k(b) 0,25 0,23 0,21 0,19 0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 0,07 0,05 0
4 0,56 0,72 0,88 1,04 1,2 1,36 1,52 1,68 1,84 2 b
Рис. 4. Зависимость коэффициента жесткости пружины k от ее ширины b
Задаваясь различными значениями ^ определяем, не превышает ли максимальное перемещение г ограничения (4). Затем строим зависимость жесткости k от ширины пружины Ь по известной
формуле k =
bh 3 Е 4 Iе '
где E — модуль упругости 1-го
рода материала пружины. Пример зависимости приведен на рис. 4. По значению k, полученному в процессе моделирования перемещения центра
линзы, находим по графику значение ширины пружины b.
Аналогично по зависимостям k(l) и k(h) находится длина пружины l и высота пружины h при заданных значениях остальных параметров.
Таким образом, предложенная методика расчета конструктивных параметров ВОПП впервые позволила определить геометрические размеры плоской пружины в зависимости от размеров и материала используемой сферической линзы и заданных ограничений по измеряемому ускорению.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бадеева Е. А., Гориш А. В., Котов А. Н. и др. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. — М.: МГУЛ, 2004. — 246 с.
2. Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем. Уч. пособие. — Пенза: ПГУ, 1999. — 133 с.
Работа выполнена в Пензенском государственном университете.
Вадим Сергеевич Волков — канд. техн. наук, ст. преподаватель; Вячеслав Дмитриевич Зуев — аспирант; ® (8412) 36-84-59 E-mail: slava-zuev@mail.ru
Николай Петрович Кривулин — канд. техн. наук, доцент; E-mail: krivulin@bk.ru
Татьяна Ивановна Мурашкина — д-р техн. наук, профессор; ® 8(412) 36-80-89
E-mail: mazer@diamond.pnzgu.ru □
УДК 621.797
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК SNO2(SB)1
Д. Ю. Куликов, С. И. Рембеза, В. А. Буслов, В. В. Асессоров, С. Ю. Жиронкин
Тонкие пленки SnO2 ^Ь—0,8 ат. %) для датчиков газов были синтезированы реактивным магнетронным распылением металлической оловянной мишени в газовой смеси А + О2 с использованием промышленной установки О1НИ-7-006. В статье исследовано влияние концентрации кислорода в газовой смеси при распылении и толщины пленок SnO2(Sb) на их электрические и газочувствительные свойства.
С развитием автоматизации многих сфер деятельности человека и повышением требований безопасности значительно возрос спрос на дешевые и надежные датчики газовых сред. Широкое применение находят резистивные газовые датчи-
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ 06-02-96500.
ки с сенсорным слоем из диоксида олова [1]. Значительное улучшение газочувствительных свойств таких датчиков достигается применением тонкопленочных сенсорных слоев с размером зерна порядка нескольких десятков нанометров, сравнимым с областью пространственного заряда в кристаллах. Это обусловлено тем, что процессы, определяющие изменение электрофизических
24 _ Sensors & Systems • № 6.2008
свойств оксидов при изменении состава окружающей среды, происходят на поверхности, а тонкопленочные слои имеют выгодное отношение поверхности к объему. Однако, несмотря на многолетнюю историю исследований, задача серийного выпуска таких датчиков газов не решена.
Наиболее перспективным способом изготовления тонких пленок диоксида олова является метод магнетронного реактивного распыления на постоянном токе, который заключается в распылении мишени из металлического олова в атмосфере смеси газов: рабочего (аргона) и реактивного (кислорода) [2]. Электрические свойства тонких пленок оксида олова, полученных реактивным распылением, не стабильны. Причиной нестабильности можно считать дефицит атомов кислорода по отношению к стехиометричному составу SnO2 и не вполне сформированную кристаллическую структуру пленки, что обусловлено отличием условий ее получения от равновесных [3]. Для улучшения стабильности электрических свойств пленок в процессе эксплуатации датчиков газов применяют термический отжиг. В результате отжига происходит более полное окисление олова и формирование равновесной поликристаллической структуры, обеспечивающей в условиях эксплуатации требуемый уровень электрических характеристик и их стабильность. Поэтому технологический процесс получения тонких пленок диоксида олова для газовых датчиков состоит из вакуумного нанесения оксида олова методом реактивного магнетронного распыления и стабилизационного термического отжига.
Высокотемпературные условия работы и воздействие агрессивных газовых сред негативно сказываются на стабильности высокоомных тонкопленочных сенсорных слоев и газовых датчиков в целом. Поэтому с целью увеличения стабильности сенсорных слоев за счет частичного снижения сопротивления мы использовали легирование пленок SnO2 сурьмой ^Ь).
При проектировании газовых датчиков и производстве приборов на их основе необходимо определить электрические и газочувствительные свойства слоя SnO2, которые зависят от режимов нанесения слоев и стабилизирующего отжига. Целью работы являлось исследование влияния состава газовой смеси при реактивном распылении оловянной мишени и толщины пленок SnO2(Sb) на их электрические и газочувствительные свойства с использованием промышленной установки О1НИ-7-006 ("Оратория 5") и оптимизация технологического процесса получения сенсорных слоев для датчиков газов.
Пленки SnO2 с содержанием Sb в количестве 0,8 ат. % осаждались методом реактивного магне-тронного распыления на постоянном токе сплавной мишени из Sn—Sb. Температура подложек
перед осаждением составляла 140 °C. Смесь газов подавалась специально разработанным двухка-нальным смесительным газовым блоком на базе регуляторов расхода газов РРГ-9 с электронным запорным клапаном. Расход смеси газов при распылении поддерживался постоянным и составлял 6,4 см3/мин.
Качественный и количественный анализ тонких пленок проводился на сканирующем электронном микроскопе JSM-6380 LV с системой рентгеновского энергодисперсионного анализа "Oxford" INCA X-sight. В качестве образцов сравнения использовался стандартный набор эталонов, сертифицированный фирмой Micro-Analysis Consultants Limited. С целью исключения влияния подложки контролируемые пленки оксида олова имели толщину 1,2...1,4 мкм. Толщина пленок измерялась на микроинтерферометре МИИ-4. Электрическое сопротивление пленок измерялось че-тырехзондовым методом на установке ИУС-3.
Температура отжига порядка 500 °C является максимальной для датчиков в режиме десорбции и дегазации слоя SnO2 и обеспечивает формирование мелкозернистой структуры слоя с размером зерна 20...100 нм, что важно для получения высокой газовой чувствительности [4]. Поэтому именно эта температура была выбрана для стабилизационного термического отжига на воздухе.
За адсорбционный отклик тонких пленок принималось отношение (R0/Ri — 1), где R0 — сопротивление образца в чистом воздухе, Ri — сопротивление при воздействии контролируемого газа [5]. Получение требуемой концентрации паров этилового спирта производилось методом контролируемого разбавления в замкнутом объеме.
Было определено время стабилизационного отжига, величина поверхностного сопротивления и адсорбционного отклика пленок SnO2(Sb), полученных при различной концентрации кислорода в газовой смеси при распылении. Образцы толщиной 0,25 мкм были получены при постоянной величине тока разряда 0,6 А при магнетронном распылении.
На рис. 1 представлена зависимость поверхностного сопротивления пленок SnO2(Sb), полученных при разных составах газовой смеси, от длительности термического отжига при температуре 500 °C на воздухе. Как видно, независимо от режимов распыления пленки оксида олова после осаждения имеют сопротивление более 100 кОм/кв. Уже после отжига в течение 0,25 ч сопротивление пленок снижается и при дальнейшем отжиге стабилизируется, что можно связать с формированием равновесной поликристаллической структуры. Время термического отжига при температуре 500 °C на воздухе для стабилизации поверхностного сопротивления пленок SnO2(Sb) независимо от кон-
центрации кислорода в газовой смеси при распылении должно быть не менее 5 ч.
На рис. 2 показана зависимость величины поверхностного сопротивления пленок 8п02(БЪ) толщиной 0,25 мкм, изготовленных при разной концентрации кислорода в смеси при распылении и отожженных при температуре 500 °С в течение
кОМ/кв
50
40 30 20 10 0
- \
- \ 4 / ..
2 3
| | —а- |
10
15 20
Время, ч
Рис. 1. Зависимость изменения поверхностного сопротивления Я$ пленок SnO2(Sb) от времени отжига t при температуре 500 °С на воздухе. Концентрация кислорода в газовой смеси при реактивном магнетронном распылении:
1 - 10 %; 2 - 25 %; 3 - 70 %; 4 - 100 %
Рис. 2. Зависимость величины поверхностного сопротивления Rs пленок SnO2(Sb) от концентрации кислорода в газовой смеси при реактивном распылении
Рис. 3. Зависимость величины максимального адсорбционного отклика £тах пленок SnO2(Sb) при постоянной концентрации паров этилового спирта (2100 ррт) от концентрации кислорода в газовой смеси при реактивном распылении
5 ч. Как видно, по мере увеличения концентрации кислорода поверхностное сопротивление пленок возрастает, достигая максимального значения в атмосфере чистого кислорода. Это явление можно связать с повышением гомогенизации гетерофаз-ного слоя оксида олова, содержащего фазы Бп, Бп0 и Бп02 [6], а также с увеличением степени стехиометрии Бп02.
Величина максимального адсорбционного отклика к парам этилового спирта стабилизированных пленок 8п02(БЪ) в зависимости от концентрации кислорода в газовой смеси при реактивном распылении представлена на рис. 3. Температура, при которой адсорбционный отклик имеет максимальное значение, для всех образцов составляет 320—340 °С. Как следует из рисунка, величина максимального адсорбционного отклика пленок 8п02(БЪ) увеличивается с возрастанием концентраци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.