izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-5-41-47izmertech-2158Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSСистема автоматического регулирования температуры подложки в установке для получения пленочного материала методом спрей-пиролизаThe system of automatic control of the substrate temperature in the installation for the production of film material spray pyrolysis methodhttps://orcid.org/0000-0001-5657-9128ПечерскаяЕ. А.PecherskayaE. A.

Екатерина Анатольевна Печерская 

Пенза

Ekaterina A. Pecherskaya

Penza

pea1@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5046-5397СеменовА. Д.SemenovA. D.

Анатолий Дмитриевич Семенов

Пенза

Anatoly D. Semenov

Penza

ad-semenov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9342-9345ЗинченкоТ. О.ZinchenkoT. O.

Тимур Олегович Зинченко

Пенза

Timur O. Zinchenko

Penza

scar0243@gmail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5152-0669ДаниловА. А.DanilovA. A.

Александр Александрович Данилов 

Пенза

Alexander A. Danilov

Penza

aa-dan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7352-3932ТузоваД. Е.TuzovaD. E.

Диана Евгеньевна Тузова

Пенза

Diana E. Tuzova

Penza

diana.tuzova.02@bk.ruПензенский государственный университетРоссияPenza State UniversityRussian FederationГосударственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Пензенской областиРоссияThe State Regional Center for Standardization, Metrology and Testing in the Penza regionRussian Federation202410062024054147Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2158

Рассмотрена проблема обеспечения оптимального температурного режима технологического процесса получения прозрачных проводящих покрытий методом спрей-пиролиза. Для её решения предложена система автоматического регулирования температуры подложки, которая в отличие от ранее применяемых средств задания температуры в «ручном» режиме обеспечивает требуемую точность поддержания температуры подложки и её минимальный градиент по поверхности подложки, т. е. позволяет достичь идеального температурного режима испарения капель аэрозоля в процессе пиролиза. Функционально разработанная система автоматического регулирования состоит из автоматического регулятора температуры, регулятора мощности, инфракрасного нагревателя на галогенных лампах, датчика температуры. Решена вариационная задача минимизации расхода электроэнергии при включении инфракрасного нагревателя. Предложено для исключения выбросов тока оптимизировать режим включения нагревателя. Выполнен синтез и анализ предложенной системы автоматического регулирования, рассчитаны её временны́ е и частотные показатели. Подтверждены приемлемое быстродействие, нулевая статическая ошибка регулирования и нулевое перерегулирование, существенный запас устойчивости по фазе и амплитуде. Применение такой системы автоматического регулирования температуры способствует созданию оптимального режима испарения капель аэрозоля, позволяет стабилизировать температуру подложки и градиент температуры, обеспечивая тем самым стабильность характеристик получаемых плёнок. Исследуемые прозрачные проводящие покрытия входят в состав стёкол с регулируемой прозрачностью, а также используются в качестве слоёв солнечных элементов.

A system of automatic control of the substrate temperature is proposed, which ensures the required accuracy of temperature maintenance and its minimum gradient over the surface when obtaining transparent conductive coatings by spray pyrolysis. During pyrolysis, aerosol droplets are transferred to a heated substrate; at the right temperature, they decompose, and then synthesize or melt on a hot substrate. The ideal temperature regime for evaporation of aerosol droplets will be the mode when a drop appears at the substrate immediately after evaporation of the solvent from it. Precise control of the substrate temperature and temperature gradient ensures this mode. The functional scheme of the proposed automatic control system consists of an automatic temperature controller, a power regulator, an infrared heater on halogen lamps, and a temperature sensor. The variational problem of minimizing power consumption when the infrared heater is turned on has been solved. This activation eliminates current emissions and thereby increases the service life of the heater. It is proposed to connect the heater to a current source in order to eliminate current emissions, thereby ensuring the optimal switching mode. The synthesis and analysis of the specified automatic control system has been performed, its time and frequency parameters have been calculated. Acceptable performance, zero static control error and zero overshoot, a significant margin of stability in phase and amplitude have been confirmed. The use of such an automatic temperature control system contributes to the creation of an optimal mode of evaporation of aerosol droplets, allows you to stabilize the substrate temperature and temperature gradient, thereby ensuring the stability of the characteristics of the resulting films. The investigated transparent conductive coatings are part of glasses with adjustable transparency, and are also used as layers of solar cells.

установка для получения пленочного материаласпрей-пиролизгалогенный инфракрасный нагревательсистема автоматического регулирования температурыпоказатели качествапрозрачное проводящее покрытиеinstallation for the production of fi m materialspray pyrolysishalogen infrared heaterautomatic temperature control systemquality indicatorstransparent conductive coatingРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 23-29-00343)The work was supported by the Russian Science Foundation (grant RSF 23-29-00343).ReferencesAinabayev A., Walls B., Mullarkey D. et al. High-performance p-type V2O3 films by spray pyrolysis for transparent conducting oxide applications. Scientific Reports, 1928 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-52024-4Ainabayev A., Walls B., Mullarkey D. et al. High-performance p-type V2O3 films by spray pyrolysis for transparent conducting oxide applications. Scientific Reports, 1928 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-52024-4Malik O., Hidalga-Wade F., Amador R. Spray pyrolysis processing for optoelectronic applications. In: Pyrolysis, ed. Mohamed Samer (2017). https://doi.org/10.5772/67431Malik O., Hidalga-Wade F., Amador R. Spray pyrolysis processing for optoelectronic applications. In: Pyrolysis, ed. Mohamed Samer (2017). https://doi.org/10.5772/67431Puspharajah P., Radhakrishna S., Arof A. K. Transparent conducting lithium-doped nickel oxide thin films by spray pyrolysis technique. Journal of Materials Science, (32), 3001–3006 (1997). https://doi.org/10.1023/A:1018657424566Puspharajah P., Radhakrishna S., Arof, A. K. Transparent conducting lithium-doped nickel oxide thin films by spray pyrolysis technique. Journal of Materials Science, (32), 3001–3006 (1997). https://doi.org/10.1023/A:1018657424566Zinchenko T., Pecherskaya E., Artamonov D. The properties study of transparent conductive oxides (TCO) of tin dioxide (ATO) doped by antimony obtained by spray pyrolysis. AIMS Materials Science, 6(2), 276–287 (2019). https://doi.org/10.3934/matersci.2019.2.276Zinchenko T., Pecherskaya E., Artamonov D. The properties study of transparent conductive oxides (TCO) of tin dioxide (ATO) doped by antimony obtained by spray pyrolysis. AIMS Materials Science, 6(2), 276–287 (2019). https://doi.org/10.3934/matersci.2019.2.276Kim J., Murdoch B. J., Partridge J. G. et al. Ultrasonic spray pyrolysis of antimony-doped tin oxide transparent conductive coatings. Advanced Materials Interfaces, 7(18), 2000655 (2020). https://doi.org/10.1002/admi.202000655Kim J., Murdoch B. J., Partridge J. G. et al. Ultrasonic spray pyrolysis of antimony-doped tin oxide transparent conductive coatings. Advanced Materials Interfaces, 7(18), 2000655 (2020). https://doi.org/10.1002/admi.202000655Perednis D., Gauckler L. J. Thin film deposition using spray pyrolysis. Journal of Electroceramics, 14, 103–111 (2005). https://link.springer.com/article/10.1007/s10832-005-0870-xPerednis D., Gauckler L. J. Thin film deposition using spray pyrolysis. Journal of Electroceramics, 14, 103–111 (2005). https://link.springer.com/article/10.1007/s10832-005-0870-xBinder S., Martynczuk J., Prestat M., Gauckler L. J. Crack-free yttria stabilized zirconia thin films by aerosol assisted chemical vapor deposition: Influence of water and carrier gas. Thin Solid Films, 522(1), 58−65 (2012). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.09.042Binder S., Martynczuk J., Prestat M., Gauckler L. J. Crack-free yttria stabilized zirconia thin films by aerosol assisted chemical vapor deposition: Influence of water and carrier gas. Thin Solid Films, 522(1), 58−65 (2012). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.09.042Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Antipenko V. V. et al. Methodology for the selection of technological modes for the synthesis of transparent conducting oxides with desired properties. Materials Science Forum, 1049, 198–203 (2022). http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1049.198Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Antipenko V. V. et al. Methodology for the selection of technological modes for the synthesis of transparent conducting oxides with desired properties. Materials Science Forum, 1049, 198–203 (2022). http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1049.198Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Golubkov P. E. et al. Investigation of the properties of transparent conductive oxides produced by aerosol pyrolysis. Journal of Surface Investigation, 16(6), 1315–1321 (2022). https://doi.org/10.1134/S102745102206060XZinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Golubkov P. E. et al. Investigation of the properties of transparent conductive oxides produced by aerosol pyrolysis. Journal of Surface Investigation, 16(6), 1315–1321 (2022). https://doi.org/10.1134/S102745102206060XВолович Г. И. Мощные источники регулируемого тока на операционных усилителях. Современная электроника, (5), 36–39. (2010).Volovich G. I. Powerful sources of regulated current on operational amplifiers. Sovremennaya elektronika, (5), 36–39. (2010). (in Russ.)Gopi Pasala, Varma Pinni, Challapalli Kalyan et al. Dynamic behavior and stability analysis of automatic voltage regulator with parameter uncertainty. International Transactions on Electrical Energy Systems, 1–13 (2023). https://doi.org/10.1155/2023/6662355Gopi Pasala, Varma Pinni, Challapalli Kalyan et al. Dynamic behavior and stability analysis of automatic voltage regulator with parameter uncertainty. International Transactions on Electrical Energy Systems, 1–13 (2023). https://doi.org/10.1155/2023/6662355Зинченко Т. О., Печерская Е. А., Новичков М. Д. и др. Синтез тонкопленочных структур оксида вольфрама методом спрей-пиролиза. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, 16(3.1), 402–407 (2023). https://doi.org/10.18721/JPM.163.173Zinchenko T. O., Pecherskaya E. A., Novichkov M. D. et al. Synthesis of thin-film structures of tungsten oxide by the spray-pyrolysis method. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics, 16(3.1), 402–407 (2023). (In Russ.) https://doi.org/10.18721/JPM.163.173

The authors declare that there are no conflicts of interest present.