CC BY
2
УДК 621.793.3
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-4-477-478
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ВИХРЕТОКОВЫМИ МЕТОДАМИ ИССЛЕДОВАНИЙ
А.П. Морозова, С.Е. Кистаев, Д.С. Чуваева, Л.С. Поровченко, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, И.В. Ворначева
Для исследования тонких металлических пленок с характерной толщиной от 100 до 800 нм вихретоковым методом, необходимо создание высокочастотного электромагнитного поля на возбуждающей обмотке ВТП. По результатам проведенных экспериментов и анализа литературных источников, частота электромагнитного поля ВТП для исследования структур с данной толщиной лежит в диапазоне от 10 до 25 МГц. Для генерации поля с данными частотами и возможностью управления его характеристиками необходима система генерации сигнала, управляемая с использованием ПК.
Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, материалы, тонкие пленки.
Программное управление разрабатываемой системы генерации реализовано в программно-аппаратном комплексе в виде генератора, выполненного в виде модуля на базе микросхемы AD9850.
В AD9850 используется комбинация усовершенствованной технологии прямого цифрового синтеза (DDS, direct digital synthesis), высококачественного цифро-аналогового преобразования и компаратора, обеспечивающая функцию синтеза сигнала заданной частоты (рис.1) AD9850). При работе от точного опорного источника тактового сигнала (рис.1 XTAL OSC), AD9850 формирует стабильный аналоговый выходной синусоидальный сигнал с программируемыми частотой и фазой.
Разработанный модуль обладает следующими характеристиками: диапазон выходных частот от 1 до 40 МГц, высокая стабильность частоты и амплитуды выходного сигнала, низкий уровень помех, упрощенный интерфейс управления (последовательный байтовый формат загрузки), работа от напряжения 3,3 В или 5 В, низкое энергопотребление (380 мВт), размеры составляют 3*4 см.
К недостаткам данного модуля можно отнести отсутствие регулировки амплитуды выходного сигнала и его низкую мощность. Эти недостатки удалось нивелировать путем применения усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.
Модуль генерации управляется при помощи аппаратной вычислительной платформы Arduino. Платформа состоит из двух основных компонентов: плата ввода-вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring.
Формфакторы микросхемы Arduino отличаются не только внешним видом и количеством пинов (входов и выходов), но и наличием установленного микроконтроллера, генератора тактовой частоты и объёмом флеш-памяти и оперативной памяти.
Из четырех основных формфакторов микросхем был выбран Arduino Nano. Данный выбор обусловлен максимальной компактностью (для подключения к ПК, Nano не требуется адаптер) и низким электропотреблением. Arduino основан на микроконтроллерах Atmel ATMEGA8 и ATMEGA168. Схемы модулей публикуются под лицензией Creative Commons, благодаря чему становится возможным свободное использование данной микросхемы в собственных разработках.
Платформа Nano, построена на базе микроконтроллера ATmega328. Микроконтроллер ATmega328 имеет 32 Кб памяти для хранения кода программы, а также 2 Кб оперативной запоминающей памяти (ОЗУ). На платформе Nano установлены 8 аналоговых входов, каждый с разрешением 10 бит. В стандартной конфигурации выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли.
На рис. 2 представлена схема подключения модуля AD9850 к Arduino Nano. Контакты питания модуля VCC и GND подключены соответственно к контактам 3.3V и GND на Arduino, а контакты, отвечающие за последовательную передачу команд W_CLK, FU_UD, DATA, RESET подключены к контактам Arduino A1, A2, A3, A4 соответственно.
Рис. 2. Схема подключения модуля AD9850 к Arduino Nano при последовательном режиме передачи команд
При последовательном режиме передачи команд на модуль AD9850 Arduino через контакт DATA передает 40-битную последовательность, содержащую информацию о частоте и фазе генерируемого сигнала, для завершения записи данных во внутренний регистр через контакт W_CLK подает импульс, а по завершении передачи всей последовательности подает импульс на контакт FQ_UD для применения переданных значений и запуска генерации.
На рис.3 приведено графическое представление результатов сканирования объекта исследования в двумерном виде. Вдоль осей X и Y откладываются координаты положения датчика над объектом исследования, амплитуда сигнала закодирована в цвете точки и приведена цветовая линейка для определения амплитуды по цвету, также проведены изолинии для удобного определения амплитуды сигнал на отдельных участках. Данное графическое представление позволяет визуально разделить области с различными значениями амплитуды сигнала и оценить размеры дефектов и неоднородностей на данных участках [1-15].
X, мм
Рис. 3. Графическое представление результата сканирования объекта исследования в двумерном виде
Выводы. В разделе описана схема работы аппаратной и программной составляющих программно-аппаратного комплекса. На основе моделирования методом конечных элементов рассчитаны параметры вихретокового преобразователя, являющегося основой разработанного программно-аппаратного комплекса. В результате моделирования установлено, что размещение внутри катушки ферромагнитного сердечника позволяет резко увеличить ее индуктивность, так как магнитная проницаемость ферромагнетика существенно больше, чем у воздуха. Изменяя форму сердечника, становится возможным сформировать магнитный поток, создаваемый катушкой ВТП, обеспечивающий достижение конфигурации, позволяющей повысить разрешающую способность датчика.
В разделе приводится подробное описание конструкции разработанного накладного трансформаторного вихретокового преобразователя. Преобразователь изготовлен в виде усечённой пирамиды из феррита с тремя обмотками (генераторная, измерительная и компенсационная). Геометрия сердечника и размеры катушек подбирались с учетом необходимости миниатюризации ВТП и увеличения разрешающей способности при контроле электропроводности, толщины и структуры тонких металлических пленок.
Приведена структурная схема и описан алгоритм работы программно-аппаратного комплекса, приведены характеристики основных составляющих аппаратной части программно-аппаратного комплекса. Все составляющие программно-аппаратного комплекса разработаны или выбраны исходя из следующих критериев: компактность, доступность, программное управление, простота в управлении, низкое электропотребление, высокая скорость и рабочая частота и т.д.
Описана работа программного обеспечения, управляющего работой программно-аппаратного комплекса и отвечающего за обработку и визуализацию результатов в удобном для оператора виде. Программное обеспечение написано на Python и Processing с использованием библиотек только с открытым исходным кодом.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития Алтайского государственного университета на 2021-2030 годы в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», проект «Повышение износостойкости рабочих режущих органов сельскохозяйственных машин индукционной наплавкой модифицированных твердых сплавов».
Список литературы
1. Мансуров Г.Н., Петрий О.А. Электрохимия тонких металлических пленок. М.: МГОУ, 2011. 351 с.
2. Yurkov V. Effect of the Coulomb scattering on graphene conductivity / V. Yurkov, V. Ryzhii // JETP Lett. 2008. V. 88. № 5. P. 322-335.
3. Abramchuk S. Novel highly elastic magnetic materials for dampers and seals: Part I. Preparation and characterization of the elastic materials / S. Abramchuk, E. Kramarenko // Polym. Adv. Technol. 2007. V. 18. № 11. P. 883-890.
4. Ushakov N.M. Nanocomposites Based on the Cerium Oxide Nanoparticles and Polyethylene Matrix: Syntheses and Properties / N. M. Ushakov, G. Yu. Yurkov // Acta Mater. 2008. V. 56. № 10. P. 2336-2354.
5. Zaitsev B.D. Investigation of acoustic waves in thin plates of lithium niobate and lithium tantalate / B.D. Zaitsev, S.G. Joshi // IEEE Trans. on Ultrason., Ferroelectrics. and Freq. Cont. 2001. V. 48. № 2. P. 322-328.
6. Ларсон Д.К. Размерные эффекты в электропроводности тонких металлических пленок и проволок // Физика тонких пленок. Т. 6. С. 97-170.
7. Ston I. On the Electrical Resistance of Thin Films // Phys. Rev. 2008. V.6. № 1. P. 1-16.
8. Седлецкий Р.В., Лимин Б.Е. Двухзондовый метод автоматической компенсации омической составляющей потенциала при съемке поляризационных кривых. М.: Электрохимия. 1972. Т.8. 120 с.
9. Куров Г.А. Микроскопические поры в тонких металлических пленках / Г.А. Куров, А.Б. Маркарян, З.А. Жильков // Микроэлектроника. 1973. Т.1. № 2. С. 145-153.
10. Куров Г.А. Микроскопические дефекты в тонких металлических пленках // Докл. АН СССР, 1974. Т. 219. № 3. С. 582-585.
11. Аранович Г.П. Пористость тонких пленок / Г.П. Аранович, Б.А. Вишняков // Техническая физика. 1977. Т. 47. С. 7-11.
12. Антоненко С.В. Технология тонких пленок: учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. 104 с.
13. Технология тонких пленок: справочник в 2-х томах. Т.1. / под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. М.: Сов. радио, 1977. 664 с.
14. Технология тонких пленок: справочник в 2-х томах. Т.2. / под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. М.: Сов. радио, 1977. 770 с.
15. Майсел Л. Физика тонких пленок. М.: Мир, 1968. 396 с.
Морозова Анастасия Павловна, студент, morozova2003 [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Кистаев Семен Евгеньевич, студент, kistaev333@gmail. com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Чуваева Дарья Сергеевна, студент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Поровченко Любовь Сергеевна, студент, porovchenko2003@mail. ru, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, ser-gevjvoi@mail. ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, vornairina2008@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
STUDY OF THIN METAL FILMS EDTRY CURRENT RESEARCH METHODS A.P. Morozova, S.E. Kistaev, D.S. Chuvaeva, L.S. Porovchenko, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, I.V. Vornacheva
To study thin metal films with a characteristic thickness from 100 to 800 nm using the eddy current method, it is necessary to create a high-frequency electromagnetic field on the exciting winding of the VTP. According to the results of experiments and analysis of literature sources, the frequency of the electromagnetic field of the ETP for studying structures with a given thickness lies in the range from 10 to 25 MHz. To generate a field with these frequencies and the ability to control its characteristics, a signal generation system controlled using a PC is required.
Key words: eddy current transducer, materials, thin films.
Morozova Anastasia Pavlovna, student, morozova2003_a@mail. ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Kistaev Semen Evgenievich, student, kistaev333@gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
479
Chuvaeva Daria Sergeevna, student, chyvaeva9012@mail. ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Porovchenko Lyubov Sergeevna, student, porovchenko2003@mail. ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, sergey [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova [email protected], Russia, St. Petersburg, Higher School of Technology and Energy, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, vornairina2008@yandex. ru, Russia, Kursk, South-West State University
