CC BY
37
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова. под ред. А. Д. Гулякова, Р. М. Печерской. Пенза, 2014. - С. 523-525.
16. Аверин И.А., Карманов А.А., Пронин И.А. Моделирование процессов газочувствительности полупроводниковых сетчатых композитов на основе SiO2-SnO2 // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. - Т. 1. - С. 214-216.
17. Аверин И.А., Игошина С.Е., Карманов А.А. Исследование частотных зависимостей емкости наноструктур на основе Si02-Sn02/ Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. - № 3 (27). - С. 168-175.
18. Ильин А.С., Максимов А.И., Мошников В.А., Ярославцев Н.П. Внутреннее трение в полупроводниковых тонких пленках, полученных методом золь-гель технологии // Физика и техника полупроводников. 2005. - Т. 39. - № 3. - С. 300-304.
19. Аверин И.А., Карманов А.А., Мошников В.А., Печерская Р.М., Пронин И.А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных методом золь-гель-технологии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2012. - № 2. - С. 155-162.
20. Меркульев А.Ю. Программные комплексы и системы проектирования печатных плат / Меркульев А.Ю., Сивагина Ю.А., Кочегаров И.И., Баннов В.Я., Юрков Н.К. // Современные информационные технологии. 2014. № 19 (19). С. 119-128.
21. Пронин И.А., Аверин И.А., Димитров Д.Ц., Карманов А.А. Особенности структурообразования и модели синтеза нанокомпозитных материалов состава SiO2MeхOy, полученных с помощью золь-гель-технологии // Нано- и микросистемная техника. 2014. - № 8. - С. 3-7.
22. Мошников В.А., Грачева И.Е., Аньчков М.Г. Исследование наноматериалов с иерархической структурой, полученных золь-гель-методом // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. - № 5. - С. 672684.
23. Аверин И.А., Игошина С.Е., Карманов А.А., Пронин И.А. Моделирование образования золь-гель нанокомпозитных пленок // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 013. - Т. 2. -С. 201-205.
24. Пронин И.А., Донкова Б.В., Димитров Д.Ц., Аверин И.А., Пенчева Ж.А., Мошников В.А. Взаимосвязь фотокаталитических и фотолюминесцентных свойств оксида цинка, легированного медью и марганцем // Физика и техника полупроводников. 2014. - Т. 48. - № 7. - C. 868-874.
25. Аверин И.А., Карманов А.А., Пронин И.А., Печерская Р.М. Использование ИК-спектроскопии для анализа тонких стекловидных пленок, полученных золь-гель методом // В сборнике: Университетское образование Сборник статей XV Международной научно-методической конференции, посвященной 50-летию полета первого космонавта Ю.А. Гагарина. Под редакцией: В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. 2011. -С. 227-228.
26. Аверин И.А., Карманов А.А., Печерская Р.М., Пронин И.А. Исследование золя ортокремневой кислоты методом ИК-спектрометрии // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 012. - Т. 2. - С. 181-182.
27. Северцев, Н.А. К вопросу об утрате работоспособности систем / Н.А. Северцев, А.В. Бецков, А.М. Самокутяев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 268-270.
УДК 544.723
Головяшкин А.А. , Головяшкин А.Н., Соломин А.В., Баннов В.Я., Гусев А.М.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ МДП СТРУКТУР С АКТИВНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ
Применение сегнетоэлектриков в качестве диэлектрика в МДП структуре имеет одновременно ряд положительных и отрицательных моментов. Для производства специальной аппаратуры к положительным качествам следует отнести их высокую помехозащищенность с точки зрения устойчивости работы в условиях высокого уровня плотности энергии внешнего ЭМП и радиационного фона. Основными проблемами остаются относительно большие значения времени релаксации процесса переполяризации и тангенса угла диэлектрических потерь. Однако их можно решить (полностью или частично) с помощью применения тонких сегнето-электрических пленок. На сегодняшний день появились различные технологии получения такого рода пленок: методы химического осаждения из растворов (CSD) и газовой фазы (CVD), химическое осаждение из аэрозольных источников (MSCSD) и метод атомного осаждения слоев (ALD). Кроме того, за последние двадцать лет значительно расширилась номенклатура материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Ниже приводится наиболее востребованные области применения таких структур.
Газовые датчики на основе приборов, чувствительных к изменению массы. Известно, что генераторы на основе пьезокристаллов чрезвычайно чувствительны к изменению массы электродов и посторонних частиц, адсорбированных на поверхности. Чтобы создать химические датчики на их основе, необходимо обеспечить преимущественную адсорбцию молекул исследуемого газа на поверхность кристалла с помощью нанесения тонкого слоя адсорбирующего материала [1]. Таким образом, при росте концентрации исследуемого газа в среде увеличивается его масса, адсорбированная на поверхности пьезокристалла, и пропорциональ-
но снижается частота выходного сигнала генератора.
Существуют два типа приборов, чувствительных к изменению массы. Первый из них - кварцевые микровесы, структурная схема которого показана на рисунке 1. Чувствительным элементом служит кристалл кварца с золотыми контактами. Изменение концентрации газа влияет на частоту сигнала на выходе генератора (3). Смеситель (5) выделяет разностную частоту, пропорциональную массе газа адсорбированного на поверхности чувствительного элемента. Такой прибор обладает высокой селективностью и применяется для регистрации паров ртути. Недостатком датчика является необходимость регенерации (удаление паров ртути) после каждого измерения.
1, 2 - чувствительный и вспомогательный пьезокристаллы; 3, 4 - генераторы;
5 - смеситель; 6 - частотомер; 7 - преобразователь частота-напряжение;
8 - регистрационное устройство Рисунок 1 - Структурная схема кварцевых микровесов
Второй тип прибора - датчик на ПАВ дифференциальной конфигурации (рисунок 2). На пьезокри-сталлической подложке (кварц, LiNbOз,
ZnO/SiO2/Si) размещены две одинаковые линии задержки на ПАВ, каждая из которых состоит из нескольких возбуждающих и детектирующих электродов.
1 - пьезокристаллическая подложка; 2, 3 -возбуждающие электроды; 4, 5 - детектирующие электроды; 6 - чувствительное покрытие; 7, 8 -усилители; 9 - смеситель Рисунок 2 - Датчик на ПАВ
В области распространения ПАВ одной из линий задержки нанесён чувствительный слой, селективно адсорбирующий молекулы исследуемого газа, что сопровождается уменьшением скорости распространения ПАВ, а значит и частоты колебаний генератора. Смеситель выделяет разностную частоту, пропорциональную количеству адсорбированного газа, а значит его концентрации в среде. Напыляя на поверхность подложки пленку палладия, получают газовые датчики водорода. Для регистрации N02 в качестве чувствительного слоя применяют пленки фталацианидов.
Элементы памяти, управляемые электрическим полем, в основном применяются в средствах вычислительной техники. Принцип действия рассматриваемых элементов основан на влиянии заряда остаточной поляризованности сегнетоэлектрика Р0 на электрические характеристики полупроводниковой пленки, нанесенной на его поверхность [2 -3]. В сегнетоэлектрической фазе зависимость поляризованности материала от напряженности электрического поля имеет гистерезисный характер. При увеличении напряженности поля Еп доменная структура сегнетоэлектрика изменяется за счет зарождения и роста доменов с направлением спонтанной поляризованности Р3, соответствующим направлению приложенного поля. После снятия напряжения сегнетоэлектрик будет находиться в устойчивом состоянии с величиной остаточной поляризованности + Р0. В случае одноосного монокристаллического сегнетоэлектрика, например, триглицинсульфата (ТГС), в сильных электрических полях возможна монодоменизация подложки
[4]. При этом значение Р0 практически совпадает с величиной Рэ. Путем приложения Еп противоположного направления сегнетоэлектрик переводится в другое устойчивое состояние с предельным значением - Р0
В структурах конденсаторного типа роль барьеров поликристаллической пленки будет не столь существенной, так как эффективная площадь их значительно меньше, чем площадь кристаллитов
[5]. Поэтому модуляция емкости структуры при переполяризации подложки импульсами поля будет определяться в основном модуляцией ОПЗ кристаллитов на границе с сегнетоэлектриком.
Важнейшей особенностью структур сегнетоэлек-трик-полупроводник является способность длительно сохранять информацию - то или иное значение проводимости резистора или емкости структуры - при отключенном питании. Поэтому вопросы стабильности параметров структур имеют первостепенное значение. Существует несколько факторов, приводящих к снижению стабильности параметров элементов памяти на основе таких структур, среди которых наиболее существенное значение имеют: 1) влияние окружающей среды на свойства полупроводниковой пленки; 2) стабильность доменного строения к диэлектрических характеристик сегнетоэлектрика; 3) релаксационные
процессы на границе сегнетоэлектрик-
полупроводник.
Проявление первого дестабилизирующего фактора связано с адсорбционно-десорбционными процессами атомов и ионов на свободной поверхности полупроводников в резисторной структуре, основной путь устранения которых - герметизация в корпус. Влияние тепловой генерации в полупроводнике на стабильность характеристик в большей степени сказывается в элементах, использующих пленки узкозонных полупроводников. Устранение этого дестабилизирующего фактора принципиально возможно при понижении рабочей температуры.
Стабильность доменной структуры сегнетоэлек-трика в течение длительного времени определяет постоянство значений Р0 [6]. Как правило, дрейф доменных границ достаточно мал для того, чтобы заметным образом изменить доменное строение. Старение, приводящее к изменению диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и полей переключения, наблюдается во многих сегнетоэлектрических материалах [7]. Оно проявляется в спаде значений диэлектрической проницаемости и росте потерь со временем и обусловлено процессом релаксации механических напряжений, существующих в объеме материала, а также процессами экранирования доменов пространственным зарядом, появление которого может быть обязано, например генерационным и миграционным процессам в сегнетоэлектрике. "Блокирование" доменной структуры таким зарядом приводит к уменьшению величины переключающего объема за один цикл переключения.
Появление последнего дестабилизирующего фактора в значительной степени зависит от технологии получения структур и режимов переключения сегнетоэлектрической подложки. Дрейф параметров в некоторых структурах связан с перезарядкой поверхностных состояний на границе сегнетоэлек-трика с полупроводником [8]. Концентрация поверхностных состояний на границе раздела зависит от целого ряда факторов, таких как дефектность используемого материала подложки, в том числе ее поверхности, механические напряжения в поверхностном слое сегнетоэлектрика, возникающие в процессе его обработки, и так далее. В настоящее время известно, что в некоторых сег-нетоэлектриках плотность поверхностных состояний достигает значений 1014 см-2, что по порядку величины сравнимо с плотностью заряда Рs [9]. Совершенствование технологии изготовления структур с целью уменьшения концентрации медленных состояний на границе сегнетоэлектрик-полупроводник является одним из условий создания элементов со стабильными характеристиками.
В основе записи оптической информации фотоприемниками с памятью в структурах сегнетоэлек-трик-полупроводник лежат эффекты остаточной фотопроводимости (ОФП) и остаточной фотоемкости (ОФЕ), суть которых в том, что после прекращения освещения установленные значения фотопроводимости или фотоемкости сохраняются в течение длительного времени. Анализ таких длинновремен-ных релаксаций фотоотклика (т >10 6 с) приведен в [10]. Причиной появления ОФП и ОФЕ является, как правило, наличие потенциальных барьеров, препятствующих рекомбинации неравновесных носителей заряда. В структурах сегнетоэлектрик-полупроводник такой рекомбинационный барьер создается поверхностным зарядом Р0 на границе с полупроводником [3]. Рассмотрим принцип работы фотоприемника с памятью на основе структуры сегнетоэлектрик-полупроводник при освещении светом с длиной волны, лежащей в области собственного поглощения полупроводника и оптической прозрачности сегнетоэлектрика. Эти условия достигаются выбором материалов пленки полупроводника и сегнетоэлектрической подложки. Запись оптической информации в конденсаторной структуре производится обычно через полупрозрачный металлический электрод со стороны полупроводниковой пленки. Исходное (темновое) состояние структуры соответствует состоянию обеднения,
причем подложка монодоменизирована. Неравновесные электроны и дырки, генерированные под действием квантов света в области обеднения и на расстоянии диффузионной длины от нее, пространственно разделяются благодаря электрическому полю заряда Рэ. Электроны уходят вглубь пленки полупроводника, а неравновесные дырки двигаются к границе сегнетоэлектрик-полупроводник, экранируя заряд Р0 и частично захватываясь соответствующими поверхностными состояниями. Это приводит к уменьшению высоты потенциального барьера до величины зависящей от числа поглощенных квантов света и, следовательно, к уменьшению ОПЗ. В результате возрастает проводимость резистора и емкость структуры. После воздействия ограниченной дозой оптического излучения рекомбинация пространственно разделенных неравновесных носителей затруднена вследствие сохраняющегося барьера фSI что обуславливает запоминание достигнутых под действием света значений проводимости резистора и емкости структуры, т.е. наблюдаются эффекты ОФП и ОФЕ. Таким образом, основную роль в увеличении проводимости и емкости играют неравновесные генерированные светом носители, в рассматриваемом случае - дырки, которые экранируют поляризационный заряд подложки. Для каждой конкретной пары материалов с учетом начального значения qфS существует максимальная интегральная доза облучения, после воздействия которой устанавливается барьер, сохраняющий высокие времена релаксации ОВД и ОФЕ. Так, для широкозонных полупроводников длительное хранение оптической информации с т> 106 с при комнатной температуре реализуется при минимальной величине q<ps » 10кТ.
Возможность создания приемников ИК-диапазона на структурах сегнетоэлектрик-полупроводник,
обладающих высокой фоточувствительностью, весьма проблематична. С одной стороны, это связано с малой высотой исходного потенциального барьера в узкозонном полупроводнике на границе раздела с сегнетоэлектриком, а с другой стороны, с технологическими трудностями создания тонких пленок широкозонных полупроводников с примесной фотопроводимостью. В любом случае эти приемники могут функционировать только в условиях охлаждения, что практически не всегда приемлемо.
Альтернативным вариантом приемников излучения, в том числе и в ИК-диапазоне, могут служить термочувствительные элементы со структурой пироэлектрик - полупроводник, спектральная чувствительность которых может быть обеспечена системой фильтров. В отличие от использовавшегося ранее внутреннего фотоэффекта, в основе работы этих элементов лежит тепловое воздействие излучения на пироэлектрическую подложку. Из-за переходного характера процесса изменения проводимости пленочного резистора при изменении температуры структуры сегнетоэлектрик-
полупроводник ее использование в качестве приемника теплового излучения предпочтительно в условиях модуляции теплового потока. Амплитуда изменения тока через резистор уменьшается с ростом частоты модуляции теплового потока и теплоемкости структуры сегнетоэлектрик-
полупроводник.
Основной проблемой с точки зрения технологии изготовления МДП-структур является получение тонких диэлектрических пленок сегнетоэлектриков со стабильными параметрами и высокой технологической воспроизводимостью параметров и характеристик. Возможное решение этой проблемы может быть найдено применением золь-гель технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Компания «Dart-sensors LTD» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dart-sensors.com, свободный.
2. К.А.Воротилов, А.С.Сигов. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства // ФТТ, 2012, том 54, выпуск 5.
3. Жигалина О. М., Воротилов К. А., Хмеленин Д. Н., Сигов А. С. Структурные особенности пленок цирконата-титаната свинца, сформированных методом химического осаждения из растворов с различным содержанием свинца //Нано- и микросистемная техника. 2008.
4. Щербакова О.И. Методы изготовления многослойных печатных плат / Щербакова О.И., Граб Ю.А., Белов А.Г., Баннов В.Я., Кочегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 154-157.
5. Ю.М. Поплавко, Л. П. Переверзева, И. П. Раевский. Физика активных диэлектриков. - Ростов н/д: изд-во ЮФУ, 2009. - 480 с.
6. Минина E.B. Электрические и фотоэлектрические свойства МДП-структур с активными диэлектриками: Дис. канд.физ.-мат. наук. - Л.: ЛЭТИ, 1989.
7. Афанасьев В.П., Кротов В.А., Панова Я.И. Фото- и пироэлектрические элементы с памятью на структурах сегнетоэлектрик-полупроводг-ник // Изв. ЛЭТИ: Сб.: науч. тр. / Ленингр. электротех. ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина). - Л., 1983. - Вып.322. - С.42-46.
8. Белов А.Г. Влагозащитное покрытие печатных узлов в датчике утечки воды / Белов А.Г., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кочегаров И.И., Лысенко А.В., Юрков Н.К. // Современные информационные технологии. 2014. № 19 (19). С. 265-272.
9. Функциональные возможности структуры сегнетоэлектрик-полупроводник. Аналитический обзор за 1970 - 1985 г.г. / В.П.Афанасьев, В.А.Кротов, А.Е.Мазур и др. - М.: ЦНИИИ и ТЭИ, 1986.
10. Сихарулидзе Д.Г., Чилая Г.С. Преобразователи изображений типа МДП-электрооптический материал. - И.: Радио и связь, 1986.
11. Лайнс М., Гласе А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы.- М.: Мир, 1981.
Compendium of Analytical Nomenclature (Definitive Rules 1997). 3rd ed., IUPAC, Blackwell Science, 1998. 8.1-8.51 (Electrochemical Analysis).
12. Северцев, Н.А. К вопросу об утрате работоспособности систем / Н.А. Северцев, А.В. Бецков, А.М. Самокутяев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 2. С. 268-270.
УДК 620.9.001.5, 621.315
Денисова Н.Н., Матова Ю.А., Горячев В.Я., Умяров К.Я.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
АНАЛИЗ СТАТИСТИКИ ОТКАЗОВ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 110 КВ ПЕНЗЕНСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
Одной из стратегических целей развития российской электроэнергетики является решение проблемы энергетической безопасности как важнейшей составляющей национальной безопасности России. Развитие электроэнергетики должно идти в направлении создания интеллектуальной электроэнергетической системы (ЭЭС), придающей ей ряд принципиально новых свойств и обеспечивающей
надежное и качественное электроснабжение потребителей, устойчивую и надежную работу всех компонентов электроэнергетической системы, энергосбережение [1].
Вопросы повышения надежности электроснабжения вызваны в первую очередь высокой степенью физического и морального износа основного энергетического оборудования. По многим видам обо-
