close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Отзыв официального оппонента
на диссертацию Козлова А.Г. «Моделирование процессов в теплофизических микросенсорах», представленную на соискание учёной степени доктора технических наук по
специальности 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,
микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.
Тепловые процессы являются одним из важнейших факторов, влияющих на параметрические, надёжностные и эксплуатационные характеристики микроэлектронной аппаратуры (МЭА). Для контроля, измерения и управления температурой в МЭА используются
тепловые сенсоры, изготавливаемые по технологиям микроэлектроники. Важную роль при
разработке их конструкций и обеспечении требуемых параметрических показателей играет
математическое моделирование. К сожалению, разработанные к настоящему времени математические модели тепловых микросенсоров имеют ряд существенных ограничений
и не удовлетворяют всё возрастающим требованиям к этому быстро развивающемуся
классу приборов микросистемной техники по точности и адекватности описания их теплофизических характеристик.
В этой связи, диссертационная работа Козлова А.Г., посвящённая созданию математических методов и моделей для расчёта и проектирования современных микроэлектронных тепловых сенсоров с учётом их конструктивно-технологических особенностей и условий эксплуатации, является безусловно актуальной и имеет большое научное и практическое значение.
В настоящее время в области теплофизического моделирования приборов
и устройств микроэлектроники и микросистемной техники (МСТ) интенсивно развивается
направление, связанное с созданием и использованием универсальных программных комплексов, построенных на численном решении 2-х и 3-х мерных уравнений, описывающих
тепловые и термомеханические процессы в сложных конструкциях МСТ. При всех несомненных достоинствах этого подхода, его очевидными недостатками являются высокая
сложность и трудоёмкость процесса моделирования и большие временные затраты, которые становятся серьёзными ограничениями при решении практических задач в реальные
(как правило, ограниченные) сроки.
Научная и практическая ценность данной работы заключается в том, что в ней развивается альтернативное направление, которое следует определить как создание совокупности аналитических и аналитико-численных методов, моделей, расчётных процедур,
предназначенных для решения задач моделирования и проектирования достаточно широкого круга конструктивно-технологических разновидностей теплофизических микроэлектронных сенсоров. При таком подходе точное аналитическое решение может быть получено в компактном виде в достаточно короткие сроки. И, что очень важно, может быть
в дальнейшем эффективно использовано разработчиками приборов для оперативного анализа и оптимизации выбранной конструкции.
К основным научным результатам, полученным в диссертации, следует отнести:
1. метод моделирования распределения температуры в одно- и двухмерных структурах
теплофизических микросенсоров прямого преобразования. Суть метода заключается
в представлении структуры сенсора в виде ряда сопряжённых областей, в каждой
из которых параметры можно считать однородными. Отдельные решения для температуры «сшиваются» на границах областей в соответствии с граничными условиями. Решение задачи сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений в случаях, когда параметры материала не зависят от температуры, или для
решения используется итерационная процедура, когда параметры являются температурнозависимыми;
2. модель для расчёта стационарных и нестационарных распределений температуры
в сенсорах с промежуточным тепловым преобразованием, в частности, в тепловых
приёмниках излучения с термически изолированными структурами консольного,
мостового и мембранного типа;
3. модель для определения двухмерного распределения температуры в структуре теплового акселерометра с инерционной массой, построенная на предложенном автором методе разделения структуры на характерные области (см. п. 1)
4. ряд частных расчётных процедур для различных конструкций термофизических сенсоров, в том числе:
• аналитический метод расчёта распределения высокочастотного тока в плёночных
преобразователях;
• процедура расчёта распределения температуры в двухмерной структуре терморезистивного тонкоплёночного резистора, учитывающая влияние эффекта саморазогрева;
• процедуры оптимизации конструкций тепловых приёмников излучения различного типа и конструкции термокаталитического газового сенсора по критериям
чувствительности к определяющим параметрам.
Достоверность и новизна научных положений диссертации возражений не вызывают. Они прошли апробацию и обсуждение на целом ряде серьёзных научных конференций
и семинаров и получили положительную оценку отечественных и зарубежных специалистов. Кроме того, они подтверждены результатами экспериментальных исследований
и конкретных практических разработок.
Практическая значимость диссертации состоит в следующем:
1) предложенные автором математические методы, модели и расчётные процедуры
реализованы в виде комплекса прикладных программ и могут быть использованы
для решения достаточно широкого круга практических задач при разработке теплофизических датчиков;
2) с помощью разработанных моделей и программ выполнен целый ряд разработок
тепловых сенсоров, изготавливаемых отечественными предприятиями, а также
ряд НИОКР по исследованию перспективных конструкций теплофизических
датчиков.
Анализ содержания диссертации
Во введении сформулированы актуальность темы, цель исследования, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
Ориентацию работы Козлова А.Г. следует признать правильной, отражающей основные тенденции в развитии теории и практики моделирования приборов и устройств современной микросистемной техники и, в частности, теплофизических сенсоров, изготавливаемых по технологиям микроэлектроники. По своей постановке и заявленным автором
научным и практическим положениям и результатам работа соответствует уровню докторской диссертации.
В первой главе рассмотрены основные типы теплофизических сенсоров, описаны их
конструкции, специфика работы. Приведена классификация сенсоров, в качестве критерия
выбран способ преобразования измеряемой величины в выходной сигнал. Для каждой из
групп сенсоров сформулированы задачи моделирования тепловых процессов.
Во второй главе описан предлагаемый автором метод моделирования распределения
температуры в конструкциях сенсоров прямого преобразования, основанный на разделении структуры сенсора на характерные области с однородными параметрами. Приведён
пошаговый алгоритм, реализующий этот метод. Приведены аналитические решения
для статического режима и нестационарного режима в комплексной частотной области.
Рассмотрена погрешность моделирования температуры.
В третьей главе представлена тепловая модель тонкоплёночного сенсора, служащая
для измерения поверхностной температуры объектов. В модели учтён эффект саморазогрева полосок сенсора. Определены точки максимального нагрева и исследовано влияние
геометрических размеров на величину этого нагрева.
В четвертой главе описаны одно- и двумерные модели для определения распределения температуры в приёмниках теплового излучения с термически изолированными структурами в виде консоли, моста и мембраны. Получены аналитические выражения для температуры в стационарном режиме и в нестационарном режиме в комплексной частотной
области.
Сформулирована оптимизационная задача для датчиков этого типа, в качестве целевой функции выбрана вольт-ваттная чувствительность. В качестве параметров оптимизации использованы геометрические размеры элементов конструкции.
Предложено аналитическое решение для расчёта распределения ВЧ-тока в структуре
плёночного термоэлектрического преобразователя.
В пятой главе рассмотрена модель для определения распределения температуры
в тепловом акселерометре с инерционной массой. С помощью модели исследован перегрев
в активной области прибора.
В шестой главе, используя метод разделения структуры сенсора на области, получена модель для теплофизических сенсоров, работающих при высоких (400-600°С) температурах. С помощью модели проанализировано распределение температуры в структуре термокаталитического газового микросенсора. Сформулирована задача оптимизации конструкции микросенсора.
Седьмая глава посвящена вопросам практической реализации разработанных моделей. Приведён перечень и краткая характеристика используемого программного обеспечения.
Приведены примеры использования программ при решении целого ряда задач проектирования тепловых микросенсоров различных конструкций. Материал гл. 7 подтверждает правильность и достоверность изложенных в гл. 2–6 теоретических положений.
При общей положительной оценке диссертации, по ней следует высказать ряд замечаний:
1. При формулировании результатов работы используется фраза «разработана
точная аналитическая модель…». Непонятно, какой смысл вкладывается в
слово «точная»;
2. При описании итерационных процедур (см. напр. гл. 6) отсутствует доказательство их сходимости;
3. В гл. 7 следовало бы привести блок-схему используемого программного обеспечения и оценки затрат времени на расчёт по каждой из программ;
4. По диссертации в целом напрашивается несколько примеров сравнения решений одних и тех же задач, полученных с помощью аналитических моделей автора и универсальных программ 2-х и 3-х мерного моделирования методом
конечных разностей или конечных элементов (напр. с помощью ANSYS,
TCAD Synopsys, COSMOS, COMSOL или др.).
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа