Введение к работе
Актуальность темы. Применение новых широкозонных полупроводниковых материалов в твердотельной электронике позволяет создавать приборы, компоненты, сенсоры надежно работающие в экстремальных условиях эксплуатации. Карбиды, силициды и нитриды ряда металлов и полупроводников представляют традиционный интерес для решения задач, связанных с измерением температур раскаленных газовых потоков, при проведении исследований в области газовой динамики, а также при диагностике различных технических систем.
Среди известных тугоплавких соединений особую актуальность для пирометрии приобретает карбид кремния, который в силу своих уникальных физико -химических свойств нашел в настоящее время широкое применение в оптоэлектронике, приборах и устройствах высокотемпературной электроники. В рамках современной телевизионной пирометрии с использованием специальных SiC -зондов, выполняющих роль регулярных оптических меток, возможно создание метода измерения распределения температур в выделенных сечениях газового потока. Для решения поставленной задачи требуется проведение целого комплекса исследований.
Поток раскаленного газа оказывает всестороннее воздействие на пирометрический зонд, которое в условиях высоких температур, значительных механических нагрузок, протекания химических реакций способствует ранней деградации и даже его разрушению. Поэтому важным этапом исследований является оценка тепловой, механической прочности зондов с учетом условий эксплуатации, особенностей конструкции и выбранных материалов.
Точность измерения температуры газового потока с помощью пирометрического зонда зависит не только от предела основной и дополнительной погрешностей телевизионного пирометра, а в равной мере и от условий измерения. В связи с этим возникает задача определения методической погрешности, обусловленной процессами теплообмена.
Экспериментальные исследования излучательных и тепловых характеристик зондов представляют научный и практический интерес, который связан прежде всего с апробацией метода измерения температуры, а также с новыми знаниями о температурных полях сложнопрофильных, малоразмерных изделий на основе широкозонных полупроводниковых материалов в экстремальных условиях эксплуатации. Результаты таких исследований являются базой не только для оптимизации конструкций пирометрических зондов, но и других SiC- приборов
2 высокотемпературной электроники.
Целью данной диссертационной работы является разработка метода измерения температуры нагретых газовых потоков, построенного на использовании пирометрических зондов на основе карбида кремния.
Задачи диссертационной работы:
-
В рамках телевизионной пирометрии разработать метод регулярных оптических меток и новый класс зондов - пирометрические зонды (тепловые микроизлучатели). Построить модель и оценить погрешность измерения температуры с помощью предложенного метода.
-
Выполнить моделирование термомеханических характеристик пирометрических зондов типичной конструкции с учетом особенностей телевизионных пирометрических измерений и экстремальных условий эксплуатации.
-
Разработать и изготовить стенд, программное обеспечение для проведения экспериментальных исследований характеристик пирометрических зондов, погрешностей метода измерений температуры и тепловой структуры пламени.
-
Выполнить статистический анализ полученного массива экспериментальных данных, провести ранжирование факторов, влияющих на процесс измерения яркостной температуры и построить модель регрессии.
Методы исследования. Для изготовления профилей пирометрических SiC и МоБіг-зондов применялись эрозионные методы (электроэрозия в жидком диэлектрике по методу вырезания нитевидным электродом и по принципу прошивания, лазерная сложноконтурная резка) и методы химического травления.
Исследование качества тестовых структур и лабораторных образцов пирометрических зондов проводилось методами металлографии на базе телевизионного микроскопа с компьютерной обработкой изображения, поляризационными и теневым методом (метод Тендера), и растровой электронной микроскопией. Электрофизические свойства кристаллов SiC оценивались с помощью измерений эффекта Холла и электропроводности. Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Научная новизна: 1. В рамках телевизионной пирометрии разработан и экспериментально апробирован метод визуализации тепловой структуры и измерения температуры нагретых газовых потоков, реализующий принцип регулярных оптических меток.
-
С использованием широкозонного полупроводникового материала - карбида кремния и дисилицида молибдена разработан и исследован новый класс зондов -пирометрические зонды. Предложены критерии выбора исходного материала, варианты конструкций зондов, адаптированных к условиям эксплуатации и особенностям измерений температуры.
-
Предложена тепловая модель пирометрического зонда, позволяющая оценивать методическую погрешность измерения температуры газового потока с учетом особенностей теплообмена в широком диапазоне скоростей.
-
Для типичных вариантов конструкций пирометрических зондов на основе карбида кремния и дисилицида молибдена построены модели и выполнено компьютерное моделирование температурных полей, результаты которых позволяют оценивать влияние геометрических размеров зондов, режимов газового потока на степень изотермичности излучающей площадки.
-
Рассчитаны механические характеристики пирометрических зондов, позволившие оценить критические значения скорости набегающего газового потока, вызывающего механическое разрушение (слом) зонда как при продольном, так и поперечном обтекании.
-
Исследована излучательная способность SiC - пирометрических зондов в диапазоне температур Т = 900 + 1300 С. Экспериментально установлено, что создание искусственной шероховатости в виде полости на излучающей площадке вызывает уменьшение монохроматического коэффициента излучательности SiC -пирометрического зонда.
-
Впервые телевизионным методом получен яркостный контраст как одиночных сложнопрофильных малоразмерных изделий, так и кондуктивно связанных систем на основе широкозонных полупроводниковых материалов в экстремальных условиях эксплуатации.
-
Экспериментально получены численные значения относительной погрешности измерения температуры газового пламени с помощью SiC - и MoSi2 — зондов. Выполнено ранжирование факторов, влияющих на яркостную температуру пирометрического зонда, построена статистическая модель и получено уравнение регрессии.
9. Экспериментальным методом с использованием многоэлементных SiC -зондов в
рамках телевизионной пирометрии получены мгновенные распределения
температуры, корелирующие с яркостным контрастом в характерных зонах
4 газового пламени.
Практическая ценность:
-
Разработана методика измерения температуры нагретого газового потока с использованием одно- и многоэлементных пирометрических зондов.
-
Предложены варианты конструкций и методы изготовления профилей SiC - и MoSi2 -пирометрических зондов.
-
Разработана методика использования высокотемпературного клеящего цемента в технологии сборки пирометрических зондов.
-
Разработано аппаратное и программное обеспечение, позволяющее реализовывать метод регулярных оптических меток.
Реализация в науке и технике: Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ФГУП НИИ ПТ "РАСТР", в НовГУ им. Ярослава Мудрого в лекционных курсах "Сенсоры и сенсорные устройства", "Технология и конструирование микроэлектронных устройств" для студентов специальности "Микроэлектроника и твердотельная электроника ".
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Метод регулярных оптических меток, основанный на регистрации яркостного контраста тепловых микроизлучателей, позволяющий осуществлять визуализацию тепловой структуры и измерение распределения температур в выделенном сечении нагретого газового потока ( пламени).
-
Класс пирометрических зондов в виде тепловых микроизлучателей, адаптированных к условиям исследуемого газового потока и технологии пирометрических измерений.
-
Локальная излучательная способность монокристалла карбида кремния с искусственной шероховатостью в спектре на длине волны А. = 0.65 мкм определяется его толщиной.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на трех Всероссийских конференциях ("Современное телевидение", Москва 2004,2005,2006 г. г.), на одном Международном семинаре "Карбид кремния и родственные материалы", Новгород 2004 г., одной Научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава НовГУ им. Я. Мудрого, Новгород 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из них 6 статей, тезисы к 10 докладам на международных и российских научно-технических конференциях. Принята в печать монография.
5 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
