Конструкції та технологія електронних логічних пристроїв на основі НВЧ-мікроелементів з контурним гістерезисом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.27.06 - Технологія, обладнання і виробництво електронної техніки

Конструкції та технологія електронних логічних пристроїв на основі НВЧ-мікроелементів з контурним гістерезисом

Небеснюк Оксана Юріївна

Херсон 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Левінзон Давид Іделевич, Гуманітарний університет “ Запорізький інститут державного і муніципального керівництва”, завідувач кафедри фізичної та біомедичної електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Трубіцин Юрій Васильович, Державний науково-дослідний і проектний інститут “Титан” Мінпромполітики України, головний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Чаусовський Григорій Олександрович, Інститут тваринництва Української аграрної академії наук, завідувач лабораторії електронізації.

Провідна установа Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 21 ” березня 2003 р. о 13 єє годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 67.052.03 при Херсонському державному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розісланий “11 ” лютого 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Фролов О.М.

1. Загальна характеристика роботи

мікровакуумний електроніка гістерезис датчик

Актуальність теми. Розвиток елементної бази НВЧ- електроніки йде швидкими темпами. Однією з основних тенденцій цього напрямку протягом ряду років була і залишається в доступному для огляду майбутньому мініатюризація та підвищення щільності монтажу НВЧ- приладів і пристроїв, які реалізуються як у мікровакуумному, так і в мікротвердотілому виконанні.

Цей процес супроводжується розширенням сфер застосування НВЧ- електроніки і, що особливо важливо, її проникненням в такі нетрадиційні області використання як медицина, біофізика, біометрія, біотехнологія та ін.

При аналізі функціонування НВЧ- пристроїв особливу увагу приділяють перехідним процесам і, зокрема, явищу контурного гістерезису, фізичні основи якого досліджувалися головним чином для мікровакуумних елементів, проте, залишаються поки що недостатньо вивченими.

Суть явища контурного гістерезису полягає в тому, що в системі взаємопов'язаних коливальних контурів, при тому ж самому факторі зв'язку, мають місце три квазістаціонарні стани: режим биття і режим запирання генерованих коливань по одній з частот зв'язку 1 чи 2 , а також бістабільний стан, коли можливе існування тільки одного з видів коливань з частотою 1 або 2.

Що до відомостей про конструкції, технології виготовлення, математичні моделі та логічні схеми на НВЧ- приладах, а також про особливості міждоменного електронного переносу (МЕП) в мікротвердотілих НВЧ- приладах, то в опублікованій літературі вони висвітлені недостатньо.

Відсутність обґрунтованих уявлень про природу контурного гістерезису стимулювала нас до пошуків, спрямованих на моделювання і дослідження фізичних процесів у мікроелектронних НВЧ- структурах обох різновидів, а загальні тенденції розвитку електроніки і мікроелектроніки зумовили переважний інтерес до розробки технології і конструкцій НВЧ- приладів не тільки у вигляді твердотілих мікроелектронних пристроїв для традиційних областей застосування, але і для крайвисокочастотних (КВЧ, понад 300ГГц) керуючих систем на цих приладах (наприклад, для моделювання основних функцій живої клітини).

Ці міркування цілком визначають, на наш погляд, актуальність, своєчасність і практичну значимість проблеми, якій присвячено дисертацію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота є частиною планових комплексних досліджень, які виконано за участю автора на кафедрі фізичної і біомедичної електроніки Запорізької державної інженерної академії, зокрема, у рамках держбюджетної науково-дослідної теми Розробка теоретичних основ і експериментальне обґрунтування процесів поровиникнення в приладових композиціях твердотілої і біомедичної електроніки (№ ДР 0100U004906).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження фізичної природи явища контурного гістерезису в електронних мікроелементах НВЧ- і КВЧ- діапазонів і розробка апаратурно-технологічних принципів побудови на їх основі логічних схем і пристроїв.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Провести комплекс теоретичних і експериментальних досліджень для уточнення і поглиблення уявлень про фізичну природу явища контурного гістерезису в мікроелектронних вакуумних і твердотілих НВЧ- структурах, побудувати відповідні математичні моделі і провести розрахунок основних параметрів їх функціонування.

Розробити експериментальну установку для вивчення явища контурного гістерезису з використанням пов'язаних мікроелектронних твердотілих НВЧ- приладів з міждоменним електронним переносом носіїв заряду.

Дослідити КВЧ- керуючу систему на однокристальних твердотілих елементах з контурним гістерезисом, що моделює за основними параметрами живу клітину.

Розробити і реалізувати апаратурно-технологічні принципи побудови і виготовлення електронних систем на однокристальних НВЧ- приладах з контурним гістерезисом і оцінити можливості та перспективи їх впровадження в промисловість, побут і медицину.

Об'єкт дослідження - фізико-математичні моделі і механізми електронних процесів у пристроях і системах, що моделюють функціонування живої клітини.

Предмет дослідження - КВЧ - і НВЧ- електронні системи і логічні пристрої на основі мікроелементів з контурним гістерезисом.

Методи дослідження:

Вимірювання електрофізичних, частотних і гістерезисних характеристик мікроелектронних НВЧ- структур з використанням сучасних метрологічних засобів;

Математичне моделювання і розрахунки параметрів електронних систем з використанням ЕОМ;

Моделювання основних функцій живої клітини з використанням логічних пристроїв на основі НВЧ - і КВЧ- мікроелементів;

Дослідно-виробниче випробування розроблених приладів і систем з оцінкою показників їх якості і технологічності.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті виконаної роботи одержано нові експериментальні результати, основними з яких є:

Уперше виявлено, підтверджено і досліджено явище контурного гістерезису у твердотілих мікроелектронних елементах зі структурою МЕП- приладів.

Уперше теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена математична модель електронних процесів у системі взаємопов'язаних НВЧ- мікроелементів, що враховує міждоменний характер переносу носіїв заряду, на основі якої запропоновано апаратурно-технологічні принципи створення нового класу однокристальних інтегрованих НВЧ- пристроїв.

Запропоновано нові схемотехнічні і технологічні рішення зі створення логічних керуючих систем на мікровакуумних і твердотілих НВЧ- мікроелементах, що моделюють за основними показниками функціонування живої клітини і імітують біопольові інформаційні впливи на організм.

Запропоновано і розроблено новий тип мікроелектронних резонансних датчиків широкого призначення у вигляді інтегрованих однокристальних твердотілих НВЧ- мікроелементів на основі арсеніду галію та розроблено технологію їх виготовлення.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій.

Достовірність і обґрунтованість наукових положень, що містяться в дисертаційній роботі, результатів досліджень і висновків підтверджуються коректною і реальною постановкою задач та застосуванням сучасних високоточних методик проведення експерименту, дотриманням необхідних вимог з їх метрологічного забезпечення. Одержані теоретичні та експериментальні результати досить добре узгоджуються з даними інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і випробувано технологічний регламент виготовлення НВЧ- мікроелементів з контурним гістерезисом, а також пристроїв на їх основі. Запропоновані пристрої на основі взаємопов'язаних НВЧ мікротвердотілих МЕП- приладів мають високу швидкодію ( 0,1…0,2 нс). Розроблено нові види пристроїв на НВЧ- приладах, що, завдяки однокристальній конструкції, мають підвищену радіаційну стійкість ( понад 1мР/год ), широкий робочий діапазон температур (-60є С… +600є С) і є надійними в експлуатації. Виготовлені мікроелементи і пристрої були випробувані в промислових умовах на Запорізькому титаномагнієвому комбінаті, ТОВ- “ЦЕС - Україна”, ВАТ “Гамма”, ВАТ “Мотор-Січ” та ін., що підтверджується відповідними довідками про економічну ефективність результатів роботи і відгуками, доданими до дисертації. Розроблено електронний пристрій, що імітує роботу живої клітини для використання в діагностиці та терапії. Розроблено конструкцію датчика тиску на мікроелектронних структурах з контурним гістерезисом в однокристальному варіанті для роботи в екстремальних температурних умовах при підвищеній радіації.

Особистий внесок здобувача.

Автору належать такі основні наукові результати:

Узагальнення результатів досліджень явища контурного гістерезису для твердотілих елементів [1] ;

Виявлення і дослідження явища контурного гістерезису в мікроелектронних елементах зі структурою МЕП- приладів [1,7 ] ;

Розробка математичної моделі системи взаємопов'язаних НВЧ- мікроелементів, що враховує міждоменний характер переносу носіїв заряду [4 ] ;

Розробка конструкції і технології однокристальних інтегрованих НВЧ- приладів [5,6,7,8,9,11, 13];

Розробка логічної керуючої системи, що моделює за основними показниками функціонування живої клітини [2,3,10,12 ] ;

Розробка нового резонансного датчика широкого призначення на основі арсеніду галію [8].

В усіх зазначених роботах автор брав безпосередню участь у постановці і вирішенні задач, розробці базових методик експериментів, статистичній обробці даних експерименту, інтерпретації основних результатів, підготовці наукових публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи представлено і обговорено на:

Міжнародній конференції “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті” ( м. Харків, Україна, 1999 р. );

Міжнародній конференції “Проблеми фізичної і біомедичної електроніки” ( м. Київ, Україна, 1999 р. );

Науковій-технічній конференції “Датчики і перетворювачі інформації систем виміру, контролю і керування “ ( м. Москва, Росія, 2000 р.);

Четвертому міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті”( м. Харків, Україна, 2000 р. );

Четвертому міжнародному симпозіумі ”Вакуумна техніка” ( м. Харків, Україна, 2001 р.).

XXII Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки “ (м. Київ, Україна, 2002 р.).

Науковій конференції “ Використання методів активізації навчання у вищій школі”( м. Запоріжжя, Україна, 2002 р.).

Результати роботи обговорювалися на науковому семінарі в Херсонському державному технічному університеті, систематично доповідалися й обговорювалися на засіданнях і наукових семінарах кафедри фізичної і біомедичної електроніки Запорізької державної інженерної академії.

Публікації. За матеріалами дисертації одержано один патент України на винахід і опубліковано 14 наукових статей, у тому числі 7- у наукових журналах України, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Робота містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, та додатки. Представлена на 105 сторінках машинописного тексту і має 50 рисунків, 7 таблиць, список використаних джерел з 124 найменувань та додаток А, який містить комп'ютерний розрахунок часу формування домена і додаток В, в якому наведені довідки про економічну ефективність результатів роботи.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, підтверджено її зв'язок з науковими програмами і темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено новизну та практичне значення одержаних результатів, представлено дані про апробацію дисертації та кількість публікацій за темою роботи.

Перший розділ являє собою аналітичний інформаційний огляд за темою дисертації.

Проведено аналіз теоретичних і експериментальних робіт, присвячених вивченню фізичних основ явища контурного гістерезису. Особливу увагу приділено класифікації та розгляду відомостей щодо дії електромагнітних полів на живий організм, впливу НВЧ- випромінювання на злоякісні утворення, розгляду математичних і фізичних моделей, що імітують роботу мозку, нейрону, ракової клітини, серця та ін.

Узагальнено публікації, присвячені технічному використанню явища контурного гістерезису, прогнозовано широкі можливості його використання для створення різноманітних електронних пристроїв (логічних елементів, лічильників, датчиків, суматоров, шифраторів, регістрів і т.п.), на базі мікровакуумних НВЧ- приладів. Проте, автор дисертації відзначає, що в жодній з розглянутих іншими авторами моделей не йшлося про твердотілі напівпровідникові прилади, вірогідно через те, що наявність контурного гістерезису в них не була встановлена.

Беручи до уваги, що відповідь на питання про існування контурного гістерезису у твердотілих мікроелементах має принципове значення, нами була сконструйована спеціальна експериментальна установка, яку описано в другому розділі дисертації.

Відповідно до загальної теорії контурного гістерезису, при тому ж самому факторі зв'язку, мають місце три стани системи: режим биття і режим запирання генерованих коливань по одній з частот зв'язку 1 чи 2 , а також бістабільний стан, коли можливе існування тільки одного з видів коливань з частотою 1 або 2. З урахуванням цього автором розглянута система з двох НВЧ- - мікроелементів, розташованих на відстані X, що значно менша довжини хвилі власних коливань НВЧ ( МЕП)-приладів, ( X<<0,25 л). До складу експериментальної установки входять: блоки живлення, генератор полярних імпульсів, осцилограф, феритовий вентиль, хвилевидний перемикач, цифровий вольтметр, частотомір, вимірювальна лінія і детекторне навантаження.

Змінна напруга подається на управляючий електрод через конденсатор. Резистор, опір якого близько 50…100 кОм, служить для запобігання замикання черезджерело постійної напруги. Ємність конденсатора , що відокремлює постійну складову напруги, вибирається з урахуванням частоти і форми хвилі напруги, що модулює. Джерела постійної та змінної напруги відбивача з'єднані послідовно.

Дослідження явища контурного гістерезису в системі взаємопов'язаних МЕП- приладів здійснювалося автором за спеціальною методикою.

Спочатку досліджували зони генерації в масиві приладів, і відбирали пари приладів із приблизно однаковими резонансними частотами. Прилади з міждоменним електронним переносом у кожній такій парі розташовувалися в системі на відстані X<<0.25 л. Потім визначали частотні і гістерезисні характеристики приладів у зв'язаному стані, а також досліджували вплив пускових умов на характеристики приладів і пов'язаних контурів.

Запропонована схема, представлена у дисертації, дозволила знизити до мінімуму витрати часу на обробку сигналу, реалізувати високу швидкодію приладів, зумовлену розташуванням їх у безпосередній близькості в структурі одного кристала, а проведені з її допомогою дослідження характеристик у системі взаємопов'язаних НВЧ мікротвердотілих МЕП- приладах однозначно свідчать про наявність явища контурного гістерезису.

За результатами комп'ютерного розрахунку час формування домена складає не більше 10 пс.

Таким чином, отримані результати відкривають нові перспективи використання електронних логічних пристроїв на основі НВЧ- мікроелементів з контурним гістерезисом.

У третьому розділі описано конструктивно-технологічні принципи створення твердотілих НВЧ- мікроелементів з контурним гістерезисом на прикладі резонансного датчика тиску і чутливих сенсорних елементів (логічного та порогового).

Нами обрано і реалізовано такі основні етапи технологічного процесу виготовлення логічних елементів: видалення тонкого епітаксійного шару n- GaAs травленням до напівізолюючої підкладки з метою створення активної робочої області НВЧ МЕП- приладу, виготовлення омічних контактів у вигляді мезаструктури; напилювання омічних контактів до електродів і навантажувального резистора; формування бар'єрів Шотткі у вигляді контактів прикатодної області, що служать для виводу інформаційного сигналу. Габаритні розміри такої інтегрованої мікросхеми в залежності від електричних характеристик не перевищують 100…200 мкм.

Технологія виготовлення порогового елемента відрізняється специфікою формування уздовж активної області МЕП- приладу бар'єрів Шотткі, що є входами цього елементу.

Важливим положенням дисертації є обґрунтування того, що використання розроблених (логічного і порогового) елементів на НВЧ МЕП- приладах дозволяє реалізувати практично всі основні вузли обчислювальної системи: напівсуматори, суматори, шифратори, дешифратори, схеми переносу, лічильники, регістри і т.п.

При розробці датчика тиску вибір його принципу роботи, конструкції і технології виготовлення майже цілком визначався вимогою його реалізації в мікромініатюрному виконанні (габарити не більше 3,0 Ч 3,0Ч 0,3 мкм ).

Запропоноване рішення стало можливим завдяки тому, що резонатор з фіксованою резонансною частотою виконано у вигляді бістабільного елементу, що являє собою чотири МЕП- прилади з контурним гістерезисом, інтегрованих у єдиному матричному кристалі. У конструкції резонатора використано пружну мембрану з монокристалічної пластини бестігельного кремнію з питомим електричним опором більше 1 кОм·см, при Т=300К, товщиною близько 1мкм із нанесеною на її поверхню, шляхом напилювання у вакуумі, плівкою оксиду цинку. Висока чистота вихідного кремнію створює найкращі передумови для підвищеної механічної пружності пластини і визначає її швидке реагування на зміну тиску навколишнього середовища.

Мікроелектронний датчик тиску містить корпус, напівізольовану основу, мембрану, резонатор з фіксованою резонансною частотою, що складається з двох пар пов'язаних контурів на вході і двох пар пов'язаних контурів на виході, НВЧ (МЕП)-прилади з анодами і катодами, виконані на підкладці GaAs, магнітні елементи, що являють собою феритовий вентиль, шину живлення, шину струму.

Мікроелектронний датчик тиску стійко працює в інтервалі високих робочих частот ( близько сотень ГГц ), в широкому температурному діапазоні (-60є С …+400є С ). Він має високу радіаційну стійкість, що важливо при експлуатації в умовах космосу в системах керування рухом повітря у районах аеродромів в умовах підвищеної щільності польотів і досить надійний в експлуатації, тому що його виконано на одному кристалі, тобто він не містить частин і деталей, які можуть змінювати електрофізичні властивості під дією радіації.

Дослідження явища контурного гістерезису в мікровакуумних і мікротвердотілих НВЧ-приладах розкриває додаткові можливості їх застосування не тільки для добре відомих приладів і пристроїв, але і для електронних систем моделювання основних показників функціонування живих організмів.

Цьому напрямку присвячено четвертий розділ дисертації, у якому описано розроблену автором електронну систему імітації керованих інформаційних біопольових впливів на живий організм, що відрізняється від раніше відомих тим, що в ній використані мікроелектронні елементи з контурним гістерезисом.

При розробці згаданої системи брали до уваги такі вихідні положення:

Імітоване електромагнітне випромінювання ( ІЕМВ ) за своїм інформаційним впливом ( тобто, за амплітудно-частотною характеристикою) повинне бути подібним сигналам зв'язку і керування, які виробляє сам організм. Необхідно, щоб час впливу ІЕМВ на організм був порівняний з часом реакції на цей вплив (в експерименті він не перевищує тисячних часток секунди).

Інформаційний вплив, починаючи з деякої мінімальної (граничної) величини, не залежить від амплітуди сигналу, тому основним прийомом керування ІЕМВ є зміна його частоти. Первинний пошук біозворотніх ефектів доцільно проводити при підвищеному значенні щільності потоку потужності, свідомо перевищуючи граничну величину, але уникаючи помітного нагрівання тканин.

Особливі умови, пов'язані з забезпеченням якісної відтворювальної дії будь-якого фізичного фактору вимагають, щоб організм знаходився в стані, коли він може його сприйняти, а ділянка поверхні тіла, що опромінюється, повинна мати невелику площу. У ряді випадків, коли внутрішні резерви організму вичерпано, або наявна певна патологія і біозворотні сигнали в організмі можуть взагалі не вироблятися, дія зовнішніх ІЕМВ стає вирішальною.

Основним параметром, якісна характеристика якого впливає на біологічний ефект, є частота коливань зовнішнього електромагнітного поля. Найбільш сильний терапевтичний ефект має місце в області так званих резонансних частот ( з відносним відхиленням приблизно 10?і…10-4 від номіналу). Гострорезонансний характер інформаційних впливів опромінення принципово відмінний від механізмів енергетичних впливів через те, що частина поглиненої енергії перетворюється не тільки у теплову але й у кінетичну. В результаті використання резонансних випромінювань слабкої інтенсивності (нижче пороговиділення тепла-0,01 Вт/см2 ) перевищує нетепловий ефект, а енергія поглинається тканинами вибірково ( найчастіше її підводять через точки акупунктури).

Якщо в експериментах з резонансного опромінення використовуються джерела, які не модульовані по частоті, то номінально обрану частоту слід підтримувати з високою точністю (5·10-4…5·10-5), і чітко фіксувати ділянку, що опромінюється. Критичність і точність фіксації частоти і місця опромінення трохи знижується при модуляції частоти в зазначених вище невеликих межах.

Для вивчення біозворотніх інформаційних сигналів нами запропоновано і розроблено модель КВЧ керуючої системи живих клітин, що являє собою багатостійку логічну схему на НВЧ- мікроелектронних структурах.

Багатостійка логічна схема складається з НВЧ- приладів, керуючі електроди яких зближено на відстань X<<0, 25 л власних коливань. Блок-схему електронної системи моделювання біопольових сигналів представлено на рис.1.

Сигнал від генератора імітаційних інформаційних сигналів 1 подавали на імітатор клітини 2. Для мінімізації впливу небажаних видів коливань у хвилевід 3 вводили ємнісний штир і, змінюючи глибину його введення, за допомогою частотоміра 7, вольтметра 8 і осцилографа 9 вимірювали гістерезисні і частотні характеристики системи.

Спочатку нами визначався мінімальний рівень сигналу, що забезпечує перемикання багатостійкої логічної схеми в залежності від близькості до пускових режимів і від розбігу частот.

Для цього було досліджено зони генерації в масиві приладів і відібрано пари приладів із приблизно однаковими резонансними частотами, які розташовувалися в системі на відстані X<<0,25 власних коливань. Потім досліджували вплив пускових умов на характеристики окремих приладів і пов'язаних контурів.



Рис. 1 Блок-схема електронної системи моделювання біопольових сигналів: 1-генератор імітаційних сигналів; 2-імітатор клітини; 3-хвилевід з ємнісним штирем; 4-хвилевідний перемикач; 5-6-детекторні навантаження; 7-частотомір; 8-вольтметр; 9-осцилограф; 10-генератор парних імпульсів

Встановлювалася частота генерації на керуючому НВЧ-приладі, що дорівнювала частоті приладу, на яку необхідно переключити систему пов'язаних контурів, що працює на частоті першого приладу.

З одержаних результатів випливає, що в межах діапазону напруг Uвідбив. = 20…80 В в парі пов'язаних приладів при дослідженні контурного гістерезису, характеристику яких представлено на рис.2, виключення мод відбувається за рахунок введення додаткового зв'язку з пасивним елементом, роль якого виконував штир.

При фіксованій напрузі на відбивачі першого НВЧ- приладу напруга на другому встановлювалася в тій же точці гістерезисної ділянки, де потужність генерованих НВЧ коливань в одному і в іншому стійких станах однакова. Модулююча напруга, сформована генератором парних імпульсів і комутуючим блоком, яка являє собою пари імпульсів, що відрізняються полярністю, подавалася на відбивач.



Рис. 2 Гістерезисна характеристика електронної моделі клітини ( штир введено на 14 поділок, ціна однієї поділки 1мм)

При фіксованій напрузі на відбивачі першого НВЧ- приладу напруга на другому встановлювалася в тій же точці гістерезисної ділянки, де потужність генерованих НВЧ коливань в одному і в іншому стійких станах однакова. Модулююча напруга, сформована генератором парних імпульсів і комутуючим блоком, яка являє собою пари імпульсів, що відрізняються полярністю, подавалася на відбивач.

Обрана амплітуда імпульсів (12 В) забезпечувала вивід робочої точки елемента з контурним гістерезисом за межі гістерезисної області. Тривалість імпульсів і тривалість між серіями імпульсів регулювалася. У нашому випадку перший імпульс перемикав елемент із контурним гістерезисом з одного стійкого стану в інший, а другий імпульс до такого перемикання не призводив. Наступний імпульс зворотньої полярності знову перемикав елемент із контурним гістерезисом, а при надходженні четвертого імпульсу перемикання не відбувалося.

На рис.3 представлено гістерезисну характеристику електронної моделі клітини, отриману при умові відсутності штиря, де закресленні ділянки - це області контурного гістерезису.

Рис. 3 Гістерезисна характеристика електронної моделі клітини (отримана за відсутності штиря)

Виявлено, що зміна амплітуди НВЧ коливань у процесі перемикання характеризується трьома фазами (рис.4): спочатку амплітуда знижується приблизно до 0.7, а потім зростає до максимального значення і на останньому етапі знову повертається до початкового значення.

Якщо перемикання не відбувається, то амплітуда НВЧ коливань внаслідок переміщення робочої точки з гістерезисної в стабільну область спочатку зростає до максимального значення, а потім після закінчення дії керуючого імпульсу також повертається до початкового значення.

В ході досліджень встановлено:

При зміні напруги на відбивачі від -20 В до -30 В спостерігається гістерезисна ділянка, але при цьому перемикання з однієї частоти на іншу здійснюється від аналогічної пари пов'язаних НВЧ- приладів ;



Рис. 4 Гістерезисні (а) та частотні (б) характеристики електронної моделі клітини

При заміні систем пов'язаних приладів між собою гістерезисні властивості для досліджуваної системи спостерігаються в межах від -45 В до -75 В; при цьому частотні гістерезисні властивості особливо помітні в діапазоні від -50 В до -70 В;

Перемикання з одного стану в інший (з однієї частоти на іншу) здійснюється також підведенням до відбивачів напруги за допомогою генератора парних імпульсів; період проходження імпульсів, що перемикаються, складає 2.4 мс, при цьому переключення відбувається з частоти 8.2 ГГц на частоту 8.19 ГГц;

Перемикання з однієї частоти на іншу здійснюється при напругах відбивача, близьких 60 В; резонансні частоти зв'язку у нашому випадку складають 8.125 ГГц і 9.670 ГГц.

Розроблений пристрій дозволяє варіювати, моделювати і аналізувати дію електромагнітних збурювань на живий організм в актуальному діапазоні частот, особливо в точках біопольового резонансу, що є, на наш погляд, підставою для його використання в медичній діагностиці і терапії.

Висновки

Експериментально встановлено явище контурного гістерезису в твердотілих мікромініатюрних композиціях на основі арсеніду галію, яке досі спостерігалось лише в мікровакуумних елементах ( мінітронах)

Функціонування систем на основі пов'язаних НВЧ- елементів з контурним гістерезисом визначається особливостями міждоменного електронного переносу, механізм якого представлено відповідною математичною моделлю, що дозволяє виконувати необхідні розрахунки при виборі конструкції і технології виготовлення.

Розроблено і реалізовано конструкційні та апаратурно-технологічні принципи виготовлення нових видів мікроелектронних НВЧ- приладів у твердотілому виконанні на основі арсеніду галію , інтегрованих у єдиному кристалі, які відзначаються швидкодією не менше 0,1…0,2 нс при габаритах, що не перевищують 100…200 мкм.

Розроблено конструкцію і технологію виготовлення мікроелектронного датчика тиску, що являє собою систему чотирьох пов'язаних і інтегрованих в єдиному кристалі твердотілих НВЧ- мікроелементів і містить пружну мембрану з високочистого кремнію, який працює у температурному діапазоні (-60є С…+400є С), на частотах близько сотень ГГц, і відзначається радіаційною стійкістю понад 1мР\год.

Створено і реалізовано на основі мікровакуумних НВЧ - приладів пристрій, що моделює за основними показниками живу клітину, працює в діапазоні частот 8…9,7 ГГц при напрузі 12 В і може бути ефективно використаний в біорезонансній діагностиці та терапії.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Никонова З.А., Дмитриева Л.Б., Козуб А.А., Попова В.Д., Небеснюк О.Ю. Особенности физических процессов в микроэлектронных структурах с гистерезисом // Электрический журнал. - Запорожье.- 1998.- №2(8).-С.36-38.

Левинзон Д.И., Никонова З.А., Небеснюк О.Ю. Исследование особенностей многоустойчивой логической системы, моделирующей живую клетку // Электроника и связь. Киевский политехнический институт.-1999.- № 6.- Том.2.- С.191-196.

Никонова З.А., Небеснюк О.Ю., Друзева Е.В. Аналогия между системами живых организмов и закономерностями работы технических устройств СВЧ диапазона // Радиоэлектроника, информатика, управление. - Запорожье.-1999. -Том 2.- С.31-33.

Левинзон Д.И., Дмитриева Л.Б., Никонова З.А., Небеснюк О.Ю. Особенности расчета параметров радиомпульсного управления СВЧ- устройствами // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы.- Херсон.-2002. -№ 1(10).- С.110-115.

Левінзон Д.І., Дмітрієва Л.Б., Небеснюк О.Ю. Дослідження технологічних особливостей контактної системи Ag-GaAs з бар`єром Шотткі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. Технічні науки.- 2002.- № 2.- С.67-69.

Левінзон Д.І., Небеснюк О.Ю., Попова В.Д., Ніконова З.А. Датчик тиску на НВЧ- приладах з контурним гістерезисом для протиаварійної автоматики // Інтегровані технології і енергозбереження. Харківський політехнічний інститут. - 2001.- №1.-С.107-111.

Левинзон Д.И., Небеснюк О.Ю., Свитанько Н.В., Никонова З.А. Исследование явления контурного гистерезиса в микроэлектронных структурах и разработка устройств на их основе // Вестник Херсонского государственного технического университета. Технические науки.- 2001.- №4 (13).- С.257-263.

Пат. 36583А Україна, G 01 R 27 / 26. Мікроелектронний датчик тиску // Левінзон Д.И., Ніконова З.А., Небеснюк О.Ю. -№2000010098; Заявлено 05.01.2000; Опубл. 16.04.2001, Бюл.№3.-2с.

Левинзон Д.И., Никонова З.А., Небеснюк О.Ю. Датчик для противоаварийной автоматики // Тезисы докладов XII-научно-технич. конф. "Датчики и преобразователи информации, систем измерения, контроля и управления".-Москва.-2000.-С.37-39.

10. Левинзон Д.И., НиконоваЗ.А., Небеснюк О.Ю. Исследование особенностей многоустойчивой логической системы, моделирующей живую клетку // Сб.науч.тр. Междунар.конф. "Проблемы физической и биомедицинской электроники".-К.-1999.-С.254-257.

11. Небеснюк О.Ю., Головаха Р.В., Зайченко А.В., Левинзон Д.И., Никонова З.А. Микроэлектронный резонансный датчик давления // Тезисы докладов 4-го Международного молодежного форума "Радиоэлетроника и молодежь в XXI веке".-Харьков.-2000.-С.-25-26.

Небеснюк О.Ю., Никонов А.Ю., Швец Д.Е. Моделирование КВЧ-управляющей системы живых клеток // Труды 3-го Междунар.молодежного форума "Радиоэлетроника и молодежь в XXI веке".-Харьков.-1999.-С.-273-277.

Дмитриева Л.Б., Левинзон Д.И., Небеснюк О.Ю. Оптимизация режимов вакуумного напыления микроэлектронной композиции Ag-n\GaAs (111) // Тезисы докладов 4-го Междунар. симпозиума "Вакуумная техника".-Харьков.-2000.-С.-39-40.

Небеснюк О.Ю., Петухова Е.А., Колягина И.Н., Швец Е.Я. Использование информационных и коммуникативных технологий в лабораторном практикуме по “ Биофизике” // Збірник доповідей учасників конференції “ Використання методів активізації навчання у вищій школі”.- Запоріжжя, ЗДІА.-2002.-С.155-158.

15. O.Yu. Nebesnuk, A.A. Kozub, Z.A. Nikonovа. The electronic logic circuits basic on elements of microwave and shortwave ranges // Journal of Physics, Biology and Medicine. - V.3.№3.-2002.

Анотація

Небеснюк О. Ю. Конструкції і технологія електронних логічних пристроїв на основі НВЧ- мікроелементів з контурним гістерезисом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06- технологія, обладнання і виробництво електронної техніки. - Херсонський державний технічний університет ,м. Херсон, 2003.

Захищається 14 наукових праць і один патент України на винахід, що містять теоретичні та експериментальні дослідження логічних схем і пристроїв НВЧ- і КВЧ - діапазонів мікровакуумної і мікротвердотілої електроніки.

Відпрацьовані: принципи побудови логічних схем і пристроїв з контурним гістерезисом на основі приладів з міждоменним переносом і методика моделювання схем і пристроїв на їх основі, моделювання КВЧ керуючої системи живих клітин на основі приладів з контурним гістерезисом, принцип створення і схема датчика тиску на основі запропонованих моделей.

Розробки і рекомендації дисертації реалізовано в промислових умовах на Запорізькому титаномагнієвому комбінаті, ТОВ- “ЦЕС - Україна”, ВАТ “Гамма”, ВАТ“Мотор-Січ” та ін., що підтверджується відповідними довідками про економічну ефективність результатів роботи і відгуками, доданими до дисертації.

Ключові слова: контурний гістерезис, прилад з міждоменним електронним переносом, жива клітина, датчик.

Аннотация

Небеснюк О. Ю. Конструкции и технология электронных логических устройств на основе СВЧ-микроэлементов с контурным гистерезисом.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники.- Херсонский государственный технический университет , г. Херсон, 2003.

Защищается 14 научных работ и один патент Украины на изобретение, которые содержат теоретические и экспериментальные исследования логических схем и устройств СВЧ- и КВЧ-диапазонов микровакуумной и микротвердотельной электроники.

В диссертационной работе проведен анализ общетеоретических сведений о природе контурного гистерезиса, что послужило основой для моделирования и исследования физических процессов в микроэлектронных СВЧ- структурах. Общие тенденции развития электроники и микроэлектроники обусловили преимущественный интерес к разработке технологий и конструкций СВЧ-приборов с междоменным электронным переносом, как для традиционных областей применения, так и для применения в медицине, биологии, биофизике.

В диссертации впервые подтверждено и исследовано явление контурного гистерезиса в твердотельных микроэлектронных элементах с междоменным электронным переносом, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена математическая модель электронных процессов в системе взаимосвязанных СВЧ-микроэлементов, учитывающая междоменный характер переноса носителей заряда, на основе которой, предложены аппаратурно-технологические принципы создания нового класса однокристальных интегрированных СВЧ- устройств. Важным положением является обоснование того, что использование разработанных (логического и порогового) элементов на СВЧ МЭП-приборах позволяет реализовать практически все основные узлы вычислительной системы: полусумматоры, сумматоры, шифраторы, дешифраторы, схемы переноса, счетчики, регистры и т.д.

В результате исследований предложен и разработан новый микроэлектронный резонансный датчик, в виде интегрированных однокристальных твердотельных СВЧ-микроэлементов на основе арсенида галлия и разработана технология его изготовления. Разработанный датчик стойко работает в интервале высоких рабочих частот, широком температурном диапазоне. Он имеет высокую радиационную стойкость (при эксплуатации в условиях космоса, в системах управления движением воздуха в районах аэродромов в условиях повышенной плотности полетов), и достаточно надежен в эксплуатации, так как выполнен на одном кристалле, т.е. не содержит частей и деталей, подверженных изменению электрофизических свойств под действием радиации.

Предложено новое схемотехническое решение по созданию логической управляющей системы на микровакуумных и твердотельных СВЧ- микроэлементах, моделирующей по основным показателям функционирование живой клетки и имитирующей биополевые информационные воздействия на организм, которая может быть использована в биорезанансной диагностике и терапии.

Приведенные результаты материалов диссертации реализованы в промышленных условиях на Запорожском титаномагниевом комбинате, ООО-“ЦЕС - Украина”, ОАО “Гамма”, ОАО “Мотор- Сич” и др., что подтверждается соответствующими справками об экономической эффективности результатов работы и отзывами, прилагаемыми к диссертации.

Ключевые слова: контурный гистерезис, прибор с междоменным электронным переносом, живая клетка, датчик.

Аnnotation

Nebesnuk O.Yu. Construction and technology of electronic logic units based on microwave microelements with contour hysteresis.- Manuscript.

The thesis for obtaining scientific degree of candidate of technical sciences in the specialty 05.27.06.- technology, equipment and electronic facilities production.-Kherson State Technical University, the city of Kherson,2003.

14 research works and the invention patent of Ukraine including theoretical and experimental research of logic circuits and microwave-and-UHF range units of microvacuum and microsolid-state electronics are being presented.

The principles of designing logic circuits and units with contour hysteresis based on microvacuum devices with cross-domain carry and the technique of modeling circuits and units, the basis of which they are, the modeling of UHF live cells control system on the basis of devices with contour hysteresis, the design principle and pressure sensor circuit based on the suggested models are worked out.

The thesis developments and recommendations have been realized in the field conditions at Zaporizhzhya titanium-and-magnesium works, the partnership “CES-Ukraine”, the public corporation “Gamma”, the public corporation “Motor-Sich”,ets., that being confirmed with the appropriate introduction documents and comments added to the thesis.

Key words: contour hysteresis, device with cross-domain electronic carry, live cell,sensor.

Размещено на Allbest.ru

...