Разработка сенсоров на основе сегнетоэлектрических пленок для гибридных сенсорных систем Д. А. Коваленко, В. В. Петров



Скачать 65.42 Kb.
Дата05.11.2016
Размер65.42 Kb.
Разработка сенсоров на основе сегнетоэлектрических пленок для гибридных сенсорных систем

Д.А. Коваленко, В.В.Петров
Южный Федеральный Университет
В современное время с увеличением сбора, обработки и хранения тех или иных данных, возникает необходимость проводить измерения сразу по нескольким физическим величинам. В связи с этим очень большую популярность в последнее время получают гибридные сенсорные системы, то есть системы не только способные одновременно измерять несколько различных физических или химических величин, но использующие органические и неорганические функциональные материалы.

В данной работе рассматривается применение сегнетоэлектрических пленок в качестве сенсоров для гибридных сенсорных систем. Благодаря свойствам сегнетоэлектрических пленок область их применения очень широка. В зависимости от конструкции сенсорного элемента на основе сегнетоэлектрических пленок можно создать различные типы датчиков [1].

Создав сенсорный элемент мембранного типа на основе сегнетоэлектрических пленок можно получить датчик акустических волн, а так же датчик давления высокой чувствительности. Исследования приведенные в [2], показали, что диапазон чувствительности такого сенсора шире, чем у существующих пьезорезистеров, а уровень помех ниже. Сенсоры структуры «консольной балки» могут быть использованы в качестве акселерометров. Создав особую структуру из 4 перемычек с присоединенной посередине массой можно получить трехосевой высокочувствительный акселерометр [3]. Так же сам сегнетоэлектрический материал способен реагировать на изменения электромагнитных и электростатических полей.

Таким образом, из выше приведенных примеров можно сделать вывод о том, что на основе одинаковых сегнетоэлектрических пленок, варьируя лишь структурой сенсора, возможно создание гибридной системы сенсоров.

Основным признаком сегнетоэлектрических материалов является наличие спонтанной поляризации, которая происходит в результате смещения иона Ti4+ (или замещающего его) в объеме элементарной ячейки из центрального положения и деформации ячейки. При получении твердых растворов на основе таких кристаллов можно получать материал с широким диапазоном свойств. Например при изменении соотношения компонентов твердого раствора BaTiO3 и SrTiO3 диэлектрическая проницаемость изменяется от 2000 до 12000, а точка Кюри от 120оС (BaTiO3) до 250оС (Sr TiO3) [4]. Из этих соображений в качестве материала для исследования нами был выбран цирконат-титанат свинца (ЦТС).

В лаборатории научно-образовательного центра «Микросистемной техники и мультисенсорных мониторинговых систем» (НОЦ «МСТ и МСМС») на установке высокочастотного реактивного распыления «Плазма – 80СЭ» были получены образцы сегнетоэлектрических пленок. В результате плазменного распыления на подложку высаживается пленка ЦТС в атмосфере кислорода. В качестве подложки мы использовали окисленный кремний. Основные технологические параметры напыления, а так же нумерация образцов представлены в таблице 1.

Рентгенофазовый анализ (РФА) показал прямую зависимость количественного содержания кристаллического ЦТС в структуре пленки от парциального давления кислорода в камере (рисунок 1). По средствам интерференционного микроскопа МИИ-4 были исследованы толщины пленок. Рост толщины пленки прямо пропорционален времени напыления и составляет 600 ± 60 нм/ч, таким образом, диапазон толщин полученных пленок составил 300 – 1000 нм.

Таблица № 1



Основные параметры процесса напыления образцов



t, мин

Pгаз, Па

Uэл, В

Uф, В

Ic, мА

Iк, А

Nпр., Вт

Nотр., Вт

1

90

0,4

0,73

1,05

1

0,49

270

8

2

60

0,4

0,74

1,04

1

0,49

270

7

3

30

0,4

0,74

1,08

1

0,5

270

8

4

90

0,44

0,73

1,23

1

0,49

270

8

5

60

0,44

0,73

1,32

1

0,49

270

9

6

30

0,44

0,73

1,35

1

0,49

270

8

7

90

0,51

0,7

1,44

1

0,5

270

6

8

60

0,51

0,71

1,41

1

0,5

270

8

9

30

0,51

0,7

1,45

1

0,49

270

6

Рис. 1. – Спектры, полученные в результате рентгенофазового анализа.


Значения емкостей полученных образцов лежит в диапазоне от 200 – 1100 пФ. Наибольшие значения емкостей наблюдались у образцов 8 и 9, что соответствует данным полученным при помощи структурных исследований образцов.

Рис. 2. – Схема Сойера-Тауэра для исследования диэлектрического гистерезиса.


По схеме Сойэра-Тауэра (рисунок 2) был собран стенд для измерения петель диэлектрического гистерезиса [5]. Сенсорный элемент представлял собой консольную балку (рисунок 3). Результаты исследования показали, что диапазон поляризаций образцов лежит в пределах 0,06 – 2,2 мкКл/см2. Затем после исследования петель диэлектрического гистерезиса мы создавали внутри пленки полевым и температурным воздействием постоянное поляризованное состояние и исследовали полученные поляризованные образцы на динамические деформации.

Рис. 3. –Конструкция сенсора скорости потока газа балочного типа 1-провода, 2-контактные площадки, 3-пленка ЦТС, 4-кремний КЭФ-0,01, 5-стеклотекстолит.


После обработки полученных данных, мы расчетным путем находили пьезомодули образцов, величины которых прямо пропорциональны величинам емкостей. Значения рассчитанных пьезомодулей лежали в диапазоне 0,04*10-12 – 13,3*10-12 Кл/Н. Образцы под номерами 1 – 3 не удалось заполяризовать. По-видимому, это связано с малым количество кристаллического ЦТС в структурах данных образцов.

Таким образом, по результатам исследований можно утверждать, что наилучшими сегенетоэлектрическими свойствами обладали образцы под номерами 8 и 9. Данные образцы можно использовать как сенсорные элементы в гибридных сенсорных системах.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.А18.21.2052«Разработка технологии формирования наноструктурированных материалов и гибридных сенсорных систем на их основе»

Список литературы:
1. Мухортов В.М., Юзюк Ю.И. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок: получение, свойства и применение. Ростовн/Д: Изд-воЮНЦРАН, 2008. – 224 с.

2. Kunz K., Enoksson P., Stemme G. Highly sensitive triaxial silicon accelerometer with integrated PZT thin film detectors // Sensors and Actuators 2001. - A 2969. – p. 132-138.

3. Horowitz S. B., Nishida T., Cattafesta L. N. and Sheplak M. Design and Characterization of a Micromachined Piezoelectric Microphone // 26th AIAA Aeroacoustics Conference 2005.

4. Лайнс М., Гласе А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М.: Мир, 1998. - 736 с.



5. Печерская Е.А., Метальников А.М., Вареник Ю.А., Бобошко А.В. Метод измерения тока переключения и диэлектрических параметров сегнетоэлектриков // Нано- и микросистемная техника.- 2012.- №1.- с. 24-26.


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница