Кварцевое стекло

Кварцевое стекло (плавленый кварц), практически чистая двуокись кремния SiO , имеет наименьшую величину ТКЛР из всех известных материалов. Температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла = = 5 1/град при температуре 100 ⁰С. Для сравнения: у конструкционных сталей = 110 1/град при температуре 20…100 ⁰С. Важнейшим свойством кварцевого стекла является высокая термостойкость, т.е. способность стекла выдерживать резкие многократные изменения температуры, разность значений которых может доходить до 800…1000 ⁰С. Высокая термостойкость связана с малым ТКЛР кварцевого стекла.

Кварцевое стекло обладает значительной твердостью, она в 2-3 раза меньше, чем у алмаза, небольшой плотностью, которая составляет 2,2 ...2,21 Н/м . Чистый и сухой плавленый кварц является одним из лучших изоляционных материалов. Удельное сопротивление его равно 1 Ом м при температуре 20 ⁰С.

По упругим характеристикам ни один материал не может конкурировать с кварцевым стеклом. Так, коэффициент термического гистерезиса плавленого кварца меньше, чем любого другого известного материала. Если кварцевый стержень длиной l нагреть с температуры Т до температуры Т и дать ему охладиться до первоначальной температуры, то где - остаточ-ная разница длины, которая является мерой термического гистерезиса и может составлять -10 1/град, т.е. стержень сжимается при охлаждении больше, чем расширяется при нагревании. Для сравнения: тот же коэффициент у прецизионного сплава инвара - 1 1/град. Это свойство делает кварцевое стекло особенно ценным, когда необходимо сохранить размеры деталей приборов при изменении температуры окружающей среды.

Модули упругости первого и второго рода заметно возрастают с уменьшением сечения кварцевых нитей. Так, уменьшение диаметра кварцевой нити с 2 до 1 м приводит к изменению модуля упругости второго рода с 7,6 до 8,5 Н/ м . Относительное удлинение кварцевых нитей в 2 - 5 раз больше, чем для лучших никель-ванадиевых сталей [6].

Следует отметить еще одно важное свойство плавленого кварца, повышающее его ценность, - это малое значение внутреннего трения. Для сравнения: коэффициент внутреннего трения вольфрама приблизительно в раза больше, чем кварца. Если изготовить крутильный маятник с использованием кварцевой нити с периодом в 2 с, то за 24 ч в вакууме он потеряет всего около 10% своей амплитуды.

Как показал анализ струнных преобразователей, эффективность их тем выше, чем меньше отношение плотности материала к модулю упругости Е материала струны. В сравнении с наилучшими материалами (МР50ВП) для кварцевого стекла это соотношение меньше почти на 20%.

Достоинства кварцевого стекла, далеко не полный перечень которых приведен выше, вызывают большой интерес конструкторов, делая его незаменимым конструкционным материалом в различных областях науки и техники. Этот материал широко используется в химической промышленности для изготовления трубопроводов, различных емкостей, химико-лабораторной посуды. Кварцевое стекло используется для изготовления оптических деталей в виде линз, призм и зеркал, применяемых в схемах, работающих при высоких температурах, когда незначительное изменение размеров за счет теплового расширения материала может привести к искажению оптической оси. Кварцевое стекло находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, в производстве волоконно-оптических устройств [5]. Огромный опыт использования кварцевого стекла накоплен в гравиметрии. Известны работы по изготовлению упругих ЧЭ из кварцевого стекла в приборостроении. Такие ЧЭ обладают высокой временной стабильностью и вибропрочностью [2, 4]. Кварцевое стекло все шире используется для изготовления ЧЭ приборов систем навигации и ориентации летательных аппаратов. Оно находит применение при изготовлении ЧЭ акселерометров. Исследования, выполненные рядом авторов, в том числе и наши исследования [2, 4], подтверждают возможность создания ЧЭ датчиков струнных преобразователей на основе кварцевого стекла с высокими метрологическими характеристиками. Определенный опыт работы с кварцевым стеклом накоплен в радиоэлектронной и микроэлектронной промышленности. Это, как правило, газопламенная размерная обработка для изготовления деталей различного назначения. Исходным материалом для получения изделий чаще всего являются стержни, трубы, штабики, изготавливаемые в соответствии с техническими условиями и стандартами. Газопламенной обработкой удается получать простые и сложные детали, которые затем свариваются в сложные изделия. Так, газопламенной обработкой удается вытягивать струны диаметром до 0,005 мм. Для обеспечения их электропроводности используется технология напыления металла в вакууме. При этом толщина металлической пленки может составлять менее 1 мкм. Наши исследования показали, что струны диаметром менее 0,01 мм обладают большей температурной зависимостью из-за возрастающего влияния металлизирующего слоя, который призван обеспечить их электропроводность для возбуждения в них поперечных колебаний магнитоэлектрическим способом.

В подавляющем большинстве разрабатываемых струнных преобразователей используются традиционные материалы, а для струн применяются углеродистая сталь, вольфрам, эльинвар, оловянно-цинковая и бериллиевая бронзы. Для традиционных материалов характерны существенные погрешности упругого последействия, гистерезиса, температурной нестабильности. Для струнных преобразователей, изготавливаемых из традиционных материалов, до сих пор не решена проблема крепления струн. Для обеспечения требований точности и стабильности струнных датчиков необходимо выполнить до 18 пунктов требований к узлам крепления струн в них. Использование плавленого кварца для изготовления струнных преобразователей снимает эти проблемы.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

3.4.1. Цилиндрический стержень из фенолформальдегидной пластмассы диаметром 5 мм, длиной 15 мм, удельным объемным сопротивлением 10¹² Ом×м и удельным поверхностным сопротивлением 10¹² Ом покрыт с торцов слоем металла. Эти слои металла служат электродами, через которые стержень включен под постоянное напряжение 1 кВ. Определите сквозной ток утечки через стержень и потери мощности в нем.

Решение:

J _ут = J + J_{S .} J = UG. J_S = UG_S. .

P = J_S U = 0,42×10^-9×10³ = 0,42×10^-6 Вт = 0,42 мкВт.

3.4.2. Стержень с параметрами, указанными в задаче 3.4.1, был подвергнут кратковременному увлажнению, в результате чего удельное поверхностное сопротивление снизилось до 10¹⁰ Ом, но удельное объемное сопротивление не успело измениться. Каковы будут значения сквозного тока и потерь мощности в стержне?

3.4.3. Определите емкость пересечения проводников шириной 100 мкм, разделенных пленкой SiO₂ толщиной 0,7 мкм (ε = 4).

3.4.4. Определите рабочее напряжение двухслойного диэлектрика SiO₂ (толщиной 0,3 мкм) и Si₃N₄ (0,1 мкм), если электрическая прочность SiO₂ 7×10⁶ В/см, а Si₃N₄ 3×10⁶ В/см. Коэффициент запаса принять равным 3.

3.4.5. Любые диэлектрические пленки, кроме термической, имеют высокую пористость, в лучшем случае на уровне 25 см^-2. Объясните, почему они не могут использоваться в качестве межуровневой изоляции полупроводниковых интегральных схем?

3.4.6. Вследствие каких причин в пленках SiO₂ могут образовываться трещины? Учтите, что ТКЛР аморфного SiO₂ - 5×10^-7 К^-1, а кристаллического - 2,5×10^-5 К^-1.

3.4.7. Чем объясняются высокие маскирующие свойства пленки SiO₂ при диффузии доноров и акцепторов в Si?

3.4.8. Почему стеклотекстолит нельзя использовать для изготовления пленочных резисторов? Какие диэлектрические материалы пригодны для этой цели?

3.4.9. Как определить чистоту отмывки печатной платы после травления с помощью электрических измерений? Почему при соблюдении отмывки >> ?

3.4.10. В каком состоянии эксплуатируется полимер, если температура его стеклования ниже комнатной?

3.4.11. В чем состоят преимущества стеклотекстолита перед гетинаксом?

3.4.12. Оксид алюминия, полученный методом анодного окисления, имеет

e = 7, тогда как согласно справочным данным его значение для монолитного оксида алюминия e = 9,5. О чем говорит это расхождение?

3.4.13. Лучшее пятикомпонентное стекло С-41-1 для тонкопленочных конденсаторов имеет плотность пор (каналов высокой проводимости) на уровне 1 мм^-2. Определите площадь конденсатора, при которой выход годных изделий превышает 80%. Какова будет его емкость, если с _уд =10 нФ/см²?

Решение:

Плотность дефектов d = 1/м² .

Коэффициент поражаемости В = 1.

Вероятность выхода годных изделий Р = eхp (- ВdS).

.

C = с _уд^. S = 1×10⁸×0,223×10^-2 = 223 мкФ.

3.4.14. Определите мощность теплового потока, а также количество теплоты, переносимой за 1 ч через пластину гетинакса размером 10х10 см и толщиной 5 мм, если температура нагретой поверхности 300 К, а холодной 250 К, коэффициент теплопроводности гетинакса равен 0,35 Вт/(м×К).

Решение:

P = D T / R_T, где . .

= Pt = 35×3600 = 12,6×10⁴ Дж.

3.4.15. Определите температурный коэффициент теплопроводности при температуре 100 ⁰С, а также средний температурный коэффициент в диапазоне от 50 до 150 ⁰С для фторопласта-4. График изменения теплопроводности от температуры приведен на рис. 3.6.

3.4.16. Определите теплопроводность глиноземистой керамики при пористости 12, 30 и 49%, используя формулы Лихтенекера. Теплопроводность глиноземистой керамики 30 Вт/(м×К).

3.4.17. Определите тепловое сопротивление пленки Al₂O₃ толщиной 1 мкм и площадью 50 см². Теплопроводность Al₂O₃ 30 Вт/(м×К).

3.4.18. Определите перепад температуры по толщине, считая, что вся мощность отводится теплопроводностью, при удельной мощности 5 Вт/см² для пленки ситалла толщиной 0,5 мм при теплопроводности ситалла 1,5 Вт/(м^.К).

3.4.19. Структуры КНС (кремний на сапфире) имеют обычно прогиб из-за разности ТКЛР. Нарисуйте прогнутую структуру, учитывая, что средний ТКЛР в диапазоне температур 0…600 ⁰С для Si равен 3×10^-6 1/град, а для сапфира (монокристаллический Al₂O₃) - 9×10^-6 1/град.

Рис. 3.6. Изменение теплопроводности в зависимости от температуры  

3.4.20. Какое количество влаги пройдет за 10000 часов сквозь полистирольную мембрану площадью 100 см² и толщиной 0,1 мм, если относительная влажность воздуха с одной стороны мембраны составляет 80%, а с другой 20% (температура воздуха с обеих сторон +60 ⁰С, давление нормальное), коэффициент удельной влагопроницаемости полистирола П = 4,2×10^{-15 0}С, давление насыщенных водяных паров при температуре +60 ⁰С составляет 20 кПа?

3.4.21. Диэлектриком плоского конденсатора является гетинакс. Параметры этого материала: удельное объемное сопротивление поперек слоев 10¹¹ Ом×м, диэлектрическая проницаемость 8, тангенс угла диэлектрических потерь 0,1. Толщина диэлектрика 1 мм, площадь обкладок 25×10⁴ мм². Определите полные и удельные потери мощности для случая, когда к конденсатору приложено постоянное напряжение 1 кВ.

3.4.22. К конденсатору с гетинаксом в качестве диэлектрика приложено напряжение амплитудой 1 кВ, частотой 1 кГц. Определите полные и удельные потери. Параметры гетинакса и конденсатора такие же, как в задаче 3.4.21.

3.4.23. Определите полные диэлектрические потери на длине 100 м коаксиального кабеля 1 кВ, частота 1 МГц. Диаметр токопроводящей жилы 2 мм. Диэлектриком служит полиэтилен с e = 2,3, tgd = 0,0005.

3.4.24. Определите взаимные погонные емкости двух параллельных печатных проводников шириной по 5 мм каждый, расположенных на плате с зазором 0,5 мм, если материалом платы является стеклотекстолит (e = 8), а в качестве покрытия используются: а) полиуретановый лак УР-231 (e = 2,2); б) кремнийорганический лак КО-921 (e = 3,5).

3.4.25. Оцените взаимную емкость двух параллельных пленочных проводников шириной 0,1 мм, длиной 100 мм каждый, расположенных на подложке из поликора (e = 10,5). Защитным покрытием платы является полиамидный лак (e = 3,5).

Дата добавления: 2015-10-21