17-ая моложедная школа(2014)

Исследование поддержано Программой стратегического развития СПбГЭТУ

(проект 2.1.3.2. ФЭЛ).

90

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ АКТЮАТОРАХ НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ ЦЕПЕЙ С ГРАНИЧНЫМИ УСЛОВИЯМИ ПЕРВОГО РОДА

Е.Н. Сапего, В.Е. Калёнов, А.П. Бройко

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Термомеханические или тепловые преобразователи используются при создания микродвижетелей для микророботов. Как правило, они представляют собой биморфные структуры с разными тепловыми коэффициентами расширения (ТКР), либо структуры с областями с разной температурой нагрева или конструкции, состоящие из одного материала, который расширяется вследствие нагрева [1]. В нашем случае были рассмотрены биморфные структуры (полиимид с

медью).

Целью проделанной работы было построение математической модели описания тепловых процессов, происходящих в актюаторах «П»-образной конструкции. Расчеты строились на основе краевых условий, соответствующих поставленным экспериментам, где актюатор находится на термостолике, с предварительно нанесенной на него термопастой.

Для построения модели была использована теория тепловых цепи, в которой были учтены термические сопротивления воздуха, металла, полиимида, а так же контактное сопротивление. Контактное термическое сопротивление может включать в себя сопротивление термопасты, а так же шероховатости и загрязнения поверхности столика.

В ходе построения модели и нахождения числовых значений термического сопротивления, было принято допущение, что основной тепловой поток идет через полиимид. Этот вывод следует из большой разницы (на 3 порядка) между значениями термического сопротивления воздуха и полиимида. Нахождения контактного термического сопротивления заключалось в сопоставлении экспериментальных данных с теоретической моделью. Где данные о средней температуре на поверхности актюатора брались из эксперимента, и по обратному принципу находилось контактное термическое сопротивление. Для различных конструкций значения контактного сопротивления лежит в диапазоне от 270 до 810 K/W. Для учета особенностей геометрии актюатора, введен коэффициент формы, заключающий в себя различие размеров меди и полиимида. Почти во всех экспериментах k=4, т.е. длина полиимида больше длины меди в 4 раза. Данное допущение помогает учесть распространение теплового потока в большей степени по длине меди.

91

При сравнении рассчитанных и экспериментальных значений температуры на поверхности актюатора, погрешность не превышала 10%.

Результаты данной работы могут применяться в инженерии, для разработки актюаторов, а так же в расчете их работы.

1. Каленов В.Е., Бройко А.П., и др. Микродвижители для микроробототехни- ки//Нано-и микросистемная техника. – 2013. – №. 12. – С. 41–46.

92

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

А.В. Семенов, А.И. Хворостян

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Тонкопленочные структуры на основе пленок аморфного и микрокристаллического кремния обладают высокой технологичностью получения, связанной с низкими температурами осаждения, возможностью легирования в процессе осаждения и использования практически любых материалов подложек. Все это позволяет значительно снизить стоимость фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). На основе аморфного и микрокристаллического кремния изготавливались тонкопленочные солнечные модули размером 1300x1100 мм (большой модуль) и 100х100 мм (минимодуль).

Изготовлено три серии минимодулей с различными собственными слоями микрокристаллического кремния, полученными при различных режимах.

Исследованы вольт-амперные характеристики полученных минимодулей, результаты которых хорошо коррелируют с литературными данными, согласно которым оптимальная кристалличность собственного слоя соответствует 5060%. Результаты данной работы показали, что модули с максимальной эффективностью преобразования получаются при кристалличности около 52 %.

Исследовано влияние мощности собственного слоя µc-Si на параметры минимодулей. При высокой мощности (3550 Вт) в минимодулях наблюдается относительно высокий ток короткого замыкания и относительно маленькое напряжение холостого хода. При низкой мощности (3000 Вт) ток короткого замыкания ниже с относительно большим разбросом и больше напряжение холостого хода.

Исследовано влияние давления собственного слоя µc-Si на параметры минимодулей. Относительно низкое давление (2,7 мбар) при относительно высокой мощности (3550 Вт) позволяет повысить и напряжение холостого хода и ток короткого замыкания в минимодулях, что ведет в свою очередь к увеличению КПД до 10,7%.

Неоднородность значения Uxx по поверхности подложки модуля сильнее влиять на снижение общего напряжения модуля большой площади, чем неоднородность по току короткого замыкания на снижение общего тока короткого замыкания, что подтверждается экспериментальными данными.

Исследование поддержано Программой стратегического развития СПбГЭТУ

(проект 2.1.3.2. ФЭЛ).

93

ПЛАЗМЕННОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КАРБИДА КРЕМНИЯ ВО ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ

А.В.Серков, В.А. Ильин

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Применение карбида кремния для изготовления различных типов полупроводниковых изделий обусловлено развитием современной микро- и нано-, силовой и СВЧ-электроники. Достижения в развитии технологии обработки карбида кремния в последние годы позволили к настоящему времени разработать на основе карбида кремния практически все основные типы полупроводниковых приборов. Способность приборов на основе карбида кремния работать в экстремальных условиях — при повышенных уровнях радиации и температурах, а также в химически активных средах — делает их востребованными при решении современных актуальных проблем.

Разработка методов и режимов сухого травления карбида кремния обусловлено тем, что этот материал обладает очень высокой твёрдостью, что усложняет его механическую и химическую обработку. В настоящее время одним из основных методов микропрофилирования полупроводниковых структур является реактивное ионно-плазменное травление. Травление осуществляется бомбардировкой поверхности изделий ионами и взаимодействием обрабатываемого материала с радикалами технологического газа, образующимися в индукционном ВЧ-разряде.

Отработка технологии сухого травление проходила на отечественной промышленной установке реактивного ионно-плазменного травления с индукционно связанной плазмой “Caroline PE 15”.

Все эксперименты проводились на гексагональном политипе карбида кремния 6H-SiC, выращенном методом Лейли. Так как у карбида кремния присутствует эффект полярности грани, были проведены эксперименты по травлению разных граней – грани (0001) Si и грани (000-1) С. В результате эксперимента выяснилось, что скорость травления грани (0001) Si в условиях с идентичными технологическими параметрами на 15-20% больше, чем скорость травления грани С (000-1). Так же на поверхности грани (000-1) С наблюдается меньшее количество «ямок» и сама поверхность более гладкая. В результате проведенных экспериментов был получен ряд зависимостей для скорости травления, угла наклона стенки мезаструктуры и шероховатости поверхности от задаваемых параметров технологического процесса реактивного ионно-плазменного травления. При проведении испытаний варьировались мощности разряда (150 – 700 Вт) и мощ-

94

ности на ВЧ столике (0 – 300 Вт) при неизменном расходе газа, тока катушек и времени травления. Экспериментально показано, что используемые в качестве маскирующих покрытий металлы (титан и никель) обладают достаточно высокой (20-50) селективностью, обеспечивающей возможность формирования глубоких профилей.

Глубина травления, угол наклона стенок и качество поверхности исследовались с помощью FIB – станции “HeliosNanoLab”.

95

ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ

Р.С. Смердов, Т.В. Бочарова

Санкт-Петербургский Политехнический Университет

Развитие современных методов медицинской диагностики (позитронная эмиссионная томография, рентгеновская компьютерная томография, ультразвуковая томография, (magnetic resonance imaging MRI)) поставило новые проблемы, касающиеся синтеза агентов для контрастной томографии (contrast-enhanced imaging).

Цель работы - выявление параметров оптических спектров поглощения коллоидных растворов магнитных наночастиц.

Спектры оптического поглощения или пропускания образцов были измерены при 300 К на спектрофотометре Specord 40. Пропускание образцов измерялось с погрешностью 0.001, оптическая плотность в интервале 0 − 3.0.

Исходя из работы Леви [1] принято форму полос наведенного поглощения (ПНП) считать гауссовой: где К0 –коэффициент поглощения в максимуме ПНП (см−1), U - полуширина полосы поглощения (см−1), v0 – положение максимума ПНП (см−1).

Вид спектров поглощения коллоидных растворов свидетельствует об идентичности их химического состава. При этом очевидно изменение концентрации наночастиц магнетита Fe3O4, осажденных в ходе реакции Массарта на поверхности гелевого скелета SiO2, а наибольшая концентрация наночастиц Fe3O4 обнаружена при использовании раствора тетраэтоксисилана (TEOS) в изопропаноле с концентрацией TEOS 60 об.%.

В результате обработки спектров поглощения в программном пакете Origin 8.1© были обнаружены шесть характерных полос поглощения в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, имеющих максимумы поглощения: 25130 см-1; 26217 см-1; 27295 см-1; 28483 см-1; 29527 см-1; 30477 см-1. Полуширина полос остается практически неизменной (в пределах приборной погрешности). Было выдвинуто предположение, что наличие данных полос связано с образованием кластеров Fe3O4 шести характерных размеров на поверхности гелевой матрицы SiO2. Наблюдаемый при концентрации TEOS 60 об.% максимум поглощения, связанного с кластерами всех размеров, обусловлен их взаимодействием.

1. Levy P.W. The kinetics of gamma-ray induced coloring of glass.//J. American Cerafic Society.- 1960 – V.4, N 8, – P. 389-395

96

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ

Д.А. Федоров, В.Н. Гульков

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Вусловиях уменьшения мировых запасов природного топлива большое внимание уделяется прямому преобразованию солнечной энергии в электрическую. Для этой цели применяются солнечные модули (СМ), которые являются главным источником электроэнергии на космических аппаратах. На Земле, благодаря хорошо отработанной технологии формирования фотоэлектрических преобразователей на основе кремния, в большинстве случаев используются кремниевые СМ. Однако их широкое применение сдерживается значительной стоимостью, которая может быть существенно понижена за счет перехода от использования монокристаллического кремния к созданию более дешевых СМ на основе тонких пленок аморфного и микрокристаллического кремния.

Вработе исследовано изменение эффективности СМ при различных условиях концентрации падающего на него излучения. На основании полученных измерений были построены ВАХ и зависимости мощности, генерируемой СМ, при различных углах поворота источника излучения относительно нормали к СМ. Для определения интенсивности светового потока IИ был использован не-

селективный термоэлектрический приемник (ТЭП), чувствительность которого составляла 96,5 мкВ/(Вт м-2). Площадь активной поверхности фотоэлектрическо-

Одним из факторов потерь падающей энергии света является отражение от поверхности. Отражение в значительной мере определяется состоянием поверхности, а также зависит от ее физических параметров. В данной работе предложено установить рассеивающие и отражающие элементы, расположенные со всех сторон СМ.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что максимальная генерируемая мощность при нормальном падении света наблюдается при угле раскрытия отражателей α=10˚. Для повышения эффективности СМ было принято решение установить отражатели по всему контуру. В результате исследований разработанного макета СМ было выявлено, что установка дополнительных четырех отражателей позволяет увеличить КПД системы, с 5.6% до 14.5%.

97

Исследование поддержано Программой стратегического развития СПбГЭТУ

(проект 2.1.3.2. ФЭЛ).

98

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА БАРИЯ

А.К.Фоминых, Е.В. Абрашова

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Дальнейшее развитие микро- и наноэлектроники невозможно без создания эффективных средств охлаждения, способных отводить тепло от столь миниатюрных объектов. Вполне очевидно, что одним из ключевых требований к подобным охлаждающим элементам является миниатюрность. Для большинства целей более удобен был бы миниатюрный твердотельный охлаждающий элемент. Самым перспективным принципом работы подобного элемента является электрокалорический эффект, основанный на переориентации электрических диполей при изменении приложенного электрического поля с поглощением/выделением тепла за счет изменения энтропии. [1]

Целью проводимой работы является изучение свойств композита состава (Bax Ca1-x )TiO3 и Ba(Sny Ti1-y )O3 на возможность его применения в качестве активного материала в твердотельных охладителях на основе электрокалорического эффекта. Образцы были получены методом золь-гель в виде тонких пленок на подложках различных материалов. Толщина получаемых пленок составляет порядка 100нм.[2, 3]

Исследования проводились методами атомно-силовой микроскопии, спектроскопии импеданса и оптической спектроскопии. Анализ морфологии поверхности показал, что поверхность сформирована из объектов эллиптической формы длинной порядка 120-150нм. Фрактальная размерность поверхности – 2,5. Материал бесцветен и прозрачен для видимого спектра, имеет температуру фазового перехода (порядка 220°) для одного или нескольких соединений композита, что подтверждается сдвигом этой температуры в зависимости от состава, и высокое сопротивление. По результатам спектроскопии импеданса можно сделать вывод, что свойства образца практически не меняются при росте температуры до значения точки Кюри, а после её достижения материал становиться чувствительным к дальнейшему изменению температуры. Выявлено, что реактивная составляющая комплексного сопротивления обусловлена содержанием соединений бария, а соединения кальция влияют на температурную стабильность пленок. [4]

Таким образом, изучаемый материал является перспективным в целом ряде применений в современной электронике, в том числе не связанных с электрокалорическими эффектами.

99