Основні положення задачі курсу

Питання:

Які особливості конструкції гібридних  ВІС?

В чому полягає надійність мікросхем?

Література:

Сенько  В.І.,  Панасенко  М.В.,  Сенько  Є.В. Електроніка  і  мікросхемотехніка. - Т.1.  Елементна база електронних пристроїв. - Київ: Обереги, 2000. -300 с.

Лекція №13

Плівкові  резистори і конденсатори

План

 Плівкові резистори

  Плівкові конденсатори 

 Плівкові резистори 

 При виготовленні плівкових  резисторів на підкладку  наносять резистивні  плівки.  В залежності  від опору резистора,  плівка  робиться  або зі  сплаву  високого  опору (наприклад,  ніхрому),  або із  суміші  металу  з керамікою (кермету). На  кінцях резистивної плівки роблять виводи у вигляді металевих плівок,  що  разом  з  тим  є  лініями,  що  з'єднують  резистор  з  іншими  елементами.  Опір  плівкового  резистора  залежить  від  товщини  і  ширини  плівки,  її  довжини  та  матеріалу.  Для  збільшення  опору  використовують плівкові резистори зиґзаґоподібної форми.  На рисунку 2 показана структура плівкових резисторів. 

      Рисунок 2 - Плівковий резистор: 1 - резистивна    плівка; 2 - вивід; 3 - підкладка

  Питомий  опір  плівкових   резисторів  виражають  в   особливих одиницях - омах на квадрат (Ом/2), тому що опір  даної плівки  у формі квадрата  не  залежить  від розмірів  цього квадрата.  Дійсно,  якщо  зробити сторону квадрата,  наприклад,  у два рази  більшою,  то довжина шляху струму  збільшиться вдвічі,  але й площа поперечного  перерізу  плівки  для  струму  також  збільшиться  вдвічі;  отже,  опір  залишиться без зміни.   Найважливішим параметром для плівкових резисторів  є  термічний  коефіцієнт  опору  β . Як  правило,  його  визначають  для  стабільних  плівок,  які  пройшли  термообробку. Установлено, що коефіцієнт  β залежить  від  товщини  плівки,  причому  із  зменшенням  товщини  β  зменшується,  а  при  збільшенні  наближається  до  значення,  яке  характерне  для  масивного  металу.  Для  окремих  типів  металевих плівок β < 0 і може бути різним в залежності від  технології  одержання  плівок.  Важливим  завданням  при  розробленні  резисторів  ІМС  є  одержання  найменшого  значення  β  в  діапазоні  робочих  температур.  Як  показують результати  досліджень,  існує  область  товщин  плівок,  для  якої є характерним малий термічний коефіцієнт опору, який  наближається  до  нульового  значення.  Ця  область  товщин  називається  перехідною.  Для  конкретного  матеріалу  вона  визначається  умовами  одержання  плівки та  може  переміщуватися в залежності від цих умов.   Розглянемо  характеристики  плівкових резисторів  та  матеріали,  які застосовують  для їх  виготовлення (таблиця 1).

   

Товстоплівкові  резистори  мають  такі  параметри:  питомий  опір 5Ом/2 -1 МОм/2,  номінали (0,5 - 5.10 8 ) Ом,  точність без підгонки ±15%, точність з підгонкою ±0,2%, β ∼ 2 . 10 -4   К -1 .  Їх  стабільність  гірша,  ніж у тонкоплівкових  резисторів.   

На  сучасному  етапі  розвитку  електроніки  для  створення  терморезисторів  широко  застосовуються  дво- та  багатошарові  плівкові  матеріали  у  зв’язку  з  їх  високою  функціональністю.  Понад 30 світових  фірм  займаються  виготовленням  терморезисторів: «Bell and Howell», «Micro  Gauge Inc.», «Micro Measurements» (США); «Gauge  Technique», «Welwyn Electric» (Великобританія); «Philips»  (Голландія) та ін. 

Матеріали  для  виробництва  терморезисторів  повинні  давати  можливість  регулювання  провідності  в  широких  межах,  мати  малий  коефіцієнт  β∼10 -5 - 10 -6   К -1   та стабільні характеристики у робочому діапазоні температур.   Розроблені  різноманітні  методики  одержання малого  значення  β ( в основному вони  базуються на  методі  термічної обробки багатошарових,  шаруватих та  багатокомпонентних  матеріалів)  і  стабільних  робочих  характеристик  плівкових  елементів  терморезисторів.  Накопичений  значний  теоретичний  і  експериментальний  матеріал з досліджень електрофізичних та термодинамічних  властивостей , мікроструктури  та  фазового  складу,  дифузійних  процесів  в  багатошарових  та  багатокомпонентних  плівкових  матеріалах  мікроелектроніки.      

   Плівкові конденсатори 

   Плівкові  конденсатори  виготовляють  з  двома  обкладинками,  одна  з  яких  формується  на  підкладці  у  вигляді  з‘єднувальної  лінії,  потім  на  неї  наноситься  діелектрична плівка, а зверху - друга обкладинка, яка також  переходить в з’єднувальну лінію (рис. 4.3). В залежності від  товщини діелектрика плівкові конденсатори бувають тонко-  та товстоплівковими.    Діелектрик  плівкового  конденсатора  повинен  відповідати  таким  вимогам:  бути  ізолюючим  матеріалом,  здатним утворювати непористі плівки; мати високу адгезію  до матеріалу підкладки; бути стійким до змін температури;  мати пробивну напругу 100 - 200 В;  

                 Рисунок 3 - Плівковий конденсатор    температуру випаровування 1000 - 1200  о С;  бути  сумісним з матеріалом обкладинок.   Для виготовлення  плівкових конденсаторів використовують  такі  сполуки: SiO, SiO 2, GeO, ZnS, MgF 2,  BaTiO 3, CrTiO 3, Al 2O 3, TaO (таблиця 2). Матеріалом  для обкладинок  найчастіше  є Al, тому  що  він має низький електричний опір та температуру випаровування.    У конденсаторах ІМС використовують  плівки  досить  великої товщини. Так, товщина анодованих плівок складає d  >100А,  а  товщина  оксидних d > 500А.  Необхідність  використання  більш  товстих  діелектричних  плівок  обумовлена  тим,  що  одержання  суцільних  плівок  малої  товщини  з  постійними  параметрами  є  досить  складним.  Оцінку  діелектричних властивостей  плівок  проводять за  результатами одночасного вимірювання  

 Таблиця 2 - Характеристики плівкових конденсаторів   ємності та  тангенса  кута нахилу діелектричних втрат на  визначеній  частоті. 

Коефіцієнт  втрат  δ  складається  з  діелектричних  втрат  відносно  різних  механізмів ( вектор  поляризації  діелектрика  не  встигає  переміщуватися  за  перемінним електричним полем) та втрат, які виникають за  рахунок послідовного з’єднання електродів з діелектриком і  характеризуються  частотною  залежністю.  Отже,  для  зменшення  коефіцієнта  δ  необхідно  виконувати  електроди  на  досить  високих  частотах  і  з  металів  з  малим  питомим  опором.  Діелектричні  втрати  також  сильно  залежать  від  умов  осадження  плівок.  Дослідження  коефіцієнта  δ,  проведене  в  широкому  діапазоні  частот  для  різних  діелектричних  плівок,  дозволяє  виявити  такі  загальні закономірності:  діелектричні  втрати  зменшуються  через  старіння плівок; на частотах, нижчих 100 кГц, коефіцієнт δ  зменшується  із  збільшенням  частоти  і  збільшується  при  адсорбуванні плівками вологи. 

Питання:

Поняття плівкового резистора?

Яка характеристика плівкового резистора?

Поняття плівкового конденсатора? 

Яка характеристика плівкового конденсатора?

Література:

Проценко  І.Ю.  Технологія  та  фізика  тонких металевих плівок. - Суми: СумДУ,200.-148с.

Лекція №14

Класифікація і характеристики приладів для відображення інформації

Аналогові прилади видачі інформації

План

Прилади для відображення інформації

Аналогові прилади видачі інформації 

У вимірювальному пристрої прилади можуть бути використані або для безпосереднього відображення вимірювальної інформації, або як пристрої, що відображують аналогові значення перетворених цифро-аналоговим перетворенням дискретних значень вимірюваних величин. Реєстровані прилади, звані самописцями, встановлюють в тих випадках, коли необхідно фіксувати зміну вимірюваних величин в часі. Діаграмні записи наочні; при правильному виборі діапазону вимірам швидкості переміщення паперу вони фіксують істотні зміни вимірюваних величин і є надійним документом, що відбиває хід виробничих процесів. В основному застосовують точкові реєстратори і прилади з безперервним записом, При підвищених вимогах до точності використовують компенсаційні реєстратори або пристрої запису в координатах X - Y(координатні реєстратори).

Показуючі прилади     

В першу чергу до цієї групи приладів відносяться прилади  з магнітоелектричною системою, в  яких жорстко пов'язана із стрілкою поворотна рамка обертається в однорідному полі по-стоянного магніта. Що виникає при протіканні струму по рамці момент, що крутить, відхиляє її до тих пір, поки зусилля, що розвивається поворотною пружиною, не урівноважить його. Шкала при-бора строго лінійна. Напрям відхилення стрілки залежить тільки від напряму струму, так що нульова відмітка може знаходитися усередині шкали. Мінімально досяжні диапа-зоны виміру прецизійних приладів складають приблизно 0,3 мкА (чи 0,3 мВ), а для щитових приладів 1 мкА (чи 10 мВ). Споживана потужність в найкраще випадку не превы-шает ~1 мкВт.      У електромагнітних приладах залізний сердечник, що обертається, жорстко пов'язаний із стрілкою, і нерухомий сердечник намагнічуються полем котушки, що охоплює їх. Під дей-ствием сил взаємного відштовхування виникає мо-мент, що обертає, урівноважується зусиллям поворотної пружини. Под-бирая форму сердечників і обмотки, можна забезпечити приблизно лінійне градуювання шкали, хоча залежність між струмом в котушці і виштовхуючим зусиллям, що розвивається, - квадратич-ная. Прилади електромагнітної системи вимірюють ефективне значення струму і тому застосовні для вимірів як постоян-ного, так і змінного струмів. Мінімально досяжні диапа-зоны вимірів складають 1 мА (чи 1,5 В). Споживана мощ-ность ~0,1 В*А.      У приладах з поворотним магнітом плоский магніт, жорстко сполучений з покажчиком, встановлюється у напрямі ре-зультирующей полів, що створюються нерухомою, обтічною то-ком котушкою і встановлюючим магнітом. Шкала приблизи-тельно лінійна. Оскільки рухливий елемент не пов'язаний із струмопровідними дротами і не несе на собі поворотних пружин, він досить легкий і вібростійкий. Мінімально досяжні діапазони вимірів складають ~400 мкА (чи 4 В).

Точкові реєстратори    

 У точкових реєстраторах вільно підвішена стрілка (задаюча душка) періодично притискається до фарбувальної стрічки, встановленої над діаграмним папером. Кромка, що пише, утворює хорду кола, описуваною стрілкою вимірника, що забезпечує достатню лінійність шкали. Послідовність точок, утворює лінію, що характеризує значення зміни вимірюваної величини. Метод реєстрації дозволяє використовувати високочутливі механізми, з малою споживаною потужністю, що розвивають малий момент, що крутить. При реєстрації величин, що повільно змінюються, реєстратор може бути використаний для багатоточкової реєстрації. Одночасно з перемиканням контрольованих точок зміщується фарбувальна стрічка, внаслідок чого окремі криві записуються різними кольорами. Споживана потужність ~10 -7 Вт.

Вимірники і реєстратори з безперервним записом

    У реєстраторах  цього типу стрільця вимірювального  пристрою жорстко сполучена з  реєструючим механізмом. Стрілка  таких приладів повинна мати  більшу жорсткість, чим в точкових  реєстраторах, а вимірювальний пристрій  повинен розвивати великий момент, що крутить, оскільки необхідно здолати тертя між пером і папером. Прямолінійний запис досягається за допомогою еліптичного такою, що випрямляє механізму. У приладах з безперервним записом стрільця забезпечується пером з капіляром; чорнило подається по тонкій трубці (шлангу) із спеціального балончика. Такий пристрій дозволяє запа-сать лінію завдовжки до 4500 м (споживана потужність 10 -3 Вт, за наявності підсилювача 10 -7 -10 -9 Вт). Необхідну швидкість пере-мещения паперової стрічки при відомих коливаннях вимірюваної величини можна визначити по приведених нижче даним:      Середній час між змінами вимірюваної величини, з ..... 90 30 15 6 3 1,5 0,5      Швидкість переміщення паперу, мм/ч 20 60 120 300 630 1200 3600      При виборі реєстратора його чутливість не завжди є обмежуючим чинником, оскільки існують реєстратори зі вбудованими вимірювальними підсилювачами.

Компенсаційні реєструючі прилади    

 Часто точність  реєструючих приладів прямого  преобразо-вания виявляється недостатньою. У цих випадках застосовують автоматичні реєстратори компенсаційного типу. Такі самописні прилади випускаються з точковим записом на 6 або 12 точок виміру і з лінійним записом на 1-6 точок виміру.      Вхідна напруга U x зіставляється з вихідною напругою моста Уитстона U r . При нерівності цієї напруги виникає різниця напруги D U, яка приводить в рух двигун, що переміщає движок компенсуючого потенціометра P до моменту изчезновения D U . Одночасно з движком переміщається каретка з пером, реєструючим вимірювану величину. Мінімальний діапазон виміру 1 мВ, досяжна точність ± 0,25%. Подібні пристрої дозволяють представити вимірювані величини у вигляді функції часу. При необхідності представлення залежності між значеннями двох вимірюваних величин застосовують двокоординатні реєстратори компенсаторного типу. Діапазони виміру 0,1; 0,3; 1; 3; 10 мВ; точність ± 0,25%.  

Прилади видачі цифрової інформації     

У цифровій техніці теж  застосовують показуючі і реєструючі способи представлення інформації, а також цифро-аналогові перетворювачі, позволяю-щие представляти цифрові величини і аналоговій формі. Цифрові прилади      У багатьох випадках можна обмежитися видали вимірювальній інформації у ви-де візуально прочитуваних свідчень, що висвічуються на різного типу цифрових табло, На відміну від аналогової форми цифрове представлення измери-тельной інформації вигідне тим, що воно обмежує суб'єктивні помилки прочитувань. Механічні прилади цифрової індикації  

   Існуючі механічні  прилади візуальної цифрової  індикації забезпечують видачу даних цифрами заввишки до одного метра. У загальному випадку свідчення приладів легко прочитуються і зберігаються при відключенні приладу. Внаслідок їх механічної інерційності ці прилади застосовні тільки при вимірах величин, що повільно змінюються, і споживають велику потужність. Найбільш поширеними типами приладів є прилади з цифровою стрічкою і з цифровим роликом. Цифри кожної декади нанесені на нескінченну рухому стрічку. Окремим цифрам виміряного значення, які мають бути представлені в десятковому коді відповідають контакти ступінчастого перемикача цифрового показуючого при-бора. При відповідності між положенням перемикача і имею-щІМСя кодовим значенням контакт реле відключає двигун.      У приладах з цифровим роликом останній укріплений на поворотному магніті трьохкотушкового логометра і встановлюється в положення, відповідне вимірюваному значенню, при по-мощи трьох обмоток, що сполучаються зіркою, перемиканих кодовим перетворювачем. Оптичні цифрові показуючі прилади      У оптичних цифрових показуючих приладах представлення цифр здійснюється за допомогою діапозитивів (проекційні цифрові показуючі прилади) або у вигляді цифр, що виділяються заливаючим світлом. Обидва методи мають украй малий час встановлення свідчень в порівнянні з механічними індикаторами. Проте вони не забезпечують запам'ятовування. Максимальна висота цифр близько 10 см      У проекційних цифрових покажчиках нанесені на діапозитив цифри від 0 до 9 проектуються кожна своєю лампочкою і системою лінз на матове скло. Інший спосіб передбачає використання заливаючого світла. При цьому цифри гравіюються ан передній пластині з оргскла і освітлюються лампою поміщеною у її торця. Кожній цифрі відповідає власна пластинка; пластинки встановлені один за одним і є світлопроводами; світло випромінюється тільки в місцях гравіювання цифр, які при цьому стають видимими.

 Електронні цифрові прилади

    Електронні  цифрові прилади застосовують  найчастіше. Використовуються, зокрема,  газорозрядні покажчики - газо-наполненные  лампи з холодним катодом, покажчики зі свето-1иодами ( LED ) і покажчики з рідкими кристалами [ LCD, li - quid - crystal display ].      У газонаповнених лампах з холодними катодами проти сітчастого анода для кожної цифри встановлений відповідній конфігурації катод з тонкого дроту.      Анод і десять катодів (від 0 до 9) розміщені в просторі один за одним. Зважаючи на високу робочу напругу при управ-лении напівпровідниковими елементами необхідно приділяти особливу увагу вибору розмірів. У цифрових приладах зі світлодіодами (з арсеніду галію) цифри утворюються з точкових або штрихових сегментів. Світлове випромінювання збуджується в результаті напівпровідникового эф-фекта: під дією електричної енергії, що підводиться, носії зарядів переміщаються на вищий енергетичний рівень. Після короткої витримки вони знову повертаються на нижчий енергетичний рівень, Цей процес супроводжується рекомбінацією електронів і дірок, при якій частина енергії віддається у вигляді випромінювання (фотонів).      Введення відповідних домішок в матеріал напівпровідників забезпечує випромінювання у видимій області спектру. Можуть поставлятися матеріали з випромінюванням наступних кольорів : помаранчевим (240 мЛб*/'Вт), жовтим (3б0 мЛб/Вт) і зеленим (150 мЛб/В ).      Індикатори на рідких кристалах застосовуються в багатьох областях. Ці з'єднання є з'єднаннями з вуглецем і киснем, які нижче певної температури є кристалами, а вище за цю температуру перетворюються на рідину.      Переваги застосування цих елементів полягає в тому, що не потрібно застосовувати енергію для виклику світлової емісії, а досить енергії світла, що самого падає. Споживана потужність дуже мала всього 4* 10 -6 Вт/см 2 .У індикаторів з штриховими сегментами найбільша висота цифр складає близько 18 мм. У елементів у вигляді матриці розміром 6х7 точок висота може складати приблизно 13 см Робоча температура від - 25 до 85 С. Дискретно - аналогові перетворювачі.