Выпускная квалификационная работа бакалавра Получение и изучение свойств электромагнитных устройств на основе металлических тонкопленочных систем (стр. 6 )

Рисунок 11 – Устройство блока измерителя удельного сопротивления.

Измерительный блок представлял собой жесткий корпус, изготовленный из алюмо-пластикового композита и ПВХ. Верхнюю и нижнюю панели корпуса соединяют три болта, создающие необходимую жесткость. Предметный столик изготовлен из ПВХ и крепится на нижнюю панель с помощью двусторонней клейкой ленты. Основная деталь конструкции – четырехзондовая головка изготовлена из разъема типа «мама» цифрового компьютерного интерфейса USB типа «mini». Доработка заключалась в удалении металлической экранировки, одного контакта и части пластиковой колодки, защищающей контакты. В результате была получена достаточно качественная зондовая головка с пригодными для данной области задач техническими характеристиками. Зондовая головка крепится с помощью цианакрилового клея к гибкому V образному кантилеверу из оцинкованной стали толщиной 0.5 мм. Такая форма кантилевера была продиктована задачами, поставленными для решения с помощью данной установки – по причине малой прочности объектов измерения было необходимо снизить до минимума перемещения зондов в плоскости образца (чтобы зонды не процарапывали поверхность).Кантилевер крепится к задней стенке с помощью шести болтов. На верхней панели устройства закреплен измерительный микрометрический винт, в данном устройстве используемый в качестве передаточного устройства. Микрометрический винт представляет собой головку с рукояткой для вращения и непосредственно винт, на свободном конце которого с помощью двух винтов закреплен шариковый упор, представляющий из себя пишущий узел шариковой ручки. Шариковый упор передает поступательное перемещение винта кантилеверу, а тот, в свою очередь, зондовой головке. Шариковый упор необходим для исключения влияния поперечных движений оси винта на зондовую головку.

Электрическая система установки представляет собой четыре медных полированных зонда, которые с помощью многожильных медных проводов сечения 0.5 мм соединены со стандартными одноконтактными штекерами 4.5 мм диаметром. Непосредственно после зонда все четыре провода включены в четырехпроводной кабель, далее, при выходе из устройства они переходят в два двухпроводных кабеля, один из которых несет провода, подключенные к токовым зондам, а два других – к сигнальным. Оконцовка изоляции кабеля с сигнальными проводом отмечена черным цветом во избежание неправильного подключения устройства к измерительному оборудованию. Так же устройство включает в себя переключатель полярности тока, подающегося на токовые зонды.

Для подготовки устройства к работе, оно с помощью разъемов подключалось к источнику тока и вольтметру. Измерения удельного сопротивления тонких пленок проводились непосредственно после напыления. Образец с помощью двусторонней клейкой ленты устанавливался на предметный столик устройства проводящим слоем вверх. Далее, вращая ручку микрометрического винта по часовой стрелке зонды опускались на поверхность. Момент касания зондов определялся по обнулению показаний вольтметра. За счет высокой чувствительности прибора, в разомкнутых контактах возникали возмещения электрического поля, что отображалось на экране вольтметра как скачущее напряжение порядка ±0.01 В. Далее, на источнике тока выставлялся необходимый ток, а с вольтметра снималось соответствующее напряжение.

Четырехзондовый метод использует сложное уравнение, описывающее растекание тока в объемном проводнике. В случае же тонкой пленки ток между зондами течет практически параллельно плоскости, и уравнение сводится к более простому

,        (3)

где        d – толщина пленки, м;

       U – напряжение меду зондами 2–3, В;

       I – ток между зондами 1–4, А.

Для усреднения результата использовалось восемь – десять точек на поверхности образца. Была исследована вольтамперная характеристика тонких пленок в диапазоне токов от 0.01 до 0.1 А, и показала себя достаточно равномерно. Поэтому для дальнейших измерений был использован ток 0.1 А.

Результаты измерений зависимости удельного сопротивления от толщины приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты измерений удельного сопротивления тонких пленок различных металлов в зависимости от толщины.

Толщина, нм	Проводимость, МСм/м
Cu	Al	Au	Ag
50	1,9528	7,5184	23,5181	27,8186
100	3,3107	9,0866	24,6004	28,5682
150	3,8138	9,8354	25,0846	29,0181

Так же были проведены сравнительные исследования изменений удельной проводимости со временем. Для этого были получены образцы тонких пленок, и измерена их удельная проводимость непосредственно после напыления и спустя 24 часа после напыления. Результаты измерений приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Исследование деградации тонких пленок толщиной 100 нм и сравнение с проводимостью массивных материалов

Удельная проводимость, МСм/м
Cu	Al	Au	Ag
Непосредственно после напыления	3,3107	9,0866	24,6004	29,0181
Спустя t=24 часа	3,0542	8,3495	25,8471	30,1138
Табл. Данные для массивных материалов [31]	58,1	37	45,5	62,5

При повторном измерении удельного сопротивления возникает погрешность, связанная с увеличением оксидной пленки на поверхности металла. Поэтому было проведено исследование деградации тонкой пленки алюминия толщиной 100 нм без отрыва зондов от поверхности в течение 90 минут. Результаты эксперимента отображены в таблице 4.

Таблица 4 - Зависимость удельной проводимости тонкой пленки алюминия толщиной 100 нм от времени. Без влияния изменения толщины оксидной пленки.

Время, мин	Удельное сопротивление, Ом*мкм
5	0,1801
10	0,1815
15	0,1808
20	0,1811
25	0,1817
35	0,1816
45	0,1821
60	0,1816
90	0,181

Так же был проведен элементный анализ тонкой пленки меди с помощью микрорентген флуоресцентной приставки OXFORD, с целью выявить причину аномально низкой проводимости. Результаты исследования приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Результаты элементного анализа тонкой пленки меди

Элемент	Весовой %	Атомный %
O	2.08	7.79
Cu	97.92	92.21

2.4 Изготовление катушек индуктивности на основе тонких пленок

Электромагнитные устройства, созданные в рамках работы, представляли собой тонкопленочные катушки индуктивности на ферромагнитных сердечниках. Для создания использовались пленки полиэтилентерефталата толщиной 20 мкм с напыленными слоями металлов толщиной 150 нм. Напыление производилось с помощью установки магнетронного напыления. для создания определенного рисунка проводящей дорожки, области, которые должны были остаться чистыми закрывались маской, изготовленной из листового мягкого гибкого пластика. Маски представляют собой полоски толщиной 1 мм шириной 11 мм и длиной 130 мм, в которой было вырезано окно длиной 115 мм и шириной от 3 до 6 мм. Маски изготавливались с помощью канцелярского ножа из предварительно размеченных листов пластика. Для закрепления легкой полиэтилентерефталатной пленки в камере магнетрона и придания ей плоской формы она вместе с маской закреплялась на достаточно тяжелом держателе из органического стекла с помощью набора канцелярских зажимов. Далее конструкция помещалась в камеру магнетрона, и проводилось напыление в обычном режиме, но с выключенным вращением столика в камере. После напыления конструкция извлекалась из установки, разбиралась, и подложка с напыленной проводящей дорожкой была готова для изготовления катушки индуктивности.

Изготовление катушки представляет собой намотку подложки с проводящей дорожкой на цилиндрический стержень и создание достаточно надежных контактов для подключения к измерительному оборудованию. Для исключения контакта проводящей дорожки с сердечником на подложке был создан припуск, свободный от покрытия, длиной около 10 мм, создающий первый изолирующий слой. Фиксация намотки обеспечивалась с помощью двусторонней липкой ленты.

Основной проблемой при изготовлении катушек являлись выводы катушки. По причине очень малой толщины пленки не имелось возможности создать контакт на ней с помощью пайки. Механический контакт должен был быть надежно закреплен относительно пленки, и не должен повреждать ее. При небольших приложенных на выводы усилиях, практически в любом направлении, выводы перемещались относительно пленки и повреждали ее, что влекло за собой потерю контакта. Поэтому были поставлены следующие требования к выводам:

- малая жесткость и шероховатость поверхности контакта

- неподвижное крепление контакта с малым давлением на пленку

- жесткое крепление внешних концов выводов

Контакты для катушки изготавливались из алюминиевой фольги толщиной 9 мкм и представляли собой две полоски размером мм. Концы контактов так же с помощью двусторонней липкой ленты фиксировались в толще обмотки соответственно в конце и в начале и выводились с разных сторон катушки. Подложка наматывалась проводящим слоем внутрь, что обуславливалось большим удобством изготовления и лучшей защищенностью слоя, а так же при скручивании слой сжимался, а не растягивался как при намотке проводящим слоем вверх, что способствовало увеличению надежности и уменьшению сопротивления полученных образцов.

Далее катушка закреплялась на пластинке текстолита мм с помощью тонкой медной проволоки в пластиковой изоляции. На концах пластинки имелись фольгированные участки для пайки выводов с катушки (для пайки алюминия использовался активный флюс), и исключения нагрузок на них.

2.5 Исследование основных параметров полученных устройств

Для исследования основных параметров полученных катушек индуктивности была изготовлена измерительная схема изображенная на рисунке 12.

Рисунок 12 – Электрическая схема измерения параметров катушки индуктивности.

Измеряемая катушка L1 последовательно с резистором R1 сопротивлением 100 Ом была подключена к генератору GEN Aglient E4437B. К резистору параллельно был подключен осциллограф OSC Tektronix DPO4104B. При включении генератора осциллограф отображал переменное напряжение на резисторе. О попадании генератора в резонанс с катушкой можно было судить по падению амплитуды напряжения на экране осциллографа [32].

Резонансная частота катушки описывается формулой

,        (4)

где        L – индуктивность катушки, Гн;

       C – межвитковая емкость, Ф.

Для вычисления индуктивности и емкости катушки был применен конденсатор известной емкости, который подключался параллельно к катушке. В результате резонансная частота контура менялась

,        (5)

где        Cи – емкость подключенного конденсатора, Ф.

Из (4) и (5) выражены

,        (6)

.        (7)

Добротность катушек рассчитывалась по формуле:

,        (8)

где        н – частота резонанса, Гц;

       L – индуктивность катушки, Гн;

       R – потери в катушке, Ом.

Были измерены параметры катушек индуктивности, собранных на основе алюминия, серебра и золота. Дорожки были напылены на полиэтилентерефталате, имели длину 120 мм, и ширину 3 мм. Катушка наматывалась на пластиковую трубку диаметром 2,5 мм и длиной 15 мм. Катушки имели по 7,5 витков. Результаты исследований приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Результаты измерений основных параметров катушек индуктивности с шириной дорожки 3 мм на основе тонкопленочных металлических систем в зависимости от материала проводника.

Материал проводника	Al	Ag	Au
н, МГц	213	139,5	157
н', МГц	209,5	120	135,5
L, нГн	0,855	20,791	15,999
С, нФ	0,652	0,062	0,064
R, Ом	85	25	35
Q	0,013	0,728	0,450
Си, нФ	0,022	0,022	0,022

Так же была исследована зависимость параметров катушек индуктивности от ширины проводящих дорожек. Проводники имели такую же длину и различались по ширине – 3, 4, 5 и 6 мм. Каркас использовался такой же, как и в первом эксперименте. Результаты измерений приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Результаты измерений основных параметров катушек индуктивности на основе тонких пленок серебра в зависимости от ширины проводника.

ширина дорожки d, мм	3	4	5	6
н, МГц	139,5	116,5	105,5	103,5
н', МГц	120,0	108,5	99,5	98,0
L, нГн	20,791	12,971	12,852	12,402
С, нФ	0,062	0,143	0,177	0,190
R, Ом	25	12	9	7
Q	0,728	0,791	0,946	1,152
Си, пФ	22	22	22	22

3 Обсуждение результатов.

При исследовании удельного сопротивления тонких пленок металлов были получены величины (таблица 3), отличающиеся от величин, соответствующих массивным материалам. Это обуславливается структурой напыляемого вещества. При магнетронном напылении в веществе возникает аморфная или поликристаллическая структура, с малыми размерами кристаллитов. Так же на проводимость влияет близость границ пленки. На рисунке 13 приведены сравнения проводимости тонких пленок с проводимостью массивных материалов, а так же изменение проводимости тонких пленок со временем.