-
Приёмо-передающие модули бортовых систем РЛС
АО «НПП «Радий» имеет значительный опыт в разработке и производстве электронной компонентной базы и радиотехнических электронных устройств и систем на их основе. В настоящее время предприятие разрабатывает и производит СВЧ-блоки и модули различного назначения, СВЧ-многоканальные приемники бортовых систем радиолокационных станций.
Многофункциональные блоки СВЧ диапазона используются в качестве СВЧ приемников и аналого-цифровых преобразователей сигналов.
Линейка СВЧ изделий представлена следующими блоками:
БЛОК ПРИЕМНЫЙ ТРЕХКАНАЛЬНЫЙ с двойным преобразованием частоты — предназначен для использования в качестве СВЧ приемника бортовых РЛС.
БЛОК ТРЕХКАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ — предназначен для аналого-цифрового преобразования сигналов приемного блока для связи с бортовым программируемым процессором.
МОДУЛЬ СВЧ УСИЛИТЕЛЬ МАЛОШУМЯЩИЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ -предназначен для использования в качестве входного каскада приемника РЛС.
-
Вакуумная микроэлектроника на базе автоэмиссионных катодов
Одним из перспективных направлений развития элементной базы для устройств нового поколения является вакуумная микроэлектроника (ВМЭ) – технология создания электронных компонентов, характеризующихся микрометровыми геометрическими размерами, в которых движение электронов происходит в условиях технического вакуума, в отличие от твердотельной электроники, где электроны локализованы внутри кристаллической решетки.
Приборы ВМЭ будут обладать сверхвысоким быстродействием, высокой устойчивостью к радиации, слабой чувствительностью к температуре и большим коэффициентом полезного действия (КПД). Эти характеристики необходимы для приборов, функционирующих в условиях высокой радиации и температуры. Особо перспективным представляется использование этих приборов для создания нового поколения телефонных систем сотовой и спутниковой связи, радиолокационных станций и сверхбыстрых компьютеров. Развитие отрасли вакуумной микроэлектроники может стать важным этапом в технологическом развитии страны и дать России одну из точек промышленного, научного и военного превосходства.
Можно выделить три ключевых этапа развития ВМЭ:
1) Разработка и создание автоэмиссионных «холодных» катодов (ХК), функционирование которых основано на «вырывание» электронов из металла (или полупроводника) и инжекция их в вакуум в достаточном количестве и с малым разбросом по энергиям для последующего использования в конструируемом приборе.
2) Разработка и создание структуры базовых устройств (БУ) ВМЭ нужных размеров и допусков, включая нанесение тонких слоев материалов и диэлектриков с такими физическими свойствами, какие пригодны для приборов.
3) Разработка и создание линейки приборов на основе БУ ВМЭ.
Весомым преимуществом развития направления ВМЭ как основы нового поколения приборов электронной техники является созданный в нашей стране научно-технический задел. Это, в первую очередь накопленный за предыдущие годы научно-технический потенциал в области разработки ламповых устройств на термонакальных катодах, предоставляющий богатейшую базу для модернизации этих устройств на основе применения высокоэффективных автоэлектронных эмиттеров нового типа.
На протяжении ряда лет АО «НПП «Радий» проводит инициативные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на разработку технологий и создание опытных образцов ХК и БУ ВМЭ. Предприятие выполнила большой объем исследований по первому этапу и успешно завершила его, а также сделала серьезный задел по второму этапу.
Работы 1 этапа
Сегодня АО «НПП «Радий» обладает ключевой технологией создания основного элемента БУ ВМЭ – автоэмиссионных ХК, характеристики которых многократно превышают все мировые аналоги. Предприятие за счет собственных средств разработало и создало уникальную установку «РУНА», на которой отработана технология по созданию долгоживущих автоэмиссионных «холодных» катодов (ХК) с предварительным «посевом» подложек на установке «ARDIS-100». Внешний вид этих установок приведен на рис.1.
Рис. 1. Внешний вид установок «РУНА» и «ARDIS 100»
Катоды формируются методом плазменного газофазного осаждения (CVD) нанокристаллического графита (НКГ) на подложках диаметром до 100 мм. В качестве подложек используются такие материалы, как кремний, молибден, титан и стеклоуглерод. Процесс формирования ХК в плазме установки «РУНА» продемонстрирован на рис. 2.
Рис. 2. Процесс осаждения эмиссионной пленки на кремниевую пластину
Установка позволяет получать ХК больших размеров с однородным распределением эмиссионных центров по всей поверхности, а также катоды с селективными эмиссионными центрами произвольной формы и размеров. Синтезированный материал обладает высокой адгезией, химической стойкостью и механической прочностью, что позволяет работать с ним в обычных условиях традиционной вакуумной электроники. На рис. 3 представлена структура эмиссионной пленки в электронном микроскопе, а на рис.4 приведены фотографии полученных подложек с эмиссионной пленкой.
Рис. 3. Структура эмиссионной пленки в электронном микроскопе
Рис. 4. Подложки из кремния и молибдена с эмиссионной пленкой различных размеров и форм, справа подложка диаметром 60 мм
Для испытаний катодов и изделий на их основе на предприятии были разработаны и смонтированы различные диагностические стенды. Ниже на рис. 5 представлен один из них – стенд ЭН-101.
Рис. 5. Стенд ЭН-101
Холодные катоды, разработанные в АО «НПП «Радий» обладают высокими удельными характеристиками и большим рабочим ресурсом – плотности тока выше 10 А/см2, ресурс выше 700 часов при постоянном токе 1 А/см2. На сегодняшний день в мировой литературе подобные характеристики холодных катодов продемонстрированы не были. Уникальность характеристик ХК на базе НКГ подтверждена многочисленными испытаниями, проведенными на предприятии, а также ведущими американскими лабораториями. Это как раз то самое конкурентное преимущество, которое и позволит России открыть новую эру миниатюрных вакуумных электронных приборов и вакуумных интегральных схем с автоэлектронной эмиссией.
Работы 2 этапа
В ходе реализации второго этапа были разработаны миниатюрные управляемые источники электронов (УИЭ) для малоразмерных вакуумных приборов и тонкопленочные структуры на кремнии — катодно-сеточные (КСУ) и анодно-сеточные узлы (АСУ), необходимые для создания БУ ВМЭ -вакуумных микротриодов (ВМТ). Основной задачей этапа являлась разработка и создание опытных образцов ВМТ. Однако, вакуумные микротриоды даже самого простого вида обладает сложной геометрией, и для описания процессов, протекающих в них, требуется учет многих физических явлений. Так как построение полной модели микротриода является очень трудной задачей, необходимо было вначале получить опыт создания сборных конструкций УИЭ. В качестве такого изделия на предприятии была разработана и создана миниатюрная электронная пушка в виде УИЭ, конструкция которого представлена на рис. 6.
Рис.6. Конструкция миниатюрного УИЭ
Молибденовый катод, выполненный в виде «грибка» покрывался автоэмиссионной пленкой на установке «РУНА». На рис.7 показана фотография таких катодов.
Рис.7. Пример катодов для миниатюрного УИЭ
Диаметр молибденового катода 2.5 мм, высота 3 мм. Все полученные катоды проходили тест на эмиссию. Пример структуры эмиссионной пленки и ее эмиссионного изображения на люминофоре одного из катодов представлены ниже на рис.8.
Рис.8. Структура эмиссионной пленки и ее эмиссионное изображение на люминофоре
Одним из основных и ответственных узлов УИЭ являются сетка, которая и обеспечивает полевую эмиссию — «вырывание» электронов из ХК. К сожалению, качество серийно выпускаемых металлических сеток не позволяют осуществлять миниатюризацию катодно-сеточных узлов на основе автоэмиссионных катодов. Поэтому было принято решение разработать и изготовить кремниевые сеточные узлы методом литографии. При разработке кремниевых сеточных узлов было проведено математическое моделирование распределения тепловых нагрузок на струны сеток при различной их конфигурации и разной рассеиваемой мощности УИЭ. Ниже, на рис. 9 представлены результаты расчетов, указывающие на возможность создания кремниевых сеточных узлов с нужными параметрами.
Рис.9. Расчет температуры струн кремниевой сетки
Основываясь на результатах моделирования, была разработана технология производства кремниевых сеток, изготовлены и испытаны сеточные узлы различной конфигурации. В качестве сеточного узла для создаваемого УИЭ использовалась кремниевая сетка с прямоугольными ячейками и разгрузочными балками (рис. 10).
Рис.10. Кремниевый сеточный узел с прямоугольными ячейками для УИЭ
Ниже на рис. 11 и 12 представлены кремниевые сеточные узлы типа «пчелиные соты» и узлы с динамическим коэффициентом теплового расширения типа «спираль».
Рис.11. Кремниевый сеточный узел типа «пчелиные соты»
Рис.12. Кремниевый сеточный узел типа «спираль»
На рис.13 показан внешний вид опытного образца УИЭ и его вольтамперная характеристика.
Рис.13. Внешний вид изготовленного УИЭ и его вольтамперная характеристика
В дальнейшем результаты исследований, полученные при разработке сборных конструкций УИЭ, позволили нам приступить к основной задаче проекта – созданию ВМТ, как БУ ВМЭ. Технология изготовления опытных образцов ВМТ сводилась к отработке процессов изготовления монолитных КСУ и АСУ методами кремниевой субмикронной микромеханики. Макеты ВМТ разрабатывались как вакуумно-твердотельные КСУ и АСУ на основе монокристаллических кремниевых пластин. Схема одной ячейки макета ВМТ и фотография отдельной ячейки КСУ представлена на рис.14.
Рис. 14. Схема одной ячейки макета ВМТ (слева) и фотография отдельной ячейки КСУ, выполненной в пластине кремния методом субмикронной микромеханики. 1- холодный катод; 2 –вытягивающий электрод; 3 – изолятор; 4 — кремниевая подложка; 5 – анод-коллектор
Ячейки могут управляться индивидуально при помощи соответствующих металлических электродов или объединяться в группы — массивы. Все операции первоначально проверялись на пробных пластинах – «спутниках», с учетом качественной оценки процесса литографии и математического моделирования траектории электронов для различных геометрических и электрических параметров КСУ. Рис.15 иллюстрирует результаты расчета распределения электрического поля в ячейке КСУ, определяющего траектории «вырванных» из ХК электронов.
Рис.15. Распределение вытягивающего поля в КСУ и траектории электронов
В процессе получения массивов КСУ или АСУ на основе монокристаллических кремниевых пластин проводились исследования по проверке пригодности и оптимизации материалов, выбранных при их производстве, а также эксперименты по осаждению автоэмиссионной пленки на такие структуры. Ниже на рис.16 представлена фотография полученного образца с массивом ячеек КСУ на кремниевой пластине и пример осажденной эмиссионной пленки на такой образец.
Рис.16. Фотографии массивов ячеек КСУ на кремниевой пластине. Слева чистый, справа — с осажденной эмиссионной пленкой
В ходе экспериментов оптимизировалась технология осаждения автоэмиссионной пленки. В результате удалось добиться приемлемого качества изготовления массива ячеек КСУ и АСУ, с селективно осажденной эмиссионной пленкой.
Для демонстрации возможности реализации базового устройства ВМЭ, было реализовано макетирование прототипа ВМТ. Характерный вид вольтамерной характеристики (ВАХ) макета прототипа ВМТ представлен на рис. 17.
Рис. 17. ВАХ макета прототипа ВМТ
Важно, что диапазон управления таким устройством находится ниже 100 вольт, что является привлекательным для создания микроэлектронных устройств.
По результаты данных исследований АО «НПП «Радий» оформил 10 патентов( см. раздел Патенты)
Список патентов АО «НПП «Радий» по направлению БИ ВМЭ:
1) Диодная сборка для СВЧ защитных устройств- Патент RU на изобретение (2014) № 2535915
2) Ограничительный элемент для СВЧ защитных устройств- Патент RU на полезную модель (2014) № 138411
3) Диодная сборка для СВЧ защитных устройств- Патент RU на изобретение (2014) № 2535915
4) Электродный Узел Электронных Приборов- Патент RU на изобретение (2015) №2551350
5) Управляемый эмитирующий узел электронных приборов с автоэлектронной эмиссией и рентгеновская трубка с таким эмитирующим узлом- Патент RU на изобретение (2016) №2581835
6) Источник электронов с автоэлектронным эмиттером и рентгеновская трубка с таким источником электронов- Патент RU на изобретение (2016) №2581833
7) Источник электронов с автоэлектронными эмиттерами- Патент RU на изобретение (2016) №2586628
8) Способ изготовления катодно-сеточного узла электронного прибора с автоэлектронной эмиссией- Патент RU на изобретение (2018) №2653531
9) Способ модификации эмиссионной поверхности электродов для приборов с автоэлектронной эмиссией- Патент RU на изобретение (2018) №2652980
10) Способ изготовления катодно-сеточного узла электронного прибора с холодной эмиссией- Патент RU на изобретение (2018) №2652981
-
Электронно-оптические системы на базе автоэмиссионных катодов
Проводится анализ текущего состояния данной сферы и разработка новых технологий.
-
Аэрогели на основе графена и углеродных нанотрубок
Созданный на предприятии аэрогель на основе композита из графена и углеродных нанотрубок (Патент РФ №2662484 Способ получения электропроводящего гидрофильного аэрогеля на основе композита из графена и углеродных нанотрубок) может рассматриваться как матрица для хранения водорода. На фото внешний вид и структура аэрогеля.
Способ получения аэрогеля на основе композита из графена и углеродных нанотрубок относится к химической, электротехнической промышленности, охране окружающей среды и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении упругих и гибких проводников, электропроводящих полимерных композиционных материалов, сорбентов, вибродемпфирующих материалов, аккумуляторов и сверхъемких конденсаторов. На первой стадии получают коллоидный оксид графена, для чего сначала получают порошок промежуточного продукта 1 путем кислотной обработки графитовых хлопьев, фильтрации, промывки, сушки и высокотемпературной обработки осадка в течение не более 10 минут СВЧ-излучением в микроволновой печи с объемной плотностью излучения не более 0,1 Вт/см3. Затем получают порошок промежуточного продукта 2 обработкой промежуточного продукта 1 серной кислотой, персульфатом калия и фосфорным ангидридом, охлаждением, фильтрацией, промывкой и сушкой осадка. Полученный промежуточный продукт 2 обрабатывают концентрированной серной кислотой при пониженной температуре. В полученную суспензию добавляют перманганат калия, повышают температуру до комнатной, вводят перекись водорода. Полученный коллоидный раствор промывают, фильтруют или центрифугируют. На второй стадии получают гибридный гидрогель на основе композита из графена и углеродных нанотрубок смешиванием коллоидных растворов оксида графена и углеродных нанотрубок в объемной пропорции не менее чем 12:1, добавлением органического восстановителя — D-глюкозы и термической обработки полученной финальной смеси. На третьей стадии осуществляют лиофильную сушку гибридного гидрогеля с получением аэрогеля на основе композита из графена и углеродных нанотрубок. Полученный аэрогель дополнительно обрабатывают СВЧ-излучением в микроволновой печи. После третьей стадии дополнительно проводят стадию гидрофилизации полученного аэрогеля, обрабатывая его кипящим смешанным разбавленным раствором, содержащим 3-9 % азотной кислоты и 0,5-1,5 % перекиси водорода, при соотношении Т:Ж от 1: 70 до 1:50 в течение 10-20 мин. Полученный аэрогель наряду с электропроводностью обладает гидрофильностью, имеет узкое распределение размеров пор и получен безопасным способом.