автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Теория проектирования сегнетотермоэлектрических систем электротермостатирования устройств радиотехники и связи

На правах рукописи

J

ЖИЛИНА Лариса Ивановна

ТЕОРИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕГНЕТОТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕРМОСТАТИРОВАИИЯ УСТРОЙСТВ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ

Специальность:

05.12.13 — Системы и устройства радиотехники и связи

05.27.06 — Технология полупроводников и

материалов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ-1998

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения.

Научный консультант —

доктор технических наук, профессор КОЗЛОВ В. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КОФАНОВ 10. Н.;

доктор технических наук, профессор МИРОНЕНКО И. Г.;

доктор физико-математических наук, профессор САМОРУКОВ Б. Е.

Ведущее предприятие — ОАО «Спбкриотехнпка».

Защита диссертации состоится « 6 » 1998 г.

в час. на заседании диссертационного совета Д 063» 36.03

Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан _5~ Я&ГУС-ТД_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ЕГОРОВА.

©

Омский гос. университет путей сообщения, 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективы совершенствования систем управления радиотехнических устройств, радиоэлектронной аппаратуры связываются с дальнейшим повышением плотности компоновки, степени интеграции, комплексной миниатюризацией, освоением новых идей и технологий. Все перечисленные направления требуют особого, нетрадиционного подхода к решению проблемы обеспечения нормальных тепловых режимов элементов и устройств, отличающихся температурной чувствительностью или повышенными удельными тепловыми потоками. Причем особую актуальность приобретает эта проблема в случаях, когда высокое качество функционирования радиотехнических систем и элементов обеспечивается в узком температурном диапазоне при реверсировании или охлаждении. На современном этапе развития физических представлений об основных и перспективных способах теплопередачи можно заключить, что определяющей тенденцией развития техники термостабилизации должна являться реализация идеи совершенствования термоэлектрических преобразователей энергии.

Следует отметить, что ни один из существующих вариантов исполнительных элементов систем электротермостагирования не обладает таким набором уникальных свойств (возможность работы в режиме нагрева и режиме охлаждения, сочетаемость с микроэлектронной аппаратурой, экологическая чистота и др.), как термоэлектрические элементы. Но присущие термоэлектрическим микроохладителям недостатки: низкая энергетическая эффективность, дороговизна, специфичность систем управления препятствуют их широкому внедрению в радиоэлектронной аппаратуре.

Поскольку в ближайшее время не просматривается альтернативы термоэлектрическим преобразователям энергии как в плане расширения функциональных возможностей полупроводниковых приборов, так и в плане создания экологически чистых систем охлаждения, то очевидна актуальность проблемы комплексного улучшения технико-экономических показателей термоэлементов, исследования и разработки нового класса термопреобразователей, обладающих повышенной энергетической эффективностью.

Анализ литературных источников по проблемам термостабилизации радиотехнических устройств показывает, что вопросам разработки и совершенствования параметров систем тер-мостатирования уделяется большое внимание, хотя в последнее время число публикаций по этим вопросам значительно сократилось. Ведущие специалисты в области термоэлектричества и электротермостатирования радиотехнических устройств в своих современных работах основное внимание уделяют вопросам совершенствования технологии термоэлектрических полупроводниковых материалов, обеспечивающей увеличение условного показателя — добротности. Практически отсутствуют работы, посвященные анализу различных систем термостатиро-вания (СЭТС) с единых позиций, нет объективной методики сравнительной оценки эффективности СЭТС при решении проблем термостатирования различных объемов, в различных эксплуатационных условиях, в широком диапазоне холодопроизводительности. Это приводит к

проявлению необоснованного консерватизма при решении вопроса выбора перспективных термоэлектрических СЭТС.

Следует отметить, что в связи с широкими перспективами внедрения термоэлектрических преобразователей в сенсорику, измерительную технику, технологию совершенствования приборов с зарядовой связью, в результате которого возможно создание аппаратуры повышенной надежности, точности, быстродействия и новых функциональных возможностей, определилась тенденция разработки и исследования пленочных термоэлементов. При разработке пленочных термоэлементов основное внимание уделяется перспективным соединениям А|УВУ1, АУВУ1, а'"ВУ1, способам формирования в едином технологическом процессе полупроводниковых пленок различного типа проводимости с требуемыми свойствами. Вопросы конструктивного плана и энергопотребления требуют своего решения.

К сожалению, современные технологические возможности не позволили получить качественных, эффективных пленочных термоэлементов. Кроме того, в известных работах рассматриваются традиционные подходы усовершенствования объемных и пленочных термоэлементов. Очень мало работ, где анализируется комплексная задача улучшения технико-эксплуатационных показателей систем термостабилизации радиотехнических устройств, автоматизации процесса проектирования.

Таким образом, хотя в настоящее время вопросам термостабилизации уделяется большое внимание, на проблеме комплексного решения задачи улучшения технико-экономических показателей термоэлектрических СЭТС внимание не акцентируется, нет сквозной программы автоматизации проектирования, и, самое главное, не просматриваются перспективные, нетрадиционные способы существенного улучшения ТЭП термолектрических охладителей, позволяющие в полной мере реализовать всю уникальность их возможностей для совершенствования радиотехнических элементов и устройств, открыть новые функциональные перспективы для микроэлектроники.

Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка теории проектирования радиотех1шческих СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями и основ реализации нового класса микроохладителей на основе сегнетотермоэлементов.

Для выполнения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- разработаны нетрадиционные способы снижения основных составляющих энергопотерь;

- разработана теория физических явлений нового класса преобразователей на основе сегнетотермоэлементов;

- рассмотрены технологические особенности и основы практической реализации перспективных объемных и пленочных структур сегнетотермоэлементов;

- разработана и реализована методика и программа автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;

- разработана энергетическая модель и тепловая схема замещения адекватно отражающая влияние значимых факторов на общее энергопотребление;

- проведена комплексная оценка теоретически возможных способов улучшения технико-экономических показателей термоэлектрических СЭТС;

- обобщены и систематизированы достижения в области разработки термоэлектрических

СЭТС;

- предложена системная оценка эффективности различных терморегулирующих структур при решении проблем термостатнрования различных объемов, в различных эксплуатационных условиях, в широком диапазоне холодопроизводительности;

- разработана и рассчитана конструкция нового типа теплоотвода — активного управляемого радиатора;

- проведено моделирование СЭТС на основе сегнетотермоэлементов в пакете СББЕ;

- реализованы и внедрены экспериментальные образцы. _Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработана многопараметрическая энергетическая моделг, полупроводникового термостата, позволяющая реализовать дифференцированный анализ влияния конструктиппо-технологических особенностей СЭТС, исполнительного элемента и свойств полупроводникового материала на общее энергопотребление;

- впервые введено понятие сегнетотермоэлектрического преобразователя, разработана теория физических явлений и перспектив нового класса преобразователей на основе сегнетотермоэлементов;

- рассмотрены технологические особенности и основы практической реализации объемных и пленочных структур сегнетотермоэлементов;

- впервые разработаны конструкция и методика расчета активного управляемого радиатора;

- доказана возможность и перспективность теплоизоляции с избирательной теплопроводностью, предложен новый способ электротермической и магнитотермической поляризации для обеспечения стабильности свойств теплоизоляции;

- впервые с позиций системного подхода рассмотрен комплекс задач и методов улучшения технико-эксплуатационных показателей СЭТС;

- разработана методика автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

Техническая новизна предложенных решений подтверждается 7 авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- предложен и реализован конкретный комплекс рекомендаций по проектированию СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;

- впервые реализованы и исследованы образцы пленочных полузамкнутых структур ссг-нетотермоэлементов;

- создана инженерная методика автоматизированного проектирования СЭТС;

- разработаны и внедрены образцы СЭТС устройств радиотехники и связи с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;

- предложена технология изготовления в единичном технологическом цикле пленочных сегнетотермоэлементов.

В диссертации защищаются:

- новая структура термоэлектрических микроохладителей на основе сегнетотермоэлементов;

- энергетическая модель полупроводникового термостата, отличающаяся: разделением общего энергопотребления на группы составляющих, определяемых свойствами полупроводникового материала и сегнетоэлектрического покрытия; конструктивно-технологическими особенностями исполнительного устройства термостата; введением среднего уровня внутренних потерь, как исходной точки для теоретического и практического определения составляющих модели;

- теория проектирования СЭТС на основе сегнетотермоэлементов;

- метод экспериментального определения составляющих энергетической модели;

- методика проектирования функциональных СЭТС с использованием предложенных в диссертации нетрадиционных решений;

- нетрадиционные способы повышения энергетической эффективности СЭТС за счет реализации теплоизоляции с избирательной теплопроводностью.активных управляемых систем теплоотвода, сегнетотермоэлементов;

- результаты разработки систем электротермостатирования с улучшенными технико-эксплуатационными показателями: удельными конструктивными и энергопотреблением.

Основные положения работы докладывались на 36 конференциях. За последние 5 лет принято участие в следующих основных конференциях:

- Всесоюзная научная конференция "Повышение надежности РЭА с термоэлектрическими микроохладителями".— Москва, 1992.

- Международная научно-техническая конференция "Динамика систем механизмов и машин". — Омск, 1995.

- Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1996.

- Российская научно-техническая конференция "Системные методы теории чувствительности, надежности и математического моделирования".— Москва-Сочи, 1996.

- III Научно-практическая конференция "Энергосбережение на предприятиях западносибирской железной дороги".— Омск, 1997.

- Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий".— Сочи, 1997.

- Международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин".— Омск, 1997.

- Международная научно-техническая конференция "Проблемы оптимизации и экономические приложения".— Омск, 1998.

- Региональная научно-практическая конференция "Актуальные вопросы ресурсо-и энергосбережения на железнодорожных предприятиях Сибири".— Омск, 1998.

- Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1998.

- Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий". — Москва-Сочи, 1998.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 78 научных работах, из которых 63 печатные работы, 7 авторских свидетельств и патентов, 7 отчетов по НИР, 1 монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка литературы, включающего 283 наименования, и 7 приложений. Общий объем диссертации составляет 408 страниц, в том числе 231 страницу основного текста, рисунки и таблицы на 107 страницах, приложения на 46 страницах и список литературы на 24 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, намечены пути ее решения, проведен анализ современного состояния вопроса, сформулирована цель диссертационной работы и основные направления ее решения. Излагаются основные результаты работы, отмечается их новизна, приводятся сведения о практической реализации результатов исследований.

В первом разделе обобщены и систематизированы достижения в области разработки СЭТС устройств радиотехники и связи, разработана классификационная схема, предложена методика оценки эффективности СЭТС при различных термостатируемых объемах, эксплуатационных условиях, диапазонах холодопроизводительности. Оценка эффективности СЭТС производится комплексным методом. В одну систему объединяются основные нормированные показатели качества: потребляемая мощность, масса, объем, температурный диапазон, точность, экономические показатели, экологическая чистота, надежность, производительность и т.д.

Обобщенный показатель эффективности СЭТС находится по формуле:

кп

к,

\ 2

+ С,

К

2]

ки

где Код — опорное или эталонное значение показателя Ку.

С| - коэффициент значимости показателя качества Ку. На основании расчета обобщенных показателей эффективности даны рекомендации по области применения различных СЭТС устройств радиотехники и связи, сформулированы направления усовершенствования термоэлектрических систем охлаждения.

Во втором разделе проведен подробный анализ энергетических процессов термоэлектрических СЭТС, разработана многопараметрическая энергетическая модель (рис. 1), позволяющая реализовать дифференцированный подход к анализу введенных составляющих энергопотребления: полезной холодопроизводительности О о» среднего уровня внутренних энергопотерь (Знотвн.ср, внешних энергопотерь <3пспжсш- Дана оценка влияния теплоотвода на общее энергопотребление. Предложена методика теоретической оценки и практического определения указанных составляющих. Для универсального решения задачи определения оптимальной толщины теплоизоляции предлагается вводить два коэффициента эффективности теплоизоляции: безусловный коэффициент эффективности % и обобщенный коэффициент эффективности К.

Безусловный коэффициент эффективности характеризует экономичность системы элек-тротермостатирования. Система будет работать в экономически выгодном режиме до тех пор, пока затраты па разработку и производство СЭТС не превысят экономического выигрыша от снижения энергопотерь при введении теплоизоляции определенной толщины:

,. Р^п х~ 3, •

где Д<3„ — энергетический выигрыш за счет введения теплоизоляции, пересчитанный на заданный срок службы, кВт-ч;

Р — средняя себестоимость энергии, руб./(кВт-ч), зависящая от времени использования, максимальной нагрузки, географического местоположения источника энергии, назначения объекта РЭА;

3] — значение приведенных затрат, идущих на обеспечение полученного ДС)П.

Основным критерием эффективности является обобщенный коэффициент эффективно-

¡=1

где т,п — коэффициент весомости (значимости);

О, - относительный коэффициент эффективности;

п

1 — показатель, удовлетворяющий требованиям 0< тР1 <1, Шр| = 1.

¡=1

И.,,

я.

т

/

Рпотр = ЧоДТ, ехр

'»(Я/Яр) 1п(К/К0)

_(1/Т-1/Т0)Т (1/Т - 1/Т„ )Т0 _

Р™[2

кЭДТ н---ь

,^дт±1_АТ| ДТ,(К,Ы.+КЯ,+К1С) дт2 . 1

пот.вк.ср дж +<3 пот.внеш

х

Я.

^пот вн ср б

т =т

ДТ, =Т-Т„; ДТ2 =Т, -Т; ХО ^потр -23 1ПОТ»

Т -Т

. с? »

<ПОГВНСШ ^

о =о +о +о о

х.пад ^ луч ~<к ^рал ^-о-

_ 2АТ

<ПОТ.ВНСр >

Г— . БХ

т -т

Аг ср

Рис. 1. Модели термоэлектрической СЭТС: физическая (а), тепловая (б) и энергетическая (в)

Даны практические рекомендации по обеспечению работы СЭТС в энергетически вы-

годном режиме, когда <30 > £С^П0Т.

¡=1

Необходимым и достаточным для обеспечения заданной разности температур является выполнение условий:

где <3дж — теплота Джоуля, выделяющаяся в ветвях термобатареи;

<30Гв — мощность теплоотвода.

Определены направления комплексного улучшения технико-эксплуатационных показателей.

В третьем разделе рассмотрены перспективные способы решения одной из актуальных проблем — повышения энергетической эффективности термоэлектрических охладителей. Приводятся нетрадиционные решения по снижению внутренних энергопотерь за счет разработки нового типа исполнительных устройств на основе сегнетотермоэлементов, снижению внешних потерь за счет создания и реализации теплоизоляции с избирательной теплопроводностью.

Для уменьшения внутренних энергопотерь термоэлемента, связанных с переносом тепла от горячего спая к холодному, на нагревающихся поверхностях его ветвей формируется сегне-тоэлектрическое покрытие (рис. 2). В качестве покрытия используем сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом, имеющие сглаженные температурные зависимости поляризации и диэлектрической проницаемости (рис. 3, а). Область фазового перехода используемого сегнето-электрика должна лежать в диапазоне наиболее вероятных значений температур горячего спая термоэлемента:

где Тг — температура горячего спая;

Тх — температура холодного спая;

Тср - температура среды.

Максимум поляризации, совпадающий с максимумом диэлектрической проницаемости, наблюдается у сегнетоэлектрика при достижении горячим спаем термоэлемента температуры, соответствующей области Кюри (Тк). В этот момент на поверхности сегнетоэлектрика образуется максимально возможный поляризационный заряд, обусловленный смещением глубинных слоев в направлении поля Е„, с поверхностной плотностью стС) обратной по знаку заряду горячего спая полупроводникового столбика.

п

Тг =ТХ +2АТ, ДТ = Т„ -Т„,

ср

X '

1 — сегнетоэлектрическое покрытие;

2 — полупроводниковые столбики;

3 — коммутационная пластина;

4 — легкоплавкие припои;

5 — свинцовая демпфирующая пластина;

6 — основной припой.

Рис.2.

Конструкция сегнетотермоэлемента: объемная (а), с анализом действующих полей (б)

Рис. 3. Температурные зависимости: спонтанной поляризации Р5 и диэлектрической проницаемости е используемых сегнетоэлектриков (а), составляющих теплопроводности теллурида висмута (б)

После отключения внешнего электрического поля свободные носители заряда на горячих поверхностях полупроводниковых ветвей термоэлемента оказываются "связанными" с поляризационными зарядами сегнетоэлектрика. Поляризованный сегнетоэлектрик создает поле, вектор напряженности которого ориентирован в направлении нормали к границе раздела сегне-тоэлектрик-полупроводник:

2Р У„

Е =

4ие„ г3

где г - расстояние между зарядами сегнетоэлектрика и полупроводника;

Ус - объем сегнетоэлектрического покрытия;

Р - поляризация всего объема сегнетоэлектрического покрытия.

Происходит взаимодействие разноименных зарядов, определяемое кулоновскими силами:

2 Р V О Р = Е(3„ = с 7,

4 7С£0 Г

где (2„ — заряд, скопившийся на горячем конце полупроводникового столбика.

Свою роль также играют силы Ван-дер-Ваальса — силы межмолекулярного притяжения, имеющие электрическую природу. Потенциал ван-дер-ваальсова взаимодействия зависит от расстояния г между молекулами по закону сопб^г6.

Такое "связывание" значительно уменьшает участие основных носителей заряда в процессе передачи тепла от горячего спая к холодному. Следовательно, уменьшается и электронная составляющая коэффициента теплопроводности X*, что в свою очередь приводит к снижению энергопотерь термоэлемента, связанных с процессом теплопередачи (рис. 3, б).

Работа А, затрачиваемая на переориентацию диполей сегнетоэлектрика в соответствии с направлением внешнего поля Е„, равна изменению потенциалыюей энергии диполей Д^^ :

А = А\¥п = Р Ус Е„.

Так как "связывание" основных носителей заряда происходит после реализации полезного эффекта Пельтье, то ухудшение свойств полупроводниковых материалов ветвей термоэлемента по основному показателю добротности г не наблюдается. Затраты энергии на переориентацию диполей дополнительно снижают температуру горячего спая.

Разработана математическая модель сегнетотермоэлемента, приводится анализ основных процессов, обеспечивающих повышение энергетической эффективности термоэлектрических элементов. Математическая модель сегнетотермоэлемента отражает систему уравнений, описывающих протекающие в устройстве электрические и энергетические процессы. При разработке математической модели сегнетотермоэлемента за основу принята система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая поведение носителей заряда в полупроводниковом материале, помещенном в электрическое поле. Схема исходной математической модели преобразована в конечную модель сегнетотермоэлемента с учетом металлических пластин, соединяющих полупроводники р- и п-типа, и сегнетоэлектрического покрытия.

-)с.см

Объемный заряд на горячей поверхности полупроводникового столбика создает круговое электрическое поле, определяемое с помощью теоремы Остроградского-Гаусса:

в е0

где Б — произвольная замкнутая поверхность;

Чохв. — электрические заряды, охватываемые этой поверхностью.

Каждая единица объема сегнетоэлектрика под воздействием этого поля приобретает электрический момент или поляризуется. Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в сегнетоэлектрике обуславливают появление тока смещения. Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещения (индукции) Б, включающего в себя мгновенные и замедленные смещения зарядов:

сЮ А '

Наличие в технических сегнетоэлектриках небольшого числа свободных зарядов, а также инжекция их из полупроводниковых столбиков сегнетотермоэлемента приводит к возникновению небольших токов утечки.

Таким образом, полная плотность тока в сегнетоэлектрике представляет собой сумму плотностей токов утечки и смещения:

-1с ~ .1с.см .Зс.уг •

Электрическое поле, создаваемое поляризованным сегнетоэлектриком, образует в полупроводнике ток смещения, направленный согласно этому полю:

Лм.п = ПЯИ„ Ес , 3«Р=РЧИР Ее,

где Ес — напряженность электрического поля поверхностного заряда сегнетоэлектрика.

Сумма связанных в результате сил кулоновского взаимодействия и сил Ван-дер-Ваальса зарядов на границе контакта полупроводннк-ссшетоэлектрик, возникших в результате поляризации сегнетоэлектрика, нанесенного на горячий спай ветви сегнетотермоэлемента, определяется по формуле:

1псвн=К сЯ,

Б

где ас — плотность поверхностного заряда сегнетоэлектрика, определяемая его поляризацией.

Связанные электроны и дырки полупроводниковых ветвей термоэлемента уже нельзя считать свободными, поэтому с учетом сегнетоэлектрического покрытия концентрация свободных носителей в полупроводнике уменьшается:

ПП=Кд+Псо6-ПсВяз.

Рр=1Ч*а+Рсо6-Рс,„. где — количество атомов донорной примеси;

Ыа — количество атомов акцепторной примеси;

Псоб> Рсоб — собственная концентрация электронов и дырок в полупроводниках п- и р-типа соответственно;

Псе«, Реял — количество связанных электронов и дырок в полупроводниках п- и р-типа соответственно.

Уменьшение концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых столбиках сегнетотермоэлемента приводит к уменьшению диффузионного тока, присутствующего в пассивном режиме работы и обусловленного градиентом температуры и концентрации свободных носителей заряда на концах полупроводниковых ветвей.

Анализируется возможность дополнительных физических явлений и эффектов при создании новых объемных сегнетотермоэлектрических структур. Поляризованный сегнетоэлек-трик создает поле, величина напряженности Е которого по предварительным расчетам соответствует сильному электрическому полю.

В сильных электрических полях наблюда ется нарушение линейной зависимости тока от напряжения, это будет иметь место, когда либо подвижность и, либо концентрация п носителей начнут зависеть от поля. Подвижность и начинает зависеть от поля с того момента, как скорость движения основных носителей заряда v перестает быть постоянной, т.е. когда добавкой Av к скорости за счет поля нельзя пренебречь по сравнению с тепловой скоростью vo.

Созданное кольцевое поле вокруг нагретой части полупроводникового элемента перпендикулярно направлению тока и внешнему полю. Движущиеся свободные носители, создающие ток вдоль полупроводника должны отклоняться силой Лоренца в соответствии с правилом левой руки. Благодаря такому разделению зарядов появится дополнительное внутреннее электрическое поле Е„„, которое будет препятствовать дальнейшему отклонению носителей, а суммарное поле будет определять концентрацию свободных носителей (п), длину свободного пробега (1), скорость перемещения (v).

Под действием эквивалентного поля, в соответствии с проведенным анализом механизмов влияния поля на концентрацию носителей за счет электростатической, термоэлектронной и ударной ионизаций, вероятны три характерных области функционирования сегнетотермоэле-ментов:

1 - область повышенной энергетической эффективности, характеризуемая «связыванием» собственных носителей и поляризацией сегнетоэлектриков, не приводящей к выходу напряженности в критическую зону;

2 - область термостабилизации, характеризуемая функциональным отключением сегнетотермоэлемента от внешней цепи;

3 - критическая область сильных полей, характеризуемая аномальным изменением концентрации носителей заряда.

Качественная температурная зависимость представлена на рис. 4, а.

Происходящие при экспериментальных исследованиях образцов явления (рис. 4, б, в), удовлетворительно согласуются с результатами теоретического анализа.

Рис. 4. Температурная зависимость удельного сопротивления пленочного сегнетотермоэлемента (а), временная зависимость ДТ пленочного сегнетотермоэлемента (б), результаты испытаний термоэлектрического микроохладителя (в)

С целью снижения уровня внешних потерь предложен новый тип теплоизоляции с избирательной теплопроводностью на основе поляроидов и полимеров со складчатой структурой молекул. Для долговременного сохранения направленной поляризации и стабильности свойств предлагается проводить электротермическую или магнитотермическую поляризацию при значениях электрического или магнитного поля Е = (0,8т-1)Екр, Н = (0,8^1)Нкр, где Екр,Нкр — критическая напряженность электрического и магнитного полей под действием реверсивного теплового потока, который обеспечивает градиент металлических пластин (корпус-камера), перекрывающий температурный диапазон эксплуатации ДТ>1,ЗДТЭКСпл, после чего проводят термо-циклирование п=4-10 при условии:

сГГ с!Е

Ф

где -—• изменение поляризованности от температуры;

Ф

--изменение поляризованное™ от энергетического поля.

с]Е

Критическая напряженность электрического поля:

где Ь — толщина пленки;

ку — коэффициент упругости; е — диэлектрическая восприимчивость. Критическая напряженность магнитного поля:

где % — магнитная восприимчивость.

В результате электро(магнито)термической поляризации во сколько раз увеличивается теплопроводность в одном направлении, во столько раз уменьшается в другом, причем теплопроводность исходной смеси:

и (^эфАэфг)к

Получено отношение эффективных коэффициентов теплопроводности в противоположных направлениях:

п = £*1 = (4 + 10).

эф2

Предложена конструкция активной управляемой системы теплоотвода, позволяющая в перспективе реализовать функциональные СЭТС (рис. 5, а). При минимальном значении Тг мощность, отводимая функциональной системой теплоотвода от горячего спая, должна составлять:

QoTB.min Qäjk QnoT.BHcuj (QnoT.Bii.cp Qo

Эта мощность отводится с помощью внешнего пассивного охлаждающего контура 2, который представляет собой обычный радиатор и рассчитывается по методике последовательных приближении в соответствии с требуемым значением рассеиваемой мощности Р = Q0r« min-

При максимальном значении Тг мощность, отводимая функциональной системой теплоотвода от горячего спая ТЭМО, должна составлять:

QoTB.max Q..*. QncT.BHeui (QnoT.Bn.cp Qo}'

Мощность, которую должен отводить активный контур функциональной системы теплоотвода, должна составлять разницу между значениями QOT8 шах и Qotb min, то есть:

QoTB.aicr ^(QnoTBHcp Qo)'

Подключение активного контура к работе происходит с помощью теплочувствительного элемента 3 — запоминающего элемента, выполненного из титано-никелевого сплава.

Проведен расчет тепловых сопротивлений схемы замещения функциональной системы теплоотвода (рис. 5, б), параметров тепловой трубы.

В четвертом разделе рассмотрены технологические проблемы и основы практической реализации сегнетотермоэлементов в виде объемных замкнутых структур "сегнетоэлектрик-полупроводник-сегнетоэлектрик" и пленочных полузамкнутых. Даются рекомендации по выбору материалов и технологических режимов, обеспечивающих требование повышения эффективности и управляемости свойств сегнетотермоэлементов.

Для создания объемных замкнутых структур "сегнетоэлектрик-полупроводник-сегнетоэлектрик" использовались следующие методы:

- термическое напыление в вакууме;

- многозонное магнетронное напыление;

- литье толстых пленок по шликерной технологии;

- сплавление сегнетоэлектрика с полупроводниковой подложкой с помощью легкоплавких клеек-припоев;

- поверхностное легирование.

Основные исследуемые материалы: S112P2S6, Bi2Tc3 и РЬТе.

В пятом разделе изложена теория проектирования СЭТС на основе сегнетотермоэлементов. Приведено описание методики расчета уровня внешних и внутренних энергопотерь, функциональной схемы теплоотвода. Оптимизация конструктивных показателей СЭТС, определяющих уровень внешних потерь, ведется по обобщенному критерию эффективности,

отсеки активного контура; 6 — место спая корпусов 4 и 5; 1,9 — активные вещества; 8 — полупроницаемая мембрана; 10 — тепловая труба.

Рис.5. Активная управляемая система теплоотвода: эскиз конструкции (а), тепловая схема (б)

отражающему степень влияния значимых факторов на определяющий параметр. Рекомендуется следующая последовательность расчета:

- Определение максимальной мощности потерь С2пот.«нсш, т.е. потерь без теплоизоляции:

Спотвнсш \ ср

=(тср-тхкр-«

где Стер.* — тепловая проводимость среда-корпус.

- Определение мощности внешних потерь после введения теплоизоляции с учетом потерь по электрическим выводам:

0, _(Tq,-TxXR.„.+R„+Rj

Чтмкш~ (R^RjR^

где Rm —тепловое сопротивление изоляции;

Ric — тепловое сопротивление теплообмена с поверхностью кожуха;

R«u8 — тепловое сопротивление электрических выводов.

- Определение энергетического выигрыша:

AQn ~ QnoT.BHeui Qiior.BHeui '

- Расчет безусловного критерия эффективности:

Расчет уровня внутренних потерь термоэлемента ведется с учетом влияния сегнето-электрического покрытия.

С учётом реальных факторов, уравнение внутренних эпергопотерь термоэлемента принимает вид:

Qпот.пн — Qjdk Qt QjlK.K Q-Г.ю > где Qwk-k — количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока в элементах коммутации холодного спая;

QT.„3 — количество тепла, протекающего через изоляцию между ветвями термоэлемента от горячего спая к холодному;

Qt - потери на перенос тепла от горячего спая термоэлемента к холодному за счет теплопроводности.

С достаточной для практики точностью можно считать, что количество перетекаемого тепла прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности >.„-,, площади изоляции S из у разиости температур на спаях и обратно пропорционально толщине изоляции 1из*

QT„3 =^рЦтг -тх).

Для учёта влияния сегнетоэлектрического покрытия на составляющую Хс теплопроводности термоэлемента введен коэффициент к*:

Qr= ^(*р + Ап)(Тг-Тх).

где - коэффициенты теплопроводности полупроводникового вещества р- и п-типов;

Б - поперечное сечение ветви термоэлемента;

1 - высота термоэлемента.

Результаты расчета показывают, что вследствие влияния на теплопроводность полупроводниковых ветвей термоэлемента сегнетоэлектрического покрытия^внутренние потери термоэлемента уменьшаются на 25 %, а полезная холодопроизводителыюсть увеличивается на 45 %.

Разработана и реализована программа автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями (ТЭП), укрупненный вариант графической схемы алгоритма которой приведен на рис. 6. Представлены и проанализированы результаты расчета.

В шестом разделе изложены экспериментальные методы проверки и подтверждения основных положений, базирующихся на новом подходе к проектированию СЭТС повышенной энергетической эффективности.

Для упрощения и большей обоснованности выбора типа исполнительного элемента на ранних стадиях проектирования СЭТС, исходя из требуемого уровня охлаждения, предполагается использовать зависимости ДТ1=Г(С?о) полученные экспериментальным путем.

Определить долю полезной холодопроизводительности в общем энергопотреблении можно, зная суммарное значение энергопотерь. Как показывают исследования зависимости ДТ^ОДпо-ф) при различных уровнях Х<3Пот, определяемых конструктивно-технологическими факторами и системой теплоотвода, существуют критические точки, где однозначно определено соотношение <30, ЭДпот- В указанных точках (¿о = Хрг10Т, <3,1отр = 20о, а значение ДТ| имеет максимальное значение. Следовательно, изменяя долю ХОпот, изменением мощности теплоотвода, можно определить токи 10ПТ) соответствующие различным значениям полезной холодопроизводительности, обеспечивающей соответствующее ЛТ™,. По полученньш значениям строится зависимость ДТ1 = Д1) = ДОо).

Поскольку в реальных конструкциях СЭТС невозможно обеспечить 2(2„от = 0, то встает задача создания такой конструкции, которая позволит реализовать заданное Оо- Для определения Опот.вн.ср с учетом конструктивных особенностей реальной термобатареи, строится зависимость QnoT.BH.cp = ДАТ). Построение идет по точкам, где обеспечено условие ДТ]= ДТ2, ДТ =2ДТ|. В этом случае 0,ютр = Оо + Опот.н ср; Сотв = Qдж + Опот.внсш- Для значений ДТЬ реализуемых при Спэтр обеспечивающей ДТ]= ДТ2, определяется соответствующее значение Qo по ранее построенной зависимости ДТ|=ВДо), тогда 0,1ОТр - ()о = 0„от ,„ ср. При различных системах теплоотвода, определяются соответствующие значения QnOT.BH.cp и строится зависимость Qпэт.íн.cp=: ДАТ).

Суть метода определения Qanl заключается в определении приращения энергопотребления ДQ при реализации одного и того же полезного эффекта ДТ1 при разных системах теплоотвода, причем точкой отсчета является Qoтв = Qдж + Опот.шюи, когда ДТ1 = ДТг-

Использование системы теплоотвода призвано обеспечить условие энергетической эффективности. Для заданного ДТ], возможно три варианта соотношений между Qo и ХПОТВН.Ср*

1) Qo> Qi

2) Q0 = Q,

3) Qo < Q,

'nOT.BH.Cp

'пот вн.ср

'пот.ви.ср

Эти соотношения являются основой для определения конструктивно-технологических требований к СЭТС на ранних стадиях проектирования, т.к. Q0, Qn0T вн.ср, AQ косвенно определяют необходимые для обеспечения заданного АТ\ значения R3KB внеш И Rokh otb-

Предпочтительным вариантом, обеспечивающим существенное улучшение энергетической эффективности термоохладителей, является объемная замкнутая структура "сегнетоэлек-трик-полупроводпик-сегнетоэлектрик". Однако проведенные экспериментальные исследования показали, что на современной стадии развития технологии получения объемных полупроводниковых столбиков и сегнетоэлектрических покрытий весьма проблематична реализация объемных кольцевых структур "сегнетоэлектрик-полупроводник-сегнетоэлектрик" с требуемыми свойствами.

В связи со сказанным, экспериментальные исследования проведены на реализованных пленочных полузамкнутых структурах "сегнетоэлектрик - полупроводник " и "сегнетоэлектрик-полупроводник р(п) - полупроводник п(р)".

На подложках из сегнетокерамики системы цирконата-титаната свинца ЦТСНВ-1 толщиной 0,2 мм с двухсторонней полировкой были изготовлены образцы термоэлементов. В качестве материала для ветвей термоэлементов п- и р-типа электропроводности использовался теллурид свинца РЬТе. Результаты исследования, подтверждающие положительный эффект, представлены на рис. 7.

Сформулированы требования к терморегуляторам, определяемые особенностями сегне-тотермоэлектрическнх СЭТС, условия энергетического выигрыша регуляторов, а также условие устойчивости пропорциональных СЭТС:

В седьмом разделе приводятся особенности и результаты моделирования СЭТС в пакете программ СЗЭЕ для традиционного и усовершенствованного вариантов с определяющим перебором управляющих и возмущающих факторов, доказывающие возможность создания функциональных позиционных систем регулирования с энергетическим выигрышем 25%.

В восьмом разделе рассмотрены примеры практической реализации СЭТС с улучшенными ТЭП в виде конкретных разработок для ряда функциональных устройств: СЭТС для матриц ПЗС; реверсивные полупроводниковые термостаты для испытания малогабаритных функциональных узлов УРТ; микротермостаты для прецизионного стабилизатора тока; СЭТС для сегнетокерамических и полупроводниковых конденсаторов.

к.

УС" kAtCT

БПС — блок питания и стабилизации;

УИП — универсальный источник питания;

ТПР — тонкопленочный полупроводниковый резистор;

СП — сегнетокерамическая подложка.

а

Рис. 7. Экспериментальные исследования: электрическая схема измерительной установки (а), изменение тока в термоэлементе при переполяризации сегнетокерамической подложки (б)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведена системная оценка эффективности различных терморегулирующих структур на основе теории оптимизации по совокупности показателей качества.

2. Обоснована и доказана область безусловного предпочтения термоэлектрических

СЭТС.

3. Разработана и исследована многопараметрическая энергетическая модель СЭТС, отличающаяся тем,что:

- энергетические процессы рассмотрены относительно холодного спая;

- общее энергопотребление представлено в виде суммы энергозатрат, идущих на обеспечение полезного эффекта охлаждения, и энергозатрат, идущих на компенсацию внешних и внутренних энергопотерь;

- введено в рассмотрение понятие среднего уровня внутренних энергопотерь, что позволило исключить корреляционную зависимость между мощностью теплоотвода и уровнем внутренних энергопотерь и получить точку отсчета для теоретического определения составляющих энергетической модели.

4. Проведен дифференцированный анализ влияния конструктивно-технологических особенностей СЭТС, исполнительного элемента и полупроводниковых материалов на энергетическую эффективность, сформулированы перспективные направления улучшения ТЭП (на основе разработанной модели).

5. Использование энергетической модели позволило:

- существенно упростить анализ и разработку путей снижения энергопотребления

СЭТС;

- разработать комплекс мероприятий по снижению энергопотребления за счет направленного изменения составляющих энергетической модели;

- реализовать системный подход к проектированию СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями;

- однозначно сформулировать требования к конструктивно-технологическим факторам, обеспечивающим заданный уровень охлаждения, на ранних стадиях проектирования СЭТС;

- разработать научно обоснованную методику проектирования и инженерную методику расчета СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.

6. Проведены экспериментально-аналитические исследования влияния мощности внешних потерь на уровень общего энергопотребления по методике ПФЭ, разработана программа расчета уровня внешних потерь с учетом особенностей теплообмена сегнетотермоэлементов, сформулированы рекомендации по снижению <3ПЭТ.»неш- Выявлена оптимальная (с точки зрения минимального энергопотребления) глубина теплоизоляции полупроводниковых столбиков. В плане улучшения удельных конструктивных показателей предложен коэффициентный метод определения эффективной толщины теплоизоляции на основе введенных безусловного и обобщенного коэффициентов эффективности.

7. Проведено аналитическое исследование способов снижения уровня внутренних энергопотерь и повышения эффективности систем теплоотвода.

8. Разработаны и исследованы новые, нетрадиционные способы повышения энергетической эффективности СЭТС.

8.1. В плане разработки перспективных способов снижения уровня внешних энергопотерь, доказана целесообразность и возможность создания нового типа теплоизоляции с избирательной теплопроводностью на основе поляроидов и электретных материалов с взаимопроникающими компонентами монокристаллов со складчатой конфигурацией молекул. Предложен новый способ повышения стабильности свойств теплоизоляции за счет направленной электротермической или магнитотермической поляризации (защищен патентом).

8.2. В плане разработки перспективных способов снижения составляющей внутренних энергопотерь предложен к реализации новый класс термоохладителей — сегнетотермоэлемен-ты (защищен патентом).

8.3. Для повышения эффективности систем теплоотвода разработаны конструкция нетрадиционного активного управляемого радиатора (защищена патентом), специальные конструкции теплопереходов (защищены A.C.).

9. Разработана математическая модель сегнетотермоэлемента, проведено аналитическое исследование и обоснование возможных физических явлений и эффектов при создании кольцевых объемных структур "сегнетоэлектрик-полупроводник-сегнетоэлектрик". Сформулированы конструктивно-технологические особенности структур, обеспечивающие повышение энергетической эффективности СЭТС, даны рекомендации по выбору материалов.

10. Сформулированы технологические проблемы и основы практической реализации сегнетотермоэлементов.

11. Исследованы вопросы влияния режима регулирования на общее энергопотребление. Теоретически и экспериментально доказано, что режим регулирования, определяя компенсацию суммарных энергопотерь, существенно влияет на уровень внутренних энергопотерь. Определено условие энергетического выигрыша при работе в активном режиме. Даны рекомендации по выбору закона регулирования в соответствии с требованиями технического задания.

12. Получено необходимое и достаточное условие обеспечения заданного уровня охлаждения через энергетические параметры, определяемые конструктивно-технологическими особенностями СЭТС:

Данное условие позволяет сократить число этапов при проектировании и дать количественную оценку требуемой мощности теплоотвода.

13. Введение в рассмотрение среднего уровня внутренних потерь позволило разработать методику экспериментального определения составляющих энергетической модели по опреде-

ленным критическим точкам статической характеристики. Использование данной методики открывает перспективу нового подхода к определению мощности Пельтье. Разработанная методика позволила оценить адекватность модели статистическими методами. Проверка по Р-кри-тершо Фишера доказала адекватность разработанной модели.

14. В плане разработки перспективных направлений развития СЭТС предложен способ создания функциональных СЭТС, основанный на открывающейся (благодаря разработанным энергетической модели и методики экспериментального определения составляющих) возможности определения закона изменения полезной холодопроизводительности в зависимости от возмущающего воздействия, соответствующим регулированием мощности теплоотвода в зависимости от управляющего воздействия.

15. Итогом проведенных теоретических и экспериментальных исследований и обобщения результатов работ, проводимых в ведущих организациях страны по вопросам термостати-рования, является разработанная теория проектирования, методика и алгоритм автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-эксплуатационными показателями на основе сегнетотермоэлементов. В данной методике реализован системный подход к проектированию СЭТС, благодаря введению обобщенного показателя эффективности, позволяющего учесть всю совокупность системных ограничений в ходе расчета, а не путем проверки на удовлетворение различным требованиям конечного расчета и его последующей корректировки.

16. Проведено моделирование традиционных СЭТС и СЭТС на основе сегнетотермоэлементов в пакете программ СЗБЕ. Для каждого звена получены передаточные функции, позволяющие адекватно описывать происходящие тепловые и энергетические процессы. Результаты моделирования подтвердили основные положения теории проектирования сегнетотермоэлементов, позволили сформулировать требования к конструктивным и структурным звеньям, обеспечивающие работу СЭТС в энергетически выгодной области.

Несмотря на то, что на современном этапе развития полупроводниковой технологии и техники термо- и сегнетоэлектричества, не удалось создать качественные объемные структуры, полученные экспериментальные данные по реализованным пленочным сегнетотермоэлектриче-ским структурам доказывают перспективность нового направления, дальнейшая разработка которого открывает большие возможности как в области термостабилизации так и в функциональной микроэлектронике.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Жилина Л.И. Реализуемость предельных возможностей термоэлектрических микроохладителей в системах управления. - Сб. научных трудов "Разработка автоматизированных средств контроля и управления", ОмИИТ, Омск, 1993, 4 с. (с. 40-43).

2. Жилина Л.И. Перспективы создания сегнетотермоохладителей. - Сб. статей по результатам фундамент, работ, ОмГАПС, Омск, 1995, 5 с. (с. 2-6).

3. Жилина Л.И. Метод оценки эффективности и классификация СЭТ.— Деп. рук. ЦНИИТЭИ приборостроения. Д.р. 2438, Б.У. ВИНИТИ, № 8, 1984. - 20 с.

4. Жилина Л.И. Особенности систем электротермостатирования на основе термоэлектрических микроохладителей.— В кн.: Вопросы конструирования и технологии производства РЭА. Новосибирск, 1989, с. 13-14.

5. Жилина Л.И. Системная оценка эффективности различных терморегулирующих структур: Российская научи, техн. конф.— Москва-Сочи, 1997, с.З.

6. Жилина Л.И., Когуг А.Т., Шантин И.Д. Параметрический синтез систем термоэлектрической стабилизации. — В кн.: Системные методы теории чувствительности, надежности и математического моделирования: Тез. докл. Российской научи, техн. конф. Москва-Сочи, 1996, с.5.

7. Жилина Л.И., Идлов В.М., Гольдштейн Е.И. Реверсивный полупроводниковый термостат. - Приборы и техника эксперимента, № 5,1982, с. 233-234.

8. A.c. 974352 (СССР). Термостат / Л.И. Жилина, М.Л.Энтин,— Опубл. в Б.И., 1982, № 42.-3 с.

9. Жилина Л.И., Брыкалов Е.А., Воробьев Б.А., Рысоев Ш.И. Термостат для приборов с зарядовой связью.— Приборы и техника эксперимента, № 5, 1985, с. 241.

10. A.c. 981962 (СССР). Термостат / Л.И. Жилина, H.H. Иванова,— Опубл. в Б.И., 1982, № 46. - 3 с.

11. Жилина Л.И. Реверсивный термостат для матриц ПЗС.— В сб.: Вопросы конструирования и технологии производства РЭА, ТИАСУР, Томск, 1986, 3 с. (с.12-14).

12. Жилина Л.И. Пути снижения энергопотребления систем электротермостатирования радиотехнических устройств.— Деп. рук. ЦНИИТЭИ приборостроения. Д.р. 2510, Б.У. ВИНИТИ № 11, 1984, - 40 с.

13. Жилина Л.И. Анализ конструктивных способов обеспечения равномерного температурного поля гибридно-пленочных микротермостатов. Межвузовский сборник. Современные проблемы проектирования и технологии производства РЭА. Ленинград, 1983, 3 с. (с. 106-109).

14. Жилина Л.И. Теоретические предпосылки создания теплоизоляции с избирательной теплопроводностью. - Деп. рук. ЦНИИТЭИ приборостроения. Д.р. 2511, деп. Б.У. ВИНИТИ №11, 1984,- 18 с.

15. Патент № 1702813. Провод/Жилина Л.И.—28.12.1988.-5 с.

16. Жилина Л.И. Технологические проблемы создания сегнетотермоэлектрических микроохладителей. Труды международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1996,4 с. (с. 18-21).

17. Жилина Л.И., Гольдштейн Е.И., Чернышев A.A., Щерб С.Ш. Элементная база фильтров ключевых преобразователей и стабилизаторов напряжения в микроэлектронном ис-

полнении. - CG. статей Академии наук ЭССР, институт теплофизики, Таллинн, 1981, 2 с. (с. 54-56).

18. Жилина Л.И. Моделирование работы позиционных систем электротермостатирова-ния с сегнетотермоэлементами: Российская научн. техн. конф.— Москва-Сочи, 1997, с. 6.

19. Жилина Л.И. Метод экспериментального определения составляющих энергетической модели и возможности создания функциональных систем электротермостатирования.— Деп. рук. ЦНИИТЭИ. Д.р. 4527, Б.У. ВИНИТИ, № 7, 1989. - 20 е..

20. Жилина Л.И. Моделирование тепловых режимов сегнетотермоэлементов: Труды международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин".— Омск, 1997, с. 32.

21. Жилина Л.И. Термоэлектрические микроохладители с пониженным энергопотреблением. - В кн. Динамика систем;механизмов и машин: Тезисы докл. международной научно-технической конференции . Омск, 1995, с. 18.

22. Патент № 1795841. Термоэлектрический микроохладитель/ Жилина Л.И., Шантин ИД—26.02.1990.-4 с.

23. Жилина Л.И. Теория проектирования и основы практической реализации сегнето-термоохладителей. - Сб. статей по результатам фундаментальных работ, ОмГАПС, Омск, 1996, 8 с. (с. 31-37).

24. A.c. 1667278 (СССР). Устройство для охлаждения электрорадиоэлементов/Л.И. Жилина. - Опубл. в Б.И., 1991, №28.-4 с.

25. Жилина Л.И. Пленочные структуры сегнетотермоэлементов: Труды международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1998, с. 51.

26. Жилина Л.И. Сегиетотермоэлектрические системы кондиционирования. Тезисы докладов международной научно-технической конференции, Омск, 1998,2 с. (с. 21-22).

27. A.c. 96124716 (РФ) Установка вакуумного термического напыления/ Л.И. Жилина. 1997.-2 с.

28. Жилина Л.И., Шантин И.Д. Выбор энергетически выгодной области работы термоохладителей. - В кн.: Динамика систем,механизмов и машин: Тез. докл. международной научно-технической конференции. Омск, 1995. с.39.

29. Жилина Л.И. Проблемы синтеза технологических структур сегнетотермоэлементов.— Информационные технологии в проектировании и производстве. Научно-технический сборник, 1997, вып. 1.-3 с. (с. 19-21).

30. Жилина Л.И., Жуков Ю.Н., Кудрявцев Ф.М. ОСТ 11.342.003-74 Микросхемы интегральные для устройств широкого применения. УНЧ. - 4 с.

31. Жилина Л.И. Термоэлектрическое охлаждение матриц приборов с зарядовой связью. -В сб. статей по результатам фундаментальных работ, ОмГУПС, Омск, 1998, 6 с. (с. 16-21).

32. Жилина JI.И. Особенности систем электротермостатирования на основе термоэлектрических микроохладителей. - В кн.: Вопросы конструирования и технологии производства РЭА. Новосибирск, 1989, 4 с. (с. 6-9).

33. Жилина Л.И. Физические явления в сегнетотермоэлементах // Информатика - Машиностроение. - 1998. - №3. - с. 30-32.

34. Л.И. Жилина, Е.А. Панова, Е.В. Шаблинская. Особенности математического моделирования и проектирования сегнетотермоэлектрических систем электротермостатирования и кондиционирования // Информационные технологии в проектировании и производстве,- 1998. -№3. - с. 23-28.

35. Л.И. Жилина. Теория проектирования радиотехнических систем электротермостатирования с улучшенными технико-эксплуатационными показателями. - Омск, 1998. - 208 с. -Рукопись монографии представлена Омским Государственным университетом путей сообщения. Деп. в ВИНИТИ 25 июня. 1998, № 4256 - 98.

644046, г. Омск, пр. К. Маркса, 39. Типография ОмГУПС.

Подп. к печати 2.07.98. Формат 60х84'/1б- Офсетная печать. Печ. л 2.0. Тираж 100 экз. Заказ 375,

Дата представления 16.05.98.

у,

2 7/1 ) б I/

а»**"""

ОМСКИЙ/оСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Г7

резид

аиум в А о,- .....

[; ^епне от - (£ - , ^

уъ-гную гтю . ^С^рл

. т -......—-____7£у и^ %

На правах рукописи

ОССШ;.

~са Ивановна

УДК 631.536.5

Теория проектирования сегнетотермоэлектрических систем электротермостатирования устройств радиотехники и связи

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и

связи

05.27.06 - Технология полупроводников и материалов электронной техники

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................... 5

1. Системная оценка эффективности различных терморегулирующих устройств.....................14

1.1. Общие сведения..................14

1.2. Анализ основных СЭТС ...............17

1.3. Оценка эффективности СЭТС .............24

2. Анализ энергетических процессов термоэлектрических СЭТС .... 35

2.1. Основные эффекты, обеспечивающие работоспособность термоэлементов..................35

2.2. Выбор материала для ветвей термоэлемента.........44

2.3. Энергетическая модель термоэлектрической СЭТС.......49

2.4. Исследование влияния внешних потерь на общее энергопотребление .................54

2.5. Влияние внутренних потерь на общее энергопотребление.....67

2.6. Оценка влияния теплоотвода на общее энергопотребление . . . .71

3. Перспективные способы повышения энергетической эффективности

СЭТС......................75

3.1. Нетрадиционные решения по снижению внутренних

энергопотерь....................75

3.2. Теория физических явлений сегнетотермоэлементов ......79

3.3. Нетрадиционный подход к снижению уровня внешних

энергопотерь...................106

3.4. Нетрадиционные конструктивно-технологические решения

систем теплоотвода.................120

4. Технологические проблемы и основы практической реализации сегнетотермоэлементов................136

4.1. Особенности объемных структур ............136

4.2. Технологические особенности пленочных структур......141

4.3. Методика исследования электрических характеристик пленок . . . .146

4.4. Управление свойствами пленок в процессе их выращивания . . .150

4.5. Сегнетоэлектрические материалы для сегнетотермоэлементов . . .156

5. Теория проектирования и автоматизация СЭТС на основе сегнетотермоэлементов с улучшенными технико-экономическими показателями ...................163

5.1. Расчет уровня внешних потерь.............163

5.2. Расчет уровня внутренних потерь термоэлемента с учетом влияния сегнетоэлектрического покрытия.............167

5.3. Расчет функциональной системы теплоотвода ........173

5.4. ГСА программы расчета сегнетотермоэлектрической СЭТС . . . .189

5.5. Программа и пример расчета сегнетотермоэлектрической СЭТС . . . 203

6. Экспериментальная часть................220

6.1. Метод определения полезной холодопроизводительности.....220

6.2. Метод определения среднего уровня внутренних энергопотерь . . . 223

6.3. Метод определения мощности теплоотвода.........224

6.4. Методика и результаты исследования влияния сегнетоэлектрических покрытий на свойства полупроводников..........225

6.5. Исследования влияния особенностей систем регулирования на энергопотребление СЭТС...............234

7. Моделирование систем элекгротермостатирования в пакете

профамм CSSE...................255

7.1. Система элекгротермостатирования - объект моделирования . . . 256

7.2. Моделирование работы СЭТС при отсутствии внешних возмущающих факторов................268

7.3. Моделирование работы СЭТС с учетом внешних возмущающих факторов .................... 278

7.4. Моделирование систем электротермостатирования с сегнетотермоэлементами ...............282

8. Экспериментальная проверка и внедрение результатов работы . . .291

8.1. Система элекгротермостатирования для матриц ПЗС......291

8.2. Реверсивные полупроводниковые термостаты для испытания малогабаритных функциональных узлов УРТ ........308

8.3. Микротермостаты для прецизионного стабилизатора тока . . . .310

8.4. СЭТС для сегнетокерамических и полупроводниковых конденсаторов . ..................325

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................334

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............339

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Определение основных терминов.......363

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Оценка эффективности электротермостатирования

для систем управления током........365

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты исследования влияния конструктивных

факторов термостата па мощность потерь по

методике полного факторного эксперимента . . . 368

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа расчета коэффициентов......373

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Результаты моделирования ........375

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Тепловые сопротивления.........388

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Акты внедрения результатов диссертационной

работы...............394

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Оценка эффективности систем теплоотвода.....403

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Перспективы совершенствования систем управления радиотехнических устройств, радиоэлектронной аппаратуры связываются с дальнейшим повышением плотности компоновки, степени интеграции, комплексной миниатюризацией, освоением новых идей и технологий. Все перечисленные направления требуют особого, нетрадиционного подхода к решению проблемы обеспечения нормальных тепловых режимов элементов и устройств, отличающихся температурной чувствительностью или повышенными удельными тепловыми потоками. Причем особую актуальность приобретает эта проблема в случаях, когда высокое качество функционирования радиотехнических систем и элементов обеспечивается в узком температурном диапазоне при реверсировании или охлаждении. На современном этапе развития физических представлений об основных [1-3] и перспективных [4] способах теплопередачи можно заключить, что определяющей тенденцией развития техники термостабилизации должна являться реализация идеи совершенствования термоэлектрических преобразователей энергии.

Следует отметить, что ни один из существующих вариантов исполнительных элементов [5] систем электротермостатирования не обладает таким набором уникальных свойств (возможность работы в режиме нагрева и режиме охлаждения, сочетаемость с микроэлектронной аппаратурой, экологическая чистота и др.), как термоэлектрические элементы. Однако присущие термоэлектрическим микроохладителям недостатки (низкая энергетическая эффективность, дороговизна, специфичность систем управления) препятствуют их широкому внедрению в радиоэлектронной аппаратуре.

Поскольку в ближайшее время не просматривается альтернативы термоэлектрическим преобразователям энергии как в плане расширения функциональных возможностей полупроводниковых приборов, так и в плане создания экологически чистых систем охлаждения, то очевидна актуальность проблемы комплексного улучшения технико-экономических

показателей термоэлементов, исследования и разработки нового класса термопреобразователей, обладающих повышенной энергетической эффективностью.

Решению этих проблем и посвящена настоящая диссертация.

Состояние вопроса. Анализ литературных источников [6-15] по проблемам термостабилизации радиотехнических устройств показывает, что вопросам разработки и совершенствования параметров систем термо-статирования уделяется большое внимание, хотя в последнее время число публикаций по этим вопросам значительно сократилось. Ведущие специалисты в области термоэлектричества и электротермостатирования радиотехнических устройств в своих современных работах [4, 16-21] основное внимание уделяют вопросам совершенствования технологии термоэлектрических полупроводниковых материалов, обеспечивающей увеличение условного показателя — добротности. Практически отсутствуют работы, посвященные анализу различных систем термостатирования (СЭТС) с единых позиций, нет объективной методики сравнительной оценки эффективности СЭТС при решении проблем термостатирования различных объемов, в различных эксплуатационных условиях, в широком диапазоне холодопроизводительности. Это приводит к проявлению необоснованного консерватизма при решении вопроса выбора перспективных термоэлектрических СЭТС.

Следует отметить, что в связи с широкими перспективами внедрения термоэлектрических преобразователей в сенсорику, измерительную технику, технологию совершенствования приборов с зарядовой связью, в результате которого возможно создание аппаратуры повышенной надежности, точности, быстродействия и новых функциональных возможностей, определилась тенденция разработки и исследования пленочных термоэлементов [20-22]. При разработке пленочных термоэлементов основное внимание уделяется перспективным соединениям А1УВУ1, АУВУ1, АШВУ1, способам формирования в едином технологическом процессе полупроводниковых пленок различного типа проводимости с требуемыми свойствами [23]. Вопросы конструктивного плана и энергопотребления

требуют своего решения.

К сожалению, современные технологические возможности не позволили получить качественных, эффективных пленочных термоэлементов. Кроме того, в известных работах [24-26] рассматриваются традиционные подходы усовершенствования объемных и пленочных термоэлементов. Очень мало работ, где анализируется компенсационная задача улучшения технико-экономических показателей систем термостабилизации радиотехнических устройств, автоматизации процесса проектирования.

Таким образом, хотя в настоящее время вопросам термостабилизации уделяется большое внимание, на проблемы комплексного решения задачи улучшения технико-экономических показателей термоэлектрических СЭТС внимание не акцентируется, нет сквозной программы автоматизации проектирования, и, самое главное, не просматриваются перспективные, нетрадиционные способы существенного улучшения ТЭП термо-лектрических охладителей, позволяющие в полной мере реализовать всю уникальность их возможностей для совершенствования радиотехнических элементов и устройств, открыть новые функциональные перспективы для микроэлектроники.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка теории проектирования и основ реализации нового класса микроохладителей на основе сегнетотермоэлементов.

Для выполнения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1) предложена системная оценка эффективности различных термо-регулирующих структур при решении проблем термостатирования различных объемов, в различных эксплуатационных условиях, в широком диапазоне холодопроизводительности;

2) обобщены и систематизированы достижения в области разработки термоэлектрических СЭТС;

3) разработана энергетическая модель и тепловая схема замещения, адекватно отражающая влияние значимых факторов на общее энергопо-

требление;

4) проведена комплексная оценка теоретически возможных способов улучшения технико-экономических показателей термоэлектрических СЭТС;

5) разработаны нетрадиционные способы снижения основных составляющих энергопотерь;

6) введено в рассмотрение новое понятие сегнетотермоэлектриче-ских преобразователей;

7) разработана теория физических явлений нового класса преобразователей на основе сегнетотермоэлементов;

8) рассмотрены технологические особенности и основы практической реализации перспективных объемных и пленочных структур сегнетотермоэлементов;

9) разработана и реализована методика и программа автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-экономическими показателями;

10) разработана и рассчитана конструкция нового типа теплоот-вода — активного управляемого радиатора;

11) проведено моделирование СЭТС на основе сегнетотермоэлементов в пакете СЭЭЕ;

12) реализованы и внедрены экспериментальные образцы.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1) впервые с позиций системного подхода рассмотрен комплекс задач и методов улучшения технико-экономических показателей СЭТС;

2) разработана многопараметрическая энергетическая модель полупроводникового термостата, позволяющая реализовать дифференцированный анализ влияния конструктивно-технологических особенностей СЭТС, исполнительного элемента и свойств полупроводникового материала на общее энергопотребление;

3) впервые введено понятие сегнетотермоэлектрического преобразователя, разработана теория физических явлений и перспектив нового класса преобразователей на основе сегнетотермоэлементов;

4) рассмотрены технологические особенности и основы практической реализации объемных и пленочных структур сегнетотермоэлемен-тов;

5) впервые разработаны конструкция и методика расчета активного управляемого радиатора;

6) доказана возможность и перспективность теплоизоляции с избирательной теплопроводностью, предложен новый способ электротермической и магнитотермической поляризации для обеспечения стабильности свойств теплоизоляции;

7) разработана методика автоматизированного проектирования СЭТС с улучшенными технико-экономическими показателями.

Техническая новизна предложенных решений подтверждается 7 авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1) предложен и реализован конкретный комплекс рекомендаций по проектированию СЭТС с улучшенными технико-экономическими показателями;

2) впервые реализованы и исследованы образцы пленочных полузамкнутых структур сегнетотермоэлементов;

3) создана инженерная методика автоматизированного проектирования СЭТС;

4) разработаны и внедрены образцы СЭТС с улучшенными технико-экономическими показателями;

5) предложена технология изготовления в единичном технологическом цикле пленочных сегнетотермоэлементов.

Реализация результатов работы. Работа начиналась в соответствии с координационным планом Министерств радиопромышленности, промышленности средств связи, авиационной промышленности — приказ № 522/505/315, продолжена в соответствии с планом фундаментальных работ министерства путей сообщения. Конкретные разработки связаны с планом научных исследований по совершенствованию систем электро-термостатирования термочувствительной части радиотехнических уст-

ройств и элементов.

Разработанные устройства систем электротермостатирования внедрены на предприятиях гг. Москвы, Ленинграда, Томска, что подтверждается актами внедрения (приложение 7).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 36 конференциях. За последние 5 лет принято участие в следующих конференциях:

- Всесоюзная научная конференция "Повышение надежности РЭА с термоэлектрическими микроохладителями".— Москва, 1992.

- Международная научно-техническая конференция "Динамика систем механизмов и машин". — Омск, 1995.

- Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1996.

- Российская научно-техническая конференция "Системные методы теории чувствительности, надежности и математического моделирования".— Москва-Сочи, 1996.

- III Научно-практическая конференция "Энергосбережение на предприятиях западно-сибирской железной дороги".— Омск, 1997.

- Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий".— Сочи, 1997.

- Международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин".— Омск, 1997.

- Международная научно-техническая конференция "Проблемы оптимизации и экономические приложения".— Омск, 1998.

- Региональная научно-практическая конференция "Актуальные вопросы ресурсо и энергосбережения на железнодорожных предприятиях Сибири",— Омск, 1998.

- Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения".— Новосибирск, 1998.

- Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информацион-

ных технологий".— Москва-Сочи, 1998.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 78 научных работах, из которых 63 печатные работы, 7 авторских свидетельств и патентов, 7 отчетов по НИР, 1 монография.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка литературы, включающего 283 наименований, и 8 приложений. Общий объем диссертации составляет 408 страниц, в том числе 231 страницу основного текста, рисунки и таблицы на 107 страницах, приложения на 46 страницах и список литературы на 24 страницах.

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, намечены пути ее решения, проведен анализ современного состояния вопроса, сформулирована цель диссертационной работы и основные направления ее решения.

В первом разделе обобщены и систематизированы достижения в области разработки СЭТС, разработана классификационная схема, предложена методика оценки эффективности СЭТС при различных термостати-руемых объемах, эксплуатационных условиях, диапазонах холодопроиз-водительности. На основании расчета обобщенных показателей эффективности даны рекомендации по области применения различных СЭТС, сформулированы направления усовершенствования термоэлектрических систем охлаждения.

Во втором �