У статті розроблено та досліджено імітаційну модель (на базі математичного процесора MatLab Simulink) інформаційно-вимірювальної системи електричних характеристик (залишкового поверхневого електричного заряду, ємності поверхневого шару тощо) функціональних покриттів електронних пристроїв. Основною метою цієї імітаційної моделі було визначення раціональних параметрів вимірювання розробленої авторами інформаційно-вимірювальної системи та керування нею, які б спростили процес налагодження такої системи, а також дослідження динамічних режимів її роботи. Основною перевагою розробленої імітаційної моделі є можливість проведення інтерактивного дослідження роботи інформаційно-вимірювальної системи в різних, зокрема граничних, режимах. Випробування імітаційної моделі інформаційно-вимірювальної системи дозволили дослідити її роботу за різних умов і режимів вимірювального експерименту, а також віртуально визначити раціональні параметри роботи такої вимірювально-керуючої системи. Встановлено задовільну розбіжність експериментальних результатів 8-11,5 % порівняно з даними, отриманими аналітичним шляхом, що підтверджує правильність і адекватність складеної моделі.
The article presents the results of an experimental study of the influence of temperature, relative humidity of the surrounding environment, as well as the coefficient of electromechanical action on the process of determining ultra-low power electric fields. The analysis of the obtained results made it possible to establish the most rational conditions for determining the force (electrical tension) and energy (distribution of surface charge and electric capacity) parameters of such fields with higher accuracy and reliability. The paper proposes an experimental experiment to establish the accuracy and reliability of power and energy parameters for determining electric fields under conditions of changes in climatic factors and the electromechanical coefficient, the implementation of which took place on a measuring stand developed with the participation of the authors. The main element of such a measuring stand is an automatic device for determining, collecting and processing information on the distribution of power and energy parameters of the electric field under the sensitive element of the measuring transducer. The results obtained as a result of the experimental research made it possible to establish that the coefficient of electromechanical influence has a decisive influence on the accuracy of measuring electric fields of ultra-low power. It is shown that an increase in the coefficient of electromechanical influence from 38 pN/V (silicon <111>) to 190 pN/V (PZT-8 piezoelectric ceramics) leads to an increase in the relative error of electric field determination by 4.7%. It was established that reducing the temperature to 20 °C while maintaining the relative humidity from 38 % to 74 % leads to a decrease in the relative error by 1.5-2.2 %. At the same time, a decrease in temperature with a simultaneous decrease in relative humidity leads to an increase in the reliability of the determination of electric fields (so, the probability of error-free measurement of power and energy parameters of electric fields increases by 18 %). A comparison of the results obtained by the proposed method with the results obtained by atomic force microscopy method (in the mode of measuring the leakage currents from the working areas of the investigated surfaces) was carried out, which showed a strong positive correlation between these results, which confirms the objectivity of the proposed method and the adequacy of the obtained results. The conclusions and analyzed data obtained in the article based on the results of experimental studies can be used to create a system of automatic error correction and instability determination of power and energy parameters of ultra-low power electric fields, taking into account limiting external influences.
У статті наводяться результати математичного моделювання статичних та квазістатичних електричних полів надмалої потужності, яке проводиться шляхом розв‘язання системи аналітичних рівнянь, що базуються на диференціальних рівняннях Лапласа. Особливістю цієї моделі є те, що в ній враховується динаміка зміни електричного поля та його розмірів у процесі сканування останнього поліелектродним циліндричним давачем, а також вплив зовнішніх кліматичних факторів (температури, відносної вологості) та електромеханічний вплив з боку досліджуваної поверхні. На основі проведеного аналітичного моделювання складено комп‘ютерну модель, в основу якої покладено метод скінченних елементів, а програмне забезпечення моделі створено на об'єктно-орієнтованій мові програмування Python 3.10. Розроблена модель дозволяє з високою точністю (розбіжність між даними математичної та аналітичної моделей не більша 2,15 %, а з експериментально отриманими даними – не перевищує 7,15 %), а також у режимі реального часу будувати графіки розподілу напруженості електричного поля та електричного заряду, а також визначати діапазони параметрів цих полів, дотримання яких не призводить до електричного пробою.
В ході проведених розрахунків та аналізу експериментальних даних встановлена можливість проектування ємнісних перетворювачів з обкладками складної конфігурації (квадратних, прямокутних та круглих) за умови, що одна з обкладок залишається нерухомою, тоді, як інша – рухається в паралельній площині відносно нерухомої. Проведені експериментальні дослідження підтверджують закономірності зміни ємності перетворювача від величини діелектричної проникливості середовища та геометричних параметрів обкладок цього перетворювача. Показано, що: для квадратної форми обкладок, при рівномірному збільшенні площі їх перекриття, ємність перетворювача збільшується за параболічним законом; для прямокутної форми обкладок, при рівномірному збільшенні кута перекриття обкладок, ємність перетворювача збільшується тангенціально; для комбінованої (рухомої прямокутної та нерухомої круглої) форми обкладок, при рівномірному їх русі, ємність перетворювача збільшується за гіперболічним законом. Завдяки високій точності результатів експериментальних досліджень діелектричної проникливості матеріалів, відкриваються можливості подальших досліджень однорідності даних матеріалів та можливості виявлення внутрішніх дефектів, які можуть з’явитися в процесі виготовлення виробів при порушенні технології виробництва.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
customersupport@researchsolutions.com
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.