Семантический анализ перспективных изделий микро- и наноэлектроники с точки зрения увеличения ключевых показателей качества и технологичности

При синфазном возбуждении (на вибростоле по ГОСТу) мы исследуем воздействие вибрации на изделие не полностью, не проверяя механическую прочность в максимумах амплитуды резонансных частот, возникающих только при разнице фаз в точках возбуждения. Максимальную амплитуду ускорения мы получили при противофазном (не стандартном) возбуждении колебаний (фаза изменяется вдоль диагонали платы).

Мы рассматривали случаи противофазного воздействия, так как в этом предельном случае проявляется максимальных характер воздействия разницы фаз.

Исходя из изложенного, можно утверждать, что для получения полной информации снятия АЧХ платы следует проводить при синфазном и противофазном возбуждении точек крепления платы.

Заключение. Проведённые исследования подтверждаются выводами работы [1], где отмечается, что частотные характеристики сложных конструкций (какими являются платы) не указывают на чётко разделённые моды. В них моды сильно связаны, а реакция на любой частоте есть комбинация многих мод. Но такие сложные конструкции могут быть всё же описаны с помощью дискретного набора мод (собственных форм), хотя методы для определения модальных параметров более сложные.

Результаты математического моделирования очень хорошо подтверждаются экспериментальными данными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Испытания конструкций. Часть 2. Анализ мод колебаний и моделирование / Оле Дэссинг - Дания: Брюль и Къёр, 1989. - 70 с.

2. Токарев М.Ф. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры / М.Ф.Токарев, Е.А.Талицкий, В.А.Фролов // Под ред. В.А.Фролова. - М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.

3. Хайкин С.Э. Физические основы механики / С.Э. Хайкин. - М.: Физматгиз, 1962. - 770 с.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний / И.М. Бабаков. - М.: Наука, 1968.- 559 с.

5. Напитухин А.В. О применении волнового метода к динамическому расчёту балок. //Морской вестник. 2012. № 2. - с. 87-90.

6. Александров А.В. Основы теории упругости и пластичности / А.В.Александров, В.Д.Потапов. -М.: Высш. шк., 1990. - 400 с

7. Таньков Г.В. Разработка и исследование дискретных моделей несущих конструкций РЭС / Г.В.Тань-ков, В.А.Трусов, И.И.Кочегаров - Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии. - № 2, 2016.

УДК: 658.52

Адамов А.П., Адамова А.А

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

СЕМАНТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КЛЮЧЕВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

Данная статья посвящена перспективному направлению использования в семантическом анализе перспективных изделий микро-и наноэлектроники. Оновное внимание уделено показателям качества и технологичности.

Для оценки надежности системы, выбора показателей качества, описания связей системыi и мета-системыг используется системный анализ и системный подход [1]. Проблема компактного визуального представления многофакторной и сложносвязанной информации является одной из основных в современных проектных процедурах. Рассмотрим методыг и подходыг визуального семантического анализа сложных систем и процессов на примерах перспективных объектов и процессов микро- и наноэлектроники

Ключевые слова:

показатели качества, технологичность, наноэлектроника, семантический анализ, надежность системы

Введение

Современные мировые тенденции развития микроэлектронной промышленности связаны с повышением надежности и непрерывным улучшением показателей качества перспективных изделий микро- и наноэлектроники. Микроэлектронная промышленность является мета-системой для электронной компонентной базы изделий. Для оценки надежности

системы, выбора показателей качества, описания связей системы и мета-системы используется системный анализ и системный подход [1]. Проблема компактного визуального представления многофакторной и сложносвязанной информации является одной из основных в современных проектных процедурах. Рассмотрим методы и подходы визуального

семантического анализа сложных систем и процессов на примерах перспективных объектов и процессов микро- и наноэлектроники.

Системный подход представляет собой совокупность методов и средств, позволяющих исследовать свойства, структуру и функции объектов и процессов в целом, представив их в качестве систем со сложными межэлементными взаимосвязями, взаимовлиянием самой системы на ее структурные элементы [2].

Системный подхода заключается в рассмотрении элементов системы как взаимосвязанных и взаимодействующих для достижения глобальной цели функционирования системы. Особенностью системного подхода является оптимизация функционирования не отдельных элементов, а всей системы в целом.

В последние годы для прорывных решений в микро- и наноэлектронике наибольшее значение приобретают электромеханические свойства используемых материалов. Одним из новых материалов является графен - двумерная аллотропная модификация углерода. Уникальные свойства графена обуславливаются особенностями взаимодействия электронов в двумерной кристаллической структуре. Атомы углерода в кристаллической структуре графена обладают четырьмя валентными электронами. Три электрона образуют

эр2гибридизованныеорбитали, формирующие кова-лентные связи с соседними атомами.

эр2гибридизованныеорбитали расположены в одной плоскости под углами 120 градусов Четвертый электрон атома углерода отвечает за низкоэнергетические электронные свойства графена. Данный электрон образует 2р-орбиталь, перпендикулярную к плоскости sp2 гибридизованных орбиталей. Кристаллическая решетка графена имеет гексагональную структуру, являющуюся совокупностью двух треугольных подрешеток. В кристаллической решетке графена электроны ведут себя как безмассовые переносчики тока, что позволяет использовать эффекты квантовой физики для описания поведения материала при различных внешних воздействиях. Для графена харарактерны парадокс Клейна, эффект дрожания электронов, квантовый эффект Холла, амбиполярность.

Модуль Юнга одного слоя графена равна ~1,0 ТПа. Коэффициент жесткости графена превышает коэффициент жесткости алмаза. Экспериментально подтвержденный предел прочностиь графена на разрыв составляет ~42Н-м-1. На сегодняшний день гра-фен является одним из самых прочных материалов, исследованных в лаборатории.

Открытие графена, сделанное в 2004 году двумя учеными-физиками Андреем Геймом и Константином Новоселовым подтвердило положения, сформулированные П.Воллеса о свойствах графита, который еще в 1947 году показал, что структура этого материала аналогична металлам и некоторые его характеристики подобны тем, какими обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Российские ученые создали углеродную пластину, более твердую, чем алмаз, толщина которой при этом составила всего один атом. Полученный углерод в свободном состоянии исследователи назвали графеном. В новом материале обнаружились уникальные физические свойства. Результаты своей работы вместе с описанием способа получения графена на подложке окисленного кремния Гейм и Новоселов опубликовали в журнале Science [4-8].

Несмотря на высокие прочностные характеристики графен обладает гибкостью и эластичностью. Для графена допустима 20% деформация без нарушения его кристаллической структуры.

Монослойграфена обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью ~5000 Вт/(мтрад). По теплопроводности графен в 3 раза превосходит медь, активно используемую в теплоотводных устройствах [9].

Наибольший интерес представляют уникальные электрические свойства графена. Максимальная подвижность носителей тока в монослое графена ц ~106-107 см2/Вт-с. При размещении слоя графена на

поверхности оксида кремния, подвижности носителей заряда более чем в 20 раз превышает аналогичный показатель для кремния. Столь большие значения ц обусловлены нулевой массой носителей заряда - амбиполярных пар «электрон-дырка» в графене. Также графен позволяет получать экстри-мально высокие магнитные поля.

Проблема широкого применения материала с такими феноменальными свойствами кроется в методах получения графеновых наноструктур. Наиболее прорывные исследования последнего десятилетия направлены именно разработки перспективных технологий синтеза графеновых структур и конструкций из них. К.С. Новоселов и А.К. Гейм предложили метод получение графена методом пилинга - расслоения графита. При трении графитового стержня об окисленную поверхность кремния на ЗЮ2 остаются чешуйки наноструктур, которые можно наблюдать в оптический микроскоп по интерференционной картине [4-8]. Метод пилинга прост и позволяет получать образцы высокого качества для лабораторных исследований. Однако данный метод не позволяет осуществлять производство графена в промышленных масштабах. Метод промышленного производства графена был описан и запатентован группой американских ученых лишь в 2016 году. Следует ожидать, внимания ученых в ближайшее время будет сконцентрировано на вопросах технологической подготовки производства и адаптации технологических процессов к требованиям синтеза гра-феновых структур.

1. Анализ методов подготовки производства с точки зрения повышения надежности и увеличения ключевых показателей качества изделия

Совокупность уникальных свойств графена, обусловленных его кристаллической структурой, позволяет отнести данный материал к метаматериалам. Графен как метаматериал является средой для управления плазмонами в терагерцовой части спектра электромагнитных волн. Плазмон (квант плазменных колебаний) является квазичастицей, возникающей в приповерхностном слое в результате коллективных колебаний электронов относительно ионов. В случае графена возникновение плазмонов обуславливается внешним облучением поверхности. Плазмоны могут быть рассмотрены как средство передачи информации на сверхвысоких частотах. Данная информация требует систематизации и формализации.

С позиции системного анализа для формализации разнородной информации по межпредметной области следует использовать когнитивные семантические конструкции, например в виде СМАП карт (рисунок 1) [10, 11]. Маршруты проектирования микро- и наносистем можно представить в виде иерархического семантического дерева верхним уровнем декомпозиции которого является блок «Маршруты проектирования микро- и наносистем».

Создание новых видов продукции осуществляется в процессе подготовки производства [12]. Задача подготовки производства состоит в том, чтобы обеспечить необходимые условия ля функционирования производственного процесса. Подготовка производства - это процесс непосредственного приложения труда коллектива работников в целях разработки и организации выпуска новых видов продукции или модернизации изготавливаемых изделий. Процесс подготовки производства представляет собой особый вид деятельности, совмещающий выработку научно-технической информации с ее превращением в материальный объект - новую продукцию [13].

Аналогично, маршруты производства, могут быть представлены в виде семантического дерева на рисунке 2.

При синтезе новой компонентной базы , в том числе на основе графена, необходимо уделять повышенное внимание вопросам технологической подготовки производства, обеспечения качества и технологичности. Технологичность должна обеспечиваться с самых ранних стадий конструкторско-технологического проектирования и производства.

Рисунок 1 - Структура области знаний «Маршруты проектирования микро- и наносистем»

Рисунок 2 - Структура области знаний «Маршруты производства микро- и наносистем»

Для нормирования технологичности и ее формированием в процессе разработки изделий электронной техники установлена система оценок технологического качества (ТК) изделий. Под оценкой ТК изделия понимают комплекс взаимосвязанных мероприятий, включающих последовательное выявление технологичности отдельных составных элементов изделия в целом на основе сопоставления выявленных свойств данного изделия со свойствами изделия-аналога, которое принято в качестве базы сравнения, и представление результатов сопоставления в форме, приемлемой и, по мнению специалистов, оптимальной для принятия управленческих решений по совершенствованию анализируемой конструкции разрабатываемого изделия и технологии его изготовления [14-18]. Достоверные и своевременные оценки ТК изделий занимает важное место в комплексной системе обеспечения их технологичности, так как влияют непосредственно на эффективность обработки изделий на технологичность.

2 Анализ подходов к синтезу элементной базы на основе графена

Синтез новой элементной базы сложная, многовариантная задача, которая может обобщена в виде следующей иерархии, отражающей вариативность решений (рисунок 3).

На сегодняшний день основой любого микроэлектронного устройства является транзистор. Использование графена для формирования транзисторных

структур позволяет не только значительно увеличить механическую прочность структуры, но и значительно повысить предельную частоту работы транзистора.

Графеновые транзисторы могут корректно работать в гигагерцовом диапазоне частот, что соответствуем миллиметровому диапазону длин волн. В терагерцовом диапазоне у графена проявляются свойства метаматериала. На сегодняшний день в лабораторных условиях получен транзистор с предельной часотой^ред=155ГГц. Стоит отметить, что предельная частота работы транзистора остается практически неизменной при охлаждении до сверхнизких температур, что делает возможным использование графеновой микроэлектроники в космосе [19].

Использование свойств графена как метамате-риала, позволяет не только улучшать параметры элементов микросхем, но и создавать новые элементы с уникальными свойствами. Амбиполярность графена позволяет управлять типом основных носителей заряда, т.е. переключаться между электронами и дырками посредством соответствующего управляющего воздействия. Описанное свойство дает начало развитию новой отрасли схемотехники, получившей название амбиполярная схемотехника.

Рисунок 3 - Структура области знаний «Компоненты микро- и наносистем»

Амбиполярный транспорт квазичастиц позволяет дозированно использовать как электронную, так и дырочную проводимость в рамках одного транзистора без изменения его конфигурации. В качестве

примера рассмотрим МДП-усилитель на графеновом транзисторе (рис.4).

Рисунок 4 - Универсальная усилительная схема с графеновым МДП-транзистором

Рисунок 5 - ВАХ мемристора [1]

При изменении управляющего сигнала на затворе в цепи может быть сконфигурирован п-канальный транзистор, р-канальный транзистор, транзистор, использующий суперпозицию двух типов проводимости. На амбиполярной вольт-амперной характеристике выделяют три характерные рабочие точки: минимум ВАХ (точка с минимальной проводимостью), точка, в которой напряжение смещения больше минимального, точка, в которой напряжение смещения меньше минимального (рис.5).

Устанавливая рабочую точку транзистора в одно из трех положений можно получить три режима работы схемы только лишь путем изменения управляющего воздействия. В случае амбиполярного МДП-усилителя этими режимами будут режим усилителя, инвертора и нелинейного преобразователя напряжения.

Амбиполярная структура может быть использована как для аналоговой, так и для цифровой схемотехники. Специализация структуры определяется симметричностью ВАХ относительно минимального значения напряжения (точки Дирака, в которой вклад электронов и дырок в перенос заряда одинаков). Специализация амбиполярной структуры производится путем сдвига точки Дирака вдоль оси напряжения смещения. Следовательно, амбиполяр-ный характер проводимости графена позволяет создавать универсальные сверхбыстрые транзисторы, что может существенно сократить габаритные размеры микросхем и повысить их частотные характеристики [19].

Уникальная кристаллическая структура графена позволила создавать новые элементы. Принципы реализации графенового гибкого сенсорного экрана с

интегрированным аналого-цифровым преобразователем рассмотрены в [20]. Создаются новые сенсорные элементы с чувствительными элементами на основе графена [21, 22]. В 2008 появились работы по созданию пассивных элементов - мемристоров, теоретическое описание которого было дано профессором Леоном Чуа в 1974 году. Мемристор представляет собой двухполюсник с нелинейной ВАХ, обладающей гистерезисом. Мемристор устанавливает связь между зарядом и магнитным потоком. Наличие гистерезиса в ВАХ мемристора позволяет использовать данный схемный элемент в качестве ячейки памяти.

Мемристор может выступать в качестве универсального схемного элемента. Его сопротивление зависит от того, как долго по элементу протекал электрический ток. Теоретически мемристоры могут не только заменить собой транзисторы, но и увеличить их функциональные возможности.

Сверхвысокие частоты работы графеновых мемри-сторов позволяют использовать их вместо ячеек флеш-памяти. При отключении напряжения питания на мемристоре будет сохраняться последнее установленное значение электрического сопротивления. При этом состояние мемристора останется неизменным при протекании по нему коротких импульсов тока. Следовательно, использование мемристоров позволяет получить новый высоконадежный и сверхбыстрый тип энергонезависимой памяти.

Использование мемристоров позволяет многократно перепрограммировать готовую систему для расширения или даже полного изменения ее функциональных возможностей. Возможность полного изменения системы при помощи изменения управляющих

воздействий может быть использована для эмули- ясь им появляется уникальная возможность струк-

рования работы нейронов и создания на основе туризации, комплексного анализа и обобщения зна-

мемристоров нейросетей и гибких реконфигурируе- ний в виде онтологии комплекса научных, техни-

мых систем искусственного интеллекта [23]. ческих и технологических знаний по технологиям

Предложенный системный подход с применением микро- и наносистем. Возможности системной ка-

визуальных семантических инструментов формали- талогизация и обеспечения доступа к семантиче-

зации знаний к решению задач генерационного син- ским ресурсам по предметной области способствуют

теза элементной базы и технологических маршрутов решению задач обеспечения качества синтеза новых

микро- и наносистем на основе контекстной модели технических решений в сфере технологий микро- и

базисных типов сущностей предметной области тех- наносистем.

нологий микро- и наносистем зарекомендовал себя Работа выполнена при частичной финансовой

эффективным и комплексным методом. Руководству- поддержке по Гранту РФФИ №17-07-00689

ЛИТЕРАТУРА

1. Е.Г. Лаврушина, Н.Л. Слугина Теория систем и системный анализ - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2007. - 100 с.

2. Татарова Г.Г. Методологическая травма социолога. К вопросу интеграции знания // Социологические исследования. 2006. № 9. С. 3-12.

3. Булатова И. М. Графен: свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологии и нано-композитах // Вестник Казанского технологического университета. 2011. 10.

4. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. V. 306. P. 666-669. 22 October 2004..

5. Fior G., Betti A., Bruzzone S., Iannaccone G. Lateral Graphene hBCN Heterostructures as a Platform for Fully Two-Dimensional Transistors. ASC Nano, 2012, vol. 6, no. 3, pp. 2642-2648.

6. NanoTCAD ViDES. Режим доступа: http://vides.nanotcad.com/vides (дата обращения 14.01.2017).

7. Novoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666 (2004) DOI:10.1126/science.1102896

8. Novoselov K.S., Geim A.K. The electronic properties of graphene. Department of Physics and Astronomy, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, United Kingdom, 14 January 2009, 54 p.

9. А.Г. Алексеенко. Графен. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 168 с.

10. Адамова А.А. Применение инструментов когнитивной графики в преподавании конструкторско-технологических дисциплин // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. № 3 (163). С. 79-85.

11. Шахнов В.А. и др. Онтология наноинженерии // Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 12-1 (19). С. 50-67.

12. Адамова А.А., Власов А.И. Визуальное моделирование адаптации подготовки производства к выпуску новой продукции // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2 (154). С. 46-56.

13. Юрков Н.К., Гришко А.К., Кочегаров И.И. Методология управления качеством сложных систем // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 377-379.

14. Адамова А.А., Адамов А.П., Шахнов В.А. Методика оценки технологичности электронных изделий на этапах проектирования и производства // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 352-356.

15. Адамов А.П., Адамова А.А., Власов А.И. Дифференциальные коэффициенты оценки технологичности электронных средств и их применение при структурно-функциональном моделировании производственных систем // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2015. № 5 (104). С. 109-123.

16 Адамова А.А., Адамов А.П. Формирования технологичности электронных средств на этапах проектирования и производства // Евразийский союз ученых. 2014. № 6-3. С. 6-8.

17. Адамова А.А., Адамов А.П. Многоуровневая модель формирования технологичности электронных средств на этапах проектирования и производства // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 11 (23). С. 12.

18. Адамова А.А., Башков В.М., Шахнов В.А. и др. Проведение научных экспериментов в наноинженерии - Москва, Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2015.

19. Волкова Я. Б. Транзисторные структуры на основе графена - М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2012. 16 с. (Автореферат).

20. А. И. Власов, Д. С. Терентьев, В. А. Шахнов Графеновый гибкий сенсорный экран с интегрированным аналого-цифровым преобразователем // Микроэлектроника, 2017, том 46, № 3, с. 1-9.

21. Власов А.И., Цивинская Т.А., Шахнов В.А. Анализ влияния формы мембраны на механическую прочность и стабильность параметров МЭМС-сенсоров давления // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2016. №4. С. 65-70.

22. Прототип нейросети создан из пластиковых мемристоров. Электронный ресурс. URL: http://www.nanonewsnet.ru/news/2 016/prototip-neiroseti-sozdan-iz-plastikovykh-memristorov. Проверено: 10.04.2017.

УДК 681.586.72

Николаев1 А.В., Эль-Салим С.З.

1АО «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия

2ООО «Омега», Санкт-Петербург, Россия

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МАКЕТИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЕНСОРОВ

Проведен поиск оптимальных методов измерения паров компонентов ракетного топлива (КРТ): азотный тетраоксид N2O4 (AT, амил по ГОСТ В 17656-72) и несимметричный диметилгидразин (C.Hs)^N2H2 (НДМГ, гептил по ГОСТ В 17803-72), удовлетворяющих требованиям газового анализа специальных объектов. Выбран метод применения полупроводниковых сенсоров в качестве первичных преобразователей, обеспечивающий необходимую чувствительность, стабильность и селективность.

Оптимизировано проектирование, позволяющее на базе полупроводникового газочувствительного сенсора (П ГЧС) создать унифицированный мультисенсорный датчик-газоанализатор (ДГА), позволяющий измерять целевые вещества в сложных парогазовых смесях

Ключевые слова:

азотный тетраоксид, амил, несимметричный диметилгидразин, гептил, полупроводниковый газочувствительный сенсор