальную энергию активации и скорость распространения фронта реакции,
а также их временные профили на одном образце за один анализ. Разработка такого устройства является целью
настоящего исследования. Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:
произвести выбор элементной базы для измерения функциональных характеристик с учетом баланса между требуемым качеством контроля и экономической целесообразностью;
разработать электрическую схему устройства для динамического измерения функциональных характеристик на основе подобранной элементной базы;
разработать печатную плату с учетом расположения аналоговых цепей; спроектировать корпус, обеспечивающий защиту от внешних воздействий.
Схемотехническая реализация: элементная база, основные электрические соединения
Контроль основных функциональных характеристик реакции СВС в многослойных тонких пленках предлагается осуществлять по ранее разработанному и апробированному методу (рис. 1).
Суть метода заключается в следующем.
1. Образец реакционной фольги 7 помещают между двумя медными пластинами 6. Контакты для подвода импульса активации реакции 1 касаются образца. Медные пластины 6 закрываются слоем термоизоляции 8. Датчики температуры 4 фиксируют начальную температуру системы.
2. Конденсатор 2 емкостью С0 заряжают до минимального напряжения U0 и производят его разряд в исследуемый образец 7 через контакты 1. С определенной час-
тотой измерений порядка нескольких десятков кГц
регистрируются ток разряда и падение напряжения на образце для определения плотности энергии и поверхностного сопротивления.
3. Оптические датчики 3 фиксируют наличие или отсутствие реакции. При отсутствии реакции напряжение на конденсаторе поднимают до U1 и эксперимент
повторяется до момента активации реакции СВС
и ее регистрации оптическими датчиками 3.
4. Фронт реакции СВС фиксируется оптическими датчиками 3, причем вначале левым, затем правым. При регистрации импульса левым датчиком запускается таймер, при регистрации импульса правым датчиком таймер останавливается. Получив время прохождения фронта реакции между двумя оптическими датчиками и зная расстояние между датчиками, можно определить скорость фронта реакции.
5. Тепло от реакции СВС передается медным пластинам, температура которых контролируется двумя платиновыми датчиками 4. Количество выделившейся энергии определяется по разности температур после наступления теплового равновесия и до начала реакции, с учетом энергетического эквивалента калориметра [5].
Контроль выделяемой энергии
Как уже было сказано выше, выделяемая энергия может достигать 1 200 Дж/г. Эмпирически установлены оптимальные габариты исследуемых образцов: длина образцов 30–50 мм, ширина: 20–25 мм. Данных габаритов достаточно для уверенной регистрации фронта горения реакции СВС и выделения достаточного количества тепла для нагрева медных пластин (рис. 1). Большие габариты избыточны ввиду экономической ценности образцов. Соответственно, медные пластины имеют габариты 50 × 25 × 2 мм и суммарный вес около 45 г (2 шт.). Образец многослойной фольги с размерами 30 × 20 мм в среднем имеет вес 0,1 г, образец с размерами 50 × 25 мм – 0,2 грамма соответственно. При допущении, что выделяемая энергия будет максимальна – 1 200 Дж/г, образцы с учетом веса выделят энергии 120 Дж и 240 Дж соответственно. Подставив значения масс медных пластин и выделяемых образцами энергий в формулу для количества теплоты, получим разности температур 6,93 °C
и 13,85 °C соответственно. С учетом того, что выделяемая энергия может оказаться несколько выше или ниже, необходимый измеряемый диапазон разницы температур составит 0–20 °C или 0–346 Дж.
Платиновые чувствительные элементы представляют собой оптимальное решение по точности и экономической эффективности для данных температурных измерений. Платиновый датчик PT1000, класс А имеет допуск ± 0,2 °C для диапазона измерений, близкого к комнатным температурам [5]. Учитывая, что температура не изменяется мгновенно, используется высокоточное АЦП 24 бита, с частотой измерений 10 Гц.
Контроль минимальной энергии активации реакции и поверхностного сопротивления образца
Активация реакции СВС осуществляется электрическим импульсом от источника напряжения – конденсатора. Определение двух вышеназванных функциональных параметров произведем через измерение тока в цепи и падение напряжения на измеряемом участке фольги. Источник энергии находится в режиме короткого замыкания ввиду металлической проводимости участка многослойной структуры, пиковый ток в цепи достигает 200–300 А. Приблизительная оценка значения поверхностного сопротивления образца составляет не менее 0,05 мОм. Соответственно, диапазон измерения тока выбираем 40–400 А, при меньших значениях падение напряжения на участке фольги будет менее 2 мВ, что более затруднительно для регистрации с высокой точностью. Измерение тока произведем на шунте 2,5 мОм, для тока 40–400 А падение напряжения на шунте составит 100–1 000 мВ. При данных значениях тока падение напряжения на образце составит около 2–20 мВ, сигнал необходимо усилить. Используем дифференциальный усилитель THS4521IDR с коэффициентом усиления 20.
Время прохождения импульса активации реакции составляет около 100 мкс при данных параметрах цепи [5].
Это обуславливает необходимость высокочастотных измерений характеристик реакции для отслеживания изменений поверхностного сопротивления и детектирования точного момента активации реакции СВС. Измерение с частотой 200 кГц на каждый канал (канал измерения тока и канал измерения напряжения) даст 20 точек для построения детальной временной зависимости. Для скоростной оцифровки подходят АЦП последовательного приближения.
Контроль скорости
распространения фронта реакции
Скорость распространения фронта реакции СВС в многослойных тонких пленках может достигать 8–10 м/с. Расстояние между двумя оптическими датчиками 3 (рис. 1) составляет 20 мм, что является оптимальным для проведения экспериментов на образцах фольги с длиной 30 мм. Следовательно, при максимальной скорости фронта 10 м/с время прохождения фронтом расстояния 20 мм составит 2 мс. Резистивные оптические датчики не обеспечат достаточной точности, используем фототранзисторы L-7113P3C, которые имеют время реакции 15 мкс [6].
Выходы датчиков подключаем к быстродействующему аналоговому компаратору LM2903DR для сравнения опорного сигнала с сигналом от фототранзисторов.
Разработка структурной
схемы устройства
На основе подобранной элементной базы и описанных электрических соединений была разработана структурная схема устройства, представленная на рис. 2.
Структурная схема устройства соответствует разработанной методике контроля основных функциональных характеристик реакции СВС в многослойных тонких пленках (рис. 1). Устройство работает следующим образом. Заданный импульс энергии активации воздействует на исследуемый образец, проходя через шунт. Блок измерения напряжения на шунте и блок измерения напряжения на исследуемом образце передают данные на АЦП, который оцифровывает значения с частотой 200 кГц. По значениям тока и напряжения определяются поверхностное сопротивление образца и энергия активации. Энергия активации пересчитывается в плотность энергии с учетом площади электродов, подводящих импульс напряжения. Для нахождения скорости фототранзисторы совместно с блоками сравнения регистрируют время прохождения фронта реакции. Выделяемая реакцией СВС энергия определяется на основе значений температуры, которые регистрируются платиновыми датчиками и обрабатываются высокоточным АЦП. Регистрация всех параметров осуществляется динамически в режиме реального времени. Данные для построения графика временных зависимостей функциональных характеристик реакции передаются на ПК через соответствующий блок связи.
Конструкторская реализация: разработка печатной платы и корпуса устройства
При разработке печатной платы были учтены следующие основные требования:
1. Разделение цифровой и аналоговой частей схемы. Для снижения помех аналоговая часть, состоящая из АЦП, усилителей, входной обвязки датчиков, источников опорного напряжения, дифференциальных трасс проводников, была отделена от импульсных преобразователей напряжения и цифровой части схемы. Дифференциальные проводники аналоговых сигналов выполнены максимально короткими трассами с минимальными отклонениями по разнице длины.
2. Центральное расположение фототранзисторов
и электродов для подвода и съема импульса. Объясняется необходимостью теплоизоляции калориметрической ячейки по периметру для снижения потерь выделяемой энергии.
С учетом требований была разработана двухсторонняя печатная плата с односторонним монтажом. Внешний вид печатной платы в сборе показан на рис.3 модели устройства, объект 5.
Основное требование к разработке корпуса устройства – это теплоизоляция калориметрической ячейки.
С учетом центрального расположения измерительной части на печатной плате боковая часть калориметрической ячейки по периметру содержит слой теплоизоляции, средней толщины 30 мм. При закрытии корпуса его части вставляются в пазы, служащие дополнительной защитой от потоков воздуха.
С учетом требований был разработан корпус устройства, внешний вид которого в открытом виде также показан на рис. 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработано устройство для контроля основных функциональных характеристик реакции СВС в тонкопленочных структурах, позволяющее определять выделяемую энергию в диапазоне 0–1 700 Дж/г в процессе реакции; поверхностное сопротивление образца в процессе реакции в диапазоне 0,05 мОм и выше; мгновенную мощность импульса активации реакции в диапазоне 80–8 000 мВт, с возможностью перевода общей мощности импульса в энергию (через время импульса), а также определения плотности энергии (по площади электродов); скорость фронта реакции в диапазоне 0–10 м/с. Регистрация всех ключевых параметров осуществляется динамически на одном образце за один анализ. В результате анализа можно построить графики временных зависимостей функциональных характеристик реакции. Разработанное устройство повышает качество выходного контроля продукта – многослойной фольги с реакцией СВС, позволяет исследовать основные функциональные характеристики в динамике в реальном времени в ходе реакции для коррекции и оптимизации технологического процесса получения образцов.
ЛИТЕРАТУРА
Белянин А. Ф., Налимов С. А., Борисов В. В., [и др.]. Влияние отжига на строение пленок ZnO, выращенных магнетронным распылением // Вакуумная наука и техника: Материалы XXV научно-технической конференции
с участием зарубежных специалистов, Крым, Судак,
16–22 сентября 2018 года / Под ред. С. Б. Нестерова.
М.: Новелла, 2018. С. 170–176.
Шашин Д. Е. Разработка математической модели формирования тонких пленок оксида цинка с заданными значениями комплексной диэлектрической проницаемости // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические
и инфокоммуникационные системы. 2018. № 4(40).
С. 74–81. DOI 10.15350/2306-2819.2018.4.74.
Shashin D. E., Sushentsov N. I. Obtaining thin metal
films and their compounds using magnetron sputtering
and arc evaporation in a single technological cycle //
Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2059. No. 1.
P. 012022. DOI: 10.1088/1742-6596/2059/1/012022.
Indium Corporation [Электронный ресурс].
URL: www.Indium.com. (дата обращения 04.05.2025).
Волков К. А. Комплексный метод контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при
протекании в многослойных тонкопленочных структу-
рах // Вестник Поволжского государственного технологи-
ческого университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2025. № 1 (65). С. 83–97. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2025.1.83;
EDN: ZRMHTA.
L-7113P3C (L-53P3C). Datasheet – production data
[Электронный ресурс]. URL: https://www.kingbright.com/attachments/file/psearch/000/00/00/L-7113P3C(Ver.18).pdf (дата обращения 08.05.2025).
К. Волков
Обсуждается разработка устройства для контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при протекании в многослойных тонкопленочных структурах. Представлена структурная схема устройства, описаны основные электрические соединения, приведены диапазоны контролируемых изменений величин. Особое внимание уделено возможности динамического контроля функциональных характеристик в режиме реального времени за один эксперимент на одном образце. Приведены особенности разработанной печатной платы и корпуса устройства.
ВВЕДЕНИЕ
Реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) — это экзотермический лавинный процесс, при котором реакция горения протекает
за счет выделяющейся тепловой энергии. В тонкопленочных структурах реакция СВС представляет особый интерес благодаря возможности точного управления функциональными параметрами. Тонкопленочная структура представляет собой материал, состоящий из чередующихся слоев металлов двух или более веществ,
например, алюминия и никеля, титана и бора, алюминия и титана и других комбинаций. Получение фольги производят различными методами формирования тонких пленок, например, методом магнетронного распыления [1–3]. Общая толщина получаемой фольги, состоящей из множества чередующихся слоев, составляет от нескольких до сотен микрометров. Активация реакции СВС происходит путем локального разогрева области фольги внешним импульсом: тепловым, лазерным, электрическим, механическим.
Рассмотрим основные функциональные характеристики реакции и связанные с ними области применения:
1. Выделяемая энергия. Достигает 1 200 Дж/г, ограничена участком пленки. Применяется в технологиях соединений и пайки для локального плавления припоя, когда требуется избежать разогрева всей детали, например, для соединения микросхем
с подложкой.
2. Поверхностное сопротивление. До и после реакции проводимость остается металлической.
3. Скорость распространения фронта горения реакции. Достигает 8–10 м/с [4]. Высокая скорость фронта
обуславливает применение реакции для быстрого поджига горючих материалов, в том числе в бескислородной среде, а также в конструкции быстродействующих датчиков.
4. Минимальная энергия активации реакции. Зависит от способа активации и составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч мДж. В настоящей работе используется импульсный метод активации с подачей энергии от источника напряжения. При этом энергетический вклад выражается в форме плотности энергии, что позволяет конвертировать данные для сравнения с другими способами активации.
Получение фольги – сложный высокотехнологичный процесс, требующий отлаженной технологии магнетронного распыления и наличия данных по влиянию технологических параметров на функциональные характеристики реакции СВС. Для оптимизации технологического режима получения образцов методом магнетронного распыления и выходного контроля готового продукта – фольги, а также для более детального исследования протекания реакции СВС в тонкопленочных структурах
с целью расширения возможных областей их функционального применения требуется устройство для комплексного контроля основных функциональных характеристик.
К настоящему времени нет опубликованных сведений об устройстве, способном динамически, в режиме реального времени определять выделяемую энергию в процессе реакции, поверхностное сопротивление образца во время протекания реакции, минимальную энергию активации и скорость распространения фронта реакции,
а также их временные профили на одном образце за один анализ. Разработка такого устройства является целью
настоящего исследования. Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:
произвести выбор элементной базы для измерения функциональных характеристик с учетом баланса между требуемым качеством контроля и экономической целесообразностью;
разработать электрическую схему устройства для динамического измерения функциональных характеристик на основе подобранной элементной базы;
разработать печатную плату с учетом расположения аналоговых цепей; спроектировать корпус, обеспечивающий защиту от внешних воздействий.
Схемотехническая реализация: элементная база, основные электрические соединения
Контроль основных функциональных характеристик реакции СВС в многослойных тонких пленках предлагается осуществлять по ранее разработанному и апробированному методу (рис. 1).
Суть метода заключается в следующем.
1. Образец реакционной фольги 7 помещают между двумя медными пластинами 6. Контакты для подвода импульса активации реакции 1 касаются образца. Медные пластины 6 закрываются слоем термоизоляции 8. Датчики температуры 4 фиксируют начальную температуру системы.
2. Конденсатор 2 емкостью С0 заряжают до минимального напряжения U0 и производят его разряд в исследуемый образец 7 через контакты 1. С определенной час-
тотой измерений порядка нескольких десятков кГц
регистрируются ток разряда и падение напряжения на образце для определения плотности энергии и поверхностного сопротивления.
3. Оптические датчики 3 фиксируют наличие или отсутствие реакции. При отсутствии реакции напряжение на конденсаторе поднимают до U1 и эксперимент
повторяется до момента активации реакции СВС
и ее регистрации оптическими датчиками 3.
4. Фронт реакции СВС фиксируется оптическими датчиками 3, причем вначале левым, затем правым. При регистрации импульса левым датчиком запускается таймер, при регистрации импульса правым датчиком таймер останавливается. Получив время прохождения фронта реакции между двумя оптическими датчиками и зная расстояние между датчиками, можно определить скорость фронта реакции.
5. Тепло от реакции СВС передается медным пластинам, температура которых контролируется двумя платиновыми датчиками 4. Количество выделившейся энергии определяется по разности температур после наступления теплового равновесия и до начала реакции, с учетом энергетического эквивалента калориметра [5].
Контроль выделяемой энергии
Как уже было сказано выше, выделяемая энергия может достигать 1 200 Дж/г. Эмпирически установлены оптимальные габариты исследуемых образцов: длина образцов 30–50 мм, ширина: 20–25 мм. Данных габаритов достаточно для уверенной регистрации фронта горения реакции СВС и выделения достаточного количества тепла для нагрева медных пластин (рис. 1). Большие габариты избыточны ввиду экономической ценности образцов. Соответственно, медные пластины имеют габариты 50 × 25 × 2 мм и суммарный вес около 45 г (2 шт.). Образец многослойной фольги с размерами 30 × 20 мм в среднем имеет вес 0,1 г, образец с размерами 50 × 25 мм – 0,2 грамма соответственно. При допущении, что выделяемая энергия будет максимальна – 1 200 Дж/г, образцы с учетом веса выделят энергии 120 Дж и 240 Дж соответственно. Подставив значения масс медных пластин и выделяемых образцами энергий в формулу для количества теплоты, получим разности температур 6,93 °C
и 13,85 °C соответственно. С учетом того, что выделяемая энергия может оказаться несколько выше или ниже, необходимый измеряемый диапазон разницы температур составит 0–20 °C или 0–346 Дж.
Платиновые чувствительные элементы представляют собой оптимальное решение по точности и экономической эффективности для данных температурных измерений. Платиновый датчик PT1000, класс А имеет допуск ± 0,2 °C для диапазона измерений, близкого к комнатным температурам [5]. Учитывая, что температура не изменяется мгновенно, используется высокоточное АЦП 24 бита, с частотой измерений 10 Гц.
Контроль минимальной энергии активации реакции и поверхностного сопротивления образца
Активация реакции СВС осуществляется электрическим импульсом от источника напряжения – конденсатора. Определение двух вышеназванных функциональных параметров произведем через измерение тока в цепи и падение напряжения на измеряемом участке фольги. Источник энергии находится в режиме короткого замыкания ввиду металлической проводимости участка многослойной структуры, пиковый ток в цепи достигает 200–300 А. Приблизительная оценка значения поверхностного сопротивления образца составляет не менее 0,05 мОм. Соответственно, диапазон измерения тока выбираем 40–400 А, при меньших значениях падение напряжения на участке фольги будет менее 2 мВ, что более затруднительно для регистрации с высокой точностью. Измерение тока произведем на шунте 2,5 мОм, для тока 40–400 А падение напряжения на шунте составит 100–1 000 мВ. При данных значениях тока падение напряжения на образце составит около 2–20 мВ, сигнал необходимо усилить. Используем дифференциальный усилитель THS4521IDR с коэффициентом усиления 20.
Время прохождения импульса активации реакции составляет около 100 мкс при данных параметрах цепи [5].
Это обуславливает необходимость высокочастотных измерений характеристик реакции для отслеживания изменений поверхностного сопротивления и детектирования точного момента активации реакции СВС. Измерение с частотой 200 кГц на каждый канал (канал измерения тока и канал измерения напряжения) даст 20 точек для построения детальной временной зависимости. Для скоростной оцифровки подходят АЦП последовательного приближения.
Контроль скорости
распространения фронта реакции
Скорость распространения фронта реакции СВС в многослойных тонких пленках может достигать 8–10 м/с. Расстояние между двумя оптическими датчиками 3 (рис. 1) составляет 20 мм, что является оптимальным для проведения экспериментов на образцах фольги с длиной 30 мм. Следовательно, при максимальной скорости фронта 10 м/с время прохождения фронтом расстояния 20 мм составит 2 мс. Резистивные оптические датчики не обеспечат достаточной точности, используем фототранзисторы L-7113P3C, которые имеют время реакции 15 мкс [6].
Выходы датчиков подключаем к быстродействующему аналоговому компаратору LM2903DR для сравнения опорного сигнала с сигналом от фототранзисторов.
Разработка структурной
схемы устройства
На основе подобранной элементной базы и описанных электрических соединений была разработана структурная схема устройства, представленная на рис. 2.
Структурная схема устройства соответствует разработанной методике контроля основных функциональных характеристик реакции СВС в многослойных тонких пленках (рис. 1). Устройство работает следующим образом. Заданный импульс энергии активации воздействует на исследуемый образец, проходя через шунт. Блок измерения напряжения на шунте и блок измерения напряжения на исследуемом образце передают данные на АЦП, который оцифровывает значения с частотой 200 кГц. По значениям тока и напряжения определяются поверхностное сопротивление образца и энергия активации. Энергия активации пересчитывается в плотность энергии с учетом площади электродов, подводящих импульс напряжения. Для нахождения скорости фототранзисторы совместно с блоками сравнения регистрируют время прохождения фронта реакции. Выделяемая реакцией СВС энергия определяется на основе значений температуры, которые регистрируются платиновыми датчиками и обрабатываются высокоточным АЦП. Регистрация всех параметров осуществляется динамически в режиме реального времени. Данные для построения графика временных зависимостей функциональных характеристик реакции передаются на ПК через соответствующий блок связи.
Конструкторская реализация: разработка печатной платы и корпуса устройства
При разработке печатной платы были учтены следующие основные требования:
1. Разделение цифровой и аналоговой частей схемы. Для снижения помех аналоговая часть, состоящая из АЦП, усилителей, входной обвязки датчиков, источников опорного напряжения, дифференциальных трасс проводников, была отделена от импульсных преобразователей напряжения и цифровой части схемы. Дифференциальные проводники аналоговых сигналов выполнены максимально короткими трассами с минимальными отклонениями по разнице длины.
2. Центральное расположение фототранзисторов
и электродов для подвода и съема импульса. Объясняется необходимостью теплоизоляции калориметрической ячейки по периметру для снижения потерь выделяемой энергии.
С учетом требований была разработана двухсторонняя печатная плата с односторонним монтажом. Внешний вид печатной платы в сборе показан на рис.3 модели устройства, объект 5.
Основное требование к разработке корпуса устройства – это теплоизоляция калориметрической ячейки.
С учетом центрального расположения измерительной части на печатной плате боковая часть калориметрической ячейки по периметру содержит слой теплоизоляции, средней толщины 30 мм. При закрытии корпуса его части вставляются в пазы, служащие дополнительной защитой от потоков воздуха.
С учетом требований был разработан корпус устройства, внешний вид которого в открытом виде также показан на рис. 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработано устройство для контроля основных функциональных характеристик реакции СВС в тонкопленочных структурах, позволяющее определять выделяемую энергию в диапазоне 0–1 700 Дж/г в процессе реакции; поверхностное сопротивление образца в процессе реакции в диапазоне 0,05 мОм и выше; мгновенную мощность импульса активации реакции в диапазоне 80–8 000 мВт, с возможностью перевода общей мощности импульса в энергию (через время импульса), а также определения плотности энергии (по площади электродов); скорость фронта реакции в диапазоне 0–10 м/с. Регистрация всех ключевых параметров осуществляется динамически на одном образце за один анализ. В результате анализа можно построить графики временных зависимостей функциональных характеристик реакции. Разработанное устройство повышает качество выходного контроля продукта – многослойной фольги с реакцией СВС, позволяет исследовать основные функциональные характеристики в динамике в реальном времени в ходе реакции для коррекции и оптимизации технологического процесса получения образцов.
ЛИТЕРАТУРА
Белянин А. Ф., Налимов С. А., Борисов В. В., [и др.]. Влияние отжига на строение пленок ZnO, выращенных магнетронным распылением // Вакуумная наука и техника: Материалы XXV научно-технической конференции
с участием зарубежных специалистов, Крым, Судак,
16–22 сентября 2018 года / Под ред. С. Б. Нестерова.
М.: Новелла, 2018. С. 170–176.
Шашин Д. Е. Разработка математической модели формирования тонких пленок оксида цинка с заданными значениями комплексной диэлектрической проницаемости // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические
и инфокоммуникационные системы. 2018. № 4(40).
С. 74–81. DOI 10.15350/2306-2819.2018.4.74.
Shashin D. E., Sushentsov N. I. Obtaining thin metal
films and their compounds using magnetron sputtering
and arc evaporation in a single technological cycle //
Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2059. No. 1.
P. 012022. DOI: 10.1088/1742-6596/2059/1/012022.
Indium Corporation [Электронный ресурс].
URL: www.Indium.com. (дата обращения 04.05.2025).
Волков К. А. Комплексный метод контроля основных функциональных характеристик реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при
протекании в многослойных тонкопленочных структу-
рах // Вестник Поволжского государственного технологи-
ческого университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2025. № 1 (65). С. 83–97. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2819.2025.1.83;
EDN: ZRMHTA.
L-7113P3C (L-53P3C). Datasheet – production data
[Электронный ресурс]. URL: https://www.kingbright.com/attachments/file/psearch/000/00/00/L-7113P3C(Ver.18).pdf (дата обращения 08.05.2025).
Отзывы читателей
