CC BY
13
УДК 681.586'34
МЕХАНИЗМ СВЕРХБЫСТРОГО РАСТВОРЕНИЯ МЕТАЛЛА В ПЛЕНКЕ ХСП И РАЗРАБОТКА ДАТЧИКОВ НА ИХ ОСНОВЕ
В. Н. ЗАМАРАЕВ, В.Я-С. КОГАЙ
Камский государственный политехнический институт, Набережные Челны Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия
АННОТАЦИЯ. Эффект механизма сверхбыстрого растворения металла в пленке ХСП имеет суперионную природу, высокая скорость диффузии металла в пленке связана с действием эффекта ускорения ионов электронами в стекле, достигающими в стекле 107. Модифицированные пленки, получены при спонтанной релаксации энергии упругой деформации, весьма чувствительны к внешним воздействиям (температуре, влажности, освещенности и т. д.). На основе этих пленок разработаны высокочувствительные прецизионные датчики температуры и влажности.
Эффект механизма сверхбыстрого растворения металла в пленке ХСП имеет суперионную природу. Высокая скорость диффузии металла в пленке ХСП связана с действием эффекта ускорения ионов электронами в стекле, достигающим в стекле большой величины 107.
Тонкопленочная гетероструктура М/ХСП представляется как сильнонеравновесная диссипативная структура, в которой ХСП играет роль «остова» (матрицы) супер-ионного проводника (СИП), находящегося в контакте с металлом (М) - суперионным агентом. При с!хсп/с1си=8 и температуре Т>Ткр. (Ткр=270 К) в системе активируется процессы диффузии металлы в «остов» (химическая реакция М+ХСП —»ХСП <Ме>). Скорость проникновения металла в пленку ХСП определяется процессами на фазовой
границе М/ХСП, действующими градиентами химического потенциала ^Им и коэффициентами диффузии металла в ХСП. Полагая, что при Т>Ткр фазовая граница М/ХСП «прозрачна» для металла (ДЕ-кТкр , здесь АЕ- высота соответствующего потенциального барьера, к - постоянная Больцмана), из соотношения
Т — (I ¡{к • ТУ) ~ 0,и (здесь х-характерное время диффузии, сЫЗОО А - толщина пленки ), при 1:*=9 мин получаем эффективный коэффициент диффузии металла в ХСП О300к~1(Г10 см2/с. Найденная величина О превышает характерные для твердых тел значения О^00к~Ю"12 - Ю"20 см2/с, что может указывать на действие эффекта ускорения ионов электронами при их совместной диффузии в ХСП.
Коэффициент ускорения ионов электронами в смешанных электронно-ионных проводниках определяется выражением:
DI Ds = (te + t,De /£>,)» (tf / л +1), (1)
здесь ti и te (ti+te=l), N и n, D-, и Dc - числа переноса, концентрации и коэффициенты
у
диффузии ионов и электронов в отсутствии других частиц, D - коэффициент сопряженной диффузии ионов и электронов (дырок).
Равенство (1) справедливо при любых, сколь угодно малых, концентрациях элек-
у
тронов в ионном проводнике (в случае п—>0, te—>0) имеем D/D—>1, приближенное равенство (1) - при условии Sc>>Sj (здесь Se и S-, - электронная и ионная составляющие проводимости), что соответствует начальным стадиям легирования ХСП. Величина D/Di -> 1 при нулевом уровне легирования ХСП (N=0) и возрастает с ростом N по мере проникновения металла в пленку. При х*~20 ат.% для ХСП состава Asi^Cuo^Se имеем Ncu~ 410" см""5, что при п~ 10 см" дает оценку D/D-,~ 10 . Полученная величина коэффициента ускорения существенно превышает обычные для кристаллических СИП значения D/D, ~103 - 104, что можно связать с высокой растворимостью металла (большими N) и низкой концентрацией электронных носителей тока (малыми п) в ХСП [1]-
Модифицированные пленки, полученные при спонтанной релаксации энергии упругой деформации, весьма чувствительны к внешним воздействиям (температуре, влажности, освещенности и др.). На основе этих пленок нами разработаны высокочувствительные прецизионные датчики температуры и влажности. Принцип действия датчиков температуры и влажности основан на изменении электрического сопротивления первичного преобразователя при изменении температуры и влажности. На рис.1 и 2 представлены зависимости сопротивления чувствительного элемента (ЧЭ) от температуры. Из рис.1 видно, что в интервале температур от -80°С до +80°С с увеличением концентрации вводимого металла в пленку М/ХСГ1 с 10 ат.% до 20 ат.% зависимость становится практически линейной, что облегчает калибровку температурного датчика и ее схемотехническую реализацию. В интервале температур от -180°С до -100°С (рис.2) линейная зависимость сопротивления ЧЭ от температуры сохраняется независимо от введенной концентрации меди. Основные технические характеристики ЧЭ для датчиков температуры приведены в табл. 1.
Модифицированные пленки, полученные при спонтанной релаксации, могут быть использованы и для датчиков влажности. На рис.3 представлена зависимость изменения сопротивления ЧЭ от относительной влажности. Эта зависимость имеет линейный характер при введении в пленку ХСП 50 ат.% меди. Для однозначного отождествления измеренного сопротивления с определенной влажностью необходимо создание в воз-
Я,кОм 600
0 -80 -40 сГ 40 80 С с
Рис.1. Зависимость сопротивления чувствительного элемента от температуры: 1-10 ат.%; 2-15 ат.%; 3-20 ат.%
Рис.2. Зависимость сопротивления чувствительного элемента от температуры при различных содержаниях меди: 1-10 ат.%; 2-15 ат.%; 3-20 ат.%
Таблица 1. Технические характеристики ЧЭ для датчиков температуры
Диапазон температур -80 -г- +80 30-100
Потребляемый ток, А 5-10"6 5Т0"6
Чувствительность, В/°С 5-10"3 20-Ю-3
Потребляемая мощность, Вт 10"7-10~5 10"7-10"5
Точность измерения, % 0,2 0,1
Габаритные размеры, м2 300-300 10"12 300-300-10"12
Я,Ом 200
Л
160 --
120
80
20 40
60
80
100 ¥та,%
Рис.3. Зависимость сопротивления Я чувствительного элемента от относительной влажности воздуха РГС]
духе заранее известной влажности. Известно, что насыщенные растворы отдельных со-лейвызывают уменьшение влажности в замкнутом воздушном пространстве над ними. Этот эффект использовался для калибровки датчиков влажности. На рис.4 представлено устройство для калибровки ЧЭ датчиков влажности. Калибруемый ЧЭ монтируется в герметичной стеклянной колбе, и соединяется с прибором для измерения сопротивления. Затем в колбу помещают пропитанный насыщенным раствором соли ватный тампон и сразу же закрывают резиновой пробкой. Спустя примерно 30 мин в колбе устанавливается соответствующая относительная влажность, указанная в табл. 2.
Рис.4. Устройство для калибровки датчиков влажности: 1 - к омметру; 2 - резиновая пробка; 3 - колба; 4 - чувствительный элемент (ЧЭ); 5 - тампон с насыщенным солевым раствором
Таблица 2. Относительная влажность (%) воздуха над насыщенными растворами солей
соль Температура, °С
10 15 20 25 30 35 40
Хлорид магния М^СЬ 34 34 33 33 33 32 32
Карбонат калия К2СО3 47 44 44 43 43 43 42
Бихромат натрия ЫагСггСЪ 58 56 55 54 52 51 50
Сульфат аммония (ЫН^гБС^ 82 81 81 80 80 80 79
Нитрат калия К1МОз 95 94 93 92 91 89 88
Используя различные солевые растворы, можно промерить всю характеристику ЧЭ. Основные технические характеристики ЧЭ для датчиков влажности приведены в табл. 3.
Таблица 3. Технические характеристики ЧЭ для датчиков влажности
Диапазон влажности, % зо-чоо
Потребляемый ток, А 5-10"6
Диапазон изменения сопротивления, Ом 100-300
Потребляемая мощность, Вт 0,5-10"9
Точность измерения, % о J
Габаритные размеры, м2 300-300-10"12
Достоинствами этих датчиков (температуры и влажности) являются высокая стойкость к радиационным излучениям, высокая чувствительность, малая потребляемая мощность, малые габаритные размеры, низкая себестоимость. Датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Когай В.Я-С. Сверхбыстрое растворение меди в гетероструктуре М/ХСП и разработка приборов на ее основе. Диссертация на соискание ученой степени кандидат физико-математических наук. Ижевск, 2000. 734 с.
2. Когай В.Я., Замараев В.Н. Датчики влажности и температуры. Тезисы докладов II Международного симпозиума «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов». Н.Челны, 1999. 59 с.
SUMMARY. The effect of super-high-speed dissolution of metal in chalcogenide glass semiconductor film is of super ion character. High speed of metal diffusion in a film is bound up with the effect of ions acceleration with electrons in glass that reach the quantity
n
of 10 approximately.
Modified films, produced at spontaneous relaxation of elasticity deforming energy are very sensitive to exposure impact (temperature, light, etc.). On the basis of these films high sensitive precision transducers of temperature and moisture have been developed.
