Електричні властивості базової плівкової гетеросистеми Al/ITO/polyimide/Al₂O₃ ємнісного перетворювача

Abstract

На основі проведених структурних досліджень тонких плівок було розроблено конструктивно-технологічне рішення та створено тонкоплівковий ємнісний перетворювач для проведення акустичного контролю металевих виробів ємнісним способом. Визначено, що поряд із кристалічною структурою шарів, необхідно також контролювати поверхневий електричний опір провідного шару ITO, значення якого визначають можливість використання такої структури у якості обкладки ємнісного перетворювача без значних втрат корисного сигналу, та діелектричну проникність шару Al₂O₃, котра суттєво впливає саме на величину корисного сигналу. За допомогою чотирьохзондового методу встановлено, що поверхневий електроопір (R) шарів ITO при оптимальних режимах осадження дорівнює 8-15 Oм/. Дослідження електрорушійної сили Холла свідчать про те, що одержане значення питомого електроопору зумовлене концентрацією основних носіїв заряду від близько 8,31020 cм⁻³ та рухливістю основних носіїв заряду на рівні 44 cм² /(В·с). Результати досліджень діелектричних властивостей свідчать про зростання величини діелектричної проникності структури поліімід/Al₂O₃, котра складає 8,5–11,5 відн. од., відносно поліімідної плівки (3–3,9 відн. од.) приблизно у 3 рази при частотах збуджуючого сигналу у діапазоні 10 Гц–10 МГц. Зазначена обставина підтверджує припущення щодо можливості збільшення діелектричної проникності прошарку за рахунок нанесення на поліімідну плівку тонкого шару Al₂O₃. Для підтвердження можливості збільшення чутливості методу за рахунок використання ємнісного перетворювача на основі структури Al/ITO/поліімід/Al₂O₃ у порівняння з класичними перетворювачами було проведено дослідження серії зразків із алюмінію на частоті коливань 2,5 МГц. Величина прийнятого сигналу у разі використання тонкоплівкового перетворювача зростає у 7,6 рази у порівнянні з класичним перетворювачем, що добре корелює з проведеними вимірюваннями діелектричної проникності діелектричних шарів та з урахуванням зменшення товщини діелектричного прошарку. Таким чином, експериментально підтверджується зростання чутливості ємнісного методу у разі використання тонкоплівкових ємнісних перетворювачів на основі структури Al/ITO/поліімід/Al₂O₃. Максимальна амплітуда акустичного зміщення припадає на край пластини, тому були проведені дослідження електродів з вирізами, що дало змогу підвищити акустичний сигнал вдвічі для великого внутрішнього вирізу.On the basis of the conducted structural studies of thin films, a structural and technological solution was developed and a thin film capacitive transducer was created for acoustic monitoring of metal products by a capacitive method. It was determined that along with the crystalline structure of the layers, it is also necessary to control the surface electrical resistance of the conductive ITO layer, the values of which determine the possibility of using such a structure as a coating of a capacitive converter without significant losses of the useful signal, and the dielectric permeability of the Al₂O₃ layer, which significantly affects the value of the useful signal With the help of the four-probe method, it was established that the surface electrical resistance (R ) of ITO layers under optimal deposition conditions is equal to 8–15 specific electrical resistance is determined by the concentration of the main charge carriers from about 8.3·1020 cm⁻³ and the mobility of the main charge carriers at the level of 44 cm² /(V·s). The results of studies of dielectric properties indicate an increase in the value of the dielectric constant of the polyimide/Al₂O₃ structure, which is 8.5–11.5 relative to units, relative to the polyimide film (3–3.9 relative units) by approximately 3 times at frequencies of the exciting signal in the range of 10 Hz–10 MHz. This fact confirms the assumption about the possibility of increasing the dielectric constant of the interlayer due to the application of a thin layer of Al₂O₃ on the polyimide film. To confirm the possibility of increasing the sensitivity of the method due to the use of a capacitive transducer based on the Al/ITO/polyimide/Al₂O₃ structure, in comparison with classical transducers, a series of aluminium samples was studied at an oscillation frequency of 2.5 MHz. The value of the received signal when using a thin-film converter increases by 7.6 times compared to a classic converter, which correlates well with the measurements of dielectric permeability of dielectric layers and taking into account the decrease in the thickness of the dielectric layer. Thus, the increase in the sensitivity of the capacitive method in the case of using thin-film capacitive converters based on the Al/ITO/polyimide/Al₂O₃ structure is experimentally confirmed. The maximum amplitude of the acoustic displacement occurs at the edge of the plate, so studies were conducted on electrodes with cutouts, which made it possible to increase the acoustic signal twice for a large internal cutout.