автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Информационные датчики на основе объемных интегральных схем СВЧ

б од

ЙУВ Ю98

На правах рукописи

ЛИНЕВ АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

Информационные датчики на основе объемных интегральных схем СВЧ

05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре «Лазерные микроволновые информационные системы» Московского государственного института электроники и математики.

Научный руководитель:

д. т.н., проф. Гвоздев В.И.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

д. т.н., проф. Бушминский И.П. к.т. н., доцент. Данилин A.B. НИИ Точных приборов

Защита диссертации состоится «10» февраля 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета К063.68.04 Московского государственного института электроники и математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер. Д. 3\12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан декабря 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

Грачев H.H.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность темы. Развитие микроэлектроники потребовало использования большого количества природных материалов, не применявшихся ранее, а также создания и внедрения новых синтетических материалов не встречающихся в природе.

Расширение области применений материалов обусловило стремительное развитие исследований свойств новых материалов, разработку новых методик измерения и разработку инструментов, приборов и оборудования для исследования их физических свойств. Основные проблемы возникают на этапе исследования и контроля электрофизических параметров диэлектрических материалов, которые требуют решения задач по созданию эффективных методов измерения, основанных на высокочувствительных датчиках [1*].

Особое место занимает такая наукоемкая отрасль как микроэлектроника, вобравшая в себя большой объем знаний в области физики, химии, биологии, математики, материаловедения. Здесь используется большое количество разнообразных материалов, а также последние достижения в области взаимодействия материалов между собой, например, с высокоэнергетическими потоками вещества, например потоками плазмы, лазерным излучением, пучками ускоренных частиц и электромагнитным полем [2*].

В этом ряду значительное место занимают диэлектрические материалы в твердом, жидком и газообразном состоянии, поскольку они широко используются в создании изделий микроэлектронной техники. Изучению свойств диэлектрических материалов посвящено достаточно много работ [1* - 4*]. Расширение диапазона в области СВЧ и крайне высокочастотного диапазона, широкое их внедрение в народное хозяйство, космическую и военную технику предъявляет более жесткие требования к используемым материалам.

Несомненно, что среди диэлектрических материалов, используемых в микроэлектронной техники СВЧ диапазона особое место занимают твердые диэлектрики, которые являются одновременно и конструкционными материалами, выполняющими роль механического носителя конструкции, и СВЧ материалами, работающими в электромагнитных полях. Наглядным примером могут служить материалы, образующие радиопрозрачные элементы летательных аппаратов, которые являются для бортовых антенных систем защитной оболочкой,

одновременно придающей летательному аппарату нужную аэродинамическую форму.

Обычно свойства диэлектриков, в том числе и работающих в СВЧ диапазоне, оцениваются через основные электрические параметры - диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и пробивное напряжение.

В настоящее время нет теории позволяющей установить четкую аналитическую взаимосвязь между электрическими характеристиками диэлектриков и внешними воздействующими факторами, к которым относятся частота внешнего электромагнитного поля, температура, давление и мн. др. Поэтому важным остается непосредственный контроль параметров материалов на различных стадиях изготовления материалов электронной техники.

Известны, ставшие классическими, методы измерения параметров диэлектриков: резонансные, волноводные, оптические, калориметрические, пандометрические, методы измерения электрических характеристик различных сред[1*-4*].

Однако перечисленные методы имеют определенные недостатки. Резонансные методы имеют ограничения по частотному диапазону из-за их узкополосносги. Волноводные методы для перекрытия всего диапазона требуют создания нескольких датчиков, где перестройка каждого осуществляется в пределах 20-25% . Что касается оптических методов, то их воплощение наталкивается на ряд трудностей, связанных с экономическими и технологическими проблемами реализации измерительной аппаратуры. Применимость калориметрических методов ограничена в области коротких волн тем, что размеры измерительного конденсатора должны быть достаточно малы по сравнению с длинной волн, когда электрическое поле внутри измерительного конденсатора можно еще считать однородным. При невыполнении этого условия метод теряет свою простоту и трудности его теории значительно возрастают. К недостаткам пандометрических методов следует отнести невозможность измерения потерь исследуемых материалов и необходимость использования генераторов большой мощности.

В последние годы широкое распространение получили методы волноводных мостов, основанные на измерении фазового сдвига [4*].

Измерение амплитудных и фазовых характеристик применялось с использованием двухканального СВЧ фазометра. Схемы с фазовыми дискрименаторами позволяют значительно повысить точность измерений, особенно при исследованиях, проводимых в миллиметровом диапазоне волн.

Значения выходных низкочастотных сигналов фазового дискрименатора, которые пропорциональны синусу и косинусу измеряемой разности фаз, могут регистрироваться по отдельности, при этом для нахождения разности фаз необходимо вычислить величину тангенса разности фаз, взяв отношение этих сигналов.

Наиболее перспективным путем в этом направлении является замена в измерительных датчиках двухканальных линий на двухмодовую линию передачи. В этом случае эталонный и измерительный каналы находятся в одинаковых внешних условиях. Проведенный анализ позволяет сделать вывод о необходимости разработки более универсальных измерительных датчиков на основе фазового метода, работающих в широкой полосе частот.

При разработке датчиков очень важным является экономический фактор, поскольку стоимость измерительного датчика пропорциональна квадрату частоты [1*]:

Стоимость ~ (a/Acof,

где Лш - полоса рабочих частот.

Так, например, стоимость одного комплекта информационных датчиков

сантиметрового диапазона для определения водосодержания в нефти (серия ГО -201) поданным компании AGAR Corp. достигает 20000 долларов США.

Вторым не менее важным фактором является погрешность измерения. Исходя из свойств распространения электромагнитной волны в среде погрешность измерения диэлектрической проницаемости As/s пропорциональная (со/Асо)2 + Р(в/Ди), где F(ca/Aco) - погрешность емкостного коэффициента связи. Из анализа этих соотношений видно, что с ростом частоты повышается стоимость и погрешность измерения датчика. Для того, чтобы выйти из этого положения необходимо снизить эти факторы за счет перехода на объемное распределение базовых элементов в датчике и отказаться от резонансных методов измерения в пользу фазовых методов.

Исходя из вышесказанного следует, что проблемы разработки информационных датчиков на сегодняшний день остаются актуальными, поэтому необходимо искать новые технологические и конструкционные принципы их изготовления.

Переход к объёмным интегральным схемам (ОИС) позволяет исключить емкостные связи благодаря комбинации линий передачи, где всегда можно осуществить индуктивные (по магнитному полю) связи, которые не зависят от диэлектрической проницаемости среды

Р(оз/Ла>) => 0.

Кроме этого в ОИС можно подобрать линии передачи с очень широкой полосой рабочих частот Лш => о, что позволит эффективно использовать двухмодовые линии передачи для измерения фазовым методом.

Таким образок;, реализация информационных датчиков на основе ОИС СВЧ представляется наиболее перспективной, как с научно-технической, так и с точки зрения решения социально-экономических проблем.

Цель и задача работы. Основной целью диссертационной работы является исследование и" разработка информационных (измерительных) датчиков микроволнового диапазона на основе объемных интегральных схем с повышенной точностью и чувствительностью измерений в широкой полосе частот и микропроцессорной обработкой информационного сигнала.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1) Разработка физической и математической модели информационного датчика на основе теории объемных интегральных схем СВЧ.

2) Исследование элементной базы датчиков и выбор наиболее оптимальных расчетных формул, отвечающих достаточно хорошим совпадением с результатами эксперимента.

3) Разработка топологии и конструкции информационных датчиков для экспресс-контроля параметров внешней среды и среды в замкнутых технологических процессах.

4) Создание программных и аппаратных средств для обработки информационного сигнала и разработка сетевых алгоритмов для использования датчиков в корпоративных информационных системах передачи данных.

Научные результаты. К основным научным результатам, полученным лично автором, включенным в диссертацию и представленным к защите относятся:

1. Разработка принципиально новых информационных датчиков на основе предложенной физической и математической модели и алгоритмах их описания.

2. Предложение новой объемной цилиндрической двухмодовой линии передачи как базового элемента датчика для экспресс-контроля технологических процессов в замкнутых системах.

3. Разработка программных алгоритмов для использования сетей датчиков в информационных системах передачи данных

Практическая ценность. Итогом диссертационной работы являются разработанная физическая и математическая модели для расчета ..и проектирования информационного датчика, а также алгоритмы и программы для

анализа параметров среды с помощью датчиков встроенных в корпоративные информационные системы передачи данных. Практическая ценность работы заключается:

• в разработке методики расчета фазового информационного датчика;

• в разработке принципиально новой конструкции информационного датчика для измерения параметров замкнутой и внешней среды;

» в разработке двухмодовых линий цилиндрического типа как новых базовых элементов для информационных датчиков;

• в разработке алгоритмов и программ для датчиков встроенных в общую информационную сеть.

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при проектировании технологических замкнутых процессов изготовления интегральных схем микроэлектроники, а также для экспресс-контроля параметров нефтесодержащих продуктов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях МИЭМ для аспирантов и студентов (Москва 1996 г., 1997 г., Алушта 1996 г.), на секции «Объемные интегральные схемы СВЧ» при МГП ИТОРЭС им. A.C. Попова в 1995 г., а также на семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые информационные системы».

Методы исследования. Решение сформулированной в диссертационной работе научно-технической проблемы проектирования информационного датчика базируется на основе теории СВЧ цепей с использованием эквивалентных методов проектирования для определения волновых матриц рассеяния, описывающих физические свойства математической модели.

Достозериость научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

• математическими выводами по физическим моделям информационного датчика и его базовым элементам (линии передач и неоднородности), сравнением результатов расчета с данными полученными из других литературных источников;

• результатами экспериментальных исследований с использованием нескольких методов измерения одного и того же параметра:

• сравнением разработанных информационных датчиков на ОИС СВЧ с отечественной измерительной аппаратурой по точности и достоверности полученной информации;

• промышленной проверкой разработанных информационных датчиков в

замкнутых технологических процессах изготовления микросхем.

Реализация результатов и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы нашли практическое использование в ряде технических центров и на производственных объединениях. Основные результаты работы нашли применение в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики. На основе материалов диссертации на кафедре «Лазерные и микроволновые информационные системы» разработан и поставлен по курсу «Микроволновая функциональная электроника» цикл лабораторных работ. Научные результаты диссертации использованы при написании учебно-методических указаний, в курсовом и дипломном проектировании.

Исследования и практическая ре&пизация результатов проводилась в МГИЭМе по плану важнейших работ Комитета по высшему образованию РФ в рамках целевой комплексной научно-технической программы.

Диссертация содержит новую научно-техническую информацию, которая может быть полезна для специалистов, занимающихся вопросами проектирования информационных датчиков и проблемами их использования для экспресс-контроля параметров внешней и замкнутой среды.

Внедрение результатов диссертационной работы следует рекомендовать организациям для экологического контроля водных пространств, автозаправочным станциям для определения октанового числа и содержание воды в бензине, нефтеперегонным предприятиям для технологического контроля очистки нефти, предприятиям изготовляющим микросхемы для контроля диэлектрических плат и многим другим предприятиям и техническим центрам, где требуется экспресс-контроль диэлектрических параметров.

Таким образом, в диссертационной работе на основе проведенных исследований, разработаны основы базовых элементов и методика расчета конструкции принципиально нового миниатюрного информационного датчика для измерения параметров внешней и замкнутой среды, имеющего важное народохозяйственной значение. Внедрение информационных датчиков в корпоративные информационные системы, позволило на несколько порядков снизить время экспресс-контроля параметров среды в пространственно разнесенных точках технологического контроля.

Публикации. Положения и результаты диссертационной работы отражены в 7 публикациях и защищены 2 патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (99 наименований) и приложения, содержащего акты о внедрении. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, их них 37 занимают рисунки и графики.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ В первой главе обоснован выбор фазового метода измерений диэлектрических параметров и приведена физическая модель информационного датчика, В основе датчика применяются двухмодовые линии передачи, одна из мод электромагнитных колебаний используется в качестве эталонной линии, а другая -в качестве измерительной линии передачи. Сочетание в одной линии передачи двух мод (четной и нечетной типов волн) создает одинаковые условия по внешним воздействиям температуры, злажности, механических воздействий и т.п. Это, естественно, значительно снижает погрешность измерения.

На рас. 1. Приведена электрическая схема измерительного датчика, которая состоит из генератора 1, делителя мощности 2, двухмодовой линии передачи (на схеме она показана в виде двух линий с четной 3 и нечетной 4 волной), на выходе линии включен измеритель фазы 5.

Сигнал поступающий от генератора с равным делением мощности распределяется на дне линии передачи, одна из которых является измерительным трактом. В область измерительной линии вносится диэлектрик, который изменяет её дайну, что приводит к сдвигу фазы сигнала на выходе.

Л(р=ап^5]2 - аплаБо (1) где 5,2 и 5ц -коэффициенты передачи волновой матрицы рассеяния, частотные характеристики измерительного датчика.

Благодаря предложенной математической модели, методом декомпозиции получена общая волновая матрица рассеяния с- учетом реактивных неоднородностей в линиях передачи с использованием унифицированного метода Олинера. На основе полученной волновой матрицы рассеяния проведен анализ влияния конструкторско-технологических неоднородностей на выходные Для проведения абсолютных измерений ( рис. 1.а) диэлектрической проницаемости внешней среды (эталонная линия передачи экранирована) выражение (1) выразим через электрическую длину 0 измеряемого объекта:

<рх=в*-е». (2)

где: 9*и 0" -электрические длины линии передач с внесенной измерительной средой и без нее.

Существование в датчике двух линий передач позволит осуществлять

5

методами

измерения дифференциальным методом. В этом случае эталонная линия передачи будет выполнять дополнительные функции измерительной линии (рис. 1.6). Действительно, если погрузить датчик с квазиоткрытыми линиями передачи в жидкую или газообразную среду с изменяющейся по поперечным размерам диэлектрической проницаемостью, то на выходе измерительных линий будем наблюдать градиент изменения фазы с шагом равном поперечному сечению линии передач:

ДФ =0' -В\. (3)

где б* и 6' - -электрические длины линии передач с внесенной измеряемой средой.

Границы применимости предложенной математической модели определяются частотным диапазоном. При работе с датчиками со стороны длинных волн возникает проблема его геометрических размеров. Согласно модели (2, 3) уменьшение длины измерительной линии передач до размеров намного меньше половины длины резко уменьшается точность измерения. Действительно, при больших длинах волн трудно определить сдвиг фазы сигнала, поскольку Дф, то погрешность стремится к бесконечности. Отсюда следует, что уменьшение рабочей частоты требует увеличения длины измерительной линии, а это приводит к большим габаритам.

Для того, чтобы избежать этих трудностей проведен анализ использования в измерительных линиях поверхностных акустических волн с встречно-штыревыми преобразователями. Несколько сложнее решать проблемы при достижении предельных границ верхних частот. Предложенная математическая модель датчика верна только для волны низшего типа. При возникновений волн высшего типа необходимо производить отдельный расчет эффективной диэлектрической проницаемости.

На практике, в принципе, до этого не доходит, поскольку всегда можно подобрать геометрические размеры поперечного сечения линий и

Рис 2. Конструкции объемного Т-соединения а) и балансного делителя мощности б).

Штриховой линией показано включение балансного сопротивления Я5

диэлектрическую проницаемость подложки для устойчивого распространения волн низшего типа. С ростом частоты диэлектрическую проницаемость подложки и ее толщину необходимо уменьшить. В случае с подложками из кварца (е =4,3) толщиной 0.125 мм можно достигнуть верхних предельных частот до 60 ГГц (миллиметровый диапазон).

Во второй главе рассмотрена элементная база датчиков, построенная на основе объемных интегральных схем СВЧ (ОИС СВЧ). Основное внимание уделено классификации волноведущих линий передачи по основным физическим параметрам. К этим линиям относятся симметричная и несимметричная полосковые и щелевые лини передачи. Кроме того предложен новый тип цилиндрической линии передачи, в которой возникают четная и нечетная типы

а)

б)

волн. Рассмотрены распределение структуры электрического поля и основные физические свойства. Данная предназначена для измерения диэлектрической проницаемости жидких и газообразных сред в замкнутых системах. Для измерения твердых материалов и сред в открытых системах используется полосково-щелевая линия, для которой приведены дисперсионные характеристики.

Следующим базовым элементом является объемный Т-образный делитель мощности (рис. 2.а). Рассмотрены его физические свойства и приведена волновая матрица рассеяния с учетом реактивных неоднородностей. Результаты расчета сравниваются с экспериментальными данными.

Важным базовым элементом представлен в информационном датчике балансный делитель мощности (рис 2.6), позволяющий развязать по электромагнитному полю измерительный и эталонный волноведущие тракты. Приведенная математическая модель позволила получить аналитические соотношения коэффициентов волновой матрицы рассеяние, в которых учитываются параметры четных и нечетных волн. Результаты расчета частотных характеристик сравниваются с экспериментальными данными. Для выяснения влияния технологических допусков на геометрические размеры топологии схемы проведены численные расчеты частотных характеристик.

Глава три посвящена конструктивной реализации информационного датчика. В основе предлагаемого фазового метода используется принцип сравнения фазы сигналов СВЧ, распространяющихся по двум линиям передачи (рис.3). Одна линия из этой пары является эталонной, а другая - измерительной. В области измерения развязка между линиями передачи по электромагнитному полю составляет свыше 60 дБ. С выходов линий СВЧ сигнал попадает в измеритель, который детектирует сдвиг фазы СВЧ сигналов в постоянный ток.

Метод измерения заключается в следующем. При внесении в область одной из линий передачи измеряемого диэлектрика (твердый, жидкий или газообразный) изменяется ее электрическая длина (фазовая скорость сигнала), что приводит к дополнительному набегу фазы сигнала, который выделяется в детекторе. На выходе фазового детектора фиксируется величина тока закономерно связанного со сдвигом фазы сигнала между линиями передачи.

Для увеличения и уменьшения времени измерения диэлектрической проницаемости используется микропроцессор, который проводит полную обработку измерительного процесса. Здесь микропроцессор через аналого-цифровой преобразователь выполняет функции управления генератором СВЧ

сигнала, усилением выходного сигнала с детектора (измеритель сдвига фазы).сравнением сигнала с предыдущими измерениями (исключение случайных ошибок), расчета диэлектрической проницаемости по заданным соотношениям сдвига фазы сигнала и вывода результатов измерения на цифровой индикатор. В данном случае измерительный датчик со встроенным микропроцессором является информационным.

Для проведения абсолютных измерений диэлектрической проницаемости внешней среды информационный датчик герметически экранирован со стороны

__1

Рис. 3. Конструкция информационного датчика (1 и 2 - подложки, 3 -оходнаи СПЛ, 4 - выходная СПЛ, 5 и 6 - эталонная и измерительная НПЛ, 7 - генератор, 8 - фазовый детектор).

эталонной линии передачи, что дает возможность исключить влияние параметров внешних среды на информационный датчик. Это также позволяет более стабильно проводить калибровку каждого измерения. В этом случае сдвиг фазы сигнала равен:

2тс( I

X

Дф ■

2 2М

2М

(4)

M = Jl + 12—.

V ■ w

где; s, ,es- диэлектрическая проницаемость подложек датчика и измеряемого материала; d - толщина подложки; w, Р. - ширина и длина узких проводников НПЛ; /„-длина волны в воздухе.

Информационный датчик может проводить измерения дифференциальным методом. В этом случае исключаем экранированный корпус со стороны эталонной линии, которая будет выполнять функции измерительной линии.

Действительно, если погрузить датчик в жидкую или газообразную среду с изменяющейся по поперечным размерам диэлектрической проницаемостью, то на выходе измерительных линий мы будем наблюдать градиент изменения фазы с шагом, равным 2d:

Дер = (5)

б, = г +-*— 2 2М

г7=—-2- + —-

2 2М

где: - диэлектрические проницаемости среды с верхней и нижней внешних сторон подложек.

Исследование конструкций датчиков и базовых элементов на ОИС СВЧ позволяют перейти к разработке модифицированной конструкции, отвечающей требованиям технологии производства и удовлетворяющей по параметрам эксплуатации пользователей. Информационный датчик со встроенным микропроцессором и блоком управления представляет собой законченное (доведенного до сервисного вида) устройство для измерения диэлектрических параметров среды.

Блок схема информационного датчика, представлена на рис. 4, содержит микропроцессор (1), например IBM PC/AT 386 (Intel80386 или Intel80486), пульт управления (2) (клавиатура ПЭВМ), блок индикации (3), например видеомонитор «Электроника 32ВТЦ - 2», цифроаналоговый (4) (К572ПА1) и аналого-цифровой

Блок Инди кации

Пульт Управления

Микропроцессор (ПЭВМ)

—1

И-терфейс

ЦйП-2

Формирователя импульсов (ФИ

Генератор (ГУН)

А

ЛЛ

УЕХ

Измеритель

Дф

ЦйП-1

I Интегратор РС

Генератор (СВЧ)

Измерительное устройство |

Рис. 4. Структурная схема информационного датчика.

(К1108ПВ1) преобразователи, СВЧ генератор (6) качающейся частоты, например с рабочей частотой 2,5 ГГц, измерительное устройство (7),

представляющее собой объемную гибридную, интегральную схему СВЧ диапазона, защитный корпус (8), например металлический из сплава Д-16 АМЦ или ковара (29 НК) с гальваническими покрытиями никелем 1 мкм, и золотом 3 мкм. Один из входов микропроцессора (1) соединен с пультом управления (2). Другой вход микропроцессора (1) через аналого-цифровой преобразователь (5) с выходом измерительного устройства (7). Один из входов микропроцессора (1) соединен с блоком индикации (3). Другой вход микропроцессора (1) через аналого-цифровой преобразователь (5) соединен с СВЧ генератором (6) качающейся частоты.

1

Рассмотренный информационный датчик отличается от всех известных по следующим конструктивным параметрам. Введение дополнительно измерителя сдвига фазы сигнала, позволяет в процессе измерения через дисперсию фаза сигнала контролировать параметры среды. Устройство выборки-хранения дает возможность в каждом процессе измерения калибровать точность измерения. Интегратор ЯС обеспечивает суммирование поступающего сигнала. Генератор, управляемый напряжением, необходим для подачи сигнала на формирователь импульсов. Интерфейс позволяет согласовать цифровую обработку сигнала, а формирователь импульсов осуществляет переход от аналоговой к цифровой обработке сигнала. Введение дополнительно еще одного цифро-аналогового

преобразователя позволяет осуществлять двухканальную систему обработки.

Интерес представляют датчики, позволяющие измерять диэлектрические параметры среды в замкнутых системах. В этом случае измерительная линия выполнена в виде цилиндрической трубы из диэлектрика (рис. 5). На внешней стороне трубы расположены в продольном направлении два широких и один узкий проводники, которые разделены между собой узкими зазорами. По этим проводникам распространяются два типа колебаний (четная и нечетная типы волн). Распределение электрического поля приведено на рис. 5.

Физика работы датчика для измерения диэлектрических параметров среды заключается в следующем. При возбуждении диэлектрической трубы СВЧ полем в

Рис. 5. Конструкция датчика и распределение поля четной и нечетной волны.

1б

пространстве между проводниками возникают волны четного (квази Т-волна) и нечетного (квази Н-волна) типа (рис. 5.). При этом величина напряженности электрического поля четной волны максимальна во внутренней полости диэлектрической трубы, а нечетной волны в узких щелях между проводниками. В зависимости от среды, внесенной во внутреннюю полость трубы, изменяется эффективная диэлектрическая проницаемость четной волны.

Каждая волна обладает индивидуальной структурой электромагнитного поля - топологией, которая представляет собой совокупность силовых линий. Эта характеристика поля способна изменяться лишь дискретно.

Таким образом, типам волн, распространяющихся в датчике, можно условно приписать значения логических переменных «1» (квази Т-полна) и «О» (квази Н-волна). Такая кодировка электромагнитного поля позволяет применить цифровой подход к обработке измерительной информации.

Функцию первичного преобразования датчика можно записать следующим образом:

ДФ = ф), (6)

здесь е - относительная диэлектрическая проницаемость среды, которая, в свою очередь, представляет собой функцию:

е = Р(п,у,р,^Д1,ш), (7)

где: п - концентрация примесей в измеряемой среде; V - скорость движения среды; р - плотность; 1 - температура среды; М- разность температур между эталонной и измеряемой линиями; о - рабочая частота генератора.

При введении во внутреннюю часть трубы жидкой или газообразной среды (диэлектрическая проницаемость больше 1) фазовая скорость распространения волны, соответствующей логической «1», уменьшается, а логического «О» остается постоянной. Это позволяет при измерении выбрать логический «О» за эталонный, относительно которого фиксируется сдвиг фазы Дер логической «1».

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки сетевых алгоритмов для информационных датчиков, включенных в общую магистральную сеть. Перспективным направлением применения информационных датчиков является их использование в составе корпоративных информационных систем передачи данных (СПД).

Начальным этапом разработки алгоритма является определение места включения информационных датчиков в различные точки технологического процесса. К этим процессам могут относиться нефте- или газопроводы, водные

магистрали и процессы технологического производства, например, радиоэлектронной аппаратуры. Общий вид включения п - число информационных датчиков приведено на рис. 6. Стрелками на рисунке указаны прямые и обратные связи (а,,а,,а3,...ап). Полученная информация с этих датчиков непосредственно посылается в центральный блок, где происходит полная обработка информации и паспортизация выходных данных с каждого информационного датчика.

Рис. 6. Блок-схема контроля магистрали нефтепровода с помощью информационных

датчиков.

Проведён анализ основных характеристик и обоснован выбор программной платформы Lotus Notes для создания корпоративных территориально-распределенных информационных систем передачи данных.

Рассмотрены различные варианты конфигурации сети передачи данных обеспечивающие сбор и доставку в корпоративный центр технологической информации от информационных датчиков используемых для экспресс-контроля твердых, жидких и газообразных сред.

Много внимания уделено использованию информационных датчиков в технологических процессах изготовления гибридных ИС СВЧ. Проведено изучение с помощью датчиков частотных характеристик влияния потерь в диэлектрических подложках А-995К, ВК-94-1 и др. От шероховатости их поверхности. Также исследована зависимость объемной массы диэлектрика и анизотропии в параллельном и перпендикулярном направлении относительно плоскости подложек от диэлектрической проницаемости для материалов поликор, ситалл и 22ХС. Кроме этого исследована динамика травления подложек и температурные зависимости диэлектрической проницаемости.

Информационные датчики можно с успехом применять и в других областях народного хозяйства. Для сохранения экологического состояния внешней Среды необходимо использовать замкнутые технологические системы для очистки воды,

нефти, продуктов нефтехимии и т.д. либо подачи топлива для различных систем (котельные, ТЭЦ и т.п.).

а) 6)

Рис. 7. Зависимость распределения жидкостей в резервуаре а) абсолютным методом, б) дифференциальным методом

Экспресс-контроль в перечисленных замкнутых технологических системах эффективно осуществляется при включении датчиков в информационную сеть с общим выходом в базы данных, для контроля, например, уровня жидкостей (бензол, ацитон, углеводородные и др. жидкости) в резервуарах или уровня расслаивающихся сред и их границ раздела (рис. 7.а).

Разработанным методом можно не только определить уровень бензина в резервуаре автозаправочной станции, но и наличие воды вблизи дна при условии их расслоения. Иногда необходимо контролировать распределение диэлектрической проницаемости дисперсированной смеси жидкости. В этом случае используется информационный датчик с дифференциальным методом контроля диэлектрической проницаемости (рис. 7.6).

Простота и точность измерения дает широкие возможности применения информационных датчиков от контроля технологических процессов микроэлектронной техники до экологического контроля параметров окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Проблемы разработки микроволновых информационных датчиков для измерения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот решались в течении многих десятилетий. И только развитие в последние годы

объемных интегральных схем СВЧ обеспечило возможность создания широкополосной элементной базы, которая при достаточно хорошем согласовании позволила реализовать фазовые методы измерения в информационных датчиках. В работе рассмотрены проблемы проектирования информационных датчиков и народнохозяйственные отрасли (нефтегазовая промышленность, топливно-энергетический комплекс, радиоэлектронная промышленность и т. п.), в которые доступно их широкое внедрение.

1. Исследованы физические принципы работы информационного датчика, на основе которых предложена математическая модель и получены для нее волновые матрицы рассеяния с учетом неоднородностей в области соединения базовых элементов.

2. Проведена классификация базовых элементов (Т-соединения и линии передачи), на основе которой предложен новый объемный балансный делитель мощности, позволяющий развязать по электромагнитному полю измерительную и эталонную линии передачи, а также предложена новая цилиндрическая линия передачи для измерения параметров среды в замкнутых системах.

3. Разработан коммуникационный проект сети передачи технологических данных для территориальных управлений магистральных нефтепроводов страны, в котором используются системы информационных датчиков, встроенные контрольно-измерительные комплексы узлов, расположенных от места добычи до станций раздачи и переработки нефти и нефтепродуктов. Разработанные программы позволяют использовать информационные датчики для контроля содержания воды в углеводородных жидкостях и октанового числа бензина, а также в замкнутых технологических процессах для определения параметров среды и материалов микроэлектроники. Экономический эффект достигается при использовании информационных датчиков на предприятиях топливо -энергетического комплекса для экспресс-контроля параметров горючих материалов в трубопроводах замкнутой системы.

Изготовлены действующие макеты информационных датчиков прошли испытания в технологических процессах по контролю диэлектрических плат для изделий микроэлектроники, на автозаправочных станциях по определению водосодержания в бензине.

Реализация информационных датчиков на основе ОИС СВЧ позволило обеспечить в октавной полосе частот точность измерения диэлектрической проницаемости среды до 1%, чувствительность измерений при этом достигается до 100 мВ\град., а быстродействие определяется временем цифровой обработки

информационного сигнала (готовность информационного датчика к измерению определяется временем выхода транзисторных схем на стационарный режим работы).

Информационные датчики защищены двумя патентами РФ, а основные материалы диссертации изложены в семи публикациях.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Гвоздев В.И., Линев А.А. Фазовые методы контроля среды на основе ОИС СВЧ //Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1993. №3. С.79-80.

2. Егошин Ю.И., Линев А.А. Информационная технология экологического экспресс-контроля окружающей Среды. Научн. техн. конф. молодых ученых. М. МИЭМ. 1995, С.6

3. Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Линев А.А., Назаров И.В. Датчик для измерения диэлектрической проницаемости среды в замкнутых системах. // Измерительная техника. 1996. №2. С. 44-45.

4. Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Линев А.А., Назаров И.В., Черняков Г.М. Датчик для измерения физических параметров среды. // Патент РФ. № 2057325. Бюл. изобр. 1996. №9.

5. Гвоздев В. И., Иовдальский В.А., Линев А.А., Подковырин С.И. Устройство для измерения диэлектрических параметров среды.// Решение о выдаче заявки РФ. №9439385/09 на изобретение от 30.09.96.

6. Гвоздев В.И., Иовдальский В.А., Линев А.А. Фазовый метод контроля диэлектрической проницаемости различных сред. // Измерительная техника., 1996, №4, С. 53-55.

7. Линев А.А. В кн. «Notes R.4.x: Разработка приложений. Язык LotusScript. Встроенные классы»/ Ионцев Н.Н., Кулаков В.К., Панов В.А. -С.Петербург: Научная книга. 1996. С. 3-4.

8. Линев А.А. В кн. «Администрирование Lotus Notes версий 4.x и Lotus Domino версий 4.5х»/ Ионцев Н.Н. -М: Светотон 1997. С. 1.

9. Линев А.А., Рузавин А.Н. Способ выравнивания амплитудно-частотных характеристик на основе объемных корректоров./'/«Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ». Тезисы докладов. - Москва: МГИЭМ. 1997. С. 100-101.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1*. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ -элементная база аналоговой и цифровой радиоэлектроники М,: Наука 1987. 2*. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 3*. Бриндли К. Измерительные преобразователи. М.: Энергоатомиздат 1991. 4*. Чернушенко A.M., Майбородин A.B. Измерение параметров электронных приборов дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. М.: Радио и Связь. 1986 С. 336.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННИКИ И МАТЕМАТИКИ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РФ

На правах рукописи УДК 621.365.8

ЛИНЕВ АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

"Информационные датчики на основе объемных интегральных схем

СВЧ"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.12.07 "Антенны и СВЧ устройства"

Научный руководитель доктор технических наук В.И. Гвоздев

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие.............................................................................................................................4

Введение......................................................................................................15

Глава I. Моделирование информационного датчика................................................16

1.1. Выбор физической модели датчика......................................................................17

1.2. Математическая модель................................................................................................................20

1.3. Граница применимости математической модели................................26

1.4. Выводы..............................................................................................................................30

Глава II. Элементная база датчиков на основе объемных

интегральных схем СВЧ.................................................................................................................32

2.1. Волноведущие линии передачи.....................................................................................33

2.1.1. Симметричная полосковая линия................................33

2.1.2. Несимметричная полосковая линия................................................34

2.1.3. Симметричная щелевая линия......................................................34

2.1.4. Несимметричная щелевая линия............................................................37

2.1.5. Полосково-щелевая линия.........................................................................39

2.1.6. Ленточная линия передачи.......................................................41

2.1.7. Цилиндрическая линия передачи..........................................................41

2.2. Объемная неоднородность Т-соединения........................................................44

2.3. Балансный делитель мощности................................................................51

2.4. Выводы....................................................................................................................................................................55

Глава III. Конструкция информационного датчика........................................................57

3.1. Описание фазового метода измерения..................................................................58

3.2. Конструкция и принцип работы измерительного датчика. 59

3.3. Модифицированная конструкция информационного датчика..................................................................................................................................................................................62

3.4. Информационный датчик для измерения параметров среды в замкнутых системах................................................................................................................75

3.5. Выводы....................................................................................................................................................................82

Глава IY. Разработка сетевых алгоритмов и внедрение информационных датчиков................................................................... 83

4.1. Применение датчиков в корпоративных информационных системах передачи данных............................ 84

4.2. Технологические и технические решения............................. 90

4.2.1. Опорная сеть передачи данных для информационных датчиков....................................................................................... 92

4.2.2. Система передачи технологической информации на базе опорной сети Notes....................................................................... 101

4.3. Контроль электрофизических параметров различных сред 104

4.4. Совершенствование технологии изготовления подложек 113 ГИС

4.5. Контроль изоляционных материалов при изготовлении

ГИС.............................................................................................. 118

4.6. Перспективы применения новых материалов и контроль

их параметров.............................................................................. 125

4.7. Применение информационных датчиков в замкнутых системах........................................................................................ 131

4.8. Выводы.................................................................................. 132

Заключение............................................................................................ 135

Литература............................................................................................ 137

ПРЕДИСЛОВИЕ

Насыщение пр о м ыш л енн о -р аз в иты х стран быстро развивающимися предприятиями химической, электронной, текстильной и др. отраслей приводит к экологическим проблемам окружающей среды. Современные высокие технологии требуют замкнутых перерабатывающих систем по этому на первое место выходят проблемы технологического контроля. Наиболее перспективными являются индивидуальные переносные информационные датчики, работающие в режиме экспресс-контроля.

В работе изложены основные принципы проектирования микроволновых информационных датчиков, основанных на фазовых методах измерения и предложены компьютерные методы обработки информационного сигнала. Это позволило создать миниатюрные и относительно дешевые информационные датчики экспресс-контроля параметров внешней среды и среды в замкнутом пространстве.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Гвоздеву В.И., а также сотрудникам кафедры "Лазерные микроволновые информационные системы" д.т.н. профессору Черкасову A.C., к.т.н. профессору Спиридонову О.П., к.ф.м.н. доценту Кузаеву Г.А., к.т.н. доценту Подковырину С.И., к.т.н. Назарову И.В. и Мамонтову A.B. за внимание, полезные советы и поддержку данного направления, а также инженеру НИИ "Исток" Иовдальскому В.А. за помощь в работе по изготовлению экспериментальных образцов датчиков и проведение экспериментов в замкнутых технологических циклах изготовления микроволновых интегральных схем.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие микроэлектроники потребовало использования большого количества природных материалов, не применявшихся ранее, а также создания и внедрения новых синтетических материалов не встречающихся в природе.

Расширение области применений материалов обусловило стремительное развитие исследований свойств новых материалов, разработку новых методик измерения и разработку инструментов, приборов и оборудования для исследования их физических свойств [1.2].

Основные проблемы возникают на этапе исследования и контроля электрофизических параметров диэлектрических материалов, которые требуют решения задач по созданию эффективных методов измерения, основанных на высокочувствительных датчиках [3].

Особое место занимает такая наукоемкая отрасль как микроэлектроника, вобравшая в себя большой объем знаний в области физики, химии, биологии, математики, материаловедения. Здесь используется большое количество разнообразных материалов, а также последние достижения в области взаимодействия материалов между собой, а также с высокоэнергетическими потоками вещества, например потоками плазмы, лазерным излучением, пучками ускоренных частиц и электромагнитным полем [4-6].

В этом ряду значительное место занимают диэлектрические материалы в твердом, жидком и газообразном состоянии, поскольку они широко используются в создании изделий микроэлектронной техники. Изучению свойств диэлектрических материалов посвящено достаточно много работ [4-10]. Расширение диапазона в области СВЧ и крайне высокочастотного диапазона, широкое их внедрение в народное хозяйство, космическую и военную технику предъявляет более жесткие требования к используемым материалам.

Несомненно, что среди диэлектрических материалов, используемых в микроэлектронной техники СВЧ диапазона особое место занимают твердые

диэлектрики, которые являются одновременно и конструкционными материалами, выполняющими роль механического носителя конструкции, и СВЧ материалами, работающими в электромагнитных полях [11, 12]. Наглядным примером могут служить материалы, образующие радиопрозрачные элементы летательных аппаратов, которые являются для бортовых антенных систем защитной оболочкой, одновременно придающей летательному аппарату нужную аэродинамическую форму [13].

Обычно свойства диэлектриков, в том числе и работающих в СВЧ диапазоне, оцениваются через основные электрические параметры -диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и пробивное напряжение.

В настоящее время нет теории позволяющей установить четкую аналитическую взаимосвязь между электрическими характеристиками диэлектриков и внешними воздействующими факторами, к которым относятся частота внешнего электромагнитного поля, температура, давление и мн. др. Поэтому важным остается непосредственный контроль параметров материалов на различных стадиях изготовления материалов электронной техники.

Известны, ставшие классическими, методы измерения параметров диэлектриков: резонансные, волноводные, оптические, калориметрические, пандометрические, методы измерения электрических характеристик различных сред [14, 15].

Резонансные методы, например: метод замещения, метод расстройки контура, измерения при помощи куметра, метод биений, радиоинтерференционные методы, метод Друде, метод пластины Д. А. Рожанского, коаксиальные резонаторы с торцевым зазором - обеспечивая сравнительно высокую точность получаемых результатов, применяются в самых различных диапазонах частот, включая СВЧ диапазон [16-21], что позволяет на их основе разрабатывать информационные датчики.

Идея резонансных методов, несмотря на различный характер её технического воплощения, состоит в наблюдении резонансных кривых

колебательного контура, в который введен образец исследуемого диэлектрика [1, 4, 22]. Изучение резонансных кривых до и после внесения диэлектрика позволяет по добротности контура и его резонансной частоте определить как действительную, так и мнимую части диэлектрической проницаемости образца.

Волноводные методы, например, метод Коллия, использующий коаксиальные линии для измерения диэлектрической проницаемости, метод полного заполнения сечения волновода, метод "бесконечного" слоя, метод вариации толщины образца, метод короткого замыкания и холостого хода -предназначены для измерении образцов исследуемого диэлектрика [23-25]. Волноводные методы измерения электрических характеристик диэлектриков достаточно полно разработаны для всего диапазона СВЧ, но к сожалению они требуют определенной геометрической формы измеряемых материалов.

Оптические методы в информационных датчиках используют идею наблюдения проходящих или отраженных электромагнитных волн, собранных в узкие пучки с помощью направляющих устройств. Достоинством оптических методов является сравнительная простота измерения, возможность работать в широком диапазоне длин волн, вплоть до субмиллиметровых, а также возможность производить измерения в условиях, приближающихся к естественным [26-27].

Калориметрические методы, например: метод относительных измерений, методы основанные на расширении жидкостей - могут быть использованы в измерительных датчиках до сантиметрового диапазона.

В основе калориметрических методов измерения диэлектрической проницаемости лежит нагревание исследуемого вещества в электрическом или магнитном полях высокой частоты. Непосредственно измеряемой величиной в этих методах является количество выделяемого тепла или пропорциональная ему скорость нагревания [15].

Пандометрические или силовые методы измерения диэлектрической проницаемости основаны на механическом действии электрического поля

на тела, находящиеся в этом поле [27]. В нашем случае использование этого метода в измерительных датчиках не представляет интереса в силу его низкой чувствительности.

Однако перечисленные методы имеют определенные недостатки. Резонансные методы имеют ограничения по частотному диапазону из-за их узкополосности. Волноводные методы для перекрытия всего диапазона требуют создания нескольких датчиков, где перестройка каждого осуществляется в пределах 20-25% [14]. Что касается оптических методов, то их воплощение наталкивается на ряд трудностей, связанных с экономическими и технологическими проблемами реализации измерительной аппаратуры [24].

Применимость калориметрических методов ограничена в области коротких волн тем, что размеры измерительного конденсатора должны быть достаточно малы по сравнению с длинной волн, когда электрическое поле внутри измерительного конденсатора можно еще считать однородным [14]. При невыполнении этого условия метод теряет свою простоту и трудности его теории значительно возрастают.

К недостаткам пандометрических методов следует отнести невозможность измерения потерь исследуемых материалов и необходимость использования генераторов большой мощности [15].

В последние годы широкое распространение получили методы волноводных мостов, основанные на измерении фазового сдвига [27-32].

Измерение амплитудных и фазовых характеристик применялось и при исследовании свойств СВЧ диэлектриков в условиях высоких температур. В [12] приведена схема комплексной системы измерения электрических параметров диэлектриков при высоких температурах с использованием двухканального СВЧ фазометра. Схемы с фазовыми дискрименаторами позволяют значительно повысить точность измерений, особенно при исследованиях, проводимых в миллиметровом диапазоне волн [12]. Значения выходных низкочастотных сигналов фазового дискрименатора, которые пропорциональны синусу и косинусу измеряемой разности фаз,

могут регистрироваться по отдельности, при этом для нахождения разности фаз необходимо вычислить величину тангенса разности фаз, взяв отношение этих сигналов.

Наиболее перспективным путем в этом направлении является замена в измерительных датчиках двухканальных линий на двухмодовую линию передачи [33]. В этом случае эталонный и измерительный каналы находятся в одинаковых внешних условиях.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о необходимости разработки более универсальных измерительных датчиков на основе фазового метода, работающих в широкой полосе частот.

При разработке датчиков очень важным является экономический фактор, поскольку стоимость измерительного датчика пропорциональна квадрату частоты:

Стоимость ~ (ш/Аш)2 ,

где Аш - полоса рабочих частот.

Так, например, стоимость одного комплекта информационных датчиков сантиметрового диапазона для определения водосодержания в нефти (серия ID - 201) по данным компании AGAR Corp. достигает 20000 долларов США [31]. На рис.1 приведена кривая 1 зависимости относительной стоимости датчика от частоты.

Вторым не менее важным фактором является погрешность измерения. Исходя из свойств распространения электромагнитной волны в среде

погрешность измерения диэлектрической проницаемости Ав/в

пропорциональная (со/Ао) + F(©/Ao), где F(o/Ag)) - погрешность

емкостного коэффициента связи [28].

На рис.1 эта зависимость приведена кривой 2. Из анализа кривых видно, что с ростом частоты повышается стоимость и погрешность измерения датчика. Для того, чтобы выйти из этого положения необходимо снизить эти факторы за счет перехода на объемное распределение базовых

элементов в датчике и отказаться от резонансных методов измерения в пользу фазовых методов.

Исходя из вышесказанного следует, что проблемы разработки информационных датчиков на сегодняшний день остаются актуальными, поэтому необходимо искать новые технологические и конструкционные принципы их изготовления.

Переход к объёмным интегральным схемам (ОИС) позволяет исключить емкостные связи благодаря комбинации линий передачи, где всегда можно осуществить индуктивные (по магнитному полю) связи, которые не зависят от диэлектрической проницаемости среды

Р(со/Дсо) => 0.

Кроме этого в ОИС можно подобрать линии передачи с очень

широкой полосой рабочих частот До) => 00, что позволит эффективно

использовать двухмодовые линии передачи для измерения фазовым методом.

Таким образом, реализация информационных датчиков на основе ОИС СВЧ представляется наиболее перспективной.

Цель и задача работы. Основной целью диссертационной работы является исследование и разработка сверхширокополосных информационных (измерительных) датчиков микроволнового диапазона на основе объемных интегральных схем с микропроцессорной обработкой информационного сигнала.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1) Разработка физической и математической модели информационного датчика на основе теории объемных интегральных схем СВЧ.

2) Исследование элементной базы датчиков и выбор наиболее оптимальных расчетных формул, отвечающих достаточно хорошим совпадением с результатами эксперимента.

Рис. 1. Зависимость стоимости (1) и погрешности измерений (2) информационного датчика от частоты

3) Разработка топологии и конструкции информационных датчиков для эк спр есс-к о нтр о ля параметров внешней среды и среды в замкнутых технологических процессах.

4) Создание программных и аппаратных средств для обработки информационного сигнала и разработка сетевых алгоритмов для использования датчиков в корпоративных информационных системах передачи данных.

Научные результаты. К основным научным результатам, полученным лично автором, включенным в диссертацию и представленным к защите относятся:

1) Ра�