Сегнетоэлектрический оксид гафния.

Методы измерения расхода.

1. Метод скоростного напора.

2. Метод переменного перепада давления.

3. Метод постоянного перепада давления.

4. Электрические методы.

Измерение расхода по переменному перепаду давления

Для измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах наибоьшее распространение получил метод, основанный на зависимости расхода вещества от перепада давления, вызванного сужающим устройством.

Устройство для сужения потока выполняет функции первичного преобразователя (датчика). Его устанавливают в трубопроводе. Устройство имеет круглое отверстие, диаметр которого меньше внутреннего диаметра трубопровода и поэтому создает местное сужение потока.

При проходе вещества через сужающее устройство скорость потока увеличивается, и увеличивается кинетическая энергия. Соответственно потенциальная энергия потока уменьшается, поэтому статическое давление в суженном сечении меньше, чем до сужающего устройства. То есть при протекании вещества через сужающее устройство создается перепад давления, зависящий от скорости потока и, следовательно, от расхода. Таким образом по перепаду давления на сужающем устройстве, измеряемому дифманометром, можно определить численное значение расхода вещества.

Шкалы промышленных дифманометров-расходомеров или работающих с ними в комплекте вторичных приборов градуируют непосредственно в единицах расхода измеряемого вещества.

В качестве сужающего устройства применяют стандартные диафрагмы (рис.30), сопла и трубки Вентури.

Рис.30. Стандартная диафрагма.

Представляет собой тонкий диск диаметром D из нержавеющей стали с концентрическим отверстием диаметром d. Диафрагму устанавливают таким образом, чтобы ее отверстие было концентрично внутреннему сечению трубопровода. Отбор давления у диафрагмы производится с помощью отдельных отверстий в ее корпусе (нижняя часть рисунка) . Если нужны более точные измерения расхода, диафрагму зажимают между двумя уравнительными камерами, которые устанавливают в трубопроводе (верхняя часть рисунка). Кольцевая камера перед диском называется плюсовой, а за диском минусовой.

Диафрагма применяется наиболее часто.

Рис.31 Стандартное сопло.

Представляет собой короткую воронкообразную насадку, вставляемую концентрично в трубопровод непосредственно (нижняя половина рисунка) или вместе с уравнительной камерой (верхняя половина). Входное отверстие имеет диаметр D, выходное d.

Сопло применяют при малых значениях диаметра выходного отверстия сужающего устройства.

Сопло Вентури состоит из профильной входной, цилиндрической средней и конической выходной частей. Профиль сопла Вентури приближается к свободному изменению формы потока при прохождение через сужающее устройство, поэтому остаточная потеря давления при его использовании значительно меньше. Сопла Вентури могут быть длинными и укороченными.

Измерение расхода методом постоянного перепада давления

Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на измерении зависящего от расхода вертикального перемещения чувствительного элемента, вызывающего изменение сечения выходного отверстия расходомера. Образующийся при этом перепад давления остается практически постоянным и не зависящим от расхода.

Ротаметр (рис.32а)

Представляет собой коническую трубку 1, в которой свободно перемещается поплавок 2. Поток жидкости или газа, расход которого измеряют, входит в трубку снизу. Под его воздействием поплавок перемещается вверх, одновременно вращаясь вокруг своей оси, и центрируется в середине потока. Кольцеобразное пространство между поплавком и стенками трубки играет роль сужающего устройства, и давление над поплавком меньше, чем под ним. Поплавок поднимается до тех пор, пока расширяющаяся щель между поплавком и стенками трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются и перепад давления восстанавливается до его исходной величины. Поплавок останавливается на определенной высоте в зависимости от расхода.

Ротаметр выполняют со стеклянной и металической трубкой. Имеются ротаметры с электрической и пневматической передачей показаний на расстояние. Бесшкальные ротаметры работают в комплекте со вторичными приборами.

Имеют диаметр условного прохода 3-150 мм, расчитаны на рабочее давление 0.6-32 МПа.

Пределы измерения для воды: 0.0025-63 м³/ч, для воздуха 0.04-630 м³/ч.

Класс точности: 1, 1.5, 2.5, 4.

Поплавковый расходомер (рис.32б)

Коническое седло 1 выполняет ту же роль, что и коническая трубка у ротаметра, а чувствительным элементом является поплавок 2.

Поршневой расходомер (рис.32в)

Поршень 1 находится внутри втулки 2. Поступающая через отверстие 5 жидкость поднимает поршень, который открывает выходное отверстие 4. Отверстие 4 имеет прямоугольную форму, которая обеспечивает линейную зависимость между подъемом поршня и расходом вещества. Поршень соединен с сердечником передающего преобразователя 3.

Измерение расхода методом скоростного напора

Объемный расход связан со скоростью соотношением: , S – площадь сечения потока. Измеряют скорость потока и по ней вычисляют расход.

Для измерения скорости потока может применяться напорная трубка (рис.33). Она представляет собой трубку, изогнутую под углом 90º. Один конец трубки представляет собой чувствительный элемент, контактирующий непосредственно с измеряемой средой (направлен навстречу потоку). Имеет центральное отверстия для восприятия полного давления и боковые отверстия для восприятия статического давления. Другой конец связан с дифманометром, по которому определяется динамическое давление (разность между полным и статическим). По этому давлению определяют скорость и соответственно расход вещества.

Электрические методы измерения расхода

Это бесконтактные расходомеры.

Виды электрических расходомеров

1. Электромагнитные.

2. Ионизационные.

3. Ультразвуковые.

4. Частотно-пакетные (с поплавком, подвешенным в магнитном поле – для измерения малых расходов).

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля.

Трубопровод 1 из немагнитного материала (фторопласт, эбонит и др.) помещен между полюсами постоянного магнита 3 перпендикулярно направлению магнитных силовых линий. В стенки трубопровода вмонтированы измерительные электроды 2. Под действием магнитного поля ионы в жидкости перемещаются к измерительным электродам, то есть возникает ЭДС, пропорциональная скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор 4, шкала которого проградуирована в единицах расхода.

Зависимость ЭДС Е от магнитной индукции В и средней скоростью течения жидкости υ_ср имеет вид: , где d – внутренний диаметр трубопровода.

Скорость связана с расходом: .

Таким образом, зависимость расхода от ЭДС: .

Недостаток: трудности усиления ЭДС малого тока.

Достоинства: малоинерционны – подходят для измерения быстроменяющихся расходов; показания не зависят от свойств жидкости (вязкости, плотности и т.п.), характера потока.

Ионизационные расходомеры

Для измерения расхода газа

Принцип действия основан на ионизации потока газа и на измерении величины возникающего при этом тока –непрерывная ионизация.

При периодической ионизации измеряют время, частоту и сдвиг фазы, связанные с проходом порции газа определенного расстояния, и зависящие от расхода.

На рисунке 35 изображен ионизационный расходомер с непрерывной ионизацией.

Токи электродов 2 и 3 включены навстречу друг другу. При отсутствии потока газа в трубе в электронном блоке 4 устанавливают баланс. При появлении потока газов число ионов на электроде 3 увеличивается, на электроде 2 уменьшается. Разность токов увеличивается, это фиксирует измерительный прибор 5. Разность токов является мерой скорости потока газа, а следовательно расхода.

Ультразвуковой расходомер

Принцип действия основан на следующем явлении: неподвижной среде сообщают упругие колебания от ультразвукового источника. Они распространяются со скоростью звуковой волны с. Если контролируемая среда движется со скоростью υ, то при совпадении направлений общая скорость будет с+υ, при противоположных направлениях с-υ.Зная расстояние L между источником и приемником колебаний, измеряют время прохождения сигнала сначала в одном направлении t₁, а потом в обратном t₂: ;

По времени определяют скорость, а по ней расход: , .

Расходомер состоит из источника и приемника ультразвуковых колебаний, выполненных на базе пьезоэлемента. Их устанавливают внутри или снаружи трубопровода. Материал трубопровода может быть любым

Сегнетоэлектрический оксид гафния.

Будучи среди первых новых концепций энергонезависимой памяти (Non-Volatile Memory), сегнетоэлектрические устройства оперативной памяти (FRAM) успешно утвердилась на рынке. По сравнению с другими концепциями (например, MRAM, RRAM, PCRAM), управляемых током, низкое потребление мощности управляемых полем (основаны на эффекте поля) операций памяти в FRAM, делает потенциал таких устройств бесспорным. Тем не менее, современное состояние FRAM, основанных на сложных системах перовскита, по-прежнему страдает от недостаточной масштабируемости и различных ограничений, так как сегнетоэлектрики на основе перовскита нуждаются в специальных интегральных схемах в отношении травления, термальной устойчивости и чувствительности к водороду. Кроме того физическая высота затворного стека, сделанного из high-k диэлектрика с низкими коэрцитивными силами, превышает несколько сотен нанометров и не соответствует нынешнему плану масштабируемости (2х нм длины затвора) (рис. 1). Использование сегнетоэлектрической фазы в диоксиде гафния (FE-HfO₂) (диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости) хорошо зарекомендовало себя в устройствах логики и памяти. Уже были получены данные, что разрыв масштабируемости, сложившийся с момента введения сегнетоэлектрических полевых транзисторов и составляющий два порядка, был достигнут 28 нм технологических норм (рис. 2).

Диоксид гафния является диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью (~20) и обладает стабильностью при высоких температурах. Кристаллические фазы и скрытые модификации диоксида гафния (HfO₂) и диоксида циркония (ZrO₂) хорошо изучены, а возможность управления фазовым переходом с помощью добавления подходящих примесей было решающим фактором использования этих оксидов переходных металлов в микроэлектронике. Как следствие, электрические свойства легированных HfO₂ тонких пленок активно исследовались. На границе моноклинной и тетрагональной фаз Si:HfO₂ была обнаружена промежуточная сегнетоэлектрическая фаза. После этого, сегнетоэлектричество в HfO₂ было установлено для некоторых легирующих добавок, которые, как известно, провоцируют такого рода переходы; например, меньше 10 мол.% Y, Al, Gd, Sr и La, а также и для тонких пленок твердого раствора HfO₂-ZrO₂ (рис. 3).

Основываясь на макроскопических и мезоскопических электрических и электромеханических наблюдениях, так же как и на структурных данных и фундаментальных соображениях, предполагается, что сегнетоэлектричество в HfO₂ собственного происхождения. В отличие от искусственного сегнетоэлектрического поведения, вызванного паразитными эффектами (например, захват заряда), P-E-гистерезис FE-HfO₂ частотнозависим и выражается в характерном, нелинейном малосигнальном C-E-отклике (рис. 4, а). Пьезоэлектрическая активность, другое неотъемлемое свойство всех сегнетоэлектриков, проявляется как в макроскопическом (рис. 4, а), так и в мезоскопическом масштабе (рис. 4, b). Плотное распределение сегнетоэлектрической активности по поверхности пленки FE-HfO₂ , как далее показал PFM (Piezoresponse Force Microscopy), является необходимым условием для реализации высокомасштабируемых сегнетоэлектрических устройств. В дополнение к электрическим данным, подробные структурные исследования моноклинно-тетрагонального фазового перехода выявляет существование промежуточной орторомбической фазы, лучше всего соответствующей нецентросимметричной дифракционной картине и, таким образом, потенциально сегнетоэлектрической пространственной группе Pbc2₁ (рис. 5). Эти наблюдения подтверждаются соображениями свободной энергии фазовой стабильности в HfO₂-ZrO₂ (рис. 6). В соответствии с экспериментальными данными появление полярной Pbc2₁ фазы в твердом растворе HfZrO₄ энергетически благоприятно.

Такие новые сегнетоэлектрические диэлектрики достаточно интересны как альтернатива традиционным перовскитным материалам, которые использовались в прошлом в FRAM. Такие диэлектрики недавно были включены в различные типы устройств памяти, в том числе в сегнетоэлектрические MIM конденсаторы и сегнетоэлектрическую память с плавающим затвором, а сегнетоэлектрические полевые транзисторы показывают, что могут использоваться более тонкие слои диэлектрика, чем это было возможно ранее. Кроме того для PFET (p-канальный полевой транзистор) недавно было установлено наличие ультра крутого наклон подпороговой вольтамперной характеристики (<60 мВ/дек.) при использовании таких диэлектриков. Включения таких примесей, как Si, Al или Y приводит к появлению нецентросимметричной сегнетоэлектрической фазы. Остаточная поляризация и коэрцивная сила подзатворного диэлектрика являются достаточными для появления значительного сдвига порогового напряжения. Физическая толщина пленки такого сегнетоэлектрического затворного стека находится в пределах толщин, используемых в современных технологических нормах ( ≤ 10 нм). Это делает сегнетоэлектрический полевой транзистор неплохим кандидатом будущей технологии памяти.