Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвя-щепа решению методами математического моделирования, численного и натурного эксперимента, концептуальных и частных проблем, возникающих при разработке и создании структурных элементов ипформапиопно-пкспертньн систем для комплексного пе-разрушающсго контроля поверхности приборов микросистемотехники.
Постановки решаемых в диссертационной работе задач тесно связаны с общепризнанным в настоящее время положением, что ощутимые достижения на сопремстюм а тале развития техники и технологии возможны только при условии существенного увеличения объема, качества и оперативности получаемой в процессе исследований информации. Однако в настоящее время все известные методы и практически реализованные на их основе инструментальные средства позволяют получать информацию лишь об отдельных характеристиках поверхности. Практическую же и научную ценность могут обеспечить голько комплексные исследования по взаимодополняющим методам "неразрущающей диагностики" с широким использованием современных средств вычислительной техники, математического моделирования, числешкл-о и натурного эксперимента. В свою очередь, необходимость совмещения в рамках одного инструментального модуля изаимодопол-няющих, но сильно различающихся по своим физическим принципам методик требует решения проблемы разработки и создания не просто универсальной установки, а информационно-экспертной системы (И'г)С). Актуальность темы диссертационной работы обусловлена, таким образом, как однозначным установлением и ио-слолние десятилетня определяющей роли физических процессов, протекающих па поверхности, па работу практически всех современных приборов мнкросистемотехннкн, (а зпачит, и па научно-іехпический прогресс в различных сферах человеческой деятельности и, в конечпом счете, па экономический потенциал общества); так и отсутствием разработанпых и внедренпых, хотя бы па уровне научно-исследовательских лабораторий, инструментальных, аппаратных и программных средств, позволяющих получать полную информацию о характеристиках поверхности: одновременно (п реальном масштабе времени) о ее структуре, химическом составе,
магнитных свойствах и т.д.
Сочетание экспериментальной установки и ЭВМ в ИЭС позволяет создать совершенно новую информационную инфраструктуру, интегрирующую системы сбора, храпения и переработки информации. В обобщенном виде ИЭС должна состоять из двух модулей: инструментального и информационного, имеющих общее ядро - ЭВМ. В соответствии с пашей концепцией ИЭС в структурах информационного и инструментального модулей должен присутствовать один общий елемент- информационный банк (ИБ). ИБ, является, таким образом, "стержпепьш" злемептом ИЭС. Для того, чтобы выполнять свою стержневую роль ИБ, помимо обладания энциклопедическими знаниями о предмете исследования или контроля, должен являться "хранилищем образов" исследуемых объектов, явлений, пропессов.ирсдставлешшх в формализованном виде, т.е. в виде математических моделей. При этом примешітельїю к информационному модулю наукоемкость И Б будет определяться триадой г'модель-алгоритм-ЭВМ", а применительно к инструментальному - степенью адекватности математических моделей данным, полученным в процессе натурного эксперимента. Информационный модуль должен состоять из четырех элементов: 1) управления установкой, 2) сбора (накопления) даппых, 3)обработки и экспертизы результатов эксперимента и 4) ИБ. В нашей концепции ИБ, являясь стержневым элементом систолы, представляет и главную цель и основной инструмент достижения этой цели на втапе разработки, проектирования, конструирования, моделирования отдельных элементов ИЭС. При этом использование ИЭС па всех стадиях ее разработки позволяет исследовать все или часть элементов взаимодополняющими методами, что значительно повышает эффективность, оперативность исследований, да и их стоимость, позволяет проверить совместимость элементов и методов и т.д. К тому же в процессе разработки происходит и наполнение ИБ результатами экспериментов, математическими моделями и пакетами программ. Конечно, на этапе разработки используются пекоторые промежуточные варианты ИЭС, отличающиеся инструментальными модулями и емкостью ИБ. На конечном этане ИЭС, кроме выполнения осповпых задач, может использоваться для конструктивного и функционального совершенствования отдельных элементов и ИЭС в делом. ИБ, замкнутый па получа-
теля информации человека-оператора, как уже отмечалось, является общим, связующим модули элементом. Кроме того, структура инструментального модуля в общем шще должна включать еще четыре элемента : 1) источник информации - объект исследования или контроля, 2) источник переносчика информации (источник диагностирующего сигнала - алектронов, попов, электромагнитного излучения" и т.д.), 3) средства образования сигнала об изменении параметров диагностирующего (диагностируемого) сигпала в результате его взаимодействия с контролируемым объектом, 4) приемник информации - совокупность устройств для регистрации параметров "вторичпого" сигпала.
Решению специфических задач, связанных с каждым из модулей, посвящена соответствующая часть диссертации, отдельным элементам - главы.
Цели работы: 1) разработка с применением вычислительной техпики, методов математического моделирования, чи-слош.иго и натурного лкснеримеота моделей структурных элементов ИЭС; 2) создание па основе разработанных математических и физических моделей опчнмалышх копструкций олемсатои ИЭС и ИЭС в целом; 3) практическая реализация полученных конструктивных решении при разработке инструментальных средств, ориентированных на неразрушающий контроль поверхности приборов мнкросистемотехники; Л) разработка аппаратных и программных средств подсистемы автоматизации ИЭС, включающей унразле-пне инструментальным модулем, сбор, накопление, обработку и экспертизу информации; 5) адробащтя разработанных и практически реализованных структурных элемептов ИЭС и ИЭС в целом с помощью целенаправленных натурных испытаний; 6) впедрсние технических и программных средств ИЭС в практику научных н прикладных исследований и учебный процесс.
Научная новизна работы и основ п и е положения, выносимые на защиту, в диссертации предстанлены: 1) целостной концепцией построения и созда-пня ИЭС, проблемно-ориентированной на комплексный неразрушающии контроль приборсп микросистемотехнихи; 2) математическими моделями и оптимальными конструкциями элементов инструментального модуля ИЭС: источника переносчика информации, приемника информации, средств образования сигнала; 3) ин-
струмептальными, аппаратными и программными средствами информационного модуля, включая подсистемы управления ИЭС, сбора, накопления, обработки и экспертизы информации об объекте исследования или контроля; 4) циклом комплексных исследований на базе ИЭС электрофизических характеристик твердотельных структур с применением взаимодополняющих методов математического моделирования, численного и натурного эксперимента, позволившим получить существнію новую, практически важную информацию об объекте исследования.
Практическая значимость и внедре цие результатов. Проведенные в работе с использованием средств вычислительной техпики, методов математического моделирования, численного и натурного эксперимента комплексные исследования подтвердили эффективность разработанных моделей и оптимальных конструкций структурных элементов ИЭС, методов, способов и алгоритмов их практической реализации. На основе проведенных исследований получепо 11 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Результаты работы прошли апробацию и внедрены в Санкт-Петербургском государственном университете, в Санкт-Петербургском техническом университете, СКТБ физического приборостроения с опитпым производством АН УССР, .Донецком политехническом институте. Теоретические разработки по проблемам математического моделирования, инструментальным средствам для диагностики поверхности твердотельных структур, анпаратпым и программным средствам подсистем управления, сбора, пакопления, обработки и экспертизы информации, получаемой в процессе числениого и натурного эксперимента, включены в программы спецкурсов и учебного лабораторного практикума на факультете Прикладной математики - процессов управления Сапкт-Петербургского государственного университета. Работа выполнена в рамках координационного плана НИР АН СССР по темам: "Разработка математических методов проектирования, создания и эксплуатации систем управления техническими и технологическими процессами" (Номер государственной регистрации 01.82.3047668); "Разработка математических методов, проектирования, создания и эксплуатации систем управления пучками заряженных частин и плазмой" (Номер государственной регистрации 01.86.01166Г.5).
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались па VIII Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента" (Ленинград, 19S6); па IX-XII Всесоюзных семинарах но линейным ускорителям (Харьков: 1985,1987,1989, 1991 г.г.); па XIX-XXI Всесоюзпых конференциях по эмиссионной электропике (Ташкент; 1984г, Киев: 1987г., Ленинград: 1991г.); па XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Москва: 1987г.); па 14 и 15 Всесоюзных конференциях "Высокоскоростная фотография, фотоипка и метрология бистропротекагощих процессов" (Москва: 1989г. и 1991г.), на VI Всесоюзном семинаре "Автоматизация научных исследований в ядерной физике и смежных областях" (Томск: 1991г.); па I Всесоюзном симпозиуме "Методы дифракции электропов п исследовании структуры вещества" (Москва: 1Э91г.); па научных семинарах факультета Прикладной ыатематики-процессов управления Санкт-Петербургского университета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и двух частей, пключающих 7 глав, заключения и списка литературы, содержащего 137 наименований. Основное содержание изложено па 422 страпицах по сквозной нумерации, в том числе 303 страницы машинописного текста, иллюстрировано таблицами, рисунками и фотографиями на 119 страницах. Приложения занимают 08 страниц.
