Анализ механизмов воздействия лазерного излучения на элементы фотоприемных устройств

Во избежание потери возможности выполнения своих функций наблюдательным прибором, защиту которого обеспечивает затвор, оптическое пропускание (отражение) затвора релаксирует к прежним значениям за время не более десятков-сотен мкс.

Перечисленные условия работы затвора могут быть обеспечены с использованием термоиндуцированных эффектов различной природы, среди которых следует выделить термоиндуцированные кинетические явления с деформацией оптических поверхностей; термоиндуцированные фазовые переходы 1 рода, сопровождающиеся пространственным переносом вещества (испарение и конденсация); термоиндуцированные нелинейные оптические эффекты.



2.2 Возможность создания светоклапанного устройства защиты

В нашей стране в течение нескольких лет ведутся исследования по разработке

микромеханических светоклапанных устройств с наносекундным временем срабатывания. Эти устройства приводятся в действие за счет использования энергии излучения. Поглощение поверхностью светоклапанного устройства энергии падающего излучения приводит к возникновению множества деформационных микровыступов на отражающей зеркальной поверхности микромеханической структуры и рассеянию отраженной от этой поверхности излучения.

Время возникновения микровыступов должно составлять 0.1…0.2 от длительности ослепляющего импульса излучения, при этом его доля энергии, рассеянной в широком телесном угле, составит 80-90% и будет отсечена апертурной диафрагмой, установленной по ходу луча в оптическом канале средства наблюдения.

Рис. 2.1 Схема образования микровыступов в результате протекания термомеханических процессов в многослойных пленочных структурах на подложке.



Эффект возникновения микровыступов имеет тепловой характер: поглощенное излучение нагревает газовую среду внутри микрокамер, расположенных под зеркальной поверхностью, до 1000-; давление в них возрастет до 4…..5 атм. за время порядка 1 нс. Это вызывает деформацию пленки над микрокамерой, создавая выступ высотой порядка сотых долей длины волны падающего лазерного излучения. Рассеивающий эффект наиболее значителен при расстояниях между микровыступами, примерно равных длине волны падающего излучения. Однако это условие не является обязательным.

Один из возможных вариантов технологии изготовления затвора предпологает использование технологических приемов кремниевых микросхем. На кремниевой плоской подложке фотолитографическим путем и избирательным травлением формируется массив микрокамер. Микрокамеры располагаются с шагом 1…2 мкм и имеют глубину 0,1…0,2 мкм. Поверх массива наносят заранее подготовленную металлическую мембрану толщиной порядка 0,05 мкм и соединяют со стенками камер. Готовый чип затвора должен быть помещен в корпус с оптическим окном, защищающим мембрану от механических повреждений.

2.3 Конструкция устройства светоклапанного зеркала

Деформация поверхности зеркала, направляющего излучение в оптической схеме прибора наблюдения к фотоприемнику, индуцируемая падающим лазерным излучением, приведет к рассеянию отраженного света. Перемещение зеркала как целого при этом не реализуемо за временной промежуток порядка наносекунды, возможны только деформация его микрообластей.

Максимально возможный размер деформации в направлениях вдоль поверхности зеркала определяется скоростью звука, которое в твердом теле имеет значение порядка 1•10³ч5·10³ м/с. За наносекунду возникшая волна деформации распространится на расстояние ? = c•t = 5•10³•10^-9 = 5•10^-6 м, размер деформируемой микрообласти зеркала ограничен этой величиной.

Рассмотрим возможность построения затвора в виде ячеистого зеркала; поверхности ячеек составляют общую поверхность зеркала и под действием мощного излучения, падающего на зеркало и частично им поглощаемого, деформируются, рассеивая свет. На рисунке 2.2 показана схема функционирования такого затвора.

Рисунок. 2.2 - Схема функционирования зеркального ячеистого затвора.

Световой поток, идущий от цели и содержащий, в том числе, импульсы лазерного излучения, проходит прозрачный обтекатель 1, отражается сферическим зеркалом 2 на плоский контррефлектор 3 и далее проходит к приемнику 4.

Зеркало 2 формирует на приемнике 4 лучистой энергии изображение цели. Контррефлектор выполнен в виде микромеханического светоклапанного зеркала. После окончания лазерного импульса ячейки остывают и зеркало становится плоским. Время восстановления - порядка микросекунды. За это время при скорости 1 - 5 скоростей звука аппарат переместится на расстояние 0,3 - 1,5 мм, что не приведет к потере «захвата» цели оптоэлектронной системой аппарата.

Каждая ячейка имеет мембрану с зеркальной внешней поверхностью и микрокамеру, перекрытую мембраной и содержащую легко испаряющееся вещество. Все ячейки закреплены на массивной подложке. При попадании излучения на мембрану поглощенная его часть нагревает мембрану, прошедшая часть нагревает, испаряет и доводит до кипения среду внутри камеры. Давление насыщенного пара деформирует мембрану, величина давления определяется температурой наиболее холодных участков микрокамеры.

По окончании лазерного импульса тепло за счет теплопроводности уходит в подложку, содержимое микрокамеры остывает, пар конденсируется, давление возвращается в исходное состояние, мембрана вновь становится плоской, ячеистое зеркало перестает рассеивать падающее излучение.

Для одного из вариантов конструкции, с учетом размеров элементов светоклапанного зеркала, модельные расчеты показали, что зеркало срабатывает приблизительно за 1 нс при попадании на него лазерного импульса длительностью 10 нс и пропускает излучение с плотностью энергии 150-300 Дж/. Если диаметр контррефлектора меньше диаметра сферического зеркала в Nраз, то соответствующая плотность энергии излучения от цели, падающая на обтекатель, при которой сработают световые клапаны, уменьшается пропорционально . К приемнику 4 пройдет только 0,1-0,2 доли энергии излучения, падающего на световые клапаны.

Световой клапан отсекает в данном примере 90% падающей энергии лазерного импульса, то есть ослабляет плотность энергии, падающей на приемник, в 10 раз. При увеличении энергии ослепляющего импульса или при размещении светоклапанного зеркала в таком месте оптической схемы, где больше плотность энергии, например, в области фокуса объектива, выигрыш только увеличивается, так как работа светового клапана имеет пороговый характер.



2.4 Результаты лабораторного эксперимента

Проведена серия предварительных экспериментов, которые показали возможность управления микромеханическими устройствами за счет энергии наносекундных лазерных излучений. Одиночным импульсом сфокусированного лазерного пучка азотного лазера с длительностью импульса 6 нс воздействовали на двухслойную тонкопленочную структуру на подложке. Смежный с подложкой слой испарялся и давлением паров наружный слой формовался в виде купола высотой 1 мкм и диаметром у основания 10 мкм. Плотность падающей энергии составляла 0,5 Дж/. Эксперимент подтвердил достижимость требований по быстродействию и мощности срабатывания, и возможность управления микромеханическими устройствами за счет энергии наносекундных лазерных излучений.

Рассмотрим более детально физические и технологические процессы, сопутствующие решению данной задачи и, главным образом, возможность применения механического ударного воздействия лазерного луча в технологии микромеханики-формирование пустотелых герметичных микрообъектов и микроканалов в многослойной структуре на подложке.

На подложке сформирована двухслойная структура, верхний слой которой-золото толщиной 1 мкм, а нижний-легко испаряющийся при лазерном нагреве слой, например, слой хрома.

Структура локально освещается сфокусированным лазерным лучом с плотностью мощности сквозь прозрачную подложку. Прослойка испаряется и давление пара пластически деформирует слой золота. Так как избыточное давление газа действует с равной силой на всю внутреннюю поверхность золотой пленки, последняя будет стремиться приобрести сферическую форму. Величину давления пара p, необходимую для формирования из тонкой пленки толщиной dтонкостенного сферического купола, можно вычислить по формуле:



где - механическое напряжение в стенке купола; - радиус купола.

Формовка имеет место в том случае, если механическое напряжение в стенке превышает некоторое пороговое значение, например, напряжение предела прочности материала. Для оценки воспользуемся значением напряжения предела прочности при постоянной нагрузке:

Для образования золотого купола с радиусом сферы 5 м, толщиной стенки м при =600 МПа, температуре 60, необходимо давление формовки:

(2,3)

Считая купол полусферой объемом V и предполагая, в первом приближении, что атмосфера внутри купола является идеальным газом, можно записать для массы m этого газа:



где - универсальная газовая постоянная; М-молярная масса вещества прослойки.

Для образования данного количества пара необходимо испарить слой вещества толщиной с плотностью p, лежащей в основании полусферы:

Если использовать хром ( р=7,2 кг/, М=24 кг/моль) в качестве материала слоя, испаряющегося и создающего избыточное давление, то получим м.

При фазовых переходах вещества пленки, «запечатанной» внутри прозрачной многослойной структуры и нагреваемой лазерным лучом, могут возникать импульсы давления. Рассмотрим случай изохорического локального нагрева такого поглощающего слоя внутри прозрачной структуры.

В принятом приближении все поглощенное слоем излучение расходуется только на увеличение его внутренней энергии.

Теплоемкость хрома равна 614 Дж/(кг*К) при температуре 1000 К и давлении 0,1 МПа. При переходе из твердого состояния в жидкое теплоемкость металла меняется незначительно. Примем коэффициент поглощения излучения равным А=0,5, тогда интенсивность излучения, необходимая для повышения температуры слоя толщиной d=3,6м (от комнатной, без учета теплоты плавления и кипения) за время импульса с до температуры:

- плавления 1877 К, равна 9,6 Вт/;

- кипения 2672 К, равна 1,2 Вт/.

Эти расчеты свидетельствуют о том, что мощности используемого лазерного излучения достаточно для расплавления и доведения до кипения слоя хрома. Относительное увеличение объема при фазовом переходе из твердого в жидкое состояние для большинства металлов составляет 4%. Если считать, что расплавленный участок слоя окружен абсолютно жесткими стенками, величина возникающего избыточного давления составит:

где - сжимаемость жидкого металла.

Для хрома избыточное давление составляет =4 Па. Существенное увеличение давления ведет к росту температур плавления и кипения, то есть реальная мощность излучения, необходимая для осуществления фазовых переходов, будет выше.

Последовательное нагревание участка слоя до температур плавления и кипения приведет к его тепловому расширению. Коэффициент объемного термического расширения большинства жидких металлов составляет . Дополнительное увеличение давления за счет термического расширения можно рассчитать по формуле:

где - коэффициент линейного термического расширения в твердой фазе.

Для хрома =11,8 при 1200 К. Тогда =13,61 Па.

Суммарное увеличение давления составляет:

Таким образом, при фазовых переходах микрообъемов вещества внутри прозрачной пластины, инициируемых импульсным нагревом лазерным излучением, могут возникнуть импульсы давления, превышающие пределы прочности вещества, при сравнительно умеренных плотностях мощности излучения.

Экспериментальная проверка проводилась на лазерной установке с азотным лазером, излучающим пучок мощностью в импульсе 3 кВт и длительностью 6 нс. В экспериментах использовались стеклянные подложки. Формируемая пленка толщиной в 1 мкм была изготовлена из золота. Промежуточные слои выбирались из сравнительно легко испаряющихся материалов, имеющих малую температуропроводность - титана и никеля (при их общей толщине 0,3 мкм) или хрома (до 0,5 мкм).

Процесс являлся безреакторным и шел в атмосфере воздуха. Процедура лазерной обработки пленок контролировалась под микроскопом с увеличением в 30. при использовании единичных лазерных импульсов и неподвижной подложки на ее лицевой поверхности образовывались выступы куполообразной формы.

Высота выступов и их диаметр у основания увеличивались с ростом мощности лазерного излучения, вплоть до разрыва тонкой пленки. В последнем случае образовывалось сквозное отверстие с характерными рваными краями и отогнутыми взрывным воздействием участками золотой фольги. Максимальная высота выступов, образованных без нарушения целостности покрытия, составила 1 мкм при диаметре основания 10 мкм.

В целом полученные данные согласуются с теорией и позволяют создать контролируемый процесс.



3. Разработка оптических схем устройств, использующих наносекундные микромеханические затворы

В предыдущей главе показано, что термоиндуцированное срабатывание микромеханических затворов происходит при плотности мощности падающего лазерного излучения, близкой к плотности мощности, повреждающей защищаемые приборы наблюдения.

Отсюда можно сделать вывод, что термочувствительные структуры затворов должны располагаться в плоскости формирования оптического изображения, а оптическая схема защищаемого затвором прибора должна иметь последовательно расположенные по ходу излучения две области формирования изображения - для затвора и для фоточувствительной структуры прибора наблюдения.

Среди зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем такими возможностями обладает схема Грегори, показанная на рисунке 3.1. Зеркала М₁и М₂формируют первое действительное изображение ?'₂в плоскости F'₂, которое линзой Lотображается во второе изображение ?'₃, располагающееся в плоскости F'₃.

Рис. 3.1. Зеркально-линзовая система Грегори

Для рассматриваемого варианта затворов отражающую их поверхность необходимо разместить в области зеркала М₂, и на зеркале должно формироваться изображение ?'₂из рисунка 3.1. При этом ход главных лучей, отраженных от М₂, совпадает с ходом главных лучей, падающих на М₂, и любые оптические элементы, установленные по ходу отраженных лучей, затеняют падающие лучи.

Для удаления из падающего на М₂пучка элементов, формирующих второе изображение в отраженных лучах, может быть применена схема Гершеля; с внеосевой входной апертурой (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Схема Гершеля с внеосевой апертурой

Вариант оптической системы с двумя последовательно по ходу пучка расположенными изображениями, в котором мешающие элементы устранены из хода падающих на зеркало М₂пучков, основанный на схеме Гершеля, показан на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Оптическая схема с внеосевой апертурой и формированием первого изображения на поверхности зеркала



Здесь первое (действительное и отрицательное) изображение ?'₁строится сферическим или параболическим зеркалом m₁на поверхности зеркала М₂, которое зеркально отражает главные лучи, отмеченные каждый двумя стрелками, в область по другую сторону от оптической оси. Апертура линзы Л достаточна для пропускания всех отраженных лучей; оптическая ось этой линзы совпадает с оптической осью системы, и построенное линзой изображение ?'₂также лежит в области оптической оси.

Для уменьшения размеров линзы Л зеркалу М₂целесообразно придать оптическую силу, превратив его в коллектив. Коллектив (полевая линза) отклоняет к оптической оси наклонные лучи пучков, осями которых являются главные лучи. Зеркало М₂можно выполнить сферическим или в виде плоскоыпуклой линзы с отражающей плоскостью.

Активное зеркало микромеханического затвора на рисунке 3.3 совпадает с отражающей поверхностью зеркала М₂. При попадании на входную апертуру зеркала М₁лазерного мощного излучения оно фокусируется зеркалом в точку на плоскости затвора. До срабатывания затвора зеркало отражает лазерное излучение, и его энергия попадает на фоточувствительную область фотоприемника. После срабатывания затвора излучение перестает поступать к фотоприемнику; общая энергия, облучающая фотоприемник, уменьшается, что предохраняет его от повреждений лучом.

На рисунке 3.4 показана оптико-механическая схема телескопа, в котором применена оптическая схема рисунка 3.3. Задний фокус зеркала М₁и передний фокус линзы Л совмещены, и в области общего фокуса размещено зеркало М₂.

На поверхности зеркала формируются изображения, размер поля которых ?'₁равен:

,(3.1)



гдеf₁ - фокусное расстояние зеркала М₁;

щ - половина апертурного угла зеркала М₁, являющегося объективом.

Рис. 3.4. Оптико-механическая схема телескопа с внеосевой апертурой и промежуточным изображением на зеркале.

Угловое увеличение телескопа Г равно:

.

Считая, что входной зрачок телескопа совмещен с зеркалом М₁, найдем диаметр D_зр выходного зрачка:

. (3.3)

Апертурный угол щ' на выходе телескопа можно найти из выражения:

.(3.4)



Линза Л отображает входной зрачок в выходной, поэтому отношение расстояний выходного и входного зрачков до линзы равно увеличению телескопической системы:

,(3.5)

где- расстояние от линзы Л до выходного зрачка.

Диаметр D₄ линзы Л найдем из выражения:

.(3.6)

Проведем численный расчет. Примем: D₂ = 30 мм; f₁ = 60 мм; f₂ = 30 мм; апертурный угол 2щ = 5°. Получим:

-размер зеркала M₂: D₃ = 2•60•tg(2,5°) = 5,24 мм;

-размер выходного зрачка: мм;

-угловое увеличение телескопа: ;

-выходной апертурный угол: щ' ? 5°;

_-расстояние выходного зрачка от линзы: мм;

-диаметр линзы: мм;

-радиус кривизны зеркала М₁: r₁= 2f₁ = 120 мм.

Применение коллектива в области промежуточного изображения позволит уменьшить диаметр линзы Л.

Концентрация лазерной мощности в области первого изображения и в области второго в общем случае различны, эта разница зависит от потерь энергии лазерного луча в промежутке между изображениями и от значения увеличения, с которым получается второе изображение. Руководствуясь энергетическими соображениями, можно получить выражение для отношения плотностей падающей лазерной мощности на поверхности в области второго и в области первого изображений (рисунок 3.3):

, (3.7)

Где К - линейное увеличение второго изображения в сравнении с первым;

, - размеры первого и второго изображений, соответственно.

Если равна пороговой плотности мощности разрушения фотоприемника, размещенного в плоскости второго изображения:

, (3.8)

то из (3.7) следует, что плотность мощности Р_ср облучения затвора, приводящая к его срабатыванию, должна удовлетворять соотношению:

. (3.9)

Если значение множителя К²/больше единицы, то фотоприемник может быть защищен от разрушения, даже если порог срабатывания затвора больше порога разрушения фотоприемника.

Учитывая, что выпускаемые промышленностью фотоприемные устройства стандартизированы по размеру входной апертуры, для обеспечения рассмотренного выигрыша в пороге срабатывания затвора необходимо рекомендовать использовать короткофокусные объективы в защищенных телескопических системах. Это позволит уменьшить размер первого изображения (т.е. увеличить плотность мощности облучения затвора), и улучшить степень защиты, обеспечиваемую затвором.

Таким образом, в настоящей главе показано, что существуют оптические схемы телескопов, пригодные для встраивания зеркальных затворов и размещения их в плоскости изображения; проведен габаритный расчет таких телескопов; разработана конструкция макета телескопа, предназначенная для испытания наносекундных затворов, работающих на отражение; предложена схема расчетов телескопических систем со встроенным наносекундным затвором; найдены связи между оптическими характеристиками телескопических систем и степенью защиты от ослепления фотоприемных элементов.



4. Разработка методов расчета конструкционных и функциональных параметров затворов

4.1 Перспективные типы быстродействующих оптических затворов

В п. 2.1 сформулированы основные требования к защитным быстродействующим оптическим затворам, в том числе:

-наносекундное время срабатывания;

-пассивный характер затвора (функционирование за счет энергии «ослепляющего» излучения);

-малое время релаксации.

Кроме рассмотренных в разделе 2 конструкций микромеханических затворов, сформулированным выше требованиям могут удовлетворять устройства, построенные на пороговом изменении под действием лазерного излучения оптических характеристик среды, например, поглощательной способности (коэффициента пропускания).

Главная проблема подобного рода устройств заключается в противоречивости предъявляемых к ним требований. С одной стороны, они должны быть прозрачны во всем спектральном диапазоне фотоприемника, а с другой стороны, за счет проходящего через их рабочую среду излучения (поглощая часть его энергии) резко увеличивать свою поглощательную способность. Сочетание таких противоположных требований возможно только в рамках лазерноиндуцированных химических реакций, начало протекания которых характеризуется энергией активации, т.е. носит выраженный пороговый характер.

Использование лазерно-индуцированных реакций для управления поглощательной способностью активной среды оптического затвора, работоспособного в широком диапазоне оптического спектра и обладающего быстродействием, налагает определенные ограничения на выбор типа таких реакций.

Как показано выше, такие химические реакции не могут иметь резонансный характер, поэтому фотолитические процессы, возбуждаемые фотонами определенной энергии, также не могут стать основой для оптических затворов, управляемых световыми потоками большой спектральной ширины.

Можно также предположить, что большим быстродействием потенциально обладают реакции разложения молекул, а не их синтеза. При разложении первой элементарной стадией реакции является поглощение молекулой энергии в результате столкновений с горячей стенкой реакционной камеры или другой молекулой в газовой фазе; следующая стадия - молекула находится в возбужденном состоянии до тех пор, пока не произойдет следующего столкновения с другой молекулой и обмен энергией (столкновительный механизм релаксации возбуждения); третий этап - термический распад молекулы исходного соединения и разлет продуктов разложения (частей молекул), вследствие чего усиливаются процессы поглощения и/или рассеяния света, например, как результат появления непрозрачного осадка на оптических границах раздела, или локального увеличения коэффициента преломления за счет кратковременного роста плотности (так как реакции разложения идут с увеличением концентрации молекул в среде).

В случае реакций синтеза первой элементарной стадией также является поглощение молекулами реагентов энергии в результате столкновения их с горячей стенкой или другой молекулой в газовой фазе; следующая стадия - соединение молекул разных реагентов в новую молекулу - требует нескольких столкновений исходных молекул, является статистически довольно длительным процессом, так как не каждое столкновение молекул приводит к их соединению, а только такие столкновения, при которых молекулы ориентированы друг по отношению к другу определенным образом.

Кроме того, результатом реакции синтеза может быть существенное уменьшение концентрации молекул в среде, так как, например, из двух реагирующих молекул возникает одна. В то же время при реакции разложения наоборот, концентрация увеличивается, например, при термолизе одной молекулы декакарбонила дирения возникает 12 новых молекул.

Важным фактором, заставляющим проводить исследования лазерноиндуцированных химических реакций для использования их в оптических затворах, является малая в ряде случаев энергия активации химических реакций в сравнении с теплотами плавления и сублимации, играющими ключевую роль в определении чувствительности оптических затворов, рассмотренных в разделах 2 и 3. Так, декакарбонил дирения может разлагаться при нагреве до 400 °С (плавление и испарение металлов требует температур 1000...3000 °С)

Проведенный анализ позволяет предложить два основных подхода при использовании лазерно-индуцированных химических реакций для целей разработки быстродействующего оптического затвора:

1) использование химических реакций, протекающих в объеме газовой (или жидкой) фазы. Образующиеся при этом продукты реакции могут в процессе воздействия «ослепляющего» излучения выступать как центры поглощения, а при кластеризации - и как центры рассеяния, уменьшая, тем самым, долю прошедшего излучения. Конструктивно такой затвор может представлять собой цилиндр, имеющий на торцах прозрачные окна, заполненный парогазовой смесью (или жидкой фазой), установленный коаксиально с оптической осью системы наблюдения.

2)использование химических реакций, протекающих на поверхности прозрачных подложек. Образующийся при этом непрозрачный пленочный осадок может существенно изменить как поглощательную способность поверхности, так и коэффициент отражения. Конструкция основанного на таком подходе затвора может содержать множество участвующих в процессе поверхностей для увеличения эффективности модуляции падающего излучения.

В качестве модели таких химических реакций и для определения применимости таких подходов для создания быстродействующих оптических затворов были проведены экспериментальные исследования осаждения тонких пленок рения на стеклянные подложки при использовании метода лазерноиндуцированного парофазного химического осаждения (ЛПФХО) или LCVD.

Такой выбор был обусловлен, главным образом научным и технологическим заделом. Проведение таких исследований, однако, позволяет создать модель процессов, протекающих как на поверхности подложек, так и в газовой фазе

4.2 Метод LCVD

В современной литературе для обозначения лазерно-индуцированного химического осаждения на подложку различных материалов, в том числе и металлов, из паровой фазы исходных соединений широко используется аббревиатура LCVD (Laser-induced Chemical Vapor Deposition).

Основной областью применения локальных и низкотемпературных LCVD в настоящее время является производство интегральных микросхем, технология изготовления которых непрерывно совершенствуется. Регулярно проводятся международные конференции, посвященные этой тематике. Универсальность лазерно-индуцированных химических процессов проявляется и в том, что можно отказаться от литографического способа создания топологии в функциональных слоях и непосредственно создавать микрорисунки с помощью методов лазерно-индуцированного химического осаждения необходимого материала на поверхности подложки. Одностадийным и, следовательно, наиболее технологичным из них является метод LCVD.

В общем случае метод LCVD заключается в следующем: летучее соединение осаждаемого элемента переводится в газовую фазу и разлагается на поверхности подложки или в паровой фазе при воздействии лазерного излучения, при этом образуются газообразные продукты и твердый осадок на поверхности подложки. На рисунке 4.1 представлена схема метода LCVD металлической пленки и основные составляющие типичной системы осаждения пленок.

В зависимости от длины волны, плотности мощности падающего излучения в приповерхностной области твердого тела и длительности его воздействия, на границе раздела твердое тело/газ происходят различные физико-химические процессы. Лазерное излучение воздействует:

-на газовую фазу с генерацией возбужденных молекул, радикалов или ионов;

-на адсорбированный слой с генерацией в нем возбужденных адсорбированных молекул, радикалов или ионов;

-на материал подложки с возбуждением его электронов, решетки и нагреванием локальных областей.

Рис. 4.1. Схема метода LCVD металлической пленки и основные составляющие этой системы: G - молекулы газа-носителя или буферного газа; ML - молекулы исходного соединения металла М



Таким образом, при LCVD металлов может происходить как лазерноиндуцированный фотолиз, так и лазерно-индуцированный пиролиз исходного летучего соединения металла, молекулы которого находятся как в газовой фазе, так и в адсорбированном слое.

Общая химическая схема процесса как фотолитического, так и пиролитического лазерно-индуцированного разложения исходного соединения металла имеет следующий вид:

, (4.1)

Где ML - исходное соединение. Как правило, это координационное соединение металла с органическими лигандами или металлоорганическое соединение. В этом случае L - координационная сфера металла М.

G - буферный газ или газ носитель, который, как правило, является химически инертным газом;

М⁰ - металл в несвязанном состоянии;

Мⁿ⁺ - металл в ионном соединении;

M - металл в более устойчивом координационном соединении;

Р - продукты реакции, которые могут быть как газообразными, так и твердыми или жидкими.

Кроме того, одновременно с разложением ML могут протекать реакции с участием мономеров координационной сферы L: L > Р.

Таким образом, процесс LCVD металлов может осложняться вторичными реакциями и процессами соосаждения примесей. Кроме того, в результате лазерного воздействия на исходное соединение может образоваться несколько твердых продуктов. Осаждение чистого металла методом LCVD обусловливается свойствами осаждаемого металла и его исходного соединения, используемым лазерным излучением, давлением и составом газовой смеси.

В последнее время методы лазерной термохимии в газовой фазе успешно применяются для высокотемпературного синтеза ультрадисперсных порошков (пудр) химических элементов (С, Si), простых соединений (SiGe, А₂О₃, Si₃N₄), а также различных смесей. Такие порошки используются при разработке новых материалов с повышенными механическими, термическими и химическими свойствами. Это, прежде всего, конструкционные композитные материалы, свойства которых резко изменяются при внедрении в матрицу исходного материала частиц, сильно воздействующих на параметры межзёренных границ. Из этого условия вытекает требование иметь частицы с характерными размерами 3...30 нм при практически сферической форме с малым разбросом диаметров. Требуемые характеристики порошков достигаются, когда химические реакции разложения и/или синтеза проводятся непосредственно в объеме газовой фазы, и в условиях, когда происходит нуклеация (образование кластеров) твердофазных продуктов в зоне реакции.

Таким образом, изучение LCVD металлов начато сравнительно недавно в зарубежных странах (США, Японии, странах западной Европы) и стимулируется развитием микроэлектронной технологии.

4.3 Соединения, используемые для LCVD металлов

Общее свойство соединений, используемых для химического газофазного осаждения, - это летучесть при низких температурах (от комнатной до сотен градусов Цельсия). Соединения металлов, используемые для LCVD металлических пленок и микроструктур, принадлежат следующим классам:

алкилы;

комплексы с ненасыщенными углеводородами (арены, аллилы)

карбонилы;

в-дикетонаты;

галогениды;

амины;

фосфины;

алкил и карбонил гидриды;

и другие разнолигандные комплексы.

Из этих классов соединений исследователи LCVD используют, как правило, наиболее летучие соединения, устойчивые при нормальных условиях. Это связано с тем, что в конструкцию установок для LCVD входят оптические детали (линзы, входные окна реакционных камер), сильный нагрев и загрязнение которых нежелательны, поскольку ухудшают воспроизводимость результатов. Практически все рассматриваемые соединения при температурах в диапазоне от комнатной до ? 100 °С имеют парциальное давление пара от 10 Па до нескольких сотен Па.

Кроме того, выбор исходного соединения определяется выбором типа LCVD - лазерноиндуцированный пиролиз или фотолиз исходного соединения. При использовании для получения металлических пленок и микроструктур пиролитического LCVD важны термохимические свойства исходных соединений, а для фотолитического LCVD выбор исходного соединения металла определяется его фотохимическими свойствами.

Оптимальными исходными соединениями металлов для пиролитического LCVD являются наиболее летучие соединения, позволяющие получать высокие скорости осаждения при невысоких температурах испарителя и реакционной камеры. Использование исходных соединений, имеющих более низкую температуру пиролиза, предпочтительнее для пиролитического LCVD. Например, для Сu (ГФА)₂ и (Сu(ГФА)(ТМВС) температуры начала интенсивного разложения 300 °С и 150 °С, соответственно. Исходя из количества публикаций, можно сделать вывод, что наиболее широко исследовано пиролитическое LCVD только отдельных соединений некоторых металлов. Это Al(CH₃)₃, W(CO)₆, WF₆, Cu(ГФА)₂, Pt(ГФА)₂, (СН₃)₂Аu(АА).



5. Организационно-экономическая часть проекта

ТЭО постановки задачи.

На всех стадиях проектирования возникает необходимость экономической оценки и обоснования экономической целесообразности проекта. Это обусловлено сильной взаимосвязанностью технического прогресса и экономики. Только при условии наиболее эффективного в экономическом отношении использования производственных ресурсов, научно-технический прогресс будет основой экономического прогресса.

Существующие в настоящее время оптико-электронные системы обнаружения, наведения, слежения и опознавания, равно как и разрабатываемые вновь, малоэффективны в условиях применения организованных оптических помех, что ограничивает боевые возможности вооружения, использующего эти системы. Проблема предотвращения ослепления ОЭС не может эффективно решаться путем применения узкополосных отражающих светофильтров или использованием устройств, основанных на резонансном возбуждении атомов поглотителя (переводом на более высокие энергетические уровни), так как при этом требуется совпадение длины волны излучения средства подавления (как правило, неизвестна) и рабочей длины волны средства защиты. Также малоэффективны и другие существующие устройства со светоклапанным эффектом. В этой связи актуальной является проработка принципиально новых путей решения проблемы повышения помехозащищенности ОЭС.

В данном дипломном проекте отработана концепция создания пассивных светоклапанных устройств, защищающих от лазерного поражающего облучения, на базе использования микромеханических зеркал, управляемых энергией поражающих лазерных пучков, найдены конструкторско-технологические решения изготовления таких устройств, получены экспериментальные результаты по основным рабочим и предельным характеристикам устройств.

Источник ослепляющего облучения - твердотельный импульсный лазер с расходимостью ?10^-4 рад, обеспечивающий на дальности 10³ м размер лазерного пятна ?0,1 м. Длительность импульса десятки наносекунд. Пассивное устройство наблюдения и слежения видимого и ближнего ИК-диапазона.

Устройство предполагается использовать при создании средств защиты от ослепляющего действия лазерного импульсного облучения в системах головок самонаведения, приборах ночного видения на базе электронно-оптических преобразователей, полупроводниковых фотоприемников, в приборах визуального наблюдения.

Новизна работы состоит в создании технологических основ функционирования и изготовления микромеханических быстродействующих светоклапанных устройств; разработке методов расчета характеристик и параметров микромеханических быстродействующих светоклапанных устройств; разработке базовых конструкторско-технологических решений создания светоклапанных зеркал с наносекундным быстродействием.

В данной главе выполняются организационно-экономические расчеты, включающие в себя следующие разделы:

- расчет себестоимости и цены реализации устройства;

-экономическая целесообразность использования устройства.

План проведения работы по теме составляется с помощью алгоритма - блок-схемы порядка производимых анализов, исследований и разработок. С помощью блок-схемы картина работы над темой представляется наглядно.

Данная тема относится к научно-исследовательской работе (НИР). В ней проводится теоретическое обоснование и разработка концепции построения микромеханического оптического пассивного затвора, обеспечивающего защиту оптических приемных устройств систем обнаружения, сопровождения и прицеливания. Результатом является разработка теоретической модели создания оптического пассивного микромеханического самосрабатывающего затвора.

Одной из основных целей планирования НИР является определение общей продолжительности их проведения. Это осуществляется при помощи ленточного графика, где перечисляются наименования, длительность и трудоемкость каждой работы, и количество исполнителей.

Плановая себестоимость научно-технической продукции определяется по следующим статьям расходов:

-расходы на материалы;

-основная заработная плата;

-дополнительная заработная плата;

-отчисления на социальные нужды;

-накладные расходы;

-прочие расходы.

Расходы на материалы включают в себя:

бумага 1 уп.

канцелярские принадлежности

фотоплёнка 1уп.

чернила для принтера

Р_мат = Р_{бум +} Р_канц + Р_фотпл + Р_черн = 155 +250+300+2500=3205

Основная заработная плата определяется на основании должностных окладов работников, занятых в разработке темы и степени их участия.

Основная заработная плата (З_ОСН) составила сумму 22130 руб.

Дополнительная заработная плата (З_ДОП) начисляется в размере 20% от основной зарплаты:

З_ДОП = З_ОСН * 0,2 = 22130 * 0,2 = 4426 руб.

ФОТ = З_ОСН + З_ДОП = 22130+4426 = 26556 руб.



Отчисления на социальные нужды определяются в процентном соотношении от суммы основной и дополнительной заработной платы. В эту статью входят следующие фонды:

-Федеральный бюджет - 20%;

-Фонд социального страхования - 2,9%;

-Федеральный фонд общего медицинского страхования - 1,1%;

-Территориальный фонд общего медицинского страхования - 2%.

Сумма налогов данной статьи составляет 26%.

О_СН = ФОТ * 0,26 = 26556 * 0,26 = 6905 руб.

В накладные расходы входят расходы по управлению, по содержанию и ремонту зданий, сооружений и оборудования. Берём их равными 120% от основной заработной платы:

Н_Р = З_ОСН * 1,2 = 22130 * 1,2 = 26556 руб.

Затраты по этой статье рассчитываются как 1,5% от основной заработной платы работников:

П_Р = З_ОСН * 0,15 = 22130 * 0,15 = 3320 руб.

Полная себестоимость представляет собой сумму всех вышеперечисленных статей расходов:

С_П = ФОТ + О_СН + Н_Р + П_Р = 26556 + 6905 + 26556 + 3320 = 63337 руб.

Таким образом, затраты на научно-исследовательскую работу составляют сумму равную 63337 руб.

Цена создания определяется следующим образом:



Ц = К * С_П + Пр,

где K - коэффициент учета затрат на изготовление опытного образца изделия (K = 1,1);

Пр - нормативная прибыль, рассчитываемая по формуле:

Пр = С_П *_Н,

где _Н - норматив рентабельности, 30 %;

Пр= 63337 * 0,3 = 19001 руб.

Ц = 1,1 * 63337 + 19001 = 88671 руб.

Цена создания разрабатываемого устройства 88 671 руб.

Все полученные цифры приблизительны, и поэтому были округлены.

Результатом выполнения данной работы является разработка микромеханического светоклапанного устройства с наносекундным временем срабатывания, которое обеспечивается приведением устройства в действие за счет использования «ослепляющего» луча.

Цена на разработку и создание данного устройства позволяет определить, что производство будет рентабельным, поскольку данное устройство обеспечивает защиту оптико-электронных средств на все 100%, что существенно снизит затраты на ремонт и восстановление той техники, в которую попало лазерное излучение. Данная разработка найдет свое применение и в военной сфере, где жизнь и здоровье солдат нельзя сравнивать ни с какими деньгами.

Затраты по этой теме целесообразны, так как результаты этой работы могут быть использованы как для дальнейших научно-технических работ исследовательского характера, так и для разработки и конструирования устройств рассмотренного типа, обладающих более совершенными точностными и технико-эксплуатационными характеристиками. Использование таких устройств позволит в будущем снизить их себестоимость за счёт совершенствования элементной базы. На данный момент аналогов данной разработки не существует.

В рамках организационно-экономической части был осуществлен расчет себестоимости, составлена смета на работы по теме, спланированы и учтены возможные затраты, организованы работы по теме.

В данном разделе было рассчитано общее время выполнения проекта, которое составило 134 дня, рассчитаны данные по затратам на научно-исследовательскую работу, которые составили 63337 рублей., а также были определены затраты на создание данного устройства, которые составили 88671 рубль.



6. Экология и безопасность жизнедеятельности

6.1 Проектирование оптимального рабочего места инженера-разработчика

Охрана труда - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Научно-технический прогресс внес серьезные изменения в условия деятельности работников умственного труда. Их труд стал более интенсивным, напряженным, требующим значительных затрат умственной, эмоциональной и физической энергии. Это потребовало комплексного решения проблем эргономики, гигиены и организации труда, регламентации режимов труда и отдыха.

Этот раздел дипломного проекта посвящен рассмотрению следующих вопросов:

проектирование оптимальных условий труда инженера -разработчика;

проектирование оптимального рабочего места;

проектирование системы освещения;

проектирование мероприятий по обеспечению микроклимата;

Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Для создания нормальных условий труда на рабочем месте разработчика, применяются следующие оптимальные показатели санитарно-гигиенической обстановки:

- температура воздуха, 22°С;

- относительная влажность, %: от плюс 30 до 60;

- скорость движения воздуха, м/с: 0,2;

- освещенность, ЛК: 300.

Согласно требованиям СанПиН 2.2.2.542-96, на каждого работника полагается не менее 6 квадратных метров при высоте помещения не менее 4м. Коэффициенты отражения для потолка - от 0,7 до 0,8; для стен - от 0,5 до 0,6.

Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места разработчика должны быть соблюдены следующие основные условия:

оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места;

достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения;

наличие хорошего освещения;

уровень акустического шума не превышающий ПДУ;

достаточная вентиляция рабочего места;

Монитор предлагается выбирать из серии жидкокристаллических. Такой монитор не обладает эффектом мерцания экрана, от которого в основном и устает зрение человека, наблюдающего за экраном долгое время. Так же предлагается выбирать монитор с размером диагонали экрана не менее 17 дюймов, т.к. на экранах меньшего размера буквы текста будут мелкими, что приведет к быстрому зрительному переутомлению. Следуя выше приведенным рекомендациям, удастся понизить напряжение зрения оператора и подверженность облучению его вредными магнитными и электрическими полями.

В соответствии с требованиями для оборудования рабочего места определенными в СанПиН2.2.2.542-96 выбираем следующие параметры рабочего места.

Рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной - не менее 500 мм, глубиной на уровне колен - не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм.

Рабочий стул (кресло) должен быть подъемно-поворотным и регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а так же - расстоянию спинки от переднего края сиденья.

Конструкция его должна обеспечивать:

- ширину и глубину поверхности сиденья не менее 400 мм;

- поверхность сиденья с закругленным передним краем;

- регулировку высоты поверхности сиденья в пределах 400 - 550 мм и углам наклона вперед до 15 град. и назад до 5 град.;

- высоту опорной поверхности спинки 300 ± 20 мм, ширину - не менее 380 мм и радиус кривизны горизонтальной плоскости - 400 мм;

- угол наклона спинки в вертикальной плоскости в пределах ±30 градусов;

- регулировку расстояния спинки от переднего края сиденья в пределах 260-400мм;

- стационарные или съемные подлокотники длиной не менее 250 мм и шириной - 50 - 70 мм;

- регулировку подлокотников по высоте над сиденьем в пределах 230 ± 30 мм и внутреннего расстояния между подлокотниками в пределах 350 - 500 мм.

Рабочее место должно быть оборудовано подставкой для ног, имеющей ширину не менее 300 мм, глубину не менее 400 мм, регулировку по высоте в пределах до 150 мм и по углу наклона опорной поверхности подставки до 20 градусов. Поверхность подставки должна быть рифленой и иметь по переднему краю бортик высотой 10 мм.

Возможность различного размещения документов: сбоку от видеотерминала, между монитором и клавиатурой и т.п. Кроме того, в случаях, когда видеотерминал имеет низкое качество изображения, например, заметны мелькания, расстояние от глаз до экрана делают больше (около 700 мм), чем расстояние от глаза до документа (300-450 мм). Вообще при высоком качестве изображения на видеотерминале расстояние от глаз пользователя до экрана, документа и клавиатуры может быть равным.

Положение экрана определяется:

расстоянием до глаз (0,6 + 0,1 м);

углом, направлением взгляда на 15 градусов ниже горизонтали к центру экрана, причем экран перпендикулярен этому направлению.

Должна предусматриваться возможность регулирования экрана:

по высоте +3 см;

по наклону от 10 до 20 градусов относительно вертикали;

в левом и правом направлениях.

Клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии 100 - 300 мм от края, обращенного к пользователю или на специальной, регулируемой по высоте рабочей поверхности, отделенной от основной столешницы.

Зрительный комфорт подчиняется двум основным требованиям:

-четкости на экране, клавиатуре и в документах;

-освещенности и равномерности яркости между окружающими условиями и различными участками рабочего места;

Большое значение придается характеристикам рабочего кресла. Рекомендуется высота сиденья над уровнем пола 420-550 мм. Поверхность сиденья рекомендуется делать мягкой, передний край закругленным, а угол наклона спинки рабочего кресла - регулируемым. Форма спинки кресла должна повторять форму спины.

Большое значение также придается правильной рабочей позе пользователя. При неудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах, суставах и сухожилиях. Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие: шея не должна быть наклонена более чем на 20° (между осью "голова-шея" и осью туловища), плечи должны быть расслаблены, локти - находиться под углом 80° - 100°, а предплечья и кисти рук - в горизонтальном положении. Причина неправильной позы пользователей обусловлена следующими факторами: нет хорошей подставки для документов, клавиатура находится слишком высоко, а документы - слишком низко, некуда положить руки и кисти, недостаточно пространство для ног. В целях преодоления указанных недостатков даются общие рекомендации: лучше передвижная клавиатура, чем встроенная; должны быть предусмотрены специальные приспособления для регулирования высоты стола, клавиатуры, документов и экрана, а также подставка для рук.

Подведем промежуточные итоги. Я рассмотрела рабочее место со следующими характеристиками:

высота рабочей поверхности стола 750 мм;

высота пространства для ног 650 мм;

высота сиденья над уровнем пола 450 мм;

поверхность сиденья мягкая с закругленным передним краем и формой спинки кресла, повторяющей форму спины;

возможность размещения документов справа и слева;

расстояние от глаза до экрана 700 мм;

расстояние от глаза до клавиатуры 400 мм;

расстояние от глаза до документов 500 мм;

возможно регулирование экрана по высоте, по наклону, в левом и в правом направлениях;

Создание благоприятных условий труда и правильное эстетическое оформление рабочих мест на производстве имеет большое значение, как для облегчения труда, так и для повышения его привлекательности, положительно влияющей на производительность труда. Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения. В служебных помещениях, в которых выполняется однообразная умственная работа, требующая значительного нервного напряжения и большого сосредоточения, окраска должна быть спокойных тонов - малонасыщенные оттенки холодного зеленого или голубого цветов. При разработке оптимальных условий труда инженера- разработчика так же необходимо учитывать освещенность и микроклимат.

Сидячая продолжительная работа вредна человеку в принципе: вы сутулитесь или подаетесь вперед, и ваш позвоночник деформируется, травмируя диски; вы поднимаете плечи и сгибаете руки, держа их в напряжении - и естественно они начинают болеть. Пережимая сосуды, вы перегружаете сердце; ну а о хронических растяжениях сухожилий кистей рук и постоянно ухудшающемся зрении можно не говорить. Поза, а, следовательно, и здоровье, зависят, в конечном итоге, от размеров и дизайна рабочего места.

Рабочее пространство.

Научная организация рабочего пространства базируется на данных о средней зоне охвата рук человека - 35-40 см. Ближней зоне соответствует область, охватываемая рукой с прижатым к туловищу локтем, дальней зоне - область вытянутой руки. Как видно из рис. 29, угловой стол идеально соответствует обеим зонам охвата.

Работа за прямоугольным столом.

Модели угловых столов сильно отличаются от обычных прямоугольных конструкций. Чтобы объяснить, зачем нужен такой дизайн, посмотрим на человека за обычным офисным столом. Мы видим следующие существенные ограничения и неудобства: большое расстояние до монитора и рабочих материалов; ограниченное доступное свободное пространство; приходится смотреть вправо, чтобы видеть монитор.

Работа за Г-образным столом.

Теперь предположим, что в попытке создать удобную рабочую обстановку, вы соорудили Г-образный стол. Вы получили более удобный доступ к материалам, но вынуждены работать вполоборота к передней грани стола; большое количество места пропадает зря - вы попросту не дотягиваетесь до него; модная выдвижная доска для клавиатуры не перенастраивается; ноги стоят неудобно. Как видите, недостатки весьма существенные и не просто отнимают здоровье, на которое, по большому счету, любому россиянину наплевать, а явно мешают работать, создают дискомфорт и приводят к быстрой усталости.