Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

4. Дослідження електрооптичних властивостей рідкокристалічних матеріалів для термометрії. Вивчення впливу конструктивно-технологічних факторів на електрооптичні параметри термосенсорних пристроїв на основі термо- та електрооптичних ефектів у рідких кристалах. Математичне моделювання електрооптичних процесів у рідкокристалічних пристроях. Створення нових рідкокристалічних структур для використання їх в термометрії.

5. Створення та дослідження нових сенсорів температури на основі систем інтегральної оптики: волоконно-оптичний елемент – оптично активний матеріал (рідкий кристал), в основу яких покладено зміну параметрів оптичного сигналу при зміні температури.

6. Розробка нових засобів представлення аналогової інформації мікроелектронних термосенсорів. Створення нових структур рідкокристалічних індикаторів з широкою гамою елементів індикації (риска, стовпець, два стовпці та інші) з лінійною, логарифмічною та іншою шкалою відліку.

Об'єкт дослідження – вимірювальні пристрої температури на основі елементів та пристроїв інтегральної електроніки та оптики: однокристальні напівпровідникові термосенсорні інтегральні схеми, рідкокристалічні та волоконно-оптичних елементи сенсорів температури.

Предмет дослідження – схеми первинного та вторинного перетворювачів напівпровідникових термосенсорних ІС, температурна залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів транзисторних структур та резистивних елементів термосенсорних ІС, тонкоплівкові сенсори та структури для вимірювання температури і теплового потоку, електрооптичні та термооптичні параметри рідкокристалічних матеріалів (немато-холестеричних сумішей на основі ціанобіфенілів та азоксисполук, сумішей на основі холестерилпеларгонату і холестерилхлориду), рідкокристалічні та волоконно-оптичні сенсори і пов'язані з ними точність, чутливість, інерційність, діапазон вимірюваних температур.

Методи дослідження. Методологічною основою дисертаційної роботи є системний підхід. Теоретичні узагальнення та створення математичних моделей розроблених електричних схем термосенсорних інтегральних схем, рідкокристалічних пристроїв та сенсорів на основі тонких плівок, лазерні методи дослідження орієнтації та параметрів термочутливих структур, еліпсометричний метод вимірювання конструктивних розмірів, малокутове рентгенівське розсіювання, теоретичні та технологічні основи напівпровідникової електроніки, класичні методи дослідження в мікроелектронній технології, сучасні методи і засоби контролю параметрів оптичного сигналу, методи ППП”Spice” для дослідження характеристик термосенсорних ІС, методи розрахунку нерівноважної статистики електронного газу в кристалах для вибору терморезистивних матеріалів для сенсорних пристроїв. Основні теоретичні розробки підтверджувались результатами модельного експерименту та перевірялись експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримані та сформульовані такі нові наукові результати:

1. Розвинута теорія побудови однокристальних термосенсорних інтегральних схем у вузькому температурному діапазоні шириною від ±1оС і більше в інтервалі -50…+120оС (термосенсорних ІС з відліком відносної температури). Виявлено механізм виникнення від'ємної диференційної провідності в первинних перетворювачах напівпровідникових термосенсорних ІС, зумовлений різною глибиною модуляції вхідної ВАХ транзисторів розроблених нових структур перетворювачів. Даний механізм забезпечує гранично високий коефіцієнт стабілізації вихідного сигналу розроблених перетворювачів при зміні напруги живлення, що є основою створення нових напівпровідникових термосенсорних ІС.

2. Теоретично обґрунтовано та практично розроблено математичні засоби, для визначення оптимального співвідношення електрофізичних параметрів елементної бази розробленого перетворювача, що забезпечує високу стабільність сигналу (при зміні напруги живлення низьковольтних інтегральних схем на ±20% нестабільність сигналу не перевищує 0, 01…0, 05%).

3. Удосконалена математична модель, що описує температурну залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів транзисторних структур та резистивних елементів термосенсорних ІС; показано необхідність введення в модель Гумеля-Пуна допоміжного коефіцієнта корекції температурної характеристики p-n-переходу, який дозволяє коректно описувати температурну залежність ВАХ прямозміщених p-n-переходів при зміні коефіцієнта неідеальності p-n-переходу.

4. Вперше встановлено, що живлення p-n-переходу температурнозалежним струмом зменшує на 10…20% нелінійність вихідного сигналу первинного перетворювача термосенсорних ІС, що забезпечує відповідне підвищення точності вимірювання температури.

5. За допомогою розроблених методів розрахунку нерівноважної статистики електронного газу в кристалах показана можливість визначення термодинамічних та кінетичних властивостей кристалів для створення термосенсорних матеріалів. Обґрунтований підхід до вибору терморезистивних матеріалів для сенсорних пристроїв. Запропоновано структури термокомпенсаційних тонкоплівкових розсуміщених резисторів, на основі яких розроблено нові вимірювачі температури, що забезпечують зменшення похибки в діапазоні -50... +1800С.

6. Виявлені закономірності модифікації рідкокристалічних матеріалів для термометрії. Показано, що визначальними параметрами немато-холестеричних сумішей на основі нематичних матриць (суміші сильнополярного ціанобіфенілу (5ЦБ) і слабополярних азоксисполук (ЖК-440) з малим (до 1, 25 ваг. %) вмістом оптично активних речовин (холестерилкапронат, холестерилкаприлат, холестерилундецилат) з точки зору їх використання в сенсорах температури є вміст сильнополярної компоненти в нематичних матрицях, а також тип та концентрація оптично активної домішки.

7. Досліджено вплив характеристик поверхні, обмежуючої рідкий кристал, температури, конструктивних параметрів на характеристики рідкокристалічних пристроїв. Показана можливість побудови рідкокристалічних сенсорних пристроїв для контролю фіксованих значень температури на основі високохірального холестерика, в якому виявлено, що фазовий перехід супроводжується стрибком довжини хвилі селективного відбивання світла.

8. Теоретично та експериментально підтверджена можливість створення нового класу мікроелектронних сенсорів температури на основі систем: скловолокно – рідкий кристал, в яких зміна коефіцієнтів заломлення рідкого кристал а є чутливою до зміни температури, причому внесено зміну орієнтації рідкого кристалу електричним полем, а також оптична призма – рідкий кристал, в основ у роботи яких покладено температурну залежність селективності пропускання рідким кристалом спектру білого світла.

9. Розроблена математична модель аналогових індикаторів на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах. Показана можливість регулювання діапазону чутливості реєстрації в залежності від конструктивно-технологічних факторів: опору та його розподілу по довжині електродів та зовнішньої комутації, що забезпечує довільну гаму індикуючого знаку (у