содержанием стекла в композиции , , мас. %.
Таблица 4
Состав композиции и КТР подложекR, кОм/квТКС,
- К-?l
одно-осное растя-жение?l
трех-точечный изгибУход R после термо-циклов, %Влаго-стойкость, %Содержание стекла
? мас. %
КТР подложки ·-, К-
(ВК -)?·-?---,?-,< ,,?,Содержание стекла
мас. %
КТР подложек
·-?·-?-?- ? *-,?-,
(?)**,?, -,?,Электрические свойства и эксплуатационные характеристики РТП с различной величиной рассогласования КТР компонентов.
_
* - для пленок на стальных эмалированных подложках
** - для пленок на ситалловых подложках
Одна из основных проблем при разработке толстопленочных резисторов заключается в трудности получения материалов с высоким удельным сопротивлением, обладающих одновременно низкой величиной ТКС. Полученные результаты показывают, что управляя соотношением КТР компонентов (?ф/?с) можно добиться существенного снижения абсолютной величины ТКС. ТКС по модулю для пленок с величиной ?ф/?с = , в раза меньше, чем у пленок с исходным стеклом С - (?ф/?с = ,), при незначительной разнице в величине удельного электросопротивления. Кроме того, чувствительность к деформации пленок с ?ф/?с = , меньше почти в раза, в сравнении с пленками на основе исходного стекла С -, что может играть важную роль при использовании РТП в качестве резисторов.
Проведенные исследования показали, что РТП на основе SnO-Sb могут наноситься не только на подложки из алюмооксидной керамики, но и на подложки из эмалированной стали, ситалла, керамики на основе нитрида алюминия. С одной стороны, это расширяет область применения и увеличивает функциональность пленок. Например, использование в качестве подложки обладающего высокой теплопроводностью нитрида алюминия позволяет решать проблемы рассеяния тепла в мощных интегральных схемах. С другой стороны, благодаря высокой тензочувствительности пленок, материал подложки оказывает значительное влияние на величину ТКС резистора. В строке таблицы 4. приведены диапазоны электрических свойств для РТП с различной величиной рассогласования КТР компонентов (содержание стеклосвязующего мас. %), нанесенных на различные подложки. В случае, когда КТР подложки больше КТР пленки, деформация резистивного слоя под воздействием термических напряжений приводит к дополнительному изменению электросопротивления и частично компенсирует активационный характер проводимости в РТП. Максимальное снижение величины ТКС резистора наблюдается при использовании подложек из эмалированной стали. Таким образом, среди исследованных РТП минимальной величиной ТКС обладают пленки с величиной ?ф/?с = ,, нанесенные на стальные подложки.
Кроме использования в качестве резисторов, в настоящее время РТП успешно используются как чувствительные элементы различного рода сенсоров. Основной характеристикой тензодатчиков является коэффициент тензочувствительности. Обнаруженные высокие значения коэффициента тензочувствительности исследованных пленок в сочетании с высокой стабильностью, возможностью использования в качестве подложки эмалированной стали, более низкой стоимостью в сравнении с пленками на основе соединений рутения делают их перспективными для практического применения в качестве чувствительных элементов датчиков деформации, давления, перемещения. Тензочувствительность и диапазон деформаций исследуемых пленок варьируются в широких интервалах в зависимости от способа нагружения и материала подложки. Максимальные значения коэффициентов тензочувствительности фиксировались в условиях одноосной деформации пленок. В данном случае, при выборе состава толстопленочной композиции необходимо учитывать, что максимальная величина тензочувствительности наблюдается в пленках с соотношением КТР компонентов ?ф/?с = ,8. Изменение данного соотношения сопровождается резким уменьшением тензочувствительности пленок.
При использовании в тензодатчиках чувствительных элементов в виде толстых пленок с сэндвичевой конфигурацией контактов (рис. 4.), материал подложки играет второстепенную роль. Для тензодатчиков, конструкция которых предполагает деформацию чувствительного элемента изгибом, широкий диапазон измеряемых деформаций обеспечит использование стальных подложек. При необходимости получения материала, обладающего высокой тензочувствительностью в сравнительно узком интервале деформаций, целесообразно использование подложек из ситалла. Стоит отметить, поскольку для тензодатчиков главным требованием является высокая тензочувствительность независимо от знака, то отрицательные величины коэффициентов тензочувствительности РТП на основе SnO-Sb не делают их менее привлекательным материалом для использования в качестве чувствительных элементов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Установлена взаимосвязь электрофизических свойств с термическим расширением компонентов РТП на основе SnO-Sb для различных составов композиции, режимов термообработки и материалов подложек. Показано, что влияние рассогласования КТР компонентов на свойства РТП на основе SnO-Sb обусловлено возникновением в процессе термообработки остаточных напряжений.
2. В рамках туннельно-барьерной модели проводимости рассмотрены факторы влияния напряженного состояния в диэлектрической прослойке на электрофизические свойства РТП. Показано, что основным фактором такого влияния на свойства пленок является увеличение эффективной площади контакта на границе токопроводящая частица - диэлектрическая прослойка, что приводит к росту концентрации инжектированных в прослойку электронов и уменьшению высоты потенциального барьера между проводящими частицами.
3. Исследована роль подложки в формировании свойств РТП на основе SnO-Sb. Показано, что влияние подложки на свойства пленок обусловлено рассогласованием КТР пленки и подложки. Влияние рассогласования КТР пленки и подложки на электросопротивление, тензочувствительность и пороговую напряженность электрического поля, при которой начинается отклонение в омическом поведении, связано с деформацией резистивного слоя под воздействием возникающих в процессе термообработки остаточных напряжений. Основным фактором влияния рассогласования КТР пленки и подложки на ТКС является деформация резистивного слоя под воздействием термических напряжений при изменении температуры.
4. Показано, что концентрационные зависимости электросопротивления РТП на основе SnO-Sb удовлетворительно описываются в рамках моделей перколяции, учитывающих туннелирование. Характер зависимостей между остаточными напряжениями на межфазной границе и перколяционными характеристиками исследуемых пленок согласуется с предложенным механизмом влияния величины рассогласования КТР компонентов на электрофизические свойства РТП.
5. Установлено, что изменение электропроводности РТП на основе SnO-Sb в результате внешнего воздействия определяется не только физическими механизмами, связанными с изменением условий для туннелирования между токопроводящими частицами, но также существенный вклад вносит перестройка топологии проводящего кластера, т.е. процессы образования, разрушения и изменения путей протекания заряда. Величина вклада, связанного с обратимой перестройкой путей протекания заряда, в изменение электропроводности пленок зависит от параметров туннельных барьеров и, таким образом, от остаточных напряжений на межфазной границе.
6. Исследован тензорезистивный эффект в РТП на основе легированного сурьмой диоксида олова. Показано, что высокие значения коэффициентов тензочувствительности обусловлены туннельно-перколяционным характером проводимости в исследуемых пленках. Особенности структуры РТП на основе SnO-Sb определяют существенное влияние деформации на топологию токопроводящего кластера. Важная роль процессов перестройки токопроводящих путей при деформации приводит к зависимости значения коэффициента тензочувствительности от метода измерения и знака остаточных напряжений на границе
раздела пленка - подложка.
7. Благодаря высокой тензочувствительности, РТП на основе SnO-Sb могут использоваться не только в качестве высокоомных резисторов, но и являются перспективным материалом для изготовления чувствительных элементов тензодатчиков. На основании полученных результатов, в зависимости от предполагаемой области применения РТП, разработаны рекомендации по выбору величины соотношения КТР компонентов пленок, пленки и подложки.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1. Гончар А.Г. Взаимосвязь термических напряжений с электрофизическими свойствами резистивных толстых пленок на основе SnO - Sb / А.Г. Гончар, И.М. Виницкий, Д.Е. Дышель // Доповіді НАН України. -. - № 5. - С. -.
2. Гончар А.Г. Механізм впливу залишкових термічних напружень на електрофізичні властивості композиційних плівок на основі SnO-Sb / А.Г. Гончар, І.М. Винницький, Б.М. Рудь // УФЖ. - . - Т. , № 1. - С. -.
3. Виницкий И.М. Роль контактной разности потенциалов на межфазных границах в композиционных толстых пленках в формировании их электрофизических свойств / И.М. Виницкий, Б.М. Рудь, Е.Я. Тельников, А.Г. Гончар // Металлофизика и новейшие технологии. -. -Т. , № 9. - С. -.
4. Гончар А.Г. Вплив підкладки на електрофізичні властивості композиційних плівок на основі SnO - Sb / А.Г. Гончар, А.О. Рогозинська, Б.М. Рудь, І.М. Виницький // УФЖ. - . - Т. , № 2. С. -0.
5. Рудь Б.М. Тензорезистивний ефект у товстих плівках на основі легованого сурмою діоксиду олова / Б.М. Рудь, А.Г. Гончар, Є.Я. Тельніков // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - . - № 1. - С. -.
6. Паустовский А.В. Тензочувствительность резистивных толстых пленок на основе систем ВаВ и SnO-Sb после лазерного облучения / А.В. Паустовский, Б.М. Рудь, В.Е. Шелудько, В.В. Кременицкий, Е.Я. Тельников, А.Г. Гончар, А.М. Блощаневич, И.В. Захарченко // ФХММ. - . - № 4. - С. -0.
7. Рудь Б.М. Вплив залишкових термічних напружень на тензочутливість товстих плівок на основі Sn,Sb,O / Б.М. Рудь, А.Г. Гончар, В.Є. Шелудько [та ін.] // УФЖ. - . - Т. , № /. - С. -.
Материалы диссертационной работы представлены автором в докладах:
1. Виницкий И.М. Влияние термических напряжений и механической деформации на электропроводность композиционных пленок на основе Sn-xSbxO / И.М. Виницкий, А.Г. Гончар, Д.Е. Дышель [и др.] // Функциональные градиентные материалы : междунар. сем., - мая г. - К., .
2. Гончар А.Г. Влияние рассогласования коэффициентов термического расширения пленки и подложки на электрофизические свойства толстопленочных резисторов на основе SnO-Sb / А.Г. Гончар, И.М. Виницкий, Б.М. Рудь // Передовая керамика-третьему тысячелетию : междунар. конф., - нояб. г. : тезисы докл. - К., . - С. 6.
3. Гончар А.Г. Роль подложки в формировании электрофизических свойств композиционных толстых пленок на основе SnO-Sb / А.Г. Гончар, И.М. Виницкий, Б.М. Рудь // Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике : междун. конф., - сент. г. : тезисы докл. - К., . - С. -5.
4. Паустовский А.В. Тензочувствительность резистивных толстых пленок на основе систем ВаВ - LaB и SnO-Sb / А.В. Паустовский, Б.М. Рудь, В.Е. Шелудько, А.Г. Гончар [и др.] // Материалы и покрытия в экстремальных условиях : междунар. конф., - сент. г. : тезисы докл. - Кацивели, . - С. -5.
5. Паустовский А.В. Лазерная обработка и тензочувствительность резистивных толстых пленок на основе SnO-Sb / А.В. Паустовский, Б.М. Рудь, В.Е. Шелудько, А.Г. Гончар [и др.] // Современное материаловедение: достижения и проблемы : междунар. конф., - сент. г. : тезисы докл. - К., . - С. 3.
6. Рудь Б.М. Влияние остаточных напряжений на полевые зависимости электросопротивления толстых пленок на основе легированного сурьмой диоксида олова / Б.М. Рудь, А.Г. Гончар, В.Е. Шелудько [и др.] // Материалы и покрытия в экстремальных условиях : междунар. конф., - сент. г. : тезисы докл. - Жуковка, . - С. 9.
7. Рудь Б.М. Концентрационные зависимости электросопротивления резистивных толстых пленок на основе Sn,Sb,O / Б.М. Рудь, А.Г. Гончар, Е.Я. Тельников [и др.] // HighMathTech : междунар. конф., - окт. г. : тезисы докл. - К., . - С. 3.
8. Рудь Б.М. Туннельно-перколяционный характер проводимости и тензорезистивный эффект в толстых пленках на основе твердого раствора SnO-Sb / Б.М. Рудь, А.Г. Гончар, В.Е. Шелудько // Материаловедение тугоплавких соединений : междунар. конф., - мая г. : тезисы докл. - К., . - С. 9.
9. Рудь Б.М. Структура и тензочувствительность резистивных толстых пленок на основе SnO - Sb / Б.М. Рудь, А.Г. Гончар // Материалы и покрытия в экстремальных условиях : междунар. конф., - сент. г. : тезисы докл. - Жуковка, . - С. 7.
СПИСОК
- Киев+380960830922