Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время существенно расширяется номенклатура используемых естественных и искусственных материалов и изделий из них при одновременном увеличении объема контролируемых параметров и соответствующем увеличении стоимости контроля. Особенно это касается новых конструкционных, электроизоляционных, теплохла-достойких материалов, эксплуатация изделий из которых связана с протеканием тепловых процессов и необходимостью периодического или непрерывного контроля теплофизических свойств в течение всего периода работы. По этой причине получают распространение и развиваются тепловые методы неразрушающего контроля (НК) теплофизических свойств (ТФС) материалов, характеризующиеся оперативностью и экономичностью, возможностью применения в самых различных технологических процессах для контроля качества исследуемых объектов. Однако достоверность и точность результатов измерений этими методами зависят не только от выбора и контроля пространственно-временных параметров исследуемых объектов в процессе проведения теплофизического эксперимента, но и от массогабаритных размеров, чувствительности, инерционности, временной стабильности первичных измерительных преобразователей (ПИП), использующихся в термозондах таких приборов. В этой связи актуальной задачей является создание термочувствительных элементов термозондов на базе полупроводниковых технологий. Это позволит улучшить ряд параметров существующих приборов бесконтактного контроля ТФС материалов: увеличит чувствительность, уменьшит инерционность, позволит упростить аппаратуру и легче совместить с современными средствами вычислительной техники. Поэтому задача разработки приборов НК ТФС материалов и готовых изделий с полупроводниковыми термочувствительными элементами термозондов является актуальной.
Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ: межвузовская научно-техническая программа Госкомобразования РСФСР "Неразрушающий контроль и диагностика", раздел 4 "Оптические, радиоволновые и тепловые методы неразрушающего контроля" на 1994 - 1998 г.г.; программа Минвуза РФ "Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве" на 1998 - 2000 гг.; программа министерства образования РФ "Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в оборот", раздел "Инновационные
научно-технические проекты" 2000 г.: программа Миннауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок, проект "Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушаю-щего контроля термосопротивления многослойных строительных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями", шифр: "Тешюгидрощит" на 2000 - 2001 гг.
Предмет исследований. Методы и средства НК ТФС твердых материалов и готовых изделий, использующие полупроводниковые интегральные термочувствительные элементы с заданными метрологическими характеристиками.
Цель работы. Исследование электрофизических, конструкторско-топологических и технологических параметров полупроводниковых структур и на основе полученных результатов создание методики проектирования интегральных термочувствительных элементов термозондов с заданными метрологическими характеристиками для средств оперативного неразрушаюшего контроля. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
анализ вопросов, связанных с разработкой термочувствительных элементов термозондов с заданными чувствительностью и диапазоном, высокой стабильностью и воспроизводимостью на базе полупроводниковых монокристаллических материалов и интегральных технологий;
исследование влияния температуры на электрофизические параметры полупроводниковых структур на различных монокристаллических материалах с целью выявления возможности использования их в качестве термочувствительных элементов (ТЧЭ);
разработка математической модели процессов в ТЧЭ, происходящих под воздействием температуры;
исследование математической модели для оценки влияния основных параметров на выходную характеристику ТЧЭ и проверка ее адекватности;
построение методики проектирования ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками на основе результатов исследования математической модели;
выявить доминирующие операции процесса создания ТЧЭ, разработать термозонд с интегральными, полупроводниковыми ТЧЭ и провести экспериментальную проверку качества
Методы и методики исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на теоретических основах физики
полупроводников, математическом моделировании, основах интегральных полупроводниковых технологий, физическом эксперименте с использованием опытных образцов, а также на экспериментальных исследованиях, проведенных на кафедре "Материалы и технологии" ТГТУ, в межкафедральной лаборатории "Энергоинформационные технологии, диагностика и приборы" ТГУ, в межвузовской лаборатории "Теплофизические измерения и приборы", регионального отделения "Российское общество по неразру-шающему контролю и технической диагностике" (РОНКТД) и в ряде промышленных и научно-исследовательских организаций.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке математической модели физических процессов, происходящих под действием температуры с учетом основных электрофизических и конструктор-ско-топологических параметров полупроводниковых интегральных ТЧЭ термозондов для НК ТФС твердых материалов. На основе полученной модели создана новая методика разработки ТЧЭ термозондов с заранее заданными диапазоном и чувствительностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью. По полученной методике разработана новая конструкция термозонда с использованием ТЧЭ с заданными метрологическими характеристиками.
Практическая ценность работы в том, что на основе созданной методики разработан и внедрен в производство термочувствительный элемент термозонда приборов НК ТФС материалов, что позволило увеличить точность теплофизических измерений и контролировать ТФС широкого класса материалов и готовых изделий в лабораторных и промышленных условиях. Результаты работы приняты к использованию в ОАО "Электроприбор" г. Тамбов, а также в учебном процессе ТГТУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике и производстве печатных плат" (г. Пенза, 1999 г.), на И-й Международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений"(г. Тамбов, ТГУ, 2000 г.), на Ш-й научно-технической конференции ТГТУ (г. Тамбов, 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.
Структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и 4 приложения, изложенные на 140 страницах машинописного текста, 21 рисунках. Список литературы включает 72 наименования.
