ТРИЗ в электронике - Уразаев В.

Автор: Уразаев В.

Теги: электроника

ISBN: 5-94836-091-1

Год: 2006

Похожие

Электроника.

Электроника?.. Нет ничего проще!

Электроника

Текст

эл ект
В. УРАЗАЕВ
ТРИЗ
в электронике
ТЕХНОСФЕРА

В. УРАЗАЕВ
ТРИЗ
в электронике
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2006
В. Г. Уразаев
ТРИЗ в электронике
Москва:
Техносфера, 2006. - 320с. ISBN 5-94836-091-1
Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) была разработана
в СССР в середине прошлого века. Сейчас эта "наука изобретать" эф-
фективно используется в различных областях техники, в том числе и
в электронике. В книге "ТРИЗ в электронике" приведены базовые
сведения об основных элементах ТРИЗ.
Как спрогнозировать развитие техники в вашей области, как разра-
ботать принципиально новую технологию, как установить причины
брака в производственном процессе? Ответить на эти вопросы вам
поможет эта книга.
Отдельные главы посвящены использованию элементов ТРИЗ в ма-
кроэлектронике, микроэлектронике, метрологии, химии и т.д.
Максимальный интерес книга представляет для читателей, имеющих
отношение к области электроники в широком понимании этого слова
и/или склонных к творческому мышлению.
© 2006, В. Г. Уразаев
© 2006, ЗАО "РИЦ "Техносфера",
оригинал-макет, оформление.
В оформлении обложки использована
блок-схема АРИЗ с официального
сайта Фонда Г.С. Альтшуллера:
http://www.altshuller.ru/triz/ariz71 .asp
Сайт книги: http://www.natahaus.ru
ISBN 5-94836-091-1
Содержание
Глава 1. ЧТО ТАКОЕ ТРИЗ.........................................9
1.1. Требуется ТРИЗ-специалист...............................9
1.2. Родом из детства...................................... 10
1.3. Противоречивая логика................................. 11
1.4. Листая страницы....................................... 13
1.4.1. Сделать наоборот................................ 14
1.4.2. Использовать дробление.......................... 15
1.4.3. Принцип перехода в другое измерение............. 16
1.4.4. Использовать вред в пользу...................... 17
1.4.5. Использовать фазовый переход.................... 18
1.4.6. Универсальность объекта......................... 18
1.4.7. Дешевая недолговечность......................... 20
1.4.8. Сделать заранее................................. 22
1.4.9. Должна быть большой и должна быть маленькой..... 22
1.5. Психологическая инерция: за и против..................23
Литература................................................. 25
Глава 2. МАКРОЭЛЕКТРОНИКА......................................27
2.1. С пафосом о ПАФОСЕ....................................27
2.2. Наш ответ Чемберлену..................................28
2.2.1. Цепочка противоречий............................ 28
2.2.2. Сверхэффект..................................... 31
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть......... 33
2.3.1. На стыке интересов.............................. 33
2.3.2. Адгезия......................................... 34
2.3.3. Когезия......................................... 35
2.3.4. И вновь полимеризационное наполнение............ 37
2.4. Мойдодыр..............................................40
2.4.1. Тройная связка.................................. 40
2.4.2. Сеть противоречий............................... 41
2.4.2.1. Мыть или не мыть?.........................41
2.4.2.2. Огласите, пожалуйста, весь список.........43
2.4.2.3. Гидрофильно-гидрофобный баланс............43
2.4.2.4. Гордиев узел..............................45
2.4.3. А если противоречия не видны? ...................47
2.5. Ориентир — идеальность................................49
2.6. Былое и думы..........................................51
Литература................................................. 52
^4, Содержание
Глава 3. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА....................................54
3.1. Неотъемлемая часть................................. 54
3.1.1. Издалека...................................... 54
3.1.2. Интегральные схемы — какие бывают............. 55
3.2. Гонка за разрешением............................... 57
3.2.1. Свет в окне................................... 57
3.2.2. А как совместить?............................. 59
3.2.3. Травить — не травить.......................... 60
3.3. Изоляция без изоляции...............................63
3.4. Действие—антидействие...............................65
3.5. Сделать наоборот....................................66
3.5.1. Активные — вперед! ........................... 66
3.5.2. Вверх ногами.................................. 67
3.6. Вред в пользу.......................................69
3.6.1. Помехи........................................ 69
3.6.2. Анод—катод.................................... 69
3.7. В тесноте да не в обиде............................ 70
3.8. Метрология..........................................71
3.8.1. Избыточность.................................. 71
3.8.2. Показания свидетелей таковы................... 72
Литература.............................................. 73
Глава 4. В МИРЕ ИЗМЕРЕНИЙ....................................74
4.1. Вокруг трубы....................................... 74
4.2. Как найти иголку в стоге сена?..................... 77
4.3. Использовать посредника............................ 79
4.4. Измерения без измерений............................ 80
4.5. Электронный блок должен сам........................ 82
4.5.1. Вокруг другой трубы........................... 82
4.5.2. А если богатого дядюшки нет? ................. 83
4.5.3. В ответ на проклятья.......................... 84
4.6. Шаг вперед, два шага назад......................... 85
Литература.............................................. 89
Глава 5. ИГРЫ РАЗУМА.........................................90
5.1. Алгоритмы...........................................90
5.1.1. АРИЗ.......................................... 90
5.1.2. Пример........................................ 92
5.2. Программы..........................................101
5.2.1. Те, которых много.............................101
5.2.2. Те, которые ближе всего ......................102
5.2.3. Те, которые обещают больше всех...............103
Литература..............................................105
Содержание
Глава 6. ЭФФЕКТЫ.............................................106
6.1. Физические эффекты..................................107
6.1.1. Что-то с памятью моей стало....................107
6.1.2. Физический фейерверк...........................109
6.2. Геометрические эффекты..............................113
6.2.1. Устройства.....................................114
6.2.2. Способы и вещества.............................116
6.3. Химические эффекты..................................123
6.3.1. Делай как я....................................123
6.3.2. Делай как мы...................................127
6.4. Биологические эффекты...............................129
6.4.1. Похвалят за эрудицию...........................130
6.4.2. Биоэлектроника.................................131
6.4.3. Классификация..................................132
6.4.3.1. Обнаружение веществ и энергии...........133
6.4.3.2. Удаление веществ и поглощение энергии ..133
6.4.3.3. Накопление веществ......................134
6.4.3.4. Преобразование веществ и энергии........134
6.4.3.5. Выделение веществ и генерация энергии...135
6.5. Эффект—антиэффект...................................136
6.5.1. В физике — это просто........................ 136
6.5.2. В химии — чуть сложнее ........................139
6.5.3. У кого что болит...............................142
6.5.3.1. Основные понятия .......................142
6.5.3.2. Кто кого................................145
6.5.3.3. Капиллярные явления.....................148
6.5.3.4. Поверхностно-активные вещества..........151
Литература...............................................152
Глава 7. ИНВЕРСИЯ............................................156
7.1. Исследовательские задачи............................156
7.1.1. Инверсия целей.................................156
7.1.2. Реальная задача................................157
7.2. Диверсионный анализ.................................161
Литература...............................................163
Глава 8. УМНИЦЫ И УМНИКИ.....................................164
8.1. Если бы.............................................164
8.2. Умные материалы.....................................167
8.3. Звездопад...........................................171
8.4. Умная одежда........................................176
8.5. Умный дом...........................................180
8.6. Горе от ума.........................................182
Литература...............................................187
Содержание
Глава 9. ХИМИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ...................................189
9.1. Вопреки законам Мерфи.................................189
9.2. Твердотельные технологии и закон Мура.................190
9.3. Чудеса остроумия и изящества..........................192
9.4. Реальные технологии...................................196
9.4.1. Изменчивость.....................................196
9.4.1.1. Качели....................................196
9.4.1.2. Чистота...................................197
9.4.1.3. Инверсия..................................198
9.4.1.4. Возрастные изменения......................199
9.4.1.5. Дисбаланс.................................199
9.4.1.6. Погоня за тенью...........................200
9.4.2. Химики изобретают................................201
9.4.2.1. Буфер.....................................201
9.4.2.2. Крауны....................................203
9.4.2.3. Микрокапсулирование.......................205
9.4.2.4. Вечный двигатель..........................206
9.4.2.5. Методом Карла Фишера......................206
9.5. Нанотехнологии.............................~..........208
9.5.1. Алхимикам на зависть.............................208
9.5.2. Нанотрубки.......................................209
9.6. Химия — это самая сложная физика......................211
Литература.................................................212
Глава 10. ВЗГЛЯД СО СТОРОНЫ....................................214
10.1. ТРИЗ в радиотехнике..................................214
10.1.1. Об универсальности............................214
10.1.2. Термостат.....................................216
10.1.3. Net...........................................217
10.1.3.1. Размышления о физическом смысле........217
10.1.3.2. Размышления об идеальности.............218
10.1.4. Загадочное слово..............................220
10.2. ТРИЗ в программировании..............................221
Литература.................................................224
Глава 11. ТЕХНИЧЕСКАЯ ХИРОМАНТИЯ...............................225
11.1. Куда катится колесо?.................................225
11.2. Печатные платы — линии развития......................226
11.2.1. Историческая справка..........................226
11.2.2. Точка—линия—плоскость—объем— ...? ............228
11.2.3. Динамизация...................................231
11.2.4. Преодоление противоречий......................234
11.2.5. Переход на микроуровень.......................239
Ю N) N) Ьч) W К) N> Ю К) NJ Ю ЬЭ М NJ NJ NJ NJ NO
40 40 40 40 40 00 00 00 00 ОС 00->0'*J*J'*J^J>^4<«*1^J*J'Q04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 04 Ui ЦП L/i Ui фк
O4U1LUU) - чО 71 W К) ** OsDO'^O'AUTlUJ-OOODOsJ'qxlTiAUNJOOO 04 О О 00 04
Содержание
11.2.6. Местное качество..................................
11.2.7. Повышение идеальности.............................
11.2.8. Дробление — объединение...........................
11.2.9. Согласование — рассогласование....................
11.2.10. Где-то далеко....................................
11.2.11. А и Б сидели на трубе............................
Литература.....................................................
Глава 12. РАЗВИТИЕ ТРИЗ............................................
12.1. Развитие вглубь..........................................
12.1.1. Не дождетесь......................................
12.1.2. АРИЗ..............................................
12.1.2.1. Мосты......................................
12.1.2.2. Универсализм...............................
12.1.3. Рождественская елка...............................
12.2. Развитие вширь...........................................
12.2.1. Изучаем географию ................................
12.2.2. От техники к......................................
12.2.2.1. Рекламное измерение........................
12.2.2.2. Бизнес от лукавого.........................
12.2.2.3. Изобретаем неваляшку.......................
12.2.2.4. Жизнь за кадром............................
12.3. Проблемы.................................................
12.3.1. Разборы...........................................
12.3.1.1. В технике..................................
12.3.1.2. В жизни....................................
12.3.1.3. Дорогу осилит идущий.......................
12.3.2. Real Engineering..................................
12.3.2.1. Правильное решение.........................
12.3.2.2. О задачеклепательстве......................
Литература.....................................................
Глава 13. АЛЬТЕРНАТИВА.............................................
13.1. Метод проб и ошибок......................................
13.2. Мозговой штурм...........................................
13.3. Синектика................................................
13.4. Морфологический анализ...................................
Литература.....................................................
Глава 14. ЗИГЗАГ...................................................
14.1. У меня зазвонил телефон..................................
14.2. От улыбки станет мир светлей.............................
14.3. Физики и лирики..........................................
8 Содержание
14.4. Поехали?..............................................297
14.4.1. Сделать наоборот...............................297
14.4.2. Другие приемы разрешения противоречий..........297
14.4.3. Комбинация приемов разрешения противоречий.....299
14.4.4. Игра слов .....................................300
14.4.5. Психологические приемы разрешения противоречий.300
14.4.6. Психологическая инерция........................301
14.4.7. Оператор РВС...................................301
14.4.8. Аналогия.......................................302
14.5. Над структурные элементы юмора........................302
14.6. Черный юмор...........................................306
14.7. Изобретаем анекдот....................................308
14.7.1. Алгоритм № 1...................................309
14.7.2. Алгоритм №2....................................313
14.8. Интересные выводы.....................................316
14.9. Зигзаг в зигзаге......................................317
14.9.1. Великий и могучий..............................317
14.9.2. Международный..................................318
14.9.3. С глаголом во рту..............................318
14.9.4. Иероглифы......................................319
14.9.5. Резюме.........................................320
Литература..................................................320
ГЛАВА 1
ЧТО ТАКОЕ ТРИЗ
Куда лучше совсем не думать о постижении
истины, чем пытаться делать это, не имея ме-
тода.
Рене Декарт
1.1. Требуется ТРИЗ-специалист
Для начала сопоставим несколько фактов:
1. Компания Samsung Electronics, генеральный спонсор пос-
ледней Олимпиады, является одним из мировых лидеров в обла-
сти электроники. Вряд ли кто-то решится опровергнуть это ут-
верждение.
2. На сайте московского исследовательского центра компа-
нии Samsung Electronics уже не один год красуется объявление:
«...для работы в Южной Корее и в Москве требуются ТРИЗ-спе-
циалисты» [1]. Этот факт очень легко проверить. Что же это за
редкий зверь такой?
Оказывается, этот зверь должен «уметь превращать нововведения
в плановую деятельность, быть способным методично решать иннова-
ционные задачи, иметь навыки решения неординарных задач и т. д.».
С грустью вспоминаешь об очередном (котором уже?) призыве пере-
вести Россию на инновационный путь развития и думаешь, что и
нам бы такой специалист тоже не помешал. Только где его взять?
Когда же узнаешь о том, что родина ТРИЗ (теории решения
изобретательских задач) не Южная Корея, а Союз нерушимый,
грусть переходит в тоску. Еще тоскливее становится когда, поко-
павшись в Интернете, находишь, что в институте передовых тех-
нологий корпорации Samsung (SAIT) уже не первый год работает
группа ТРИЗ-специалистов, преимущественно выходцев из быв-
шего СССР (России, Белоруссии, Украины и др.).
ТРИЗ-специалисты работают не только в Южной Корее. В меру
своих сил и возможностей они трудятся во благо и процветание
США, Японии, Израиля, Германии и других стран, смело шага-
ющих по инновационному пути развития. Только Россия живет
сладостными воспоминаниями о Кулибине. Как здесь не вспом-
нить строки Есенина: «Лицом к лицу лица не увидать...».
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
1.2. Родом из детства
Для человека процесс созидания нового всегда был и до сих пор
остается загадочным. Самые ортодоксальные представители гомо
сапиенс считают, что изобретения — это удел избранных. Хоро-
шо, что так думают не все. Каких только способов интенсифика-
ции созидательной деятельности не было предложено. Но прак-
тика расставила все на свои места. И ныне можно упомянуть
добрым словом, пожалуй, не более чем о десятке действительно
дееспособных методов. Это — морфологический анализ, мозго-
вой штурм, синектика... и ТРИЗ.
Есть такая книга, которую с удовольствием читают дети, их
родители и даже бабушки и дедушки. И старшее поколение при
этом отнюдь не впадает в детство. Это книга Г.С. Альтова (твор-
ческий псевдоним Г.С. Альтшуллера) «И тут появился изобрета-
тель» [2]. В предисловии к книге автор рассказывает о том, как
произошло его первое знакомство с настоящим изобретателем.
Во дворе дома, где жил Г.С. Альтшуллер, тогда еще десяти-
летний мальчик, сгорел трансформатор. Нужно было его снять с
постамента высотой около 1 м, а грузоподъемных механизмов не
было. Дело было еще до войны. Подъемный кран тогда был боль-
шой редкостью. И тут появился ничем ранее неприметный сосед
по квартире, счетовод по профессии. По комплекции он был
далек от Поддубного, скорее даже был близок к артисту Вицину,
самому хилому из знаменитой тройки «трус—балбес—бывалый».
Но не такими уж и хилыми оказались у него мозги. Когда во
дворе распространился слух о том, что счетовод будет снимать
трансформатор, будущий основатель ТРИЗ сбежал с уроков, что-
бы посмотреть на это зрелище.
У ворот дома стояла подвода со льдом. Электромонтеры пе-
ретаскивали куски льда поближе к трансформатору, а счетовод
их укладывал. Рядом с трансформатором быстро вырастал ледя-
ной куб. Когда ледяной куб достиг высоты постамента, рабочие
осторожно по доскам передвинули трансформатор на него. Через
некоторое время под яркими солнечными лучами лед начал та-
ять. К вечеру трансформатор опустился на полметра, а на другой
день трансформатор уже стоял на земле.
Переместимся в наши дни. В известном телевизионном сери-
але следователь Каменская экзаменует молодых стажеров. В за-
крытой комнате произошло убийство. Установлено, что смерть
наступила в результате удара тупым предметом по голове. Одна-
^lalcMaus^i
1.3. Противоречивая логика
ко никаких предметов, чем-либо напоминавших орудие убий-
ства, обнаружено не было. Лишь недалеко от трупа была неболь-
шая лужица воды. Каким образом совершено убийство? Самый
сообразительный стажер, не задумываясь, отвечает, что убийство
совершено куском льда.
Две задачи — два решения. Задачи абсолютно разные, а реше-
ния по своей сути одинаковы. И в том, и в другом случае был
использован фазовый переход: лед—вода. Именно на повторяемость
одинаковых решений в абсолютно разных областях человеческой
деятельности обратил внимание Г.С. Альтшуллер. Дальше — боль-
ше. А почему же они повторяются? Да скорее всего потому, что
техника развивается по одинаковым законам. Каким же образом
выявить эти законы? Для этого пришлось проанализировать очень
много оригинальных технических решений. Результатом такого ана-
лиза стало около сорока наиболее часто повторяющихся методов и
приемов. На основе последующего их анализа были сформулирова-
ны законы, по которым происходит развитие техники.
Далее логическая цепочка умозаключений прерывается. Сле-
дующая мысль — если такие законы существуют, то, зная эти
законы, можно создавать принципиально новые оригинальные
технические решения... по шаблону. Всплывает слово «противо-
речие». Как же можно создавать оригинальные нестандартные
решения, используя стандарты? Оказывается, можно. Противо-
речивая логика — основа теории решения изобретательских за-
дач. А слово «противоречие» в этой теории является ключевым.
1.3. Противоречивая логика
Основной постулат ТРИЗ: технические системы развиваются по
объективным законам, эти законы познаваемы, их можно выявить
и использовать для сознательного решения изобретательских за-
дач и прогнозирования развития техники. Прочитав окончание
этой фразы, ученые мужи скажут: «Да это же обычная экстраполя-
ция. Нет более простого способа сделать неправильный прогноз
развития событий, чем использовать экстраполяцию». Так ли это?
Поговорим об этом чуть позже. Но именно возможность осуще-
ствления в рамках ТРИЗ «технической хиромантии» так привле-
кает менеджеров корпорации Samsung и не только их.
За долгие годы существования ТРИЗ (а первая публикация
была датирована 1956 годом [3]) было сформулировано немало
законов. В работе [4] приводится два десятка таких законов. Основ-
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
ной же закон ТРИЗ (да и не только ТРИЗ — вспомним диалекти-
ку) — закон неравномерности развития, появления и разреше-
ния противоречий.
Подробнее о противоречиях. В обыденной жизни мы стре-
мимся их избегать. На уходе от противоречий основаны доказа-
тельства школьных теорем. В соответствии с законами формаль-
ной логики разрабатываются простейшие компьютерные програм-
мы. Хотя системному программисту без использования элементов
противоречивой логики, думаю, также не обойтись. В теории
решения изобретательских задач выявление и формулировка тех-
нического противоречия — главная задача на первом этапе со-
здания оригинального технического решения.
Различают два типа противоречий: техническое противоре-
чие и физическое противоречие.
Техническое противоречие — это ситуация, когда попытка улуч-
шить одну характеристику технической системы приводит к ухуд-
шению какой-то другой ее характеристики, и наоборот.
В основе технического противоречия обычно лежит более глу-
бокое физическое противоречие. Физическое противоречие — это
ситуация, когда к одному объекту предъявляются прямо противо-
положные требования. Например, вещество должно быть черным
и белым, жестким и мягким, большим и маленьким и т. д. и т. п.
Противоречие нашли, сформулировали, что же дальше? А вот
здесь-то нам и помогут приемы разрешения технических проти-
воречий, выявленные Г.С. Альтшуллером в процессе анализа па-
тентного фонда изобретений. Не помешают и появившиеся чуть
позже приемы разрешения физических противоречий.
Эту логическую (алгоритмическую?) цепочку замыкает исполь-
зование информационного фонда. Чтобы перейти от того реше-
ния, которое выдает ТРИЗ, к реальному практическому реше-
нию задачи, следует знать физические, геометрические, хими-
ческие, биологические и иные эффекты (законы).
Таким образом, для решения простейших изобретательских
задач, в которых имеется явное противоречие (а таковых в патен-
тном фонде большинство) может быть использована следующая
последовательность шагов:
1. Анализ задачи и переход от расплывчатой изобретательс-
кой ситуации к четко построенной схеме-модели задачи.
2. Формулировка технического противоречия задачи.
3. Разрешение технического противоречия с использованием
типовых приемов и иных инструментов ТРИЗ, если это возможно.
^lalatiaus^i
1.4. Листая страницы
4. При невозможности — формулировка физического проти-
воречия.
5. Разрешение физического противоречия с использованием
типовых приемов и иных инструментов ТРИЗ.
6. Нахождение конкретного технического решения на базе
известных физических, химических, геометрических законов,
эффектов или явлений.
Автор в своей изобретательской практике обычно использует
такой упрощенный алгоритм. В ТРИЗ для решения изобретатель-
ских задач разработаны более сложные варианты алгоритмов ре-
шения изобретательских задач (АРИЗ), формализующих и направ-
ляющих в нужное русло действия исполнителя (изобретателя).
Используя такие же алгоритмы, преподаватели ТРИЗ обычно
объясняют, как можно было бы сделать то или иное изобретение
(учебные задачи). Прочитав эту фразу, кто-то обязательно усмехнет-
ся. Объяснить-то можно, а вот самому создать? Аргумент, несомнен-
но, здравый. Как же его опровергнуть? Подходов к этому несколько:
1. Законы развития технических систем и приемы разрешения
технических противоречий были выявлены на основании анализа
изобретений как минимум пятидесятилетней давности. Электро-
ники в современном понимании этого слова тогда еще и не было.
По тем ли законам она развивалась все эти годы? Как поживают
те самые 40 приемов? Куда увела нас кривая экстраполяции? От-
ветить на эти вопросы можно довольно просто. Достаточно целе-
направленно полистать подшивки современных журналов и стра-
ницы в Интернете, имеющие отношение к электронике.
2. Еще более убедительны были бы «живые» изобретения,
созданные при непосредственном участии ТРИЗ.
1.4. Листая страницы
О том, что должен знать и уметь ТРИЗ-специалист, приглашае-
мый на работу в компанию Samsung Electronics, я уже написал.
Теперь о направлениях его работы:
1. Решение стратегических и тактических задач.
2. Разработка новых концепций для товаров и услуг.
3. Оказание систематической поддержки на различных этапах
инновационного развития.
4. Ускорение инновационного процесса с помощью система-
тического анализа ситуаций, решения неординарных задач и со-
здания принципиально новых подходов.
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
После «оглашения всего списка» вопрос о том, жизнеспособ-
ными ли оказались законы развития технических систем, види-
мо, становится не очень актуальным. Во главу утла компания
Samsung Electronics ставит вопросы прогнозирования развития
технических систем. Для чего и планирует использовать инстру-
менты ТРИЗ и интеллектуальный потенциал ее носителей.
Как же поживают предшественники этих законов — приемы
разрешения технических противоречий?
1.4.1. Сделать наоборот
Профессор спрашивает студента:
— Почему вы так волнуетесь ? Боитесь моих
вопросов?
— Да нет, профессор, я боюсь своих ответов.
В конце XIX века происходила самая настоящая «телефонная вой-
на». Множество изобретателей интенсивно работало над одной и
той же проблемой — как передавать на расстояние текстовые
(голосовые) сообщения. Александр Белл (США) подал патент-
ную заявку на «улучшение в телеграфии» 15 февраля 1876 года. В
тот же день, но двумя часами позже, в патентное ведомство по-
ступила аналогичная заявка от Элиша Грей. Заявки, как сна-
ряды, ложились в «воронку» очень близко и очень часто. А со-
ревнование шло преимущественно за увеличение дальности дей-
ствия телефонной связи.
Аналогичные сражения происходят в конце XX — в начале
XXI века, но не за дальность, а, наоборот, за близость передачи
данных. Технология передачи данных Bluetooth используется сей-
час во многих мобильных устройствах. Она обеспечивает связь
на расстоянии около Юм. Фирмы Philips и Sony сообщили о
разработке новой технологии связи, действующей на расстоянии
не больше 10 см [5]. Эта технология существенно расширит воз-
можности мобильных телефонов. Технология, получившая на-
звание NFC (near fields communications), была создана на основе
комбинации методов бесконтактной идентификации и взаим-
ных соединений. NFC будет использовать частотный диапазон
13,56 МГц, скорость передачи данных между NFC-устройствами
составит 106 кбит/с и 212 кбит/с.
Технология NFC существенным образом изменит способы
распространения информации, доступа к информации и предо-
ставления различных услуг. С помощью телефона с поддержкой
NFC можно оплачивать покупки, пользоваться общественным
WataUausqfo
1.4. Листая страницы
транспортом, получать различную информацию, обмениваться
данными с другими приборами, поддерживающими технологию
NFC.
И еще об информации, полезной информации и вредной ин-
формации. Что такое СПАМ, знает каждый пользователь Интер-
нета, хотя и не догадывается, что первоначально в это слово был
вложен совершенно иной смысл. SPAM (SPiced hAM) расшиф-
ровывается как «перечная ветчина». Это слово было придумано в
корпорации Hormel, у которой в тридцатые годы прошлого века
скопилось чудовищное количество неликвидного мяса третьей
свежести.
Лавинообразный поток неконтролируемой, бесполезной и
даже вредной информации третьей свежести захлестнул сейчас
сеть всемирной паутины. Ставится под вопрос существование
самой сети. Как же остановить «бессовестных» рекламодателей?
Призывы к разуму [6], увы, бессильны. Политика «кнута и пря-
ника» также не приносит желаемых результатов. Законодатель-
ные инициативы в странах Западной Европы по наказанию за
распространение СПАМа не увенчались успехом. Оказывается,
не только в России законы могут не работать! А пряник, честно
говоря, и давать-то не за что.
На мой взгляд, существует простейшее решение этой зада-
чи. Исторически сложилось так, что за информацию платит по-
лучатель. Для отправителя же стоимость отправки писем прак-
тически равна нулю. Достаточно вспомнить о приеме «сделать
наоборот». Нужно перевернуть ситуацию. Если за отправлен-
ные письма будет платить отправитель, то слово СПАМ мы вско-
ре забудем.
Специалисты скажут, что не все так просто. Дело в том, что
технически очень сложно отделить почтовую корреспонденцию
от всей прочей информации. Ну и что. Просто это следующая
изобретательская задача, возможно и не одна.
1.4.2. Использовать дробление
Прибегает пациент в аптеку и кричит:
— Срочно дайте мне клизму!
— У нас нет клизмы.
— Тогда сто пипеток!!!
Додробились!
Во времена молодости Г.С. Альтшуллера самым массовым ра-
диоэлементом была электронная лампа. Чуть позже, на этот раз в
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
годы моей молодости, на занятиях по промышленной электро-
нике мы изучали работу не только ламп, но и диодов, транзисто-
ров и других элементов полупроводниковой техники. Размеры
этих элементов и их составных частей измерялись в сантиметрах,
миллиметрах. С появлением микросхем возникла необходимость
использовать в качестве измерительного средства микрометр.
В последние годы появилось множество восторженных пуб-
ликаций о перспективах нанотехнологий. Нанотехнологии име-
ют дело с объектами размером от 0,1 до 100 нм (1 нм = 10 9 м).
Конструктивные размеры элементов микросхем становятся со-
измеримыми с размером атомов. По различным оценкам, через
10—15 лет ежегодный объем рынка изделий нанотехнологии мо-
жет превысить 1 трлн долларов США. Более того, изделия, изго-
товленные по нанотехнологиям, уже нашли практическое при-
менение. Например, в головках дисководов уже более 10 лет ис-
пользуется явление гигантского магнитного сопротивления
(GMR), наблюдаемое в создаваемых с помощью нанотехнологии
структурах [7].
1.4.3. Принцип перехода в другое измерение
— Постелите на стол свежую скатерть, —
обращается посетитель к официанту.
— Свежей скатерти нет, — отвечает тот.
— Тогда хотя бы переверните ее чистой
стороной вверх!
— Авы видели когда-нибудь скатерть с тре-
мя сторонами?
К сожалению, трехмерные скатерти пока еще не изобрели (хотя
идея хороша!), а вот экспериментальные образцы трехмерных
транзисторов уже появились. На симпозиуме по СБИС-техноло-
гии представители фирмы Intel объявили, что они приступили к
разработке МОП-транзистора с новой трехзатворной структурой
[8]. Трехзатворный транзистор представляет собой трехмерный
прибор, в котором затвором служит приподнятая область с то-
копроводящими линиями, нанесенными на три ее стороны. Та-
кая структура практически в три раза увеличивает область про-
пускания тока, не занимая при этом лишнюю площадь кристал-
ла. Кроме того, благодаря трехмерной структуре ток утечки у таких
транзисторов меньше, чем у обычных планарных транзисторов
такого же размера.
1.4. Листая страницы
1.4.4. Использовать вред в пользу
Плохая привычка пить по вечерам водку рож-
дает хорошую привычку пить по утрам мине-
ральную воду.
Швейцарец Жорж Деместрель, отдыхая в альпийских лугах, был
очень недоволен тем, что после каждой прогулки приходилось
вычесывать репейник из шерсти своего четвероногого друга. Че-
рез несколько лет текстильные «липучки» по патенту Деместреля
стали изготавливаться во всем мире.
А вот специалистами компании ЗМ по аналогии разработа-
ны самоклеящиеся застежки Dual Lok, которые с успехом ис-
пользуются и в электронной технике. В новом способе соеди-
нения тысячи штырьков грибообразной формы, посаженные на
прочную гибкую основу, сплетаются друг с другом, образуя со-
единение, которое по прочности эквивалентно механическому
крепежу [9].
В Массачусетском технологическом институте использо-
вали в пользу другой вред. Сверхплотная упаковка внутри ин-
тегральных схем и очень плотная упаковка на их носителях
(печатных платах) выдвигает на первый план проблему теп-
лоотвода. Разработан микрочип, преобразующий тепло непос-
редственно в электричество — так называемый термодиод [10].
Учитывая особую важность обеспечения теплоотвода и не мень-
шую важность обеспечения электропитания продуктов совре-
менной микроэлектроники, можно с уверенностью утверждать,
что сфера применения подобного конвертера будет поистине
безграничной. Это изобретение стало крупнейшим достиже-
нием термоэлектроники со времени открытия Томасом Эди-
соном термоионного эффекта, заключавшегося в генерации
электрического тока в вакуумном зазоре вследствие отрыва сво-
бодных электронов от поверхности анода под действием тем-
пературы.
В полупроводниковой версии этого устройства роль вакуум-
ного зазора между электродами выполняет слой полупроводни-
кового материала на основе индия, обогащенного свободными
носителями. Этот слой значительно усиливает термоэлектричес-
кий эффект и позволяет устройству работать при сравнительно
невысоких температурах (около 200 °C).
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
1.4.5. Использовать фазовый переход
И в заключение о погоде: на соревнованиях
по прыжкам в воду спортсмен Сидоров разбился
об лед...
Современная электроника немыслима без использования энер-
гонезависимой памяти. В большинстве электронных приборов
используется Flash-память. Усилия разработчиков направлены на
развитие новых технологий энергонезависимой памяти. Один из
перспективных вариантов — память OUM (Ovonic Unified Memory),
названная по имени компании-разработчика Ovonix Inc.[11].
Принцип действия памяти OUM основан на явлении фазового
перехода, уникальном свойстве халькогенидных сплавов прини-
мать два устойчивых состояния — аморфное и поликристалли-
ческое. Если сплав нагреть до 600 °C, он переходит в аморфное
состояние. Если же сплав охладить, он примет поликристалли-
ческую фазу. В аморфном и поликристаллическом состоянии
сплав имеет существенно различающееся сопротивление. Вели-
чина сопротивления и используется для регистрации «0» или «1»
при чтении.
1.4.6. Универсальность объекта
Директор небольшой французской фирмы
обращается к сотрудникам:
— Скоро юбилей нашей фирмы. Его нужно
отметить так, чтобы о нем говорил весь Па-
риж, но в то же время израсходовать минимум
средств. И, само собой, юбилей должен всем вам
доставить большую радость...
Голос из толпы:
— Вам, мсье, нужно спрыгнуть с Эйфелевой
башни. Об этом будет знать весь Париж, сто-
ить это будет недорого... Ну, а что касается
сотрудников...
В пятидесятых годах прошлого века и не помышляли о сотовой
связи. Сейчас же в Москве количество зарегистрированных со-
товых телефонов превышает число ее жителей. Интересный факт!
В жестокой конкурентной борьбе за потребителя разработчики
«мобильников» взяли на вооружение прием «универсальность
объекта». Трубку, в которой работала бы только одна (главная)
функция — набор номера и прием звонка — сегодня найти уже
невозможно.
1.4. Листая страницы
Каких только функций сейчас не выполняет сотовый теле-
фон. Некоторые модификации даже измеряют температуру и пульс
человека. Производители цифровых фотоаппаратов всерьез обес-
покоены тем, что в последнее время наблюдается спад в их прода-
же [12]. А объясняют это... массированным выбросом на рынок
гибридов сотового телефона и фотоаппарата. Нелегкие времена
уже переживают производители видеокамер, портативных теле-
визоров и т. д. Сотовые телефоны постепенно превращаются еще
и в карманные компьютеры. Их научили запоминать огромные
объемы информации, проигрывать музыку, принимать и отправ-
лять электронную почту, редактировать тексты. Программисты
всего мира создают все новые и новые версии популярных про-
грамм для «умных» мобильников (smartphone). Да и по произво-
дительности они уже ненамного отстают от карманных персо-
нальных компьютеров.
В Японии начинается широкомасштабное внедрение мобиль-
ных телефонов, одновременно выполняющих функции электрон-
ного кошелька и паспорта [13]. Учитывая преимущества, кото-
рые дает пользователям эта технология, можно ожидать ее рас-
пространения и в других регионах мира. Компания NTT DoCoMo,
крупнейший оператор мобильной связи в Японии, объявила о
начале выпуска телефона-бумажника. Для выполнения платеж-
ных операций в мобильном телефоне установлен смарт-чип FeliC.
А денежные операции производятся путем быстрого перемеще-
ния телефона перед сканером. Аналогичным образом работает
система опознавания. Специализирующаяся в области кредит-
ных карт компания JCB уже выдала своим сотрудникам телефо-
ны, которые одновременно исполняют функцию идентификаци-
онной карточки.
Мобильники становятся еще и частью одежды. Французс-
кие инженеры и модельеры (не правда ли, необычное сочета-
ние?) представили новое видение мобильного телефона буду-
щего, разместив его гибкий дисплей на одежде человека [14].
Несмотря на кажущуюся несерьезность разработки, она имеет
все шансы стать не только модным хитом, но и получить распро-
странение в рекламном бизнесе и в сфере обеспечения безопас-
ности людей. Инженеры компании France Telecom сообщили о
разработке нескольких действующих прототипов дисплеев для
мобильных телефонов, вшитых в верхнюю одежду. Гибкие эк-
раны, прикрепляемые на ткань, могут коренным образом изме-
нить понятие о моде и породить новую сферу услуг: перед каж-
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
дым выходом на публику человек сможет украсить свой наряд
нравящимся ему рисунком или надписью. Футболки с надпися-
ми могут уйти в прошлое. Выразить свою индивидуальность
становится проще.
Одежда приобретает функцию основного интерфейса (вновь
необычное сочетание слов) для графического выражения настро-
ения человека. Личные эмоции и состояния души становится воз-
можным показывать на публике посредством анимационной гра-
фики и коротких текстов. Дисплей подключается к мобильнику
посредством Bluetooth. Изображениями можно обмениваться че-
рез MMS-сообщения. Специальное программное обеспечение по-
зволит регулировать яркость, выбирать текст или картинку и так
далее. Профессионалы смогут воспользоваться сложным редак-
тором анимационных изображений, которые затем могут прода-
ваться через Интернет.
В соревнование с мобильниками вступили и мониторы. В Япо-
нии создан жидкокристаллический монитор, который одновре-
менно с выполнением своих прямых функций выполняет функ-
цию динамика [15]. Акустическим резонатором такого «поюще-
го» монитора является его стеклянное покрытие. Оно начинает
вибрировать под действием электрического тока. В результате
звук, регулируемый встроенной микросхемой, «излучается» всей
поверхностью экрана.
1.4.7. Дешевая недолговечность
Перед смертью адвокат сказал жене:
— Схорони меня поскромнее, на памятник
не траться.
После похорон вдова положила на могилу
табличку с двери его служебного кабинета: «Ад-
вокат Кин Рит — принимает ежедневно с 10 до
15 час».
Продолжим тему сотовых телефонов. Появился первый «однора-
зовый» сотовый телефон [16]. Компания Hop-On получила сер-
тификат федеральной комиссии США на «одноразовый» CDMA-
телефон. Телефон сделан из компонентов, способных утилизи-
роваться. У аппарата нет собственного микрофона и динамика —
для его использования необходима внешняя гарнитура.
А в Японии появились компакт-диски, которые получают
из обычной кукурузы [17]. Электротехническая компания Sanio
1.4. Листая страницы
объявила о создании экологически безвредных носителей для
аудиопроигрывателей и компьютеров. Диски изготавливаются
из полимера на основе полимолочной кислоты, получаемого из
кукурузных зерен. Производство одного «компакт-диска» тре-
бует примерно 85 зерен кукурузы. В отличие от используемого
ныне для этих целей поликарбоната, который синтезируется из
нефти и не подвержен распаду, новый материал очень легко
утилизируется. Его даже не обязательно сжигать, а можно про-
сто измельчать и зарывать в землю. Спустя всего несколько
месяцев он будет уничтожен микроорганизмами. Однако не ис-
ключена вероятность того, что он может быть утилизирован чуть
раньше, чем это нужно, «макроорганизмами». Думаю, что такой
«компакт-диск» придется хранить вне зоны доступа четвероно-
гих любителей поп-корна.
Некоторые японские компании (Toppan Printing и Sony) сде-
лали ставку на другую «дешевую недолговечность» — бумагу [18].
Создание бумажного оптического диска стало возможным благо-
даря технологии Blu-ray Disc, в которой лучу лазера сине-фиоле-
тового цвета для доступа к отражающему слою не приходится
проходить сквозь подложку (бумага не пропускает свет). Емкость
таких дисков может достигать 27 ГБ. Новинка на 51 % (квалифи-
цированное большинство) состоит из бумаги, а на ее разработку
компании потратили около года. Дешевые полиграфические тех-
нологии позволяют достичь высокого уровня качества художе-
ственной печати надписей и изображений на оптических бумаж-
ных носителях. Поскольку бумажный диск без труда разрезают
самые обычные ножницы, от него можно легко и быстро изба-
виться, не волнуясь о том, что ценная информация может по-
пасть в чужие руки.
Очевидно, в ближайшем будущем отрезать можно будет и
кусочек батарейки [19]. У нового типа батареек отсутствует кор-
пус. Батарейки достаточно тонкие для того, чтобы быть напеча-
танными на бумаге. «Бумажные» батареи состоят из трех различ-
ных слоев. Цинк и диоксид марганца выступают в роли анода и
катода. Состав же размещенного между ними химического ис-
точника энергии строго охраняется. Авторство в изобретении
принадлежит израильской компании Power Paper (энергетичес-
кая бумага). Утверждается, что созданный материал не токсичен
и не подвержен коррозии, что позволяет уйти от использования
корпуса.
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
1.4.8. Сделать заранее
— Дорогая, ты слышала, что вышел новый
закон, запрещающий переодеваться на пляже?
— Милый, меня это не касается. Я всегда
переодеваюсь в автобусе по дороге на пляж!
И вновь о них, о телефонах! Англичане пошли еще дальше. Раз-
работанные ими сотовые телефоны также легко утилизируются.
Для этого не только корпус телефона, но и его содержимое изго-
тавливаются из биоразлагаемых полимеров. А самое интересное
то, что на «могилке» такого телефона через некоторое время вы-
растает... подсолнух. Дело в том, что в корпус телефона заранее
кладут семечку.
Прогнозирование путей дальнейшего развития сотового теле-
фона ведется на форуме одного из тризовских сайтов. Интерес-
но? Посмотрите [20].
1.4.9. Должна быть большой
и должна быть маленькой...
Для того чтобы радиоприемник или телевизор мог улавливать
сигнал из эфира, ему необходима антенна. Обычно антенны де-
лаются из металла, а прием на такую антенну ведется более уве-
ренно, если ее размеры соизмеримы с длиной волны. Но телеви-
зионный сигнал транслируется в метровом и дециметровом диа-
пазонах. Поэтому антенны выглядят довольно громоздко и кроме
своего основного назначения обычно используются в качестве
«насеста» для ворон, грачей и прочих пернатых. То есть антенна
должна быть большой, чтобы принимать телевизионный сигнал,
и одновременно должна быть маленькой по целому ряду других
причин.
Разрешить эти противоречивые требования удалось благода-
ря использованию особого композиционного материала класса
сегнетокерамик (оксиды некоторых металлов). Этот материал
построен из микрометровых и даже нанометровых ячеек, каждая
из которых представляет собой миниатюрный диполь, чутко ре-
агирующий на электромагнитные колебания. Длина электромаг-
нитных волн в его объеме по сравнению с воздушной средой
значительно сокращается. Благодаря подобным свойствам на ос-
нове сегнетокерамики удалось создать телевизионную антенну,
представляющую собой диск диаметром всего 6 см. [21]. У кера-
мической антенны кроме компактности есть еще целый ряд
1.5. Психологическая инерция: за и против
преимуществ: она охватывает одновременно метровый и деци-
метровый диапазоны волн; может иметь как направленную, так
и круговую диаграмму; способна принимать отраженные волны.
1.5. Психологическая инерция: за и против
Итак, с противоречиями и с приемами их разрешения в технике,
кажется, все ясно. Вывод такой: они были, есть и будут. Где же
изобретения, созданные с использованием ТРИЗ? Будут и такие,
но позже. А сейчас о противоречии из области психологии, про-
тиворечии, которое скрыто в понятии «психологическая инер-
ция». Для начала попробуем решить несколько задач:
Задача 1-----------------------------------------------
Можно ли безболезненно опустить тлеющий окурок в бензин?
Наиболее вероятный ответ — нет: жизненный опыт нам под-
сказывает, что бензин горит. Сколько эффектных пожаров авто-
мобилей и взрывов бензозаправок насмотрелись мы за после-
дние годы в зарубежных боевиках! Оказывается, можно. Но толь-
ко в том случае, если это сделать быстро. Во-первых, горит или
взрывается не бензин, а его пары (смесь бензина с воздухом при
определенных соотношениях друг к другу). Во-вторых, для того
чтобы был инициирован процесс горения, необходимо какое-то
время. В-третьих, для этого необходима какая-то минимальная
энергия. Поэтому, если сигарета пройдет через слой паров бен-
зина достаточно быстро, то воспламенения не произойдет. А в
самом бензине она погаснет, как в обычной воде, так как в нем
отсутствует необходимое для горения (окисления) количество
кислорода. Наиболее любознательных читателей предостерегаю,
что, прежде чем вы установите минимально допустимую скорость
перемещения окурка сигареты, может случиться непоправимое.
Задача 2-----------------------------------------------
Какой водой — горячей или холодной — легче потушить пожар,
если ваши эксперименты с окурком закончатся неудачей?
Наиболее вероятный ответ — холодной. Ведь все мы так при-
выкли к тому, что горячее, а горящее — это горячее, нужно ох-
лаждать холодным. Формальная логика направляет нас в этом
направлении. Правильный ответ — горячей водой. Процесс го-
рения подавляет не вода, а пары воды, которые изолируют объект
горения от кислорода воздуха, без которого горение невозможно.
Какую же воду легче всего перевести в парообразное состояние?
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
Ту, которая уже нагрета. И чем ближе температура воды к 100 °C,
тем она будет более эффективна на пожаре. Возможно, специа-
листы в области пожаротушения скажут, что горящий бензин не
рекомендуется тушить водой. С этим можно согласиться, а мож-
но и вспомнить пословицу: «На безрыбье и рак — рыба».
Решая такие задачи, человек опирается на свой жизненный
опыт. Обычно он выбирает привычное, общепринятое направ-
ление своего поведения. В обыденной жизни без этого нельзя
обойтись. Не нужно каждый раз изобретать новый способ от-
крывания дверей. Психологическая инерция необходима во всех
делах, где нужны определенные навыки. Но как только появля-
ется потребность решить творческую задачу, психологическая
инерция превращается в злейшего врага. Внутренний цензор не
позволяет отступить хотя бы чуть-чуть в сторону от общеприня-
того мнения. Причем чем глубже и подробнее человек знает
предмет будущего изобретения, тем труднее ему выпутаться из
этой ситуации.
В основу ТРИЗ положена диалектическая логика. Попро-
буйте сформулировать физическое противоречие изобретатель-
ской задачи, когда один и тот же предмет должен быть и чер-
ным и белым, и прозрачным и непрозрачным, и большим и
маленьким и т. д., не отключив на время психологическую инер-
цию. Не отключив психологическую инерцию, невозможно изоб-
рести гвоздь с сечением в виде звезды. А это, оказывается, по-
зволяет увеличить поверхность контакта и в 2 раза увеличить
прочность соединения. Не отключив психологическую инерцию,
нельзя изобрести квадратное в сечении бревно. Изобретение же
такового позволило намного увеличить выход широких досок.
Процесс превращения круглого бревна в квадратное осуществ-
ляется довольно просто. Его прессуют при температуре около
100 °C и давлении до 10 атм. Вполне вероятно, что через не-
сколько десятков лет такая технология станет уже нормой, а
психологическую инерцию придется отключать, чтобы вернуть-
ся к обычному круглому бревну.
Итак, психологическая инерция нужна, чтобы... и психологи-
ческая инерция не нужна, чтобы... Как же разрешить это своеоб-
разное «физическое противоречие» на уровне сознания?
Существуют различные способы ухода от психологической
инерции. Один из них — уход от терминов и сопутствующих этим
терминам образов. Так, если изобретатель ставит задачу разрабо-
тать новую конструкцию якоря и в своих размышлениях и умо-
заключениях будет пользоваться этим же словом, ничего друго-
го, кроме очередной «коряги», он не придумает.
Для ухода от психологической инерции в ТРИЗ используют-
ся еще и специальные методы: метод маленьких человечков
(ММЧ), шаг назад от идеального конечного результата (ИКР),
оператор РВС (размер, время, стоимость). Оператор РВС вклю-
чает как минимум шесть шагов (мысленных экспериментов).
Размер, время и стоимость чего-либо последовательно уменьша-
ют до нуля или увеличивают до бесконечности, пытаясь уловить
достижение нового качества. Количество экспериментов, а, сле-
довательно, и вероятность нахождения принципиально нового
решения, можно увеличить, если еще и перейти в зону отрица-
тельных значений.
Не меньший вред изобретателям приносит инерция специ-
альности. Обычная реакция профессионала на предлагаемое ди-
летантом решение: «Этого не может быть, потому что этого не
может быть никогда». Генри Форд пишет: «Специалисты вредны
тем, что они скорее других найдут недостатки всякой новой идеи
и тем самым помешают ее применению. Они так умны и опыт-
ны, что в точности знают, почему нельзя сделать того-то и того-
то; они видят пределы и препятствия. Поэтому я не беру на службу
чистокровного специалиста. Если бы я хотел убить конкурентов
нечестными средствами, я предоставил бы им полчища специа-
листов» [22]. Как бороться с такого рода инерцией? Рецепты из-
вестны. Для того чтобы уйти от инерции специальности, нужно
постоянно повышать свой кругозор, повышать культуру мышле-
ния. Будет полезным чтение научно-популярной и фантастичес-
кой литературы. Не помешает периодическая смена места рабо-
ты и специализации.
Литература
1. http://www.research.Samsung.ru/srcinfo/empofrer/Vacacies.asp?
Location=Korea
2. Альтов ЕС. И тут появился изобретатель. — М.: Детская
литература, 1984.
3. Альтшуллер Г. С., Шапиро Р.Б. О психологии изобретательс-
кого творчества // Вопросы психологии. — 1956, № 6.
4. Петров В. Серия статей «Законы развития систем» // http://
www.trizland.ru/trizba.php?id= 108
Глава 1. Что такое ТРИЗ?
5. http://www.cnews.ru/newtop/index.shtml72004/! 1/11/167997
6. Фрунзе А. Между прочим... // Компоненты и технологии. —
2004, № 8.
7. Макушин М. Становление многорукого бога // Элекгрони-
ка-НТБ. - 2003, № 4.
8. Новинки электронной техники. Фирма Intel возвещает эру
трехмерных транзисторов. Альтернатива традиционным планар-
ным приборам // Электроника-НТБ. — 2002, № 6.
9. Картамышев С., Симонов Р. Использование самоклеящихся
застежек Dual Lok в приборостроении // Компоненты и техноло-
гии. - 2002, № 5.
10. http://www.ci.ru/inform06_02/p_14ntl.htm
11. Зайцев И. Сравнение новых технологий энергонезависи-
мой памяти // Компоненты и технологии. — 2004, № 4.
12. Мир мобильный, камо грядеши? // Электроника-НТБ. —
2004, № 4.
13. http://www.cnews.ru/newtop/index.shtml72004/07/19/161373
14. http://www.cnews.ru/newtop/index.shtml72004/07/08/16104
15. http://www.izv.info/tech/news67020
16. Первый «одноразовый» CDMA-телефон // Электроника-
НТБ. - 2002, № 5.
17. http://www.izv.info/tech/news67775
18. http://www.cnews.ru/newtop/index.shtml72004/04/15/157858
19. http://www.nature.ru/db/msg.html?mid=l 167031&s=260000102
20. http://www.trizland.ru/forum/list.php?f = 18
21. http://www.metodolog.ru/nti.html
22. Форд Г. Моя жизнь, мои достижения. Пер. с англ. — М.:
Финансы и статистика, 1989.
ГЛАВА 2
МАКРОЭЛЕКТРОНИКА
Принимайте факты такими, какие они
есть. Затем можете искажать их, как вам по-
нравится.
Марк Твен
2.1. С пафосом о ПАФОСЕ
Если слово «электроника» понимать в широком смысле, то в сферу
ее интересов, несомненно, попадают печатные платы — основ-
ной конструктивный макроэлемент современной радиоэлектрон-
ной аппаратуры. В общем случае печатная плата — это пластина
из электроизоляционного материала, на поверхности которой
нанесены тонкие электропроводящие полоски (проводники) с
контактными площадками для подсоединения навесных радио-
элементов [1].
У российских специалистов, имеющих отношение к производ-
ству печатных плат, сочетание двух слов «ИТМ и ВТ» и «Галец-
кий» вызывает глубокое уважение. Для института точной механи-
ки и вычислительной техники годы застоя в отличие от многих
других не были годами застоя. А отделение этого института, воз-
главляемое Ф.П. Галецким, диктовало моду в области техно-
логии изготовления печатных плат в «стране, которой уже нет».
Не потерялось оно и в «стране, которая есть». Супер-ЭВМ, разра-
боткой которых занимался институт, потребовали создания супер-
сложных многослойных печатных плат. Для реализации таких пе-
чатных плат и была разработана технология, названная ПАФОС
(полностью аддитивное формирование отдельных слоев).
От субтрактивных методов, основанных на травлении фоль-
ги, этот метод отличается тем, что токопроводящий рисунок на-
носят [2]. Проводящий рисунок слоев формируется на времен-
ных носителях — листах из нержавеющей стали, поверхность
которых покрывается гальванически осажденной медной шиной
толщиной 2—5 мкм.
На этих листах формируется защитный рельеф пленочного
фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждени-
Глава 2. Макроэлектроника
ем тонкого слоя никеля (2—3 мкм) и меди (30—50 мкм) во вскры-
тые в фоторезисте рельефы. Затем пленочный фоторезист удаля-
ется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в
диэлектрик.
Прессованный слой вместе с медной шиной механически отде-
ляется от поверхности временных носителей. В слоях без межслой-
ных переходов медная шина стравливается. При изготовлении двух-
сторонних слоев с межслойными переходами перед травлением
медной шины создаются межслойные переходы посредством ме-
таллизации отверстий с контактными площадками.
Чем же хорош этот метод? Дело в том, что проводящий рису-
нок, утопленный в диэлектрик и защищенный сверху слоем ни-
келя, при удалении медной шины не подвергается травлению.
Поскольку исключается операция травления, исключается и под-
травливание проводников. Поэтому форма, размеры и точность
проводящего рисунка определяются рисунком рельефа, то есть
процессами фотолитографии. А современные достижения в об-
ласти фотолитографии и лазерного экспонирования позволяют
совершить качественный скачок на пути повышения плотности
печатного монтажа. Еще на рубеже восьмидесятых и девяностых
годов прошлого века в ИТМ и ВТ научились делать двадцати-
слойные печатные платы размером полметра на полметра с ши-
риной проводников и зазоров между ними менее 100 мкм!
2.2. Наш ответ Чемберлену
2.2.1. Цепочка противоречий
Судя по публикации [3], технология ПАФОС позволяет получать
печатные платы с шириной проводников и зазорами между ними
до 40—50 мкм. Но нет в мире совершенства! По законам ТРИЗ
улучшение одной характеристики технической системы неизбежно
приводит к ухудшению какой-то другой ее характеристики. Так
оно и получилось.
Суперсложные и супербольшие многослойные печатные пла-
ты, изготовленные методом ПАФОС, не соответствуют техни-
ческим требованиям по влагостойкости. Даже при изменении
относительной влажности воздуха от 45 до 80 % (нормальные
условия) сопротивление изоляции в их цепях изменяется на
3—4 порядка [4]. Образно говоря, такие печатные платы «ды-
шат». Уменьшение зазоров между проводниками привело к тому,
2.2. Наш ответ
что уровень диэлектрических характеристик стеклотекстолита стал
явно недостаточным.
Прошли годы. Изменилась элементная база, изменилась ар-
хитектура супер-ЭВМ. Использование таких громадных печат-
ных плат стало «признаком плохого тона». А проблема, увы, ос-
талась. Колокольчик зазвонил вновь, но уже не в России, а за ее
пределами. Диэлектрические характеристики стеклотекстолита
стали лимитировать дальнейшую микроминиатюризацию печат-
ных плат. И традиционными методами решить эту задачу нашим
«потенциальным друзьям» пока не удается [5].
Как же быть? Прекрасная задача для доказательства дееспо-
собности ТРИЗ. Можно даже сказать, что это «вопрос на засып-
ку». Экзамен был сдан, и не кое-как, а на отлично!
Дефекты структуры стеклотекстолита, по словам некоторых
специалистов, позволяют сравнить его с промокашкой. Чем боль-
ше воды в этой промокашке, тем хуже диэлектрические свойства.
Для повышения влагостойкости печатных плат после монтажа ра-
диоэлементов их покрывают лаком. При нанесении лаковых по-
крытий дефекты структуры стеклотекстолита частично устраня-
ются (заполняются) полимером. Как повысить эффективность?
Сформулируем техническое противоречие задачи (ТП).
ТП 1. Если лак сильно разбавлен, из-за низкой вязкости он
глубоко проникает в капиллярно-пористую структуру стеклотек-
столита, но из-за небольшого содержания полимерного связую-
щего коэффициент заполнения капилляров невелик.
ТП 2. Если лак содержит много полимерного связующего, то
коэффициент заполнения капилляров увеличивается, но из-за
высокой вязкости глубина его проникновения невелика.
Сформулируем физическое противоречие задачи (ФП).
ФП 1. Лак должен содержать много полимерного связующего
и лак должен содержать мало полимерного связующего.
Это противоречие легко разрешается с использованием стан-
дартного приема разрешения физических противоречий «разде-
ление противоречивых требований во времени». Для нанесения
первого слоя лака следует использовать сильно разбавленный лак,
а для нанесения последующих слоев — лак с большим содержа-
нием связующего. К сожалению, на практике это решение оказа-
лось недостаточно эффективным.
При формулировке технического противоречия, чтобы «об-
мануть» психологическую инерцию человека, ТРИЗ рекомендует
уходить от конкретных названий. Если слово «лак» заменить бо-
Глава 2. Макроэлектроника
лее широким понятием «жидкость», ФП можно сформулировать
следующим образом.
ФП 2. Полимерное связующее в жидкости должно быть и
полимерного связующего в жидкости не должно быть.
Или:
ФП 3. Частицы полимера в жидкости должны быть больши-
ми и частицы полимера в жидкости должны быть маленькими.
Или:
ФП 4. Частицы полимера в жидкости должны быть, и частиц
полимера в жидкости не должно быть.
Для разрешения этих противоречий вновь можно использо-
вать прием «разделить противоречивые требования во времени».
Частицы полимера в жидкости должны быть на финише процес-
са и частиц полимера не должно быть на его старте.
Конкретное техническое решение можно найти в школьном
учебнике по химии — реакция полимеризации. Молекулы моно-
меров соизмеримы по величине с молекулами воды. А молеку-
лярная масса полимеров измеряется сотнями тысяч и даже мил-
лионами у. е. (не подумайте о долларах). И самое главное, поли-
меризация идет практически без изменения объема!
Специалисты (на то они и специалисты) умерят наш восторг
и скажут: «Нет, не пойдет. Полимеризация обычно происходит
при температуре выше 65 °C (стандартной температуры для суш-
ки лаковых покрытий)». Можно, опустив руки, на этом остано-
виться. А можно и даже нужно продолжить решение.
Сформулируем техническое противоречие следующей задачи.
ТП 1. Если мономер наносится на печатную плату с радио-
элементами, то капиллярная пористость эффективно заполняет-
ся, но из-за повышенной температуры полимеризации «погиба-
ют» термочувствительные радиоэлементы.
ТП 2. Если мономер наносится на печатную плату до монта-
жа радиоэлементов, то термочувствительные радиоэлементы со-
храняют работоспособность, но при этом мономер полимеризу-
ется и на поверхности печатной платы, ухудшая качество пайки.
От ТП 2 переходим к формулировке физического противо-
речия.
ФП. Мономер должен полимеризоваться и мономер не дол-
жен полимеризоваться.
На этот раз ТРИЗ предлагает использовать другой прием разре-
шения физических противоречий — «разделить противоречивые
требования в пространстве». Мономер должен полимеризоваться в
2.2, Наш ответ
объеме (в капиллярах) и не должен полимеризоваться вне объема
(на поверхности). Для нахождения конкретного решения следует
заглянуть уже в вузовский учебник по химии полимеров. Оказыва-
ется, мономерные композиции с такими свойствами существуют.
Итак, поставленная задача решена. Но, как это бывает в ре-
альной жизни, на пути от принципиального решения до работа-
ющей технологии пришлось сформулировать и решить еще не-
мало изобретательских задач. И очень удачным оказалось то, что
ТРИЗ-специалист и просто специалист в данном случае объеди-
нились в одном лице. Технология, названная полимеризацион-
ным наполнением, оказалась способной повышать уровень со-
противления изоляции стеклотекстолита в печатных платах не в
разы, а в сотни, тысячи и более раз со всеми вытекающими из
этого последствиями...
Вот вам и изобретение, сделанное при помощи ТРИЗ. И это
не какое-то несущественное усовершенствование, а, по словам
специалистов, прорыв в области технологии изготовления и вла-
гозащиты печатных плат. В максимальном объеме информацию
о технологии полимеризационного наполнения можно получить
на сайте автора [6] или в книге [7].
2.2.2. Сверхэффект
Разработка технологии полимеризационного наполнения начи-
налась с решения «исправительной» задачи. Задача-минимум —
устранение дефектов внешнего вида стеклотекстолита непосред-
ственно в подложке печатной платы. Правильнее было бы ре-
шать более глобальную задачу — продолжать совершенствовать
технологию изготовления стеклотекстолитов, тем более что за
рубежом в этом направлении уже был достигнут значительный
прогресс. Во всяком случае, о дефектах внешнего вида стекло-
текстолита там давным-давно забыли. Но в данном случае откло-
нение от «генеральной» линии развития позволило получить нео-
жиданные и в какой-то мере выдающиеся результаты.
В таблице 2.1 приведены результаты испытаний двухсторон-
них печатных плат, изготовленных в едином технологическом
цикле в условиях серийного производства из базовых материалов
СТФ-35-1,5 ТУ 16-503.161-83 (Россия) и FR-4 (изготовитель —
фирма Isola).
На первый взгляд, ничего особенного в этой таблице нет. Но
если внимательнее вглядеться, можно увидеть замечательные ре-
зультаты.
Глава 2. Макроэлектроника
Таблица 2.1. Влияние полимеризационного наполнения на уровень
сопротивления изоляции в двухсторонних печатных платах.
Марка стекло- текстолита, номер печатной платы Сопротивление изоляции, Ом
Цепь 1 Цепь 2 ЦепьЗ Цепь4 Цепь 5
СТФ, 4037011 до наполнения после наполнения 1,9 х 1010 2,4 х 1012 2,0 х 1010 4,0 х 1012 2,1 х 1010 4,7 х 1012 9,0 х 101 2 * * * * * * 9 4,5 х 1012 4,6 х 10’ 1,5 х 1012
СТФ, 4037009 до наполнения после наполнения 2,0 х 1010 5,2 х 1012 9,0 х 109 4,5 х 1012 1,1 х 1010 3,0 х 1012 1,1 х 1010 4,0 х 1012 4,2 х 10’ 4,5 х 1012
FR-4, 4027263 до наполнения после наполнения 1,4 х 1010 9,0 х 1010 1,2x10'° 1,3x10" 1,1 х 1010 1,9 х 10" 1,4 х 1010 8,5 х 10" 4,5 х 10’ 1,6 х 10"
FR-4, 4027264 до наполнения после наполнения 1,35 х 1010 4,0 х 1010 1,2 х 1010 7,5 х 1011 1,2 х 1010 7,5 х 1010 1,2 х 10'° 3,0 х 1012 5,1 хЮ9 1,7x10й
FR-4, 4027265 до наполнения после наполнения 1,4x10" 5,5 х 1011 1,3x10'° 8,0 х 1011 5,1 х 109 1,4 х 10" 1,2 х Ю10 3,0х 10" 5,7 х 109 2,5 х 10"
Примечание. Измерения проводились тераомметром Е6-1 ЗА в нормальных
условиях при испытательном напряжении 10 В.
1. Полимеризационное наполнение приводит к повышению
уровня сопротивления изоляции в цепях двухсторонних пе-
чатных плат в среднем на 1—2 порядка даже в нормальных
условиях.
2. После проведения полимеризационного наполнения сопро-
тивление изоляции повышается в цепях всех печатных плат. Но
если сравнивать конечные значения, то зарубежный стеклотек-
столит уже проигрывает отечественному, причем значительно!
В «наших» (в полном смысле этого слова) печатных платах пре-
валирует множитель 1012, а в иных — всего лишь 10п.
Нелогичный, на первый взгляд, результат объясняется доволь-
но просто. У отечественного стеклотекстолита хуже характерис-
тики эпоксидной полимерной матрицы (частота и регулярность
полимерной сетки, степень отверждения и др.). Эти характерис-
тики отрицательно влияют на влагостойкость печатных плат,
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть
увеличивая диффузионную проницаемость стеклотекстолита для
влаги. Эти же характеристики положительно влияют на увеличе-
ние диффузионной проницаемости полимерной матрицы стек-
лотекстолита для мономерной композиции.
Таким образом, при проведении полимеризационного напол-
нения печатных плат с заведомо худшими техническими харак-
теристиками можно получить сверхэффект — реализовать мак-
симально высокий уровень сопротивления изоляции. С точки зре-
ния ТРИЗ в данном случае реализовано два типовых приема
разрешения технических противоречий: «использовать вред в
пользу» и «использовать частично недостающее действие».
Сверхэффект позволяет очень просто решить проблему на этот
раз не отсталой России, а высоко развитых зарубежных стран.
Уровень сложности современных печатных плат вырос много-
кратно. Уже получены печатные платы с зазором между провод-
никами 8—10 мкм [8]! Обеспечить необходимый уровень сопро-
тивления изоляции в таких зазорах ой как не просто.
Это оригинальное техническое решение получилось как бы само
собой. Чуть позже аналогичное техническое решение было реали-
зовано автором уже сознательно в технологии изготовления изде-
лий из стеклопластиков с улучшенными физико-механическими
свойствами [9], еще позже — и в технологии полимеризационного
наполнения влагозащитных полимерных покрытий [10].
2.3. Граница должна быть
и границы не должно быть
2.3.1. На стыке интересов
Эксперт (специалист) — это человек, который знает все больше
и больше о все меньшем и меньшем [11]. Не правда ли, непрос-
тая проблема? Эта проблема, в свою очередь, рождает великое
множество других проблем, чуть ниже своей прародительницы
по рангу.
Полимеризационное наполнение подложек печатных плат
стало решением проблемы, которая появилась на стыке интере-
сов узких специалистов, занимающихся изготовлением базовых
материалов для печатных плат и узких специалистов, занимаю-
щихся изготовлением из этих материалов печатных плат. На сты-
ке интересов на этот раз изготовителей печатных плат и тех, кто
занимается влагозащитой в общепринятом смысле этого слова
Глава 2. Макроэлектроника
(лакокрасочников), возникла другая проблема. С технической
точки зрения эта проблема возникла также на стыке (границе
раздела) стеклотекстолита и влагозащитного полимерного по-
крытия.
Большие (гигаомные) сопротивления всегда неуютно чувство-
вали себя на этой нейтральной полосе. При эксплуатации печат-
ных узлов в условиях повышенной влажности паразитные токо-
вые утечки по границе раздела стеклотекстолит — полимерное
покрытие становятся сопоставимыми с рабочими токами в высо-
коомных цепях. Переход на поверхностный монтаж серьезно усу-
губил эту проблему, значительно (многократно) уменьшив рас-
стояние между ножками радиоэлементов.
Но использование в радиотехнике электрических цепей, в
которых реализуются очень малые токи, — не чье-то желание, а
необходимость. Например, без таких цепей очень сложно, а по-
рой и невозможно, реализовать приборы измерительной техни-
ки. Неизбежность существования паразитных (шунтирующих)
токов учитывается разработчиками радиоэлектронной аппарату-
ры. Обычно при проектировании закладывается кратность пре-
вышения уровня сопротивления изоляции нагрузки применяе-
мых элементов, которая в зависимости от условий работы со-
ставляет от 20 до 1000 [12]. Но такие требования должны быть
соизмеримы с реальными изоляционными характеристиками ис-
пользуемых материалов и реальными конструктивно-технологи-
ческими решениями. А реальное конструктивно-технологичес-
кое решение (печатная плата + влагозащитное покрытие) уж очень
далеко от идеального решения. Как быть?
2.3.2. Адгезия
Поговорим об адгезии — зоне профессиональных интересов дру-
гих узких специалистов, на этот раз по клеям. Ключевое слово
этих специалистов — адгезия. Адгезия (от латинского adhaesio —
притяжение, сцепление, прилипание) — явление соединения
приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз [13].
Обычно соединяемые фазы (субстраты) — это твердые тела (ме-
таллы, полимеры, керамика и др.). А в качестве адгезивов (клеев)
используются жидкости (растворы, расплавы, реже низкомоле-
кулярные соединения).
Адсорбционная (молекулярная) теория рассматривает адгезию
как результат проявления сил молекулярного взаимодействия
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть
между контактирующими поверхностями адгезива и субстрата.
С этой точки зрения очень важно, чтобы адгезив и субстрат об-
ладали полярными функциональными группами.
В термодинамической трактовке явления адгезии основное
внимание уделяется поверхностному натяжению, смачиваемости
и иным явлениям на поверхности раздела: субстрат—адгезив.
Для понимания доступнее всего теория адгезии, основанная
на «механическом» подходе (учитывающая морфологию поверх-
ности субстрата). Чем больше поверхность субстрата отличается
от идеально ровной, тем это лучше для обеспечения надежного
адгезионного соединения. Увеличение площади фактического
контакта между адгезивом и субстратом в любом случае должно
приводить к повышению адгезии.
В полимерах выделяют несколько типов структурных образо-
ваний, определяющих своеобразие геометрии (неровность) по-
верхности: глобулы, ленточные и пачечно-фибриллярные струк-
туры, кристаллы, сферолиты и их агрегаты. Для стеклотекстоли-
тов характерно еще и наличие поверхностных пор, отличающихся
по размерам: макропоры (более 100 нм), субмикропоры (до 20 нм),
микропоры (до 2 нм) [14].
2.3.3. Когезия
Когезия — это сцепление, притяжение между частицами одного
и того же тела, приводящие к объединению этих частиц в единое
целое [15].
Систему стеклотекстолит — влагозащитное полимерное по-
крытие можно рассматривать еще и как часть (половину) адгези-
онного соединения. Субстрат — стеклотекстолит, адгезив — ла-
ковое или, в общем случае, полимерное покрытие. Это очень
даже удачный случай для получения прочного адгезионного со-
единения. Молекулы полимерных покрытий, так же как и моле-
кулы эпоксидного связующего стеклотекстолита, в большинстве
случаев полярны. По той же причине стеклотекстолит очень хо-
рошо смачивается. Пористость поверхностного слоя стеклотек-
столита отрицательно сказывается на влагостойкости печатных
плат, но одновременно способствует повышению адгезии поли-
мерного покрытия по «механическим» причинам.
Но, несмотря на это, адгезия влагозащитного покрытия к стек-
лотекстолиту явно недостаточна. Адгезионная связь по своей
прочности еще далека от прочности когезионной связи. Если бы
Глава 2. Макроэлектроника
было наоборот, то давление жидкости, проникающей под пленку
покрытия, например из-за осмотических явлений, не отрывало
бы ее. А разрыв равновероятно происходил бы в объеме стекло-
текстолита или в объеме полимерного покрытия.
В идеальном случае прочность адгезионного соединения дол-
жна быть равной когезионной прочности субстрата и/или адге-
зива. Идеальное может реализоваться в материальное лишь при
условии, что исчезнет граница фаз. Если исчезнет граница разде-
ла фаз, исчезнут и проблемы, с нею связанные, в том числе и
проблема нежелательных токовых утечек вдоль этой границы.
Как сделать так, чтобы граница раздела фаз исчезла? Под-
сказка — использовать явление диффузии. В некоторых случаях
установление контакта между адгезивом и субстратом не ограни-
чивается адсорбцией полимерных молекул на твердой поверхно-
сти. В работе [13] всерьез рассматриваются процессы диффузии
макромолекул адгезива в объем субстрата. Оказалось, что макро-
молекулы адгезива, используя свою гибкость, могут проникать в
полимеры на значительную глубину. Такие несколько неожидан-
ные явления были зафиксированы преимущественно для поли-
меров, находящихся в высокоэластическом состоянии. В стекло-
образные субстраты полимерной природы макромолекулы спо-
собны проникать в основном по системе внутренних пор, каналов
и капилляров. Однако они оказываются для макромолекул слиш-
ком узкими. Поэтому диффузия полимеров в полимеры, находя-
щиеся в стеклообразном состоянии (полимерная матрица стек-
лотекстолита), практически невозможна.
В той же работе, но уже в качестве недостатка, рассматрива-
ется возможность перераспределения между двумя фазами низ-
комолекулярных составляющих адгезива и субстрата. Этот «не-
достаток» низкомолекулярных инградиентов можно превратить
в достоинство (вред в пользу). Более того, он уже стал достоин-
ством так называемых мономерных клеев [16]. Такие клеи прак-
тически на 100 % состоят из низкомолекулярных соединений и
вследствие этого способны проникать в поверхностные слои по-
лимерного субстрата.
Однако столь выдающиеся способности мономерных клеев
не используются в должной степени. Причин — несколько. Что-
бы проникнуть в полимерный субстрат на достаточную глубину,
мономеры должны иметь очень низкую вязкость, а сам процесс
диффузии должен быть продолжительным. Низкая вязкость при-
водит к выдавливанию (вытеканию) адгезива из пространства
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть

между склеиваемыми субстратами и, как следствие, к уменьше-
нию прочности адгезионного соединения. Процессы диффузии
низкомолекулярных соединений в полимеры не могут осуществ-
ляться мгновенно. Кроме того, большое время от начала склеи-
вания до его конца в технологиях склеивания не приветствуется.
Приветствуются момент-клей. Довольно узка и гамма мономе-
ров, способных обеспечивать высокую адгезию.
2.3.4. И вновь полимеризационное наполнение
Но если перейти к половине адгезионного соединения, то обо
всех этих недостатках (противоречиях) можно забыть. Полиме-
ризационное наполнение (базовая технология) основано на том,
что жидкая композиция на основе бифункциональных мономе-
ров заполняет дефекты структуры подложки печатной платы (стек-
лотекстолита), а затем при термообработке происходит полиме-
ризация (отверждение) этой композиции в объеме подложки.
Причем проникновение композиции происходит не только в
макродефекты, но и внутрь полимерного субстрата. Таким спо-
собом осуществляется своеобразное наполнение одного полиме-
ра другим полимером. При этом происходят благоприятные во
всех отношениях изменения в подложке печатной платы: умень-
шение пористости, уменьшение водопоглощения, уменьшение
диффузионной проницаемости и, наоборот, увеличение уровня
сопротивления изоляции.
Базовая технология полимеризационного наполнения, «уси-
ливая» поверхностный слой стеклотекстолита и вследствие этого
уменьшая токовые утечки через этот слой, уже в какой-то степе-
ни решает проблему. Кардинально решить эту проблему, и не
только эту, могут разработанные автором другие способы влаго-
защиты печатных плат, основанные также на полимеризацион-
ном наполнении [10,17].
Распределение полимера-наполнителя по толщине печатного
узла в базовой технологии и в способах 1 и 2 показано на рис. 2.1.
Как получается такое распределение при использовании ба-
зовой технологии, думаю, не требует особых пояснений.
Способ 1 может быть реализован следующим образом.
Первая стадия — заполнение полимеризационноспособной
(мономерной) композицией дефектов структуры стеклотексто-
лита осуществляется так же, как и в базовой технологии. Далее
на поверхность печатной платы (печатного узла) наносят лак,
Глава 2 Макроэлектроника
Базовая технология Способ 1 Способ 2
!. 2.1. Распределение полимера-наполнителя по толщине печатного узла в базовой технологии.
2.3. Граница должна быть и границы не должно быть
ламинат или даже компаунд. Через некоторое время проводят
термообработку печатной платы (печатного узла).
При осуществлении этого способа композиция проникает не
только в объем подложки печатной платы, но и в прилегающий к
поверхности подложки материал покрытия. При термообработке
происходит последовательное или совместное отверждение ма-
териала покрытия и композиции в зоне, прилегающей к подлож-
ке печатной платы. Поскольку композиция одновременно поли-
меризуется и в объеме подложки, и в объеме покрытия, а поли-
меризация происходит с образованием трехмерной полимерной
сетки, подложка и полимерное покрытие связываются при этом
в единое целое. Что и требовалось доказать!
Способ 2 отличается тем, что на печатной плате сначала в
полном объеме реализуют влагозащитное покрытие (нанесение +
отверждение). Далее полимеризационное наполнение осуществ-
ляют так же, как и в базовой технологии. Отличия лишь в режи-
мах его осуществления. На финише, так же как и в способе 1,
композиция полимеризуется одновременно в полимерном покры-
тии и в подложке, связывая их своей трехмерной полимерной
сеткой в единое целое. Отличие — иной профиль распределения
полимера-наполнителя.
Эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита — трехмер-
ный полимер, полимерное покрытие в большинстве случаев —
трехмерный полимер, отвержденный полимер-наполнитель —
также трехмерный полимер. Связывание подложки печатной пла-
ты и полимерного покрытия в обоих способах происходит с об-
разованием топологических взаимопроникающих полимерных
сеток, разорвать которые невозможно, не разрывая бесконеч-
ное множество очень прочных химических связей. Химических
связей, связывающих полимерный субстрат (подложку печат-
ной платы) и влагозащитное покрытие, нет, и в то же время,
чтобы влагозащитное покрытие «оторвать», химические связи
нужно разорвать. Или же: граница раздела фаз есть и одновре-
менно цэаницы раздела нет! Не правда ли, красивое техничес-
кое решение?
Если посмотреть со стороны, то решение частной проблемы
позволило реализовать новые способы влагозащиты печатных плат
(узлов), превосходящие базовую технологию во многих отноше-
ниях. Так, из рис. 2.1 следует, что новые способы влагозащиты:
• повышают эффективность «усиления» стеклотекстолита;
• «усиливают» и влагозащитное покрытие, уменьшая его диффу-
зионную проницаемость.
Глава 2. Макроэлектроника
2.4. Мойдодыр
2.4.1. Тройная связка
А вот в области «мытья до дыр» дать ответ Чемберлену нам пока
не удалось. Проблема отмывки печатных узлов от различных заг-
рязнений и в первую очередь от остатков паяльных флюсов важ-
на, сложна и многогранна. Важна потому, что с качеством от-
мывки однозначно связана надежность изделий электроники,
особенно в тех случаях, когда эти изделия используются «на семи
ветрах». Особенно опасны так называемые ионогенные загрязне-
ния, способные спровоцировать ненужную проводимость. Трой-
ная связка (ионогенные примеси, вода и электрический ток) обыч-
но приводит к отказам изделий по механизму, основу которого
составляет электрохимический процесс (рис. 2.2).
В результате приложения разности потенциалов происхо-
дит процесс электролиза, при котором положительно заряжен-
ный проводник (анод) растворяется, отдавая воде положитель-
но заряженные ионы, которые, направляясь к отрицательно
заряженному проводнику (катоду), восстанавливаются на нем
до металла. При этом в изоляционном зазоре образуются про-
водящие перемычки, напоминающие морозные узоры на стек-
ле — дендриты. При протекании электрохимических процес-
сов очень быстро могут образовываться нитевидные кристал-
лы толщиной от 2 до 20 мкм и длиной до 12 мм [18]! После
замыкания проводников они утолщаются до 0,1 мм. К чему
могут привести такие замыкания, не требует дополнительных
пояснений: в лучшем случае это отказ изделия, в худшем —
его самовозгорание.
Интересно, что аналогичные токопроводящие перемычки
могут образовываться в печатных узлах и при приложении пере-
менного тока. С постоянным током все ясно даже ученику седь-
мого класса. А вот как получаются эти перемычки в переменном
Рис. 2.2. Модель электрохимического отказа.
токе, сложно понять не только семикласснику. Для решения этой
«изобретательской» задачи матушка-природа использовала гораздо
менее известный вентильный эффект, наблюдаемый при элект-
ролизе ряда металлов, в том числе и меди [19].
А решение достаточно простое. Электрический вентиль (от нем.
Ventil — клапан) — название электрического прибора, обладаю-
щего в зависимости от направления электрического тока высо-
кой (для токов прямого направления) или низкой (для токов об-
ратного направления) проводимостью — так называемая одно-
сторонняя проводимость. Эта особенность вентилей обусловливает
их широкое применение в качестве активного элемента выпря-
мителей, инверторов, преобразователей частоты, коммутирующих
устройств и т. д. Эта же особенность приводит к тому, что на
границе раздела металла и электролита переменный ток стано-
вится «похожим» на постоянный — вентильный эффект, со все-
ми вытекающими из этой постоянности неприятными послед-
ствиями.
2.4.2. Сеты противоречий
Для того чтобы решить какую-то реальную техническую пробле-
му, чаще всего приходится решать целую серию изобретательс-
ких задач. При разработке технологии полимеризационного на-
полнения печатных плат автору пришлось решить множество изоб-
ретательских задач (более десятка). Эти изобретательские задачи
чаще всего следовали друг за другом (своеобразная цепочка за-
дач). Другой предельный случай — для решения проблемы необ-
ходимо решение нескольких параллельных задач. Но чаще всего
последовательные и параллельные задачи складываются в свое-
образную запутанную сеть. Распутыванием такой противоречи-
вой сети уже в течение многих лет занимаются технологи-разра-
ботчики и технологи-практики, работающие в области отмывки
печатных плат и печатных узлов.
2.4.2.1. Мыть или не мыть?
Мыть или не мыть? Увы, на этот почти «шекспировский» вопрос
универсальный ответ еще не найден. Универсальный ответ суще-
ствует пока лишь на уровне здравого смысла. Он определяется
как техническими, так и экономическими факторами.
Первый фактор — активность используемого паяльного флю-
са, а именно остатки паяльного флюса составляют львиную долю
Глава 2. Макроэлектроника
загрязнений. Активные флюсы нужны, поскольку они гаранти-
руют высокое качество пайки. Активные флюсы не нужны, по-
скольку они, как правило, содержат чрезвычайно агрессивные
химические соединения. В этой задаче явно прослеживаются
противоречивые требования: флюс должен быть активным и не
должен быть активным. Это интереснейшая изобретательская
задача. Пока же существует один общий неизобретательский от-
вет — чем выше активность флюса, тем тщательнее и тем быст-
рее нужно отмывать печатные узлы.
Второй фактор — класс аппаратуры и соответственно пред-
полагаемые условия ее эксплуатации. В данном случае ответ
лежит в области компромисса. Для бытовой техники, исполь-
зуемой преимущественно в «тепличных условиях», операцию
отмывки обычно исключают. И, наоборот, для специальной тех-
ники, и в первую очередь военной, эта операция является обя-
зательной. Все остальные случаи лежат внутри этой «вилки».
В частных случаях некоторые противоречивые требования уже
разрешены. Одно из решений — использование паяльных флю-
сов с крайне малым содержанием твердого вещества (No-Clean).
Содержание сухого остатка в таких паяльных флюсах составляет
всего несколько процентов. Поэтому после испарения раство-
рителя на поверхности печатной платы почти ничего не остает-
ся. А как бы хотелось, чтобы слово «почти» можно было заме-
нить на слово «ничего»!
Другое решение — использование так называемых неудаляе-
мых паяльных флюсов. В этом случае на поверхности печатного
узла остается почти все. Идея этого решения заключается в том,
что остатки паяльных флюсов сами собой или с дополнительной
помощью человека (при термообработке) превращаются в защит-
ную пленку, аналогичную по своим физическим (диэлектри-
ческим) свойствам влагозащитному покрытию печатного узла.
В основе такого превращения лежит обычная реакция поликон-
денсации. Неудаляемые паяльные флюсы зарубежного и отече-
ственного производства (ФПС-6, ФПС-6НК) широко предлага-
ются ныне на нашем рынке [20]. К сожалению, создатели таких
флюсов пока остановились на уровне «шаг назад от ИКР». Элек-
троизоляционные свойства защитных пленок хуже, чем у тради-
ционных влагозащитных покрытий. Как следствие, такое техни-
ческое решение без оглядки может быть использовано только
для неответственных применений.
2.4.2.2. Огласите, пожалуйста, весь список
Основной «загрязнитель» поверхности печатных плат — остатки
паяльных флюсов. Основной, но не единственный. При прове-
дении «мокрых» операций (химическая металлизация, гальвани-
ческая металлизация, травление и др.) поверхностный слой пе-
чатных плат загрязняется химическими соединениями преиму-
щественно неорганической природы (соли, кислоты и др.). При
проведении «сухих» операций (сверление, механическая обработ-
ка) на поверхности печатных плат могут появиться смазки и ох-
лаждающие эмульсии. Окружающая среда, особенно атмосфера
промышленных районов, также вносит свой посильный вклад в
загрязнение поверхности печатных плат. Очень активным заг-
рязнителем является сам человек. «Отпечатки» его пальцев со-
держат большое количество водорастворимых и в большинстве
своем ионогенных соединений [12]:
Натрий хлористый, г/л 3,6
Уксусная и пропионовая кислоты, г/л 0,5
Мочевина, г/л 0,5
Кальций хлористый, г/л 0,3
Глюкоза, г/л 0,2
Калий хлористый, мг/л 30
Мочевая кислота, мг/л 30
Натрий сернокислый, мг/л 25
Те же «отпечатки» всегда содержат и жировые загрязнения, а
иногда еще и остатки кремов для рук, женской косметики и др.
Поэтому спектр химических соединений, загрязняющих по-
верхность печатного узла, чрезвычайно широк. Но все эти заг-
рязнения можно грубо разделить на две большие группы: гидро-
фобные и гидрофильные. Именно такая классификация играет
определяющую роль при выборе оптимального моющего сред-
ства и/или оптимальной технологии отмывки печатных узлов.
2.4.2.3. Гидрофильно-гидрофобный баланс
В дословном переводе гидрофильность означает любовь к воде, а
гидрофобность — страх, неприязнь по отношению к ней. Если
молекулы вещества сильно взаимодействуют с водой, например,
образуя водородные связи, то говорят о его гидрофильности, при
слабом взаимодействии — о его гидрофобности [21]. Гидрофиль-
ность присуща веществам, близким по химическому строению с
Глава 2. Макроэлектроника
водой и, наоборот, гидрофобными свойствами обладают веще-
ства, очень далекие от воды по своей химической структуре.
Известно, что подобное растворяется в подобном. Термоди-
намика говорит, что при этом уменьшается изобарно-изотерми-
ческий потенциал системы. Как следствие, для удаления гидро-
фильных загрязнений нужно использовать гидрофильные раство-
рители, а для удаления гидрофобных загрязнений — гидрофобные
растворители. Но если мы будем отмывать печатный узел снача-
ла в гидрофильном растворителе (этиловом спирте), а затем в
гидрофобном (бензине) или наоборот, то ничего хорошего не по-
лучится. Дело в том, что индивидуальный растворитель после
испарения вновь оставит на поверхности то, что он ранее в себя
вобрал: бензин — жировые загрязнения, а этиловый спирт — ос-
татки канифоли и некоторые неорганические соединения.
Изобретательское решение заключается в том, что если эти-
ловый спирт и бензин объединить в соотношении 1:1, то раство-
ряющая и, самое главное, очищающая способность такой смеси
будет гораздо лучше. Такая смесь уже давным-давно использует-
ся для отмывки печатных узлов (приоритет и авторы изобрете-
ния неизвестны). Какой же физический эффект лежит в основе
этого изобретения? Говорят [18], что азеотропные свойства та-
кой смеси. Азеотропные (нераздельнокипящие) жидкие смеси
характеризуются равенством составов равновесных жидкой и паро-
вой фаз. При кипении таких смесей образуется конденсат того же
состава, что и исходный раствор. Это очень затрудняет разделение
жидких смесей методом перегонки. В технологии отмывки печат-
ных узлов это свойство азеотропных смесей, наоборот, очень по-
могает. Спиртобензиновая смесь — одна из примерно 10000 изве-
стных азеотропных смесей. Она растворяет загрязнения, и, бла-
годаря азеотропности эти загрязнения удаляются с поверхности
печатного узла вместе с ее парами.
К сожалению, спиртобензиновая смесь крайне малоэффек-
тивно удаляет активаторы флюсов (органические кислоты или
галогенопроизводные), остатки флюсов с низким содержанием
твердого вещества (No-Clean), ионные водорастворимые загряз-
нения. Гораздо более эффективным оказалось использование для
отмывки печатных плат спиртосодержащих жидкостей, основу
которых составляет изопропиловый спирт. Гидрофильно-гидро-
фобный баланс растворителя в данном случае реализован в пре-
делах одной молекулы изопропилового спирта. Большая часть
этих жидкостей обладает универсальными моющими свойства-
ми. Например, жидкость на основе модифицированных спиртов
Zestron FA+ способна удалять канифольные флюсы, флюсы с
низким содержанием твердых веществ, флюсы на синтетической
основе и водосмываемые флюсы.
2.4.2.4. Гордиев узел
Независимо от того, какого рода составы используются для от-
мывки печатных плат, до недавнего времени их объединял один
общий принципиальный недостаток — накопление загрязнений
в моющих составах в процессе отмывки. Как следствие, срок жиз-
ни таких составов ограничен. На практике отмывка печатных узлов
часто проводится в нескольких ваннах (отмывка спиртобензиновой
смесью). В каждой последующей ванне количество загрязнений
уменьшается. Установить бесконечное множество ванн, гарантиру-
ющих нулевое содержание загрязнений на финише процесса от-
мывки печатных узлов, невозможно. Обычно из соображений
экономии используют не более трех ванн, причем по мере заг-
рязнения производится еще и ротация моющих растворов. Как
следствие, об идеальной чистоте поверхности печатных узлов
можно только мечтать. Технологи иногда шутят, говоря о том,
что они занимаются не отмывкой печатных узлов, а размазыва-
нием грязи на их поверхности.
Физическое противоречие этой задачи:
ФП. Загрязнения в промывочной ванне (промывочной жид-
кости) должны накапливаться и не должны накапливаться.
Это непростое противоречие было разрешено. «Гордиев узел»
удалось разрубить благодаря разработкам фирмы Zestron [22].
Разработанная ее специалистами МРС (Micro Phase Cleaning) тех-
нология сочетает преимущества моющих средств на водной и
спиртовой основах, и самое главное — промывочные жидкости,
с помощью которых реализуются эти технологии, теоретически
могут работать бесконечно. На практике срок службы таких со-
ставов без замены достигает 1 года. Принцип действия МРС-
технологии показан на рис. 2.3.
Активные компоненты, присутствующие в промывочной жид-
кости, имеют форму микроскопических капель (микрофаз). Мик-
рофазы могут эффективно удалять с поверхности печатного узла
жировые загрязнения, остатки флюсов и т. д. Затем частицы заг-
рязнений самопроизвольно переходят из объема микрофаз в вод-
ный раствор. Таким образом происходит самоочищение (реге-
Глава 2. Макроэлектроника
Рис. 2.3. Принцип действия МРС-технологии.
нерация) микрофаз. Микрофазы не накапливают загрязнения, как,
например, ПАВ или спиртобензиновая смесь, а всего лишь рабо-
тают в качестве их переносчика (посредника). Поскольку части-
цы загрязнений в промывочной жидкости полностью не раство-
ряются, они могут легко удаляться из раствора фильтрацией или
снятием с поверхности.
Процесс отмывки строится на замкнутом цикле. Длительное
время жизни промывочной жидкости и стабильно высокое ка-
чество отмывки обеспечиваются оснащением ванны отмывки
двухступенчатой системой поглощения остатков флюса и дру-
гих загрязнений (механические фильтры с размером ячеек пре-
фильтра — 20 мкм и основного фильтра — 5мкм). МРС-техно-
логия реализуется при отмывке печатных узлов промывочными
жидкостями на водной основе Vigon US, Vigon А 200, Vigon А
300 и др.
Очень интересное техническое решение. К сожалению, конк-
ретика этого технического решения неизвестна. Разработчики,
так же как и рецепт Кока-Колы, сохраняют его в глубокой тайне.
Известно лишь то, что сверхвысокая растворяющая способность
такого рода составов, увы, не очень «нравится» печатным узлам,
изготовленным из отечественных материалов. Вместе с загрязне-
ниями удаляются и маркировочные краски и даже частично из-
влекается из стеклотекстолита не до конца отвержденная эпок-
сидная смола!
Как здесь не вспомнить вновь о том, что улучшение какой-то
одной технической характеристики в технической системе приво-
дит к ухудшению какой-то другой ее характеристики. За рубежом
это ухудшение уже сумели устранить (создав при этом новое?).
Отечественные потребители пока поставлены перед дилеммой —
либо не использовать такие материалы и технологии вообще, либо
использовать, но при этом использовать еще и другие зарубежные
материалы (стеклотекстолиты, маркировочные краски и т. д.).
2.4.3. А если противоречия не видны?
А как быть, если в изобретательской задаче отсутствует явное про-
тиворечие? Для решения задач, в которых нет явного противоре-
чия, могут быть использованы стандарты на решение изобретатель-
ских задач, в основе которых лежит так называемый вепольный
анализ. Как это ни парадоксально звучит, но в ТРИЗ существуют
стандарты на решение творческих, то есть по существу нестандар-
тных задач. Первые стандарты появились на основе часто исполь-
зуемых сочетаний приемов разрешения технических противоре-
чий и физических эффектов. Эти стандарты еще не были упоря-
дочены, а число их быстро увеличивалось. Стандарты — это правила
синтеза и преобразования технических систем, непосредственно
вытекающие из законов их развития. С 76 стандартами на реше-
ние изобретательских задач подробнее можно познакомиться в
работе [23]. Классификация этих стандартов приводится ниже:
Класс 1. Построение и разрушение вепольных систем.
1.1. Синтез веполей.
1.2. Разрушение веполей.
Класс 2. Развитие вепольных систем.
2.1. Переход к сложным веполям.
2.2. Форсирование веполей.
2.3. Форсирование согласования ритмики.
2.4. Феполи (комплексно-форсированные веполи).
Класс 3. Переход к надсистеме и на микроуровень.
3.1. Переход к бисистемам и полисистемам.
3.2. Переход к полисистемам.
Класс 4. Стандарты на обнаружение и измерение систем.
4.1. Обходные пути.
4.2. Синтез измерительных систем.
Глава 2. Макроэлектроника
4.3. Форсирование измерительных веполей.
4.4. Переход к фепольным системам.
В дополнение к этому перечню появились еще и стандарты
на применение стандартов (класс 5). Получилась своеобразная
техническая тавтология. Но в отличие от лингвистики — очень
нужная.
При проведении вепольного анализа конкретная техническая
система заменяется ее упрощенной моделью — веполем (от слов
вещество и поле). Веполь — простейшая работоспособная мо-
дель технической системы (рис. 2.4).
В1
В2
Рис. 2.4. Простейшая работоспособная модель техни-
ческой системы — веполь:
В1 — изделие; В2 — инструмент; П — поле.
Из множества объектов выбираются два: В1 — изделие и В2 —
инструмент. Все второстепенное отбрасывается. Изделием назы-
вают элемент, который по условиям задачи нужно обработать
(изготовить, переместить, изменить, улучшить, защитить от вред-
ного воздействия, обнаружить, измерить и т. д.). Инструментом
называют элемент, с которым непосредственно взаимодействует
изделие.
Для характеристики этого взаимодействия используется по-
нятие поле (П). Поле — это не обязательно какое-то конкретное,
например, физическое поле. Это более общее понятие. Напри-
мер, под химическим полем понимается весь спектр возможных
взаимодействий между изделием и инструментом на базе хими-
ческих превращений. То же самое можно сказать о механическом,
тепловом, электрическом и магнитном полях. Сокращенно пере-
чень всех используемых полей укладывается в слове МаТХЭМ (бук-
ва «а» вставлена для удобства произношения).
Типичная задача, в которой отсутствуют явные противоре-
чия, — интенсификация процессов отмывки печатных узлов. Для
решения этой задачи можно воспользоваться стандартом 2.1.2,
сущность которого заключается в том, что если дан плохо управ-
ляемый веполь и нужно повысить его эффективность, причем
замена элементов этого веполя недопустима, задача решается по-
стройкой двойного веполя путем введения второго поля, хорошо
поддающегося управлению. Схематично этот процесс представ-
лен на рис. 2.5.
2.5. Ориентир — идеальность
П1
В1 -.... В2
Рис. 2.5. Постройка двойного веполя:
В1 — изделие; В2 — инструмент; П1 и П2 — поля.
П1 — это реально существующее взаимодействие между из-
делием (печатный узел с загрязнениями) и инструментом (отмы-
вочная жидкость). Исходный веполь недостаточно эффективен.
Повышение эффективности этого веполя достигается введением
другого поля, например дополнительным воздействием ультра-
звука (П2) [24].
Другим объективным подтверждением правомерности суще-
ствования такого стандарта является техническое решение, упо-
минаемое в работе [25]. Ни для кого не секрет, что металлизация
стенок переходных отверстий в печатных платах при увеличении
соотношения толщины стеклотекстолита к диаметру отверстия
становится проблематичной. Для повышения эффективности
металлизации отверстий предложено использовать активаторы,
частицы которых заряжены противоположно по отношению к
заряду поверхности стенок отверстий. В данном случае В1 — пе-
чатная плата, В2 — частицы активатора, Ш — механическое поле
(взаимодействие за счет диффузии), П2 — электромагнитное поле
(кулоновские силы). Под эту схему укладываются и иные методы
интенсификации обмена электролитов в зоне осаждения метал-
ла, в том числе и использование того же ультразвука.
2.5. Ориентир — идеальность
Стремление к идеальности — «в крови» у любого русского.
Возьмем хотя бы русские народные сказки. Герои таких сказок
предпочитают лежать на способных к самостоятельному пере-
движению печках или командуют волшебными — маленькой (зо-
лотая) или большой (щука) — рыбами.
Оказывается, эти «бездельники» руководствуются вполне
объективным законом развития технических систем: законом по-
вышения идеальности. Стремление к ничегонеделанию в какой-
Глава 2. Макроэлектроника
то степени даже полезно. Оно стимулирует нахождение идеаль-
ных или близких к ним решений. А чем больше стимулов, тем
выше и вероятность нахождения таких решений.
Повышение идеальности — есть увеличение соотношения
где: Фл — полезная функция; Фр — функция расплаты.
Повышение идеальности возможно в результате увеличения
числителя или уменьшения знаменателя этого соотношения. Для
идеальной машины Ф^ = О (машины нет, а функция выполняет-
ся). Для реальной машины функция расплаты должна стремить-
ся к нулю.
В стремлении к идеальности появились несмываемые и не-
уд аляемые паяльные флюсы. Исключение затрат на отмывку в
одном случае, а в другом еще и затрат на нанесение дополни-
тельного влагозащитного покрытия существенно повысило их
идеальность и одновременно привлекательность.
Когда-то мой коллега по институту сделал неплохой бизнес
на паяльных флюсах благодаря тому, что сумел очень сильно
уменьшить знаменатель этого соотношения. Уменьшение знаме-
нателя было осуществлено иным способом. В основе работы тра-
диционных паяльных флюсов, используемых для пайки радио-
элементов, лежит реакция (1)
Me О + 2mH+ = пМеп+ + mH7O. (1)
Техническим обоснованием бизнес-идеи было заимствование
флюса из иной области (сварки металлов). Принцип действия
этого флюса был основан на том, что окисная пленка не раство-
рялась, а восстанавливалась до металла по реакции (2)
MenOm + 2шН = пМе 4- шН2О. (2)
В качестве восстановителя в этом флюсе использовался ато-
марный водород, обладающий сильнейшими восстановительны-
ми свойствами. Источником же атомарного водорода был гипо-
фосфит. Идеальность этого решения заключалась в том, что гипо-
фосфит был отходом производства многотоннажного продукта и
почти ничего не стоил. Как следствие, очень сильно уменьшался
знаменатель приведенного выше соотношения. К сожалению, че-
рез некоторое время производство этого продукта прекратили,
знаменатель вновь стал большим, и бизнес пришлось свернуть...
Увеличение числителя этого соотношения чаще всего дости-
гается путем увеличения функциональности технических систем.
Реальный пример — всемерное повышение функциональности
изделий бытовой электронной техники. В этом направлении раз-
вития, несомненно, лидирует сотовый телефон. Не исключено,
что со временем основная функция этого электронного устрой-
ства, которая находит отражение в его названии, может стать
побочной. Произойдет инверсия, и одна из его многочисленных
дополнительных функций вырвется вперед.
Чуть отстают от сотового телефона другие предметы бытовой
техники. Но даже такое слегка неожиданное сочетание холодиль-
ник + телевизор в последние годы уже не режет слух, а превра-
щается в реальность.
2.6. Былое и думы
Говорят, что новое — это хорошо забытое старое. С этим труд-
но не согласиться.
Так, в методе ПАФОС возродилась старинная технология из-
готовления печатных плат методом переноса [26]. Когда-то в этой
технологии использовалась трафаретная печать. Открытия в об-
ласти лазерной техники и фотолитографии позволили реализо-
вать ее на принципиально новом уровне.
Применение радиоэлементов поверхностного монтажа (SMD-
компонентов) позволило уменьшить толщину печатных узлов и
тем самым уменьшить габариты изделий электронной техники.
На этом фоне в прямом и переносном смысле выделялись транс-
форматоры и дроссели. В соответствии с еще одним законом ТРИЗ
(законом согласования — рассогласования технических систем)
это рассогласование было устранено. Появились планарные транс-
форматоры, в которых многослойные печатные платы заменили
проволочные обмотки. В работе [27] говорится о том, что такие
трансформаторы впервые были разработаны в конце 80-х годов.
Заблуждаются! Еще в 1933 году Эрвин Е. Франц (США) предло-
жил использовать для изготовления трансформаторов проводя-
щие слои, изготовленные на целлофане, которые складывались
гармошкой в пакет и пронизывались магнитопроводом [28].
На очереди стоит еще одно рассогласование, на этот раз из
области микроэлектроники [29]. Характерная особенность полу-
проводниковых интегральных схем состоит в том, что в них от-
сутствуют катушки индуктивности, тем более трансформаторы.
Глава 2. Макроэлектроника
Это объясняется тем, что в твердом теле до сих пор не удалось
реализовать какое-либо физическое явление, эквивалентное элек-
тромагнитной индукции. Поэтому при разработке интегральных
схем стараются реализовать схемное решение без использования
индуктивностей, что не всегда удается. Поэтому, если катушка
индуктивности или трансформатор жизненно необходимы, прихо-
дится в дополнение использовать навесные радиоэлементы. И даже
планарный трансформатор, на фоне миниатюрных интегральных
схем выглядит гигантом. А вот решение этой задачи скорее всего
прячется не в глубине веков, а в будущем.
Литература
1. Политехнический словарь/ Редкол.: А.Ю. Ишлинский и
др. — 3 изд. — М.: Сов. энциклопедия, 1989.
2. http://www.pcbfab.ru/article.php?id=21
3. Галецкий Ф.П. Этапы развития печатных плат в ИТМ и ВТ
им. С.А. Лебедева // Экономика и производство. — 2001, № 1.
4. Галецкий Ф.П. Технология изготовления двадцатислойных
печатных плат с проводниками 100 мкм // Экономика и произ-
водство. — 2000, № 12.
5. http://www.ats.net/deutsch/technologie/technologieplatform.html
6. http://www.urazaev.narod.ru
7. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. — М.: Техносфе-
ра, 2006.
8. Ватанабе Риочи. Замечательная идея от фирмы Samsung //
Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в элект-
ронной промышленности. — 2005, № 4.
9. Уразаев В.Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобре-
тателя. — М.: Солон-Пресс, 2003.
10. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты печатных плат. Пат. РФ
№ 2265975. Приоритет от 29.12.2003 г.
11. БлохА. Законы Мерфи. Пер. с англ. — Мн.: Попурри, 2004.
12. Медведев А.М. Надежность и контроль качества печатного
монтажа. — М.: Радио и связь, 1986.
13. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. — М.:
Химия, 1969.
14. Перлин С.М., Макаров В.Г. Химическое сопротивление стек-
лопластиков. — М.: Химия, 1983.
15. Политехнический словарь. Редкол.: А.Ю. Ишлинский и
др. — М.: Сов. энцикл., 1989.
Литература
16. Притыкин Л.М., Кардашов Д.А., Вакула В.Л. Мономерные
клеи. — М.: Химия, 1988.
17. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты печатных плат. Пат. РФ
№ 2265976. Приоритет от 14.01.2004 г.
18. Медведев А.М. Технология производства печатных плат. —
М.: Техносфера, 2005.
19. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. редактор
В.Г. Колесников. — М.: Сов. энциклопедия, 1991.
20. http://www.tlt5-micro.spb.ru/products/equipment2/3-001 .shtml
21. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т. 2. Редкол.: Кну-
нянц И.Л. и др. — М.: Сов. энцикл., 1988.
22. http://www.zestron.com
23. Алътшуллер Г.С. Маленькие необъятные миры. Стандарты
на решение изобретательских задач. Сб. Нить в лабиринте / Сост.
Селюцкий А.Б. — Петрозаводск: Карелия, 1988.
24. Медведев А.М. Ультразвуковая очистка поверхностей пе-
чатных плат // Производство электроники. Технологии, обору-
дование, материалы, 2005, № 1.
25. Biglia R. Neue Materialien fur Mehrlagen-Leiterplatten //
Elektronik Produktion und Pruftechnik. — 1984. № 9.
26. Белевцев А. Г. и др. Печатные схемы в приборостроении,
вычислительной технике и автоматике. М.: Машиностроение, 1972.
27. Макаров В., Рушихин А. Применение планарных транс-
форматоров и плат на алюминиевой подложке в импульсных ис-
точниках электропитания // Силовая электроника. — 2004, № 1.
28. Из истории печатных плат // Электроника: НТВ. 2004, № 5.
29. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. — М.: Физ-
матлит, 2001.
ГЛАВА 3
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Колобок свернулся калачиком и мирно уснул...
3.1. Неотъемлемая часть
3.1.1. Издалека
Интересно, и сколько же раз пришлось бы свернуться калачиком
колобку, чтобы уменьшиться в размерах в тысячи, миллионы и
даже миллиарды раз? А именно такие изменения в размерах ра-
диоэлементов, точнее в размерах отдельных элементов этих ра-
диоэлементов, произошли за неполные полвека.
Бурное развитие микроэлектроники, наблюдаемое в после-
дние годы, стало возможным благодаря совершенствованию техни-
ки. История развития микроэлектроники — неотъемлемая часть
развития техники в целом. Первым шагом к возникновению это-
го направления был переход от электронных вакуумных ламп к
твердотельным приборам, изготавливаемым из материалов с по-
лупроводниковыми свойствами.
Первенство в изобретении транзистора принадлежит сотруд-
никам лаборатории Bell Telephone Laboratories (1948 г.). Пер-
вые транзисторы изготавливались на основе германия, были
точечными, имели нестабильные характеристики, недостаточ-
ную надежность, очень высокий уровень шумов и... очень до-
рогими.
Переход от точечных транзисторов к плоскостным (планар-
ные технологии), так же как и переход от германия к кремнию,
был осуществлен фирмой Texas Instrument Incorporation в 1953 г.
Использование кремния позволило резко увеличить мощность
транзисторов. Освоение групповой технологии изготовления тран-
зисторов, основанной на использовании диффузии, позволило
значительно уменьшить их себестоимость. К этому времени ста-
ло ясно, что электронные лампы доживают последние дни.
Первая интегральная схема, а именно с интегральными схе-
мами ассоциируется ныне понятие «микроэлектроника», была
изготовлена на фирме Fairchild Semiconductor в 1961 г. Эта ин-
тегральная схема представляла собой триггер, состоящий из че-
3.1. Неотъемлемая часть
тырех биполярных транзисторов и двух резисторов. В 1963 г.
фирмой RCA уже была выпущена первая интегральная логичес-
кая схема, включающая 16 МОП-транзисторов. И процесс по-
шел... Быстрому распространению интегральных схем способство-
вали групповые планарные технологии, отработанные в произ-
водстве транзисторов.
3.1.2. Интегральные схемы — какие бывают
По способу изготовления и получаемой структуре различают два
принципиально разных типа интегральных микросхем: полупро-
водниковые и пленочные [1]. По целому ряду причин главен-
ствующее положение занимают полупроводниковые микросхе-
мы (основа современной микроэлектроники).
Полупроводниковая интегральная схема — это микросхема, эле-
менты которой выполнены в приповерхностном слое полупро-
водниковой подложки. Технология их изготовления основана на
легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины пооче-
редно донорными и акцепторными примесями, в результате чего
под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом про-
водимости и р-л-переходы. При этом отдельные слои использу-
ются в качестве резисторов, а р-л-переходы используются для
реализации диодов и транзисторов. Локальное легирование осу-
ществляется с использованием масок, причем роль маски обыч-
но выполняет пленка двуокиси кремния (SiO2), покрывающая
поверхность кремниевой пластины. «Окна» в этой пленке грави-
руются специальными методами. Фрагмент структуры полупро-
водниковой интегральной схемы приведен на рис. 3.1.
Пленочная интегральная схема — это микросхема, элементы
которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность
Рис. 3.1. Фрагмент структуры полупроводниковой интегральной схемы.
Глава 3. Микроэлектроника
диэлектрической подложки (стекло, керамика и др.). В зависи-
мости от толщины пленок различают тонкопленочные (1—2 мкм)
и толстопленочные (10—20 мкм и выше) интегральные схемы.
В толстопленочных технологиях используются пасты различного
состава, в тонкопленочных технологиях пленки осаждаются на
подложку из газовой фазы. Пленочные микросхемы содержат
только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.),
поскольку получить в пленках активные компоненты (транзис-
торы) пока еще не удалось. Как следствие, такие микросхемы
функционально очень ограничены.
В ответ на такие ограничения появились гибридные интеграль-
ные схемы. Гибридная интегральная схема — это микросхема, ко-
торая представляет собой комбинацию пленочных пассивных
элементов и активных компонентов, расположенных на общей
диэлектрической подложке. Дискретные активные компоненты,
входящие в состав таких интегральных схем, называют еще и на-
весными. Известны и другие «смешанные» микросхемы.
Если «сделать наоборот», то получится так называемая совме-
щенная интегральная схема. Совмещенная интегральная схема —
это микросхема, в которой активные элементы выполнены в при-
поверхностном слое полупроводникового кристалла, а пассив-
ные нанесены на предварительно изолированную поверхность
кристалла в виде пленок.
Что же объединяет все эти типы микросхем? Групповые пла-
нарные технологии их изготовления. Говорят, что планарные
(плоскостные) технологии — величайшее научно-техническое
достижение XX века, и их следует проходить в школе, как прохо-
дят падежи и Древнюю Грецию [2].
Микротехнологии — это комплекс групповых прецизионных
планарных технологий, разработанных для производства изде-
лий микроэлектроники. Сущность таких технологий проста по
смыслу и одновременно сложна по содержанию. Она определяет-
ся чередованием целого ряда сложных уникальных процессов [3].
Эпитаксия создает тончайшие слои кремния. Термическое окис-
ление образует на поверхности защитно-изоляционную пленку
окисла. Фотолитография, используя облучение ультрафиолето-
выми и не только ультрафиолетовыми лучами, вырисовывает че-
рез фотошаблон саму микросхему. Имплантация внедряет разог-
нанные ускорителем ионы в кремний. Вакуумная металлизация
формирует на окисленной поверхности кремния тончайшую па-
утину межсоединений.
3.2. Гонка за разрешением
Эти технологии непрерывно модернизировались, но принци-
пы, положенные в их основу, оставались неизменными. Какие
же технические противоречия приходилось преодолевать в про-
цессе модернизации этих технологий, по каким законам проис-
ходило это развитие? Некоторые характерные моменты этого раз-
вития смотрите ниже.
3.2. Гонка за разрешением
Нет, не за разрешением сделать что-нибудь. Под разрешением
понимается точность формирования заданного рельефа (рисун-
ка) микросхем. Чем выше эта точность, тем выше плотность упа-
ковки отдельных элементов внутри микросхемы, тем выше коли-
чество логических элементов, размещаемых на единице площади
микросхемы, и, соответственно, выше ее функциональные воз-
можности.
3.2.1. Свет в окне
В технологии изготовления интегральных микросхем очень важ-
ное место принадлежит маскам, которые обеспечивают локаль-
ный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых
случаях и эпитаксии. Любая маска есть совокупность отверстий
(окон). Как их получить? Решением этой задачи занимается ли-
тография. Литография (от греческого lithos — камень и grapho —
пишу, рисую) — способ формирования рельефа (рисунка) в слое
металла, диэлектрика или полупроводника [4]. Процесс литогра-
фии осуществляется с использованием резистов, чувствительных
к внешнему облучению и способных при этом переходить в не-
растворимое, устойчивое к действию травителей состояние (не-
гативные) или, наоборот, разрушаться (позитивные).
Основная характеристика процесса литографии — разрешаю-
щая способность, то есть способность раздельно воспроизводить
мелкие элементы рисунка. Обычно разрешающая способность
оценивается по минимальной ширине воспроизводимой линии
и определяется преимущественно способом экспонирования и
длиной волны воздействующего излучения. Теоретики говорят,
что предел разрешающей способности — половина длины волны
экспонирующего излучения. Всему виной — дифракция света.
Практика подтверждает эти теоретические предпосылки. По мере
увеличения требований к уровню разрешения литографического
Глава 3. Микроэлектроника
процесса длина волны используемого излучения становится все
меньше и меньше.
Оптическая литография, или фотолитография, обычно исполь-
зует излучение с длиной волны Л = 0,36—0,45 мкм. Если поделить
пополам это значение, то получим теоретически возможное раз-
решение рисунка микросхемы. На практике оно будет чуть хуже
(1—2 мкм). Такой уровень разрешающей способности достато-
чен для получения большей части современных печатных плат
(носителей микросхем), но уже недостаточен для большей части
современных интегральных микросхем. Маленький шажок впе-
ред позволило сделать использование глубокого ультрафиолето-
вого излучения (Л = 0,2—0,3 мкм). Появилась возможность вос-
производить элементы размерами 0,5—0,8 мкм и даже менее того.
Большой шаг вперед позволило сделать использование иных, более
коротковолновых излучений (рентгенолитография, электроноли-
тография).
Рентгенолитография (Л = 0,2—0,5 нм) — один из наиболее
высокоразрешающих методов литографии. Она позволяет полу-
чить рисунок с размерами элементов 0,1 мкм и менее.
Электронная литография обладает наиболее высокой разре-
шающей способностью. Дебройлевская длина волны электрона
(да, электрон, это еще и волна) менее 0,1 нм. И эффекты диф-
ракции, ограничивающие разрешающую способность электрон-
ной литографии, очень малы. Но имеются другие осложняющие
факторы (рассеяние электронов в слое резиста, их отражение от
подложки и др.). Поэтому реально достижимый уровень разре-
шения хуже. Наибольшее практическое значение получила ска-
нирующая электронная литография. Ее основное достоинство —
отсутствие специальных шаблонов для создания требуемой топо-
логии интегральных схем.
И все же, говорят, что возможности твердотельной электро-
ники приближаются к своему пределу. А лимитирующей стадией
являются именно процессы литографии. Размер составляющих
элементов микросхем уменьшается каждые 3 года с коэффици-
ентом 0,7 [1]. По другим данным (закон Мура), плотность упа-
ковки элементов микроэлектроники должна удваиваться каждые
1,5—2 года. Для достижения все более высокого уровня разреше-
ний может быть использована «вилка» между теоретически воз-
можным и реально достижимым уровнем разрешения внутри каж-
дого метода литографии. Но для этого требуется создание новых
материалов, нового оборудования и др. Да и теоретически воз-
3.2. Гонка за разрешением
можные пределы достижения высокого разрешения — не бес-
предельны.
65 нм технологии — реалии сегодняшнего дня современной
твердотельной электроники. Отработаны, но пока еще преиму-
щественно в лабораториях, 45—50 нм технологии. А что же даль-
ше? Дальше скорее всего переход на качественно иной уровень.
Кривая S-образного развития твердотельной электроники при-
ближается к своему пределу. Впереди — другая электроника.
Химические, биологические и иные варианты микросхем буду-
щего позволят реализовать принципиально иной уровень разре-
шения — уровень, соизмеримый с линейными размерами атомов
и молекул. Экспериментальных образцов создано уже более чем
достаточно. Вопрос лишь в том, когда это количество перейдет в
качество.
3.2.2. А как совместить?
Для многослойных конструкций (а интегральные микросхемы
именно таковы) проблема разрешения превращается еще и в про-
блему совмещения рисунков в отдельных слоях. В технологических
циклах изготовления диодов, транзисторов и тем более интеграль-
ных микросхем в целом процесс фотолитографии используется
многократно (отдельно для получения базовых слоев, эмиттеров,
омических контактов и т. д.). При этом возникает проблема со-
вмещения фотошаблонов. Обычно в фотошаблонах используют-
ся специальные реперные знаки, которые переходят в рисунок.
Для того чтобы сформировать следующий слой, их аккуратно под
микроскопом совмещают с реперными знаками следующего фо-
тошаблона. И так далее, до 15—20 раз. С каждым разом ошибка
совмещения все более и более увеличивается, и о высокой точ-
ности изготовления микросхем остается только мечтать.
Уход от использования шаблонов к сканирующей, например
электронной сканирующей, литографии позволил существенно
повысить уровень разрешения. Сущность сканирующей элект-
ронной литографии заключается в том, что сфокусированный
пучок электронов в соответствии с заданной программой пере-
мещают по поверхности пластины. Таким способом осуществля-
ется «гравирование» отверстий в резисте или даже непосредствен-
но в окисном слое. Но и этот метод далеко не идеален. Хотя бы
потому, что так называемые «люфты» имеются в любом, даже
самом высокопрецизионном оборудовании.
Глава 3. Микроэлектроника
Ионы фосфора
..1ЩЩ1Щ..........
А1
p-Si
Рис. 3.2. МОП-транзистор с самосовмещенным затвором, полученный
методом ионной имплантации.
Стремление к идеальности отразилось в названии еще одного
способа совмещения (самосовмещение), который уже нашел прак-
тическое применение в технологиях изготовления микросхем [1].
В данном способе все-таки используются маски. Следовательно,
по отношению к сканирующей электронной литографии делает-
ся шаг назад. Но в качестве масок для получения последующих
элементов используются... ранее полученные элементы. Не правда
ли, очень красивый способ повышения идеальности техничес-
кой системы путем использования ее внутренних ресурсов? Са-
мосовмещение используется в изопланарной технологии и в тех-
нологии изготовления МОП-транзисторов с самосовмещенным
затвором (рис. 3.2).
Для реализации технологии самосовмещенных затворов при-
шлось всего лишь изменить последовательность технологичес-
ких операций. Слои истока (и) и стока (с) транзистора наносятся
не до, а после нанесения слоя затвора (з). Как следствие, появ-
ляется возможность использовать затвор в качестве маски для
получения истока и стока. Поэтому края слоя затвора и слоев
истока и стока будут практически совпадать, а их перекрытие
отсутствовать. Существенное уменьшение емкостей перекрытия
позволило примерно на порядок (!) повысить быстродействие
МОП-транзисторов.
3.2.3. Травить — не травить
Травление — одна из типовых операций, используемых в техно-
логии изготовления интегральных микросхем и в первую очередь
полупроводниковых микросхем. В общем случае речь идет об
использовании специальных жидкостей для общего или локаль-
ного химического удаления поверхностного слоя твердого тела
на заданную глубину. Известны и другие, преимущественно ме-
ханические способы изменения рельефа поверхности твердого
3.2. Гонка за разрешением
тела. Но по ряду причин жидкие травители пока используются
чаще всего. Они обеспечивают достаточно высокую прецизион-
ность «гравировки» по глубине. Регулируя технологические па-
раметры этого процесса, можно с достаточно высокой точностью
регулировать толщину удаляемого слоя (вплоть до мономолеку-
лярного слоя!). А вот с прецизионностью этого метода «гравиро-
вания» в другом направлении — в плоскости кристалла суще-
ствуют определенные проблемы и ограничения.
Характерная особенность локального травления (травления
через защитную маску) — подтравливание (рис. 3.3). Травление
происходит не только в нужном направлении (перпендикулярно
поверхности кристалла), но и в ненужном (вдоль плоскости кри-
сталла — под маску). В результате размер отверстия отличается
от размера «окна» в маске. Причем отличие тем больше, чем боль-
ше его глубина. Поскольку микроминиатюризация микросхем
носит явный анизотропный характер (размеры углублений в плос-
кости уменьшаются быстрее, чем их глубина), количественные
изменения переходят в качественные. Изотропное травление в
микросхемах с высоким уровнем разрешения становится прин-
ципиально непригодным.
Как сделать так, чтобы травление в одном направлении про-
исходило с большей скоростью, чем в другом (шаг назад от ИКР)?
А еще лучше, как сделать так, чтобы травление происходило в
одном направлении и не происходило в другом (ИКР)?
Эта изобретательская задача уже нашла решение. В после-
дние годы широко стали использоваться методы анизотропного
травления. В основу этого решения положен известный физико-
химический эффект: скорость химической реакции травления
зависит от кристаллографического направления. Кристалл крем-
ния (кристалл с кубической решеткой) имеет три кристаллогра-
фические плоскости (100, ПО, 111) (рис. 3.4).
Травитель
Рис. 3.3. Изотропное травление.
Глава 3. Микроэлектроника
<о
Рис. 3.4. Кристаллография кремния:
а — кристаллографические плоскости; 6 — расположение атомов в кристаллографических плоскостях.
3.3. Изоляция без изоляции
Травитель
Рис. 3.5. Анизотропное травление.
Логично, что наименьшая скорость травления характерна для
того направления, где плотность расположения атомов кремния
максимальна (111), а наибольшая — для того, где плотность рас-
положения этих атомов минимальна (100). Травление идет па-
раллельно плоскости (111), которая оказывается как бы «непро-
ницаемой» для травителя. Поэтому при анизотропном травлении
наружные размеры углублений практически совпадают с разме-
рами окон в маске (рис. 3.5).
3.3. Изоляция без изоляции
Выбор кремния в качестве базового материала для изготовле-
ния полупроводниковых интегральных схем был обусловлен мно-
гими причинами. Одна из них — он легко окисляется до оксида
кремния (SiO2), который является прекрасным изолятором. Квар-
цевое стекло — это тоже SiO2.
В интегральных схемах с высокой степенью интеграции обычно
не удается спроектировать разводку таким образом, чтобы избе-
жать пересечений. Как следствие, используется многослойная или
многоуровневая разводка. В качестве изолятора традиционно ис-
пользуются оксиды кремния или (в некоторых случаях) оксид
алюминия.
Диэлектрики используются и для изоляции друг от друга от-
дельных радиоэлементов, расположенных в полупроводниковой
микросхеме по соседству друг с другом (рис. 3.6).
Термическое окисление кремния — одна из основных опера-
ций изготовления полупроводниковых микросхем. Поверхность
кремния обычно бывает покрыта естественной окисной плен-
кой. Однако ее толщина (около 5 нм) слишком мала. Для увели-
чения этой толщины используются искусственные методы. Тер-
мическое окисление кремния проводится при температуре чуть
выше 1000 °C в атмосфере кислорода (сухое окисление) или в
Глава 3. Микроэлектроника
Рис. 3.6. Изоляция элементов интегральной схемы с помощью диэлект-
рика.
смеси кислорода с парами воды (влажное окисление). При этом
толщина диэлектрического покрытия увеличивается до десятых
долей мкм. В алюмооксидной технологии изоляцию между со-
седними проводниками осуществляют слои «пористого» А12О3,
между слоями — слои «плотного» А12О3, получаемого при аноди-
ровании первичного слоя алюминия.
В обоих случаях для образования изолирующего слоя исполь-
зуются внутренние ресурсы системы (кремний и алюминий). На
первый взгляд, «даровые» внутренние ресурсы, которые могут
быть использованы для обеспечения изоляции, исчерпаны. Пси-
хологическая инерция уводит к гораздо менее идеальным реше-
ниям.
Какие другие материалы могут быть использованы для обес-
печения изоляции? Полимеры. Но большинство полимеров не-
достаточно термостойки и поэтому не могут быть использованы
в технологии изготовления микросхем. Правда, есть одно исключе-
ние — фторсодержащие полимеры. Например, поли-тетрафтор-
п-ксилилен термостабилен при температуре более 450 °C. А тех-
нология его нанесения на поверхность до удивления похожа на
вакуумные технологии, используемые в твердотельной микроэлек-
тронике [5].
Психологическая инерция увела к полимерам человека, кото-
рый специализируется в области химии и физики полимеров.
А вот специалисты другого рода (схемотехники) скорее всего ли-
шены такого рода психологической инерции. Преградить путь
электрическому току (а именно таким образом можно иначе сфор-
мулировать задачу, выполняемую диэлектриком) можно иными
способами. Схемотехники для решения этой задачи использу-
ют... обычные диоды. Вот вам и подсказка к разрешению физи-
ческого противоречия изобретательской задачи.
Физическое противоречие этой задачи.
ФП: Изоляция должна быть и изоляции не должно быть.
Э1 Б1 К1
Э2 Б2 К2
Рис. 3.7. Изоляция элементов интегральной схемы с помощью р-л-пере-
ходов.
Способ разрешения этого противоречия показан на рис. 3.7.
Из рисунка следует, что изоляция р-п-переходом сводится
к реализации между изолируемыми элементами двух встречно-
включенных диодов. Обедненный слой р-л-перехода, особенно
при большом обратном смещении, имеет очень высокое удель-
ное сопротивление, близкое к удельному сопротивлению диэ-
лектрика. Изоляция р -«-переходом очень хорошо вписывается в
общий технологический цикл изготовления биполярных схем.
Такой способ изоляции имеет и свои недостатки (наличие
обратных токов, наличие барьерных емкостей и др.). Это всего
лишь подтверждает известную истину — улучшение одной ха-
рактеристики системы неизбежно приводит к ухудшению каких-
то других характеристик. Но, несмотря на это, такой способ «изо-
ляции без изоляции» уже нашел свою нишу в производстве изде-
лий микроэлектроники.
3.4. Действие—антидействие
В полупроводниковых интегральных схемах металлизация при-
звана обеспечить «омические контакты» со слоями полупровод-
ника, а также межсоединения. В отличие от печатных плат ос-
новным материалом, используемым для металлизации, в данном
случае является алюминий. Удельное сопротивление алюминия
больше, чем у меди, но он обладает очень хорошей адгезией к
оксиду кремния, хорошо сваривается с тем же алюминием или
золотом (внешние выводы) и т. д.
По ряду причин пленку первичного алюминия нельзя просто
напылить на поверхность кремния. Алюминий вжигают в крем-
ний при температуре, близкой к той, при которой получается
эвтектический сплав Al—Si. Поэтому поверхностный слой крем-
ния легируется алюминием, который по отношению к кремнию
является акцептором. Как следствие, атомы алюминия в припо-
Глава 3. Микроэлектроника
Рис. 3.8. Фрагмент полупроводниковой микросхемы.
верхностном слое создают p-слой. Как предотвратить образова-
ние ненужных р-л-переходов в л-слоях?
Для решения этой задачи был использован типовой прием
разрешения технических противоречий — «использовать предва-
рительно напряженное действие». Суть этого приема заключает-
ся в том, что объекту заранее придается изменение, противополож-
ное недопустимым или нежелательным рабочим изменениям [6].
Отличие лишь в том, что этот принцип был сформулирован
Г.С. Альтшуллером на основе анализа преимущественно «меха-
нических» изобретений. Поэтому в его названии и фигурирует
«механический» термин — напряжение.
Электротехническая интерпретация использования этого при-
ема такова [1]. Чтобы избежать образования приповерхностного
p-слоя, область л-слоя вблизи контакта предварительно специ-
ально дополнительно легируют донорными примесями, превра-
щая ее в л+-слой (рис. 3.8). Концентрации алюминия становится
недостаточно для образования p-слоя и ^-л-переход не образует-
ся. Что и требовалось доказать!
3.5. Сделать наоборот
3.5.1. Активные — вперед!
Схемотехника — в какой-то мере искусство. Дело в том, что одну
и ту же функционально законченную схему можно получить са-
мыми разнообразными способами, с использованием различных
радиоэлементов.
В электрических схемах, реализованных на базе дискретных
радиоэлементов, разработчики обычно отдают предпочтение пас-
сивным радиоэлементам. Активные радиоэлементы, особенно
транзисторы, намного дороже. Поэтому оптимизация электри-
ческом схемы сводится к уменьшению их числа.
В микроэлектронике главенствующее положение занимает
не стоимость отдельных радиоэлементов, а стоимость совокупно-
сти этих радиоэлементов (интегральной схемы в целом). С этой
точки зрения желательно разместить в кристалле как можно
больше радиоэлементов. Больше всего можно разместить тех
элементов, у которых меньшая площадь. А меньшую площадь
имеют активные радиоэлементы. Поэтому схемотехнические ре-
шения на интегральных схемах выполняются по принципу «сде-
лать наоборот». Предпочтение отдается использованию активных
радиоэлементов (транзисторы, диоды), а количество пассивных
радиоэлементов (резисторов, и особенно конденсаторов) сво-
дится к минимуму.
3.5.2. Вверх ногами
В гибридных интегральных схемах в качестве «навесных» радио-
элементов используются бескорпусные диоды, транзисторы... и
бескорпусные интегральные схемы. Традиционный вариант ус-
тановки таких радиоэлементов на «материнскую» интегральную
схему предусматривает использование проволочных выводов ра-
диоэлементов. После фиксации радиоэлементов эти выводы со-
единяются с контактными площадками чаще всего методом ком-
прессионной термосварки. Проволочные выводы выходят за пло-
щадь кристалла, увеличивая его реальную площадь. А как же быть
с микроминиатюризацией?
В идеале реальная площадь не должна выходить за пределы,
ограничиваемые периметром кристалла. Как это сделать? Сде-
лать это удалось, перевернув кристалл вверх ногами. Выводы та-
ких радиоэлементов выполняются в виде шариков. На рис. 3.9
показано, каким образом монтируется на подложку бескорпус-
ной транзистор с матричными выводами.
Шарики (1), изготовленные из золота, меди или сплава олово —
сурьма, связаны с контактными площадками транзистора (2), а
через них — с эмиттером, базой или коллектором. Контактные
столбики (4) подложки делаются из того же материала. Соедине-
ние шариков со столбиками (транзистора с подложкой) прово-
дится методом перевернутого монтажа (flip-chip). Кристалл тран-
зистора переворачивается вверх ногами (шариками вниз) и уста-
навливается на контактные столбики подложки. Для обеспечения
прочного соединения используется термокомпрессия.
Глава 3. Микроэлектроника
Рис. 3.9. Монтаж бескорпусного транзистора с шариковыми выводами:
1 — шарики; 2 — контактные площадки транзистора; 3 — транзистор;
4 — контактные столбики подложки; 5 — подложка.
Метод перевернутого монтажа позволяет существенно сэко-
номить площадь подложки гибридной интегральной схемы и не
только интегральной схемы. Тот же метод активно используется
и в надсистеме. Для интегральных схем надсистема — печатная
плата. Использование микросхем с матричными выводами — одно
из основных направлений увеличения плотности межсоединений
в печатных узлах [7].
Еще больше сэкономить площадь печатной платы помогут,
точнее уже помогают, многокристальные модули. Реальный при-
мер — новое технологическое поколение упаковки чипов —
System-in-Package (SIP) [8]. Решения на основе SIP-технологий
используются в различных сегментах рынка: бытовая электроника
(цифровые камеры и видеокамеры, автомобильная электроника,
медицина, средства телекоммуникации, военная и авиационно-
космическая техника). Конструктивные решения многокристаль-
ных модулей, изготавливаемых по этой технологии, разнообраз-
ны. Представьте себе, что на рис. 3.9 изображен не транзистор, а
микромодуль. Так вот, если на этот микромодуль установить еще
один микромодуль, а на него еще один и т. д., то получится мно-
гокристальный модуль в виде своеобразной этажерки микромо-
дулей (Stacked Package).
3.6. Вред в пользу
3.6. Вред в пользу
3.6.1. Помехи
Перспективы транзисторов когда-то оценивались не очень вы-
соко. В отличие от своих предшественников (электронных ва-
куумных ламп) на начальной стадии они отличались высокой
стоимостью, недостаточной надежностью, нестабильными ха-
рактеристиками. Высокий уровень шумов ни в коей мере не ком-
пенсировал значительное снижение массогабаритных характери-
стик радиоаппаратуры, изготовленной на базе твердотельных
приборов. Транзисторные приемники в 70-х годах прошлого века
изрядно «шумели», особенно на солнышке. Почему?
Причин много. Об одной из них — подробнее. Если глубоко
не вникать в физику процессов, то можно сказать, что с увеличе-
нием температуры концентрация неосновных носителей прово-
димости возрастает очень резко (квадратичная зависимость), то
есть несравненно быстрее, чем концентрация основных носите-
лей проводимости. Так, в кремнии с увеличением температуры
на 50 °C концентрация неосновных носителей увеличивается при-
мерно на 3 порядка! Как следствие, это негативно влияет на ра-
боту полупроводниковых приборов и интегральных схем, работа
которых основана на неосновных носителях.
За увеличение концентрации неосновных носителей несут
ответственность еще и свет, разного рода ионизирующие излуче-
ния. Не случайно при ликвидации последствий чернобыльской
аварии вся робототехника как отечественного, так и зарубежного
производства вышла из строя в течение нескольких часов. Крем-
ний — он везде кремний!
И все же эту отрицательную сторону полупроводниковой тех-
ники в некоторых случаях можно использовать с пользой — для
изготовления фоточувствительных приборов, дозиметров излу-
чения и др. [4].
3.6.2. Анод-катод
Анод (от греческого anodos — движение вверх, восхождение) —
электрод электронного или электротехнического прибора, харак-
теризующийся тем, что движение электронов во внешней цепи
направлено от него. Анод соединяется с положительным полю-
сом. Противоположностью аноду является катод.
Глава 3. Микроэлектроника
Катод (от греческого kathodos — ход вниз, возвращение) —
электрод электронного или электротехнического прибора, харак-
теризующийся тем, что движение электронов во внешней цепи
направлено к нему. Катод соединяется с отрицательным полю-
сом источника тока.
В гальванотехнике в качестве катода обычно используется
деталь, на которую наносится металлическое покрытие (частный
случай — печатная плата). В этом смысле катод — вечен. При
проведении технологического процесса он только «прибавляет в
весе».
В электровакуумных (газоразрядных) приборах катод служит
источником электронов. Для того чтобы технические характери-
стики таких приборов не изменялись во времени, не должен из-
меняться и сам катод. Поэтому в газоразрядных приборах ис-
пользуется нормальный тлеющий разряд. И все же «вечных» ка-
тодов не существует. Кроме электронов из него в большей или
меньшей степени «выбиваются» и нейтральные атомы.
Этот недостаток в гипертрофированном виде превратился в
достоинство и нашел применение в технологий изготовления
тонкопленочных интегральных микросхем (катодное напыление).
При этом в качестве катода выступает напыляемое вещество, а
анодом является подложка микросхемы с ее держателем. Установ-
ка для напыления сначала вакуумируется до 10 5 — 10 6 мм рт. ст.
После этого в нее вводится очищенный нейтральный газ (аргон)
до давления 10-1 — 10-2 мм рт. ст. После подачи высокого напря-
жения (2—3 кВ) между катодом и анодом возникает аномальный
тлеющий разряд, при котором положительные ионы газа выби-
вают из катода нейтральные атомы. Эти атомы осаждаются на
подложке — полезный процесс.
3.7. В тесноте да не в обиде
В книге [9] Г.С. Альтшуллер приводит задачу под названием «Тер-
мометр для долгоносиков».
Суть этой задачи: большим термометром нужно измерить тем-
пературу маленького жука-долгоносика.
Решение: нужно взять обыкновенный стакан, заполнить его
этими жучками и вставить в него термометр.
Решение основано на использовании системного перехода.
Сто жучков-долгоносиков, собранных вместе, образуют новую
систему, обладающую новыми свойствами.
3.8. Метрология
Новую систему, обладающую новыми свойствами, образуют
и отдельные радиоэлементы, собираясь в едином целом — в ин-
тегральной схеме. Смежные радиоэлементы располагаются очень
близко друг от друга на расстояниях, измеряемых долями микро-
метра. На таких малых расстояниях различия электрофизических
свойств материала малы (маловероятны). Следовательно, и мал
(маловероятен) разброс параметров у этих смежных элементов.
Параметры смежных элементов — коррелированы и, самое глав-
ное, эта корреляция сохраняется и при изменении температуры.
В электрических схемах, реализованных из дискретных радио-
элементов, такая корреляция возможна только в мечтах.
3.8. Метрология
В микроэлектронике чаще всего возникает необходимость изме-
рения не температуры «жучков», а их электрических характерис-
тик, или, иначе, получения этих характеристик с заданной степе-
нью точности. Как это делается?
3.8.1. Избыточность
Поговорим подробнее об использовании типового приема разре-
шения технических противоречий — «частично недостающее или
частично избыточное действие». Этот прием используется в тех
случаях, когда по тем или иным причинам получить требуемое
действие сразу либо невозможно, либо очень сложно.
Этот прием используется «наверху» — в макротехнологиях.
При проведении влагозащиты на печатный узел вначале наносят
избыточное количество лака, а затем избыток удаляется с повер-
хности печатного узла центробежными силами (при центрифу-
гировании) [10]. Для чего это делается? Не проще ли нанести на
поверхность столько лака, сколько нужно? Тем более что сверх-
высокой точности по толщине покрытия не требуется. Причина
в ином. Зазоры между микросхемами и поверхностью печатной
платы становятся все меньше и меньше. А вязкость лака доволь-
но большая. Попасть под микросхему без посторонней помощи
ему сложно. Вязкость лака можно уменьшить, уменьшив содер-
жание полимерного (олигомерного) связующего, но при этом
уменьшится и толщина слоя наносимого покрытия. Для получе-
ния нужной толщины покрытия потребуется сделать намного
больше слоев, да и экология «обидится». В атмосферу улетит также
Глава 3. Микроэлектроника
во много раз больше вредных органических растворителей. Раз-
решение физического противоречия (вязкость лака должна быть
большой и не должна быть большой) осуществляется с использо-
ванием этого типового приема.
«Внизу» проблема иная. В какой-то степени она имеет отно-
шение к тому же разрешению рисунка микросхемы. Бывает так,
что оптимальный уровень разрешения достаточен для реализа-
ции микросхемы в целом, но в то же время в этой микросхеме
имеются элементы, которые необходимо выполнить с очень вы-
сокой точностью, например высокопрецизионные резисторы. Если
микросхему целиком изготавливать с такой сверхвысокой точно-
стью, она будет очень дорогая. Вот вам и недостаток групповых
технологий. Нет в жизни совершенства! Очередное физическое
противоречие: микросхема должна изготавливаться с высокой
точностью и микросхема не должна изготавливаться с высокой
точностью.
Это противоречие разрешается аналогичным способом. Тех-
нология реализуется таким образом, что номинал элемента (рези-
стора) изначально получается всегда больше, чем нужно. А затем
избыточную площадь этого элемента удаляют. Это противоречие
может быть разрешено (точнее, разрешается) и с использовани-
ем других типовых приемов.
3.8.2. Показания свидетелей таковы...
Номиналы радиоэлементов определяются еще и толщиной нано-
симых пленок. Для резистивных пленок оказался пригодным метод
«свидетеля» [1]. Свидетель (в ТРИЗ — посредник) — вспомога-
тельный, не входящий в структуру тонкопленочной интеграль-
ной схемы слой, расположенный на периферии и напыляемый
одновременно с рабочими слоями. Этот слой заранее снабжают
двумя внешними выводами, через которые осуществляется конт-
роль сопротивления свидетеля в процессе напыления. Геометри-
ческие размеры свидетеля известны. Поэтому, когда сопротивле-
ние достигает необходимого значения, то напыление прекраща-
ется. Одинаковость условий напыления рабочего слоя и слоя
свидетеля гарантирует получение одинаковой толщины.
В другом способе кроме «посредника» используется еще и
явление резонанса. Свидетель — тонкая кварцевая пластина, ко-
торая через внешние выводы подсоединяется к колебательному
контуру генератора. Резонансная частота кварцевой пластины
^ataHaus,^!.
однозначно связана с ее толщиной. В процессе напыления изме-
няется толщина пластины. Как следствие, изменяется частота ге-
нератора. Изменение частоты можно легко замерить и остано-
вить процесс напыления в нужный момент.
Литература
1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. — М.: Лабо-
ратория базовых знаний, 2001.
2. http://science.ng.ru/magnum/2000-06-21/5_micro.html
3. Цветков Ю. Микротехнология — универсальная основа
производства современной электроники. Компоненты и техно-
логии. Приложение: Технологии в электронной промышленнос-
ти. 2005, № 4.
4. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Ко-
лесников, — М.: Сов. энциклопедия, 1991.
5. Ширшова В. Технология влагозащиты и электроизоляции
изделий РЭА полипараксилиленом // Компоненты и техноло-
гии. 2002, № 2.
6. Альтшуллер Г. С. Как научиться изобретать. — Тамбов: Там-
бовское книжное издательство, 1961.
7. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы. —
М.: Техносфера, 2005.
8. Карпентер К, Вардман Я. Технология SIP выходит в свет //
Печатный монтаж. 2006, № 2.
9. Альтов Г. С. И тут появился изобретатель. — М.: Детская
литература, 1984.
10. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. — М.: Техно-
сфера, 2006.
ГЛАВА 4
В МИРЕ ИЗМЕРЕНИЙ
В кабинет к врачу входит больной.
Доктор, бросив на него взгляд:
— Склероз, диабет.
Удивленный больной:
— Доктор, а как вы это узнали?
Доктор:
— У вас брюки расстегнуты, а рядом пчела
кружится.
Появление в начале главы этого анекдота не случайно.
Во-первых, большая часть главы посвящена изобретательс-
ким похождениям автора в области ядерного магнитного резо-
нанса (ЯМР), который находит применение в различных облас-
тях техники, в том числе и в медицине.
Во-вторых, содержание анекдота прекрасно иллюстрирует про-
гноз развития измерительной техники, который выдает нам ТРИЗ.
Лучшее измерение — то, в котором... отсутствует измерение.
4.1. Вокруг трубы
На берегу ночной реки сидел одинокий Змей
Горыныч и слаженно пел хором...
Метод ЯМР основан на резонансном поглощении энергии элект-
ромагнитного поля радиоволнового диапазона химическими соеди-
нениями, содержащими водород. С явлением ядерного магнитного
резонанса хорошо знакомы те, кто проходил обследование в меди-
цинских клиниках на ЯМР-томографах. Мое же знакомство с
аббревиатурой ЯМР произошло в стенах НИИ.
В те годы, когда в моде были уже изрядно подзабытые слова
конверсия и перестройка, мой НИИ решил круто изменить те-
матику работ. Было принято решение разработать автоматизиро-
ванную систему контроля и управления работой нефтяных сква-
жин. Изюминкой этой системы должен был стать ЯМР-датчик,
измеряющий состав жидкости (нефте-водяной эмульсии) непос-
редственно в устье нефтяной скважины.
Natatiaus^
4.1. Вокруг трубы
Испытания, проведенные на скважине, показали, что систе-
ма в целом работоспособна. Электроника работает. Оставался
открытым лишь вопрос: «А соответствует ли действительности
то, что она выдает?» Методика измерений отрабатывалась ранее
в лаборатории на неподвижной жидкости. Реальные условия были
иными. А внутрь трубы, где под давлением до 40 атм. с высокой
скоростью несутся одновременно нефть, вода, газ, песок, не за-
глянешь. Необходимо было выяснить, как скорость потока влияет
на результаты измерений. Для этого нужно было в лаборатории
сделать... копию нефтяной скважины. Такая установка заняла бы
как минимум целую комнату, а количество нефти, необходимое
для проведения экспериментов, измерялось бы в кубометрах.
Поскольку нефть на месторождениях Татарстана, где проводи-
лись испытания, была богата сероводородом, ближайшие перс-
пективы меня не радовали.
Каким же образом был найден простой выход из этой непро-
стой ситуации? Алгоритм решения этой изобретательской задачи
такой.
1. Исходная изобретательская ситуация.
Для исследования ЯМР в потоке необходимо собрать громоз-
дкую экспериментальную установку. Это сопряжено со значи-
тельными материальными, трудовыми, временными и иными
затратами. Как обойтись без создания такой установки?
2. Выделяем из бесконечного множества возможных задач
конкретную изобретательскую задачу и формулируем ее техни-
ческое противоречие.
ТП 1. Если диаметр трубы, охватываемой датчиком, большой,
то в зоне измерения датчика находится много жидкости, ампли-
туда сигнала ЯМР велика и точность измерений достаточна, но
при этом для обеспечения большой скорости потока необходим
большой расход жидкости и, следовательно, необходима громоз-
дкая экспериментальная установка.
ТП 2. Если диаметр трубы, охватываемой датчиком, малень-
кий, то для обеспечения больших скоростей потока достаточно
миниатюрной экспериментальной установки, но при этом в зоне
измерения находится мало жидкости, амплитуда сигнала ЯМР
невелика и соответственно точность измерений недостаточна.
В качестве основного ТП выбираем ТП 1, поскольку главная
задача для любого средства измерения — обеспечение высокой
точности измерений.
Глава 4. В мире измерений
3. Различные варианты физического противоречия задачи.
ФП 1. Количество жидкости в зоне измерения должно быть
большим и должно быть маленьким.
ФП 2. Диаметр трубы должен быть большим и диаметр трубы
должен быть маленьким.
ФП 3. Расход жидкости должен быть большим и должен быть
маленьким.
4. Разрешаем физическое противоречие.
Для разрешения ФП используем сочетание двух приемов-ан-
тагонистов: «дробление объекта на независимые части» и «объе-
динение однородных объектов». Объект (трубу) сначала разделя-
ем на множество мелких частей (трубок), а затем эти части объе-
диняем вновь, но уже так, как это показано на рис. 4.1.
В зоне, охватываемой магнитом датчика 1, вместо одной тру-
бы находится пучок трубок 4. Трубки 4 соединены гибкими шлан-
гами 5 таким образом, что жидкость последовательно проходит
через них, многократно совершая свой путь внутри магнита. Та-
ким образом, количество жидкости в зоне измерения, а следова-
тельно, и амплитуда сигнала ЯМР получаются лишь ненамного
меньше чем в реальном датчике. Расход же жидкости, при про-
чих равных условиях, меньше, чем на реальной скважине во
столько раз, во сколько раз площадь сечения одной трубки 4
меньше площади сечения трубы в реальном датчике.
Экспериментальная установка «запела хором» уже через не-
сколько дней. Она разместилась на рабочем столе, и для проведе-
ния экспериментов потребовалась всего лишь бутылка нефти [1].
Рис. 4.1. Экспериментальная установка для измерения состава движущейся
жидкости методом ЯМР:
1 — постоянный магнит; 2 — высокочастотная катушка; 3 — стеклоплас-
тиковая труба; 4 — стеклянные трубки; 5 — эластичные соединительные
шланги.
flataHausfgl
4.2. Как найти иголку в стоге сена?
4.2. Как найти иголку в стоге сена?
Бомж видит, что в грязи валяется рубль.
Он говорит:
— Хм, буду я еще какой-то рубль из грязи
поднимать!
Достает из кармана стольник, бросает его
и говорит:
— А вот 101 рубль можно и поднять!
«Иголку» пришлось искать при разработке настольной модифи-
кации ЯМР-релаксометра, предназначенного также для измере-
ния состава нефтеводяных эмульсий. В этом приборе реализован
импульсный метод ЯМР. Метод отличается довольно простым
аппаратурным оформлением и позволяет получать кривые ядер-
ной магнитной релаксации.
Амплитуда сигнала ЯМР убывает по экспоненциальному закону:
Л = Л0-^, (1)
где А — амплитуда сигнала ЯМР; Ао — начальная амплитуда сиг-
нала ЯМР; г — время; Т — время релаксации ядерной намагни-
ченности.
Начальная амплитуда сигнала пропорциональна количеству
ядер водорода в веществе, а следовательно, и количеству веще-
ства. Время релаксации ядерной намагниченности зависит от
химической природы вещества, молекулярной подвижности, тем-
пературы, содержания парамагнитных примесей и др. Чем боль-
ше молекулярная подвижность вещества — тем больше время
релаксации.
Для многокомпонентных систем уравнение (1) принимает вид:
А = ±А0,-е\ (2)
1=1
где п — число компонент.
Задача определения состава таких систем сводится к матема-
тическому разложению релаксационной кривой на экспоненты,
отвечающие отдельным компонентам.
Практическое применение нашел метод разложения релакса-
ционной кривой на составляющие, основанный на переходе в
полулогарифмические координаты (In Л = /(т)) и последующем
выделении экспонент, начиная с экспоненты с максимальным
временем релаксации (линейная регрессия).
Глава 4. В мире измерений
Метод дает приемлемую точность в ограниченном диапазоне
соотношений компонент и соотношений их времен релаксации.
Так, при близких временах релаксации компонент (вода и нефть),
а также в тех случаях, когда содержание компоненты с макси-
мальным временем релаксации (вода) невелико, ошибка измере-
ния в несколько раз превышает измеряемую величину. Такая
ситуация часто возникает при измерении состава нефтеводяных
эмульсий [2]. Как быть?
За частоколом формул часто очень трудно бывает разглядеть
суть дела. Попробуем перейти к упрощенной модели задачи. Если
очень-очень отвлечься от реальности, то поставленную задачу
можно сравнить с задачей поиска иголки в стоге сена. Отличие
лишь в том, что одна задача на измерение, а другая — на обнару-
жение. Но чем меньше измеряемая величина, тем ближе эти за-
дачи друг к другу.
Что же общего? Проведем аналогию. Вода—иголка. Нефть—
сено.
Вода и нефть, так же как иголка и сено, сопоставимы «по
размерам» (имеют близкие времена релаксации). Поэтому их труд-
но отделить друг от друга.
Иголка — одна. Воды также очень мало. Поэтому их трудно
еще и найти.
Что нужно сделать, чтобы найти иголку в стоге сена? Восполь-
зуемся «гениальным» решением бомжа. А точнее, используем со-
четание двух изобретательских приемов: «сделать заранее» и «сде-
лать чуть больше, чем нужно». К иголке можно заранее прикре-
пить что-то, например, еще много-много таких же иголок.
Как это решение адаптировать к решению нашей задачи? Не
так уж и сложно:
1. В нефтеводяную эмульсию, содержащую небольшое коли-
чество воды, добавляем известное (заранее отмеренное) количе-
ство обычной водопроводной, а еще лучше дистиллированной
воды. При этом содержание воды и содержание нефти в нефте-
водяной эмульсии становятся сопоставимыми. Кроме того, по
закону аддитивности существенно увеличивается соотношение
скоростей релаксации, а следовательно, и времен релаксации
ядерной намагниченности воды и нефти. (У водопроводной, а
тем более у дистиллированной воды время релаксации гораздо
больше, чем у той воды, которая содержится в эмульсии). Состав
такой смеси уже можно измерить с достаточной точностью.
2. Проводим измерение состава этой смеси.
NalaHaus^
4.3. Использовать посредника
3. Из измеренного содержания воды вычитаем заранее добав-
ленное количество воды и получаем содержание воды в исход-
ной нефтеводяной эмульсии.
В результате этих манипуляций точность измерений резко
возрастает, но измерение несколько усложняется. Идеальность
решения можно повысить, если совместить в одном приборе ЯМР-
релаксометр и весы. Оказалось, что в зарубежных приборах, из-
готавливаемых фирмами Broker, Oxford Instrument, наше пожела-
ние уже предугадали. По пути повышения идеальности можно
пойти и еще дальше. Достаточно вспомнить о том, что начальная
амплитуда сигнала ЯМР — есть величина, пропорциональная
количеству вещества. Если вместо одного проводить два измере-
ния (до добавки воды и после добавки воды), то количество до-
бавленной воды будет пропорционально разности начальных
амплитуд сигнала ЯМР в этих двух замерах. И о весах можно
просто забыть [3].
Быть может, кто-то скажет, что существует еще более идеаль-
ное решение: искомый результат можно получить за доли секун-
ды, используя методы нелинейной регрессии и компьютер, снаб-
женный современным программным обеспечением. Увы, оказа-
лось, что с использованием методов нелинейной регрессии можно
с достаточной точностью обсчитывать релаксационные кривые
только двух- трехкомпонентных систем, состоящих из индиви-
дуальных химических соединений. Нефть же — смесь бесконеч-
ного множества химических соединений. Использование нели-
нейной регрессии для разложения релаксационной кривой неф-
те-водяной эмульсии оказалось неэффективным.
4.3. Использовать посредника
В бар входит посетитель и, указывая на
мертвецки пьяного человека, говорит бармену:
— Мне, пожалуйста, то же самое...
В следующей измерительной задаче техническая система также
была переведена из неудобного для измерения состояния в удоб-
ное, но иным способом. Печатная плата — основной конструк-
тивный элемент современной радиоэлектронной аппаратуры.
К числу основных функций этого конструктивного элемента от-
носится обеспечение изоляции между проводниками, которые в
большом количестве находятся на ее поверхности и в объеме.
Изоляционные характеристики эпоксидной смолы в стеклотек-
Глава 4. В мире измерений
столите (подложке печатной платы) определяются многими фак-
торами, и в первую очередь степенью отверждения эпоксидной
смолы. Как ее измерить? Попытка использовать для этого ЯМР-
релаксометр увенчалась неудачей. Время релаксации водорода в
эпоксидной смоле было очень маленькими, и прибор его просто
не видел.
Для решения изобретательской задачи вновь был использо-
ван типовой прием разрешения технических противоречий, на
этот раз прием «использовать посредника» [4].
В качестве «посредника» может быть использована любая
жидкость, содержащая атомы водорода и находящаяся в контак-
те со стеклотекстолитом. Вариант: та самая жидкость, которую
посетитель просил у бармена.
Дело в том, что релаксационные характеристики жидкости
определяются характером ее взаимодействия с эпоксидной смо-
лой. А этот характер, в свою очередь, определяется характерис-
тиками полимерной сетки эпоксидной смолы, а следовательно,
и завершенностью реакции полимеризации. Следовательно, о сте-
пени отверждения эпоксидной смолы можно судить по измене-
нию времени релаксации этой жидкости и/или по скорости из-
менения ее времени релаксации. Время релаксации жидкостей
лежит в диапазоне, удобном для измерения на ЯМР-релаксомет-
ре. Поэтому измерение можно проводить с высокой точностью.
ТРИЗ рекомендует не останавливаться на достигнутом. Не
остановился... и нашел, что этот метод измерения позволяет оце-
нивать не только степень сшивки эпоксидной смолы, но и не
менее важный с технической точки зрения показатель — регу-
лярность ее полимерной сетки. Получилось очень интересное и
полезное применение метода ЯМР для специалистов, занимаю-
щихся разработками новых базовых материалов для печатных плат.
А если посмотреть со стороны, то область практического исполь-
зования таких методик уходит далеко за пределы, ограничивае-
мые контуром печатной платы.
4.4. Измерения без измерений
Два грабителя Рито и Жюль пробрались в
крупный ювелирный магазин на бульваре Сен-
Жермен и после трех часов усиленных трудов
вскрыли сейф с драгоценностями. Забрав все со-
держимое, они вернулись домой, еле стоя на но-
гах от усталости.
4.4. Измерения без измерений
— Надо сосчитать добычу, — заявил Рито.
— Да брось ты, — буркнул Жюль, — я очень
устал. Завтра утром обо всем, что мы выво-
локли, заявят по радио.
Рассказывают, что в первых космических аппаратах проводились
измерения абсолютных значений различных параметров (темпе-
ратуры, давления, электрических характеристик и др.). Массога-
баритные ограничения (а вывод на околоземную орбиту каждого
лишнего килограмма стоил немалых денег) вынудили разработ-
чиков перейти к измерению относительных характеристик — к
измерению изменения этих параметров во времени. Вариант —
констатация превышения этих параметров выше допустимых зна-
чений. Следующим логическим шагом стал переход к измерению
скорости изменения этих параметров.
Эта логическая цепочка соответствует законам развития из-
мерительных систем. В стандартах на решение изобретательских
задач целый класс отведен стандартам на обнаружение и измере-
ние систем [5]. Что же дальше? Догадаться нетрудно — в соответ-
ствии со стандартом 4.5.2 вслед за измерением скорости измене-
ния (в общем случае первой производной функции) следует из-
мерение второй производной. А что же будет еще дальше? Голубая
мечта — измерения без измерений. И очень часто эту мечту уда-
ется осуществить на практике.
В соответствии со стандартом 4.1 измерительный процесс
рекомендуется перестроить таким образом, чтобы необходимость
измерительно-обнаружительного действия сводилась к миниму-
му, а еще лучше — исключалась. Несколько примеров из области
автомобилестроения.
Согласно правилам дорожного движения [6] шины легкового
автомобиля должны иметь остаточную глубину рисунка протек-
тора не менее 1,6 мм. Очень трудно и маловероятно представить
такую картину, что автолюбитель, вооружившись штангенцирку-
лем, будет измерять эту глубину. Поэтому в шинах обычно дела-
ется индикатор износа — поперечные полосы, имеющие высоту
те самые 1,6 мм. Как только глубина рисунка протектора станет
предельно допустимой, эти полосы становятся видны.
Еще сложнее представить другую картину — автолюбителя,
периодически замеряющего остаточную толщину тормозных ко-
лодок. В руководстве по эксплуатации автомобиля обычно ука-
зывается, что остаточная толщина тормозных колодок должна
быть не менее 2 мм. Но чтобы ее замерить, необходимо как ми-
Глава 4. В мире измерений
нимум снять колесо автомобиля. А это требует гораздо больших
умственных и физических усилий, чем манипуляции со штан-
генциркулем. Поэтому в современных легковых автомобилях ус-
танавливаются тормозные колодки с индикатором износа. При
достижении предельного износа происходит замыкание либо,
наоборот, размыкание в сигнальной цепи автомобиля.
К сожалению, тормозные колодки отечественных автомоби-
лей подают сигнал «караул» и по другим причинам, выяснение
которых выливается в прекрасную исследовательскую задачу (ан-
типод изобретательской задачи). Иногда причиной сего странного
явления становится повышенная влажность воздуха, иногда по-
вышенная температура (?), а иногда даже кажется, что это проис-
ки инопланетян. Как следствие, сигнал об износе тормозных ко-
лодок приходится принимать уже не глазами, а ушами (скрежет
металла по металлу).
4.5. Электронный блок должен сам...
— Папа, почему этот фильм нельзя смот-
реть детям?
— Сиди тихо...Сейчас сам увидишь.
4.5.1. Вокруг другой трубы
Вторая труба, на которой зиждется благополучие России, — газо-
вая труба. И времена, когда расход газа определяли на глазок,
похоже, уходят в вечность. Учет и контроль ставятся во главу
угла. В каком же направлении развивается эта измерительная си-
стема? Законы развития технических систем объективны и не-
умолимы. Шестеренки вытесняются электронными устройства-
ми. Такая замена происходит сейчас и в области измерения рас-
хода газов. Механические счетчики не выдерживают конкуренции
со своими электронными братьями [7]. Электронные счетчики
значительно меньше по размерам, не ухудшают интерьер кухни,
работают бесшумно и т. д. Достоинств не перечесть.
В электронных модификациях газовых счетчиков чаще всего
используется известный нам из физики пьезоэлектрический эф-
фект [8]. Пьезокристалл (чувствительный элемент датчика) вос-
принимает давление движущегося газа и преобразовывает его в
электрический сигнал, величина которого пропорциональна рас-
ходу газа. К электронным блокам бытовых газовых счетчиков
предъявляются очень жесткие требования. Во-первых, они долж-
4.5. Электронный блок должен сам...
ны иметь автономное питание. Во-вторых, элементы питания
должны служить без замены много-много лет. Традиционные
решения (использование элементов питания большой емкости
и/или микроконтроллеров с пониженным энергопотреблением)
не решают эту задачу на 100 %, да еще и приводят к увеличению
цены счетчика. Как быть?
Подход к решению изобретательских задач может быть раз-
ным. Можно шагать от технического противоречия, что мы дела-
ли ранее, а можно и от идеального конечного результата (ИКР).
Формулируем идеальный конечный результат для данной задачи.
ИКР: Электронный блок должен сам обеспечивать длитель-
ную работоспособность в автономном режиме.
В пределах электронного блока никаких дополнительных
источников энергии не находим. Внутренние ресурсы системы
пусты, есть только энергопотребление. Переходим в надсистему.
В надсистеме (в трубопроводе) энергии несоизмеримо больше,
чем требуется для подзарядки элементов питания. Это механи-
ческая энергия движущегося газа.
Следующий шаг.
Механическую энергию потока газа нужно превратить в элек-
трическую энергию. Для этого можно вновь использовать внут-
ренние ресурсы системы (электронного блока).
Решение. Конкретное решение — проще некуда. Пьезокрис-
талл этим (превращением механической энергии в электрическую)
уже и так занимается, обеспечивая основную функцию прибора —
измерение. Почему бы ему не забрать у газового потока чуть больше
энергии и направить ее на подзарядку элементов питания электрон-
ного блока? Такое решение идеально для разработчиков и изготови-
телей газового счетчика. Можно отказаться от дорогих импортных
комплектующих. Решение идеально и для потребителей — по
сути дела «вечный двигатель». Но, увы, вечных двигателей в при-
роде, к сожалению, не существует. Все расходы перекладываются
на «хрупкие» плечи богатого дядюшки — «Газпрома». Думаю, что
он этого просто не заметит. Схемная реализация этого решения не
так уж и сложна. Кто будет первым?
4.5.2. А если богатого дядюшки нет?
В Японии нет богатого дядюшки. Поэтому активно идет поиск
других поставщиков «даровой» энергии. Довольно активные сей-
смические колебания земной коры в этой зоне повернули го-
ловы изобретателей в ином направлении. В корпорации Hitachi
Глава 4. В мире измерений
разработан источник энергии, использующий естественную виб-
рацию зданий и механизмов [9]. Даже в самом тихом помещении
всегда можно зафиксировать некоторый уровень звукового фона.
Стены чуть заметно вибрируют с амплитудой в несколько мик-
рометров. Эти естественные вибрации возникают из-за проезжа-
ющих рядом машин, ветра и т. д. Японские инженеры сумели
использовать фоновые микровибрации для питания датчиков тем-
пературы, освещенности или усталости конструкции. Экспери-
ментальное устройство похоже на плоский конденсатор, один из
электродов которого вибрирует и генерирует около 0,12 микро-
ватт энергии. Этого оказывается достаточно, чтобы умный авто-
номный датчик передавал результаты измерений один раз в час.
В отличие от традиционно используемых в таких случаях солнеч-
ных батарей, новый источник энергии не зависит от погоды, дол-
говечен и будет работать даже в самой темной кладовке.
4.5.3. В ответ на проклятья
Современным американским солдатам приходится носить с со-
бой в полевых условиях электрические элементы питания об-
щим весом около 10 кг. Эти батареи необходимы для рации, си-
стемы глобального позиционирования GPS, приборов ночного
видения, приборов оповещения о применении оружия массового
уничтожения или соответствующих дозиметров. Добавьте к это-
му вес оружия, бронежилета и прочих обязательных элементов
амуниции. О чем, интересно, думает такой сверхоснащенный
солдат? Скорее всего, он недобрыми словами вспоминает и про-
клинает тех, кто его так «нарядил». В ответ на эти проклятья в
США был изобретен рюкзак, вырабатывающий электричество [10].
Решение, найденное инженерами Пенсильванского универ-
ситета — простейшее. Крепление рюкзака на стойках сделано
вместо обычного неподвижного — подвижным. Это — азбука
ТРИЗ. Поэтому рюкзак имеет возможность при ходьбе человека
совершать небольшие (5—7 см) вертикальные перемещения. А пор-
тативный электрогенератор преобразует эти перемещения в элек-
троэнергию. В этом варианте вся система электропитания в сбо-
ре весит уже примерно в 2 раза меньше. Но откуда же берется
энергия на подзарядку? Нет, не со стороны, а от самого пехотин-
ца. Не самое лучшее решение...
Но энергетический баланс технической системы: пехотинец —
динамичный рюкзак был тщательно проверен, и результаты ока-
зались обескураживающими. При переноске «волшебного» рюкза-
ка не происходило каких-либо значительных изменений в по-
треблении пехотинцем кислорода или увеличения объема вы-
дыхаемого им углекислого газа. Следовательно, этот рюкзак прак-
тически не требовал дополнительного энергопотребления. А как
же с соблюдением закона сохранения энергии? Был обнаружен
некий, до сих пор не нашедший полного объяснения компенса-
ционный эффект. При переноске нового рюкзака коэффициент
полезного действия мышц человека увеличивался до 63 %. По
гипотезе ученых, перемещение груза вдоль спины каким-то об-
разом оказывает влияние на сам механизм ходьбы человека. До-
статочно точно удалось установить лишь то, что «волшебный»
рюкзак значительно снижает траекторию выноса бедра вверх при
ходьбе. Ходьба становится более экономичной. Нечто похожее
происходит с походкой африканских женщин, когда они легко
переносят тяжелые грузы, установив их себе на голову.
4.6. Шаг вперед, два шага назад
В ресторане:
— Извините, почему ваши фирменные кот-
леты так сильно пахнут водкой?
Официант отступает на несколько шагов
и учтиво спрашивает:
— А сейчас?
Это техническое решение было получено автором при решении
конкретной технической задачи. По ряду причин оно будет изло-
жено ниже лишь в общем виде, в виде «задачи-инкогнито». Тем
более что это общее решение может быть использовано для ре-
шения целого ряда других, непохожих друг на друга реальных
измерительных задач.
Итак, вернемся к измерению абсолютных и относительных
характеристик. Абсолютные характеристики (физические вели-
чины) измерять гораздо сложнее. На точность измерения абсо-
лютных характеристик очень большое влияние оказывают раз-
личные осложняющие факторы (изменение условий измерения,
примеси и т. д.). Для подтверждения этого факта далеко хо-
дить не нужно. Достаточно сравнить значения одинаковых фи-
зических свойств для одного и того же вещества, взятых из
разных справочных изданий. Так, диэлектрическая проницае-
мость воды в одном источнике [11] составляет 78,3, а в другом
[12] всего лишь 31. Правда, в последнем случае делается уточ-
Глава 4. В мире измерений
нение, что речь идет о дистиллированной воде, о какой же
воде тогда идет речь в первом источнике информации? Возмож-
но, измерения диэлектрической проницаемости проводились на
разных частотах, но, увы, такие уточнения в справочных издани-
ях отсутствуют. Измерения относительных характеристик хоро-
ши тем, что позволяют исключить такие немотивированные
различия.
В конкретной технической задаче проводились измерения
состава жидкости, состоящей из нескольких компонент. Такие
задачи обычно решаются традиционным способом. Измеряется
зависимость какой-либо физической характеристики (F) этой
жидкости (плотность, показатель преломления и др.) от ее соста-
ва. Типичный пример — измерение концентрации спирта по его
плотности. В частных случаях получается линейная зависимость
(аддитивное сложение), в общем случае — нелинейная зависи-
мость (рис. 4.2).
В некоторых случаях такой способ применим для измерения
не только в статике, но и в динамике (для движущейся жидко-
сти). В частности, такой способ использовался в задаче-инког-
нито на практике. В реальных условиях на точность измерения
отрицательно влияли множество осложняющих факторов, и в
первую очередь различные примеси, количество и состав кото-
рых были непредсказуемы. В итоге прибор иногда выдавал даже
Рис. 4.2. Измерение состава двухкомпонентной жидкости:
1 — линейная зависимость; 2 — нелинейная зависимость; F — измеряе-
мая физическая характеристика жидкости.
4.6. Шаг вперед, два шага назад
то, чего не может быть никогда, — отрицательные значения из-
меряемой величины.
В соответствии с законами развития измерительных техни-
ческих систем для усовершенствования этой измерительной сис-
темы было решено перейти от измерения абсолютной величины
(F) к измерению изменения этой величины в зависимости от ус-
ловий измерения (х). Зависимость F = /(х) показана на рис. 4.3.
Если использовать возможности вычислительной математики, то
от этой зависимости можно перейти и к искомому содержанию
компонент А и В. Достаточно получить еще одну функциональ-
ную зависимость.
В идеальном случае зависимости F = f(x) соответствует кри-
вая 1. В реальных условиях эта кривая, практически не искажа-
ясь, чуть опускается (кривая 2) или чуть поднимается (кривая 3)
по оси ординат. Как следствие, пресловутые примеси практичес-
ки не оказывают влияния на точность измерений. Но такой спо-
соб применим только для статики. Состав реальной движущейся
жидкости может изменяться еще и во времени. Флуктуации со-
става приводят к тому, что каждому новому измеренному значе-
нию величины /’соответствует жидкость уже другого состава. Как
следствие, такой способ измерения становится абсолютно нера-
ботоспособным. Как быть?
Различные варианты формулировки физического противоре-
чия этой изобретательской задачи выглядят следующим образом.
Рис. 4.3. Зависимость F = f(xy.
1 — идеальная кривая; 2, 3 — реальные кривые.
Глава 4. В мире измерений
ФП 1. Жидкость должна двигаться быстро и жидкость долж-
на двигаться медленно.
ФП 2. Жидкость должна двигаться и жидкость не должна дви-
гаться.
ФП 3. Измерение должно проводиться медленно и измере-
ние должно проводиться быстро.
ФП 4. Измерение должно проводиться во времени и измере-
ние должно проводиться вне времени (мгновенно).
ФП 2 и ФП 4 соответствуют идеальному конечному результа-
ту (ИКР). Реальные решения задачи были найдены путем разре-
шения ФП 1 и ФП 3 (на уровне шаг назад от ИКР).
Противоречие ФП 1 было разрешено в результате примене-
ния измерительного датчика специальной конструкции и исполь-
зования измерительной схемы, позволяющей проводить серию
замеров F = f(x) с максимально возможной скоростью.
О разрешении противоречия ФП 3 подробнее. В общем случае
состав движущейся жидкости изменяется во времени. Изменяется
во времени и абсолютная величина характеристики F (рис. 4.4).
В обычной последовательности замеров измерения величины
F. при различных значениях х. следуют друг за другом. В ориги-
Рис. 4.4. Изменение физической характеристики жидкости (F) от времени.
нальной последовательности после каждого измерения делается
«шаг назад» — сравнивается, а каково в этот момент (точнее,
совсем недалеко от этого момента) значение fj, соответствующее
величине хг В соответствии с полученным значением делается
пересчет (корректировка) измеренных значений F., соответству-
ющих значениям х.
Оригинальная последовательность, на первый взгляд, только
ухудшает конечный результат, поскольку увеличивает общее вре-
мя измерений почти в два раза. На второй взгляд — она его «умень-
шает». Это своеобразное «уменьшение» выражается в том, что
фактически (с точки зрения влияния на точность измерений)
время измерения сводится к величине, равной интервалу време-
ни, между тремя замерами. Практика (критерий истины) под-
твердила правомерность таких рассуждений.
Литература
1. Уразаев В.Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобре-
тателя. — М.: Солон Пресс, 2003.
2. Аксельрод С.М., Неретин В.Д. Ядерный магнитный резо-
нанс в нефтегазовой геологии и геофизике. — М.: Недра, 1990.
3. Уразаев В.Г. Пат. РФ № 2085921. Способ измерения состава
двух- или трехкомпонентных жидкостей. Приоритет от 01.09.95.
Опубл. 27.07.97.
4. Уразаев В.Г., Харитонов М.В., Архиреев В.П. Метод ядерного
магнитного резонанса в экспресс-оценке стеклотекстолитов // Тех-
нология и конструирование в электронной аппаратуре, 1992, № 3.
5. Алыпшуллер Г.С. Маленькие необъятные миры. Стандарты
на решение изобретательских задач. Сб. Нить в лабиринте / Сост.
Селюцкий А.Б. — Петрозаводск: Карелия, 1988.
6. Правила дорожного движения // http://www.gai.ru/articles/
?art=18
7. http://www.elara.rU/product/l.html
8. Электроника: Энциклопедический словарь/ Гл. ред. В.Г. Колес-
ников. — М.: Сов. энциклопедия, 1991.
9. http://forum.compulenta.ru/xterra/homo/29690
10. http://www.inauka.ru/news/article57051 .html
11. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 1/ Редкол.: Кнунянц
И.Л. и др. — М.: Сов. энцикл., 1988.
12. КухлингХ. Справочник по физике: Пер. с нем. — М.: Мир,
1982.
ГЛАВА 5
ИГРЫ РАЗУМА
Бог, создавая человека, немного переоценил
его способности. И свои.
Оскар Уайльд
5.1. Алгоритмы
Ковыляющий по прямой дороге опередит бе-
гущего, который сбился с пути.
Ф. Бэкон
5.1.1. АРИЗ...
Прямую дорогу к изобретению, такую, по которой не нужно ко-
вылять, должен указать алгоритм решения изобретательских задач
(АРИЗ). Различных вариантов АРИЗ существует очень много. Са-
мый первый датирован 1956 годом [1]. По мнению Г.С. Альтшул-
лера, АРИЗ-56 был еще не алгоритмом, а всего лишь перечнем
этапов решения задачи (аннотацией книги, но не самой книгой).
Далее последовали АРИЗ 59, АРИЗ 61, АРИЗ 64, АРИЗ 65, АРИЗ
68, АРИЗ 71, АРИЗ 75, АРИЗ 77, АРИЗ 82, АРИЗ 85 и т. д. Есть
и такие варианты АРИЗ, которые уже перешагнули через второе
тысячелетие и стали результатом труда не только Г.С. Альтшул-
лера, но и его учеников и последователей. Из этого множества
алгоритмов наибольшее признание получил АРИЗ 85В. Видимо,
он оказался самым удачным. Поэтому и стал своеобразным язы-
ком «эсперанто» для пользователей и разработчиков ТРИЗ всего
мира.
АРИЗ 85В состоит из 9 частей:
1. Анализ задачи.
2. Анализ модели задачи.
3. Определение идеального конечного результата (ИКР) и
физического противоречия (ФП).
4. Мобилизация и применение вещественно-полевых ресур-
сов (ВПР).
5. Применение информационного фонда.
5.1.
6. Изменение или замена задачи.
7. Анализ способа устранения ФП.
8. Применение полученного ответа.
9. Анализ хода решения.
Все мы находимся в так называемой изобретательской ситуа-
ции, когда что-то надо усовершенствовать, а что и как — не ясно.
В процессе анализа задачи по АРИЗ 85В на первом этапе осуще-
ствляется переход от расплывчатой изобретательской ситуации к
модели конкретной задачи. Выделяется мини-задача, формули-
руется два варианта технического противоречия (ТП), выделяет-
ся конфликтующая пара (изделие и инструмент). Затем состав-
ляются графические схемы ТП 1 и ТП 2. Из двух вариантов ТП
выбирается то, которое отвечает главному производственному
процессу. После усиления конфликта (в ТРИЗ всегда стремятся
не уходить от конфликтов, а предельно обострять их) формули-
руется модель задачи. При этом указываются конфликтующая
пара, усиленная формулировка конфликта и что должен делать
так называемый Х-элемент. Уже на этом этапе проверяется воз-
можность применения системы стандартов к решению постав-
ленной задачи. Независимо от того, найдено решение или нет,
рекомендуется продолжить анализ, перейдя ко второй части ал-
горитма.
В процессе анализа модели задачи учитываются имеющиеся
ресурсы, которые можно использовать при решении (ресурсы
пространства, времени, веществ и полей). На втором этапе опре-
деляется оперативная зона (ОЗ), в которой возникает конфликт,
определяется оперативное время (ОВ) конфликта. Затем опреде-
ляются внутрисистемные, внешнесистемные и надсистемные ВПР.
Задача третьего этапа — сформулировать ИКР. При этом оп-
ределяется физическое противоречие, мешающее достижению
ИКР. Причем ИКР и ФП формулируются как на макроуровне,
так и (по возможности) на микроуровне.
Четвертая часть алгоритма включает планомерные операции
по увеличению ресурсов. При этом рассматриваются производ-
ные ВПР, получаемые почти бесплатно путем минимальных из-
менений уже имеющихся ВПР. В этой же части используется
метод моделирования «маленькими человечками» (ММЧ). На этой
же стадии используется и метод «шаг назад от ИКР». Чаще всего
четвертая часть приводит к решению изобретательской задачи, и
пользователь отсылается к седьмой части (аналитической). Если
же этого не происходит, рекомендуется перейти в пятую часть.
Глава 5. Игры разума
Цель пятой части АРИЗ — использование опыта, сконцент-
рированного в информационном фонде ТРИЗ. При этом делает-
ся попытка решения задачи в формулировке ИКР-2 с учетом ВПР,
уточненных в четвертой части, по стандартам. Рассматривается
возможность устранения физического противоречия с помощью
типовых преобразований и с использованием указателя физичес-
ких эффектов.
В шестой части осуществляется переход от «физического»
ответа к «техническому». При этом предлагается способ или раз-
рабатывается принципиальная схема устройства. Если ответ не
найден, проверяется, не является ли формулировка мини-задачи
сочетанием нескольких задач, либо заново формулируется ТП,
либо осуществляется переход в надсистему.
Главная цель седьмой части АРИЗ — проверка качества полу-
ченных решений на степень идеальности. Проверяется их новиз-
на, рассматривается, какие задачи могут возникнуть при техни-
ческой реализации идеи.
Восьмая часть АРИЗ нацелена на максимальное использова-
ние ресурсов найденной идеи в иных областях.
Смысл девятой (завершающей) части алгоритма заключается
в повышении творческого потенциала решателя и одновременно
творческого потенциала АРИЗ.
5.1.2. Пример
Решение этой задачи совпало по времени с моим знаком-
ством с ТРИЗ. Это решение преследовало три цели:
1. Самое главное — решить реальную производственную за-
дачу.
2. Не менее значимая задача — освоить на практике основ-
ные элементы ТРИЗ.
3. Научиться защищать оригинальные технические решения.
А точнее — на практике освоить весь цикл, начиная с оформле-
ния заявки и заканчивая получением охранного документа.
По прошествии многих лет можно констатировать, что с боль-
шим или меньшим успехом все эти задачи удалось решить. По-
говорим подробнее о задаче.
Рассмотрим следующую изобретательскую ситуацию.
В НИИ, где я работал, в технологии изготовления печатных
плат осваивался новый электролит химического меднения. Про-
блема состояла в том, что электролит нужно было подогревать, а
Ряс. 5.1. Конструкция ванны с погруж-
ным электронагревателем:
1 — электронагревательный элемент; 2 — кор-
пус электронагревателя; 3 — фиксирующая
пластина; 4 — жидкость; 5 — ванна.
5.7. Алгоритмы
сделать это было не так просто. Если использовать металличес-
кие электронагреватели, медь в первую очередь осаждается на
них, а не на печатной плате. Защитные полимерные покрытия
(эпоксидные, фторопластовые) в таких жестких условиях эксп-
луатации оказались недолговечными. Остановились на погруж-
ных электронагревателях с корпусом из неэлектропроводных
материалов (стекла или керамики) (рис. 5.1).
Опыт эксплуатации показал, что корпус таких нагревателей
также недолговечен. Чаще всего он разрушался в зоне изменения
уровня жидкости. Уровень жидкости в ванне резко изменялся
при погружении (или случайном падении) и подъеме подвесок с
печатными платами. Снижение толщины стенок корпуса и ис-
пользование стекла с пониженным коэффициентом теплового
расширения увеличивали их долговечность. На этом основании
был сделан вывод о том, что причиной разрушения корпуса яв-
ляется термический удар, вызываемый резким изменением уров-
ня жидкости в ванне. При этом резко изменялась температура
корпуса в зоне изменения уровня, и механические напряжения
превышали предел прочности материала. Желаемого уровня дол-
говечности таких нагревателей все же достичь не удавалось. Как
быть?
Для справки:.............................................. —
Термический удар — резкое температурное воздействие (бы-
стрый нагрев или быстрое охлаждение), которое может привести
к высоким температурным напряжениям, вызывающим дефор-
мацию и разрушение [2]. Термический удар представляет наи-
большую опасность для хрупких тел. Он сильно зависит от тем-
пературного коэффициента термического разрушения, теплопро-
водности и модуля упругости. В нашем случае это характеристики
изделия, которые нежелательно изменять, а точнее которые уже
Глава 5. Игры разума
предельно изменены. Величина термического удара определяет-
ся скоростью изменения уровня жидкости, разностью темпера-
тур корпуса нагревателя у границы раздела жидкость—воздух.
Разбор решения задачи по АРИЗ 85В.
1. Анализ задачи.
Шаг 1.1. Мини-задача.
Техническая система для нанесения химических покрытий на
печатные платы включает: ванну, жидкость (электролит), элект-
ронагреватель с корпусом из стекла или керамики, погруженный
в жидкость, подвеску с печатными платами.
ТП 1. Если подвеска с печатными платами погружается в ванну
с жидкостью быстро, то обеспечивается необходимая производи-
тельность процесса нанесения покрытия, но при этом резко из-
меняется уровень жидкости и в результате термического удара в
зоне изменения уровня разрушается корпус электронагревателя.
ТП 2. Если подвеска с печатными платами погружается в ванну
с жидкостью медленно, то уровень жидкости изменяется медлен-
но, корпус электронагревателя не разрушается, но не обеспечи-
вается необходимая производительность процесса.
Необходимо при минимальных изменениях в технической
системе обеспечить необходимую производительность процесса
без разрушения корпуса электронагревателя.
Несколько вариантов физических противоречий (ФП) могут
быть сформулированы уже на данном этапе:
ФП 1. Уровень жидкости должен изменяться быстро и дол-
жен изменяться медленно.
ФП 2. Уровень жидкости должен изменяться и не должен
изменяться.
На данном этапе могут быть найдены и конкретные решения
задачи.
Решение 1--------------------------------------------------
Из анализа ФП 1 следует, что его можно разрешить, исполь-
зуя один из стандартных приемов ТРИЗ «разделить противоре-
чивые требования в пространстве». Уровень жидкости должен
изменяться быстро в ванне, но должен изменяться медленно у
поверхности нагревателя. Конкретное техническое решение, в
котором использованы известные из школьной физики закон
сообщающихся сосудов и эффект снижения скорости при исте-
чении жидкости через отверстия малого диаметра (известен боль-
Рис. 5.2. Вариант конструкции ван-
ны с погружным электронагрева-
телем:
1 — электронагревательный элемент;
2 — корпус электронагревателя; 3 —
фиксирующая пластина; 4 — жидкость;
5 — ванна; 6 — стакан с отверстиями.
шинству на примере принципа работы обычных автомобильных
амортизаторов), представлено на рис. 5.2.
Корпус нагревателя в зоне изменения уровня жидкости охва-
тывается стаканом 6 с отверстиями в нижней части. При измене-
нии уровня жидкости в ванне она в соответствии с законом сооб-
щающихся сосудов перетекает через отверстия в стакане из ванны
5 в стакан 6 или, наоборот, из стакана 6 в ванну 5. Скорость изме-
нения уровня жидкости в стакане 6 (у поверхности корпуса нагре-
вателя) можно сделать как угодно малой, изменяя число и/или
диаметр отверстий. Это решение можно «внедрить» за несколько
минут. Достаточно взять резинку от известного всем вантуза, про-
колоть в нем шилом дырку и натянуть на корпус нагревателя.
Решение 2------------------------------------------
Из анализа ФП 2 следует, что его можно разрешить также, ис-
пользуя известный из школьной физики закон Архимеда (рис. 5.3).
Следует всего лишь исключить жесткое крепление нагревателя
относительно ванны и снабдить его поплавком. При изменении
уровня жидкости нагреватель поднимается и опускается вместе с
жидкостью, а граница раздела фаз у поверхности корпуса нагре-
вателя просто отсутствует.
Рис. 5.3. Вариант конструкции ван-
ны с погружным электронагрева-
телем:
1 — электронагревательный элемент;
2 — корпус электронагревателя; 3 — по-
плавок; 4 — жидкость; 5 — ванна.
Глава 5. Игры разума
Решение 3-----------------------------------------------
Еще один вариант решения задачи на основе ФП 2 представ-
лен на рис. 5.4.
Для созидания этого технического решения вновь достаточно
знаний школьной физики. В решении использован капиллярный
эффект. На корпус нагревателя 2 в зоне изменения уровня жид-
кости надевается муфта 4, изготовленная из капиллярно-порис-
того материала. По аналогии с фитилем, знакомым всем по ке-
росиновой лампе или спиртовке, жидкость непрерывно подни-
мается по муфте вверх и испаряется. И если в ванне есть четкая
граница раздела жидкость—воздух, то у поверхности корпуса на-
гревателя ее нет или она просто размыта. Есть граница — есть
проблема, нет границы — нет проблемы.
Рис. 5.4. Вариант конструкции ван-
ны с погружным электронагрева-
телем:
1 — электронагревательный элемент;
2 — корпус электронагревателя; 3 —
фиксирующая пластина; 4 — муфта из
капиллярно-пористого материала; 5 —
жидкость; 6 — ванна.
К этому же решению можно прийти и другим путем от техни-
ческого решения, в котором корпус нагревателя охватывается
стаканом с отверстиями в нижней части (см. рис. 5.2). Достаточ-
но использовать оператор РВС. Уменьшая до нуля зазор между
стаканом и корпусом нагревателя и одновременно увеличивая
почти до бесконечности число отверстий в стакане, мы получим
эту же самую муфту.
Шаг 1.2. Конфликтующая пара.
Изделия’. электронагреватель (Н), подвеска с пе-
чатными платами (П).
Инструмент’. жидкость (Ж).
Уровень жидкости: — изменяется быстро,
— изменяется медленно.
5.
Шаг 1.3. Графическая схема ТП 1 и ТП 2.
ТП 1. Графическая схема ТП 1 представлена на рис. 5.5.
ТП 2. Графическая схема ТП 2 представлена на рис. 5.6.
Рис. 5.5. Графическая схема ТП 1.
Рис. 5.6. Графическая схема ТП 2.
(Указанные схемы несколько отличаются от цепочки взаи-
модействий, принятой за основу при формулировке ТП 1 и ТП 2.
В ТП исходный элемент — подвеска с печатными платами, по-
разному воздействующая на жидкость, которая, в свою очередь,
по-разному действует на корпус электронагревателя. В данном
случае исходным элементом выбрана жидкость, находящаяся «в
середине» этой причинно-следственной связи. Такие схемы так-
же имеют право на существование, поскольку отражают реаль-
ные взаимодействия в технической системе).
Шаг 1.4. Выбор ТП.
Поскольку главная функция производственного процесса —
нанесение покрытия, в качестве основного выбираем ТП 1.
Шаг 1.5. Усиление конфликта.
Будем считать, что подвеска с печатными платами погружа-
ется в жидкость не быстро, а мгновенно. (Уровень жидкости в
ванне изменяется не быстро, а мгновенно).
Шаг 1.6. Модель задачи.
Конфликтующая пара’, электронагреватель — жидкость.
Усиленная формулировка конфликта’, подвеска с печатными плата-
ми погружается в ванну мгновенно, следовательно, уровень жидко-
сти в ванне изменяется мгновенно, при этом обеспечивается необхо-
димая производительность процесса, но из-за термического удара
разрушается корпус электронагревателя.
Необходимо найти такой Х-элемент,
который, сохраняя мгновенное изменение
уровня жидкости в ванне, обеспечивал бы
устойчивость корпуса электронагревателя к
термическим ударам.
Уточненная схема ТП 1 представлена на
рис. 5.7.
Рис. 5.7. Уточненная схе-
ма ТП 1.
Глава 5. Игры разума
Шаг 1.7. Применение стандартов.
Предварительный анализ показывает, что для решения зада-
чи могут быть использованы стандарты класса 1.2 «Разрушение
веполей и устранение или нейтрализация вредных связей».
2. Анализ модели задачи.
Шаг 2.1. Оперативная зона.
Оперативная зона (ОЗ) — пространство, включающее поверх-
ность корпуса электронагревателя в зоне изменения уровня жидко-
сти, а также прилегающие к нему жидкость и воздух (см. рис. 5.1).
Шаг 2.2. Оперативное время (ОВ).
ОВ = 1\ + Tv
где Т\ (конфликтное время) — время изменения уровня жидко-
сти; Т2 — остальное время.
Шаг 2.3. Вещественно-полевые ресурсы.
Таблица 5.1. Вещественно-полевые ресурсы.
Источники ресурса Вещества Поля Другие
Функци- ональные ресурсы Свойства Другие
1. Ресурсы ОЗ: инструмент изделие Электропро- водная жид- кость Корпус электрона- гревателя Физико- химические Тепловое поле Электричес- кое поле Изме- нение формы Соеди- нение с «ничем» (с пусто- той) Изме- нение на время
2. Внешней системы Воздух Подвеска с печатными платами Фоновые поля (грави- тационное, магнитное) Механичес- кое поле
3. Определение ИКР и ФП.
Шаг 3.1. Формулировка ИКР-1.
Х-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вред-
ных явлений, устраняет в течение ОВ в пределах ОЗ нестойкость
корпуса электронагревателя, сохраняя способность жидкости в
ванне резко (мгновенно) изменять свой уровень.
Шаг 3.2. Усиленный ИКР-1.
Отсутствующий Х-элемент, абсолютно не усложняя систему и
не вызывая вредных явлений, устраняет в течение ОВ в пределах
ОЗ нестойкость корпуса электронагревателя, сохраняя способность
жидкости в ванне резко (мгновенно) изменять свой уровень.
Шаг 3.3. ФП на макроуровне.
ФП 3. В ОЗ в течение ОВ граница раздела: жидкость—воздух
должна быть и не должна быть.
После формулировки ФП 3 вновь выходим на решение 2 (см.
рис. 5.3) и решение 3 (см. рис 5.4).
Шаг 3.4. ФП на микроуровне.
Формулировка ФП на микроуровне вызывает затруднение.
Переходим к следующему шагу.
Шаг 3.5. Формулировка ИКР 2.
В ОЗ в течение ОВ должно само обеспечиваться отсутствие
границы раздела фаз: жидкость—воздух.
(Очередная отсылка к решениям 2 и 3).
4. Мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов.
Начинаем с шага 4.2, пропустив ММЧ, эффективный преимуще-
ственно для разрешения ФП, сформулированных на микроуровне.
Шаг 4.2. Шаг назад от ИКР.
Возвращаемся к решению 1 (см. рис. 5.2). По сути дела, это и
есть решение на уровне шаг назад от ИКР, поскольку в техни-
ческую систему все-таки вводится незначительное изменение, а
величина термического удара лишь уменьшается до приемлемых
значений.
Шаг 4.3. Переход от двух моновеществ к неоднородному би-
веществу.
На первый взгляд, можно изменить структуру корпуса элек-
тронагревателя (хотя и изменения изделия не приветствуются).
В развитие решения (см. рис. 5.4) капиллярно-пористую струк-
туру (муфту) можно переместить в наружную часть корпуса на-
гревателя (изготовить непосредственно в стекле или керамике).
Другой вариант — превратить из моновещества в бивеще-
ство жидкость. Это происходит автоматически при доведении
жидкости до кипения. При этом четкая граница раздела: жид-
кость—воздух исчезает. Но в данном конкретном случае это не-
приемлемо. Оптимальная температура процесса лежит в диапа-
зоне 60—70 °C. Можно, конечно, снизить температуру кипения
жидкости и до 60—70 °C. Решения известны. Но уж очень далеко
такое решение будет от идеального.
Если сделать «шаг назад от ИКР» и ввести небольшое коли-
чество поверхностно-активного вещества (ПАВ) (получить на
поверхности пену), то можно вновь избавиться от границы раз-
дела. С большой долей вероятности такое решение работоспо-
собно, но требует экспериментальной проверки. Как это может
повлиять на эффективность главного производственного процес-
са — эффективность нанесения покрытия?
Шаг 4.4. Использовать смесь ресурсных веществ с пустотой.
Если под пустотой понимать воздух, то вновь возвращаемся к
решениям, сформулированным на шаге 4.3.
Шаг 4.5. Применение веществ, производных от ресурсных.
В процессе химического осаждения меди возможно протека-
ние конкурирующей реакции, сопровождающейся выделением газа
(водорода) — источника «пустоты». Но, увы, эта реакция приво-
дит к тому, что качество осажденной химической меди становится
хуже. А это — основной, главный производственный процесс.
Шаг 4.6. Введение электрического поля.
Электрическое поле уже есть — внутри электронагревателя, но
его приходится изо всех сил защищать от электропроводной жид-
кости. Иначе может случиться непоправимое. Введение дополни-
тельных внешних полей может снизить идеальность решения.
Какова же судьба этих технических решений? Как уже было
сказано выше, эта задача была использована еще и для того, что-
бы научиться защищать изобретения. Научился.
Решение 1 (см. рис. 5.2) было признано изобретением [3].
Решению 2 (см. рис. 5.3) был противопоставлен абсолютно
схожий с ним патент Германии с приоритетом от 1898 г. (В ре-
альной жизни между ними оказалась дистанция в 100 лет).
5.2.
Следы от решения 3 (см. рис. 5.4) затерялись на Бережковс-
кой набережной (так уж получилось, что его рождение совпало с
коренными изменениями в жизни страны, с коренными измене-
ниями в жизни НИИ, с коренными изменениями патентного за-
конодательства и т. д.).
5.2. Программы
Компьютерная программа делает то, что
вы приказали ей делать, а вовсе не то, что вам
хотелось бы.
Законы Мерфи
Где алгоритмы — там и программы. Появление программных
продуктов, предназначенных по меньшей мере для активации
творческого процесса, не заставило себя долго ждать.
5.2.1. Те, которых много
Специальные методы поиска нестандартных решений, генера-
ции идей и активации творческих способностей человека полу-
чили широкое распространение, к сожалению, пока только за
рубежом. В конце семидесятых годов прошлого века за рубежом
началась разработка программных продуктов, облегчающих ре-
шение этих задач (Creativity Software). Зарубежные разработки
базируются на широком спектре методов решения творческих
задач (мозговой штурм, морфологический анализ, синектика,
методы случайного стимулирования ассоциаций и др.) [4]. На
современном рынке представлено более 50 программных про-
дуктов, основанных на этих принципах, например Axon Idea
Processor, Problem Solver, Serious Creativity, Genius Handbook, Idea
Generator, Creativity Machine, Idea Fisher и др. [5]. Эти програм-
мы, по оценке специалистов, достаточно эффективны. Они при-
влекательны своей простотой и подчас игровым характером. Про-
граммы хорошо востребованы рынком, что объясняется их деше-
визной (от 50 до 300 долларов США) и большим количеством
мелких и средних компаний, специализирующихся на решении
нестандартных задач в различных областях бизнеса (консалтин-
говые и аналитические фирмы, рекламные, маркетинговые и PR-
агентства и др.). В то же время стоимость сторонних услуг в этих
областях довольно высока и измеряется десятками и сотнями
тысяч долларов США.
Креативные программы обычно выполняют следующие фун-
кции [4]:
1. Оценка творческих способностей пользователя (тесты на
нестандартность мышления).
2. Развитие творческих способностей пользователя (задачи на
развитие нестандартного мышления).
3. Разрушение привычных представлений и стереотипов (фор-
мирование новых ассоциаций).
4. Составление «карт мышления».
5. Формирование выборки решений из «банка идей» исходя
из условий, задаваемых пользователем.
6. Комбинирование идей для получения новых.
7. Сортировка и оценка идей на основании задаваемых кри-
териев и выбор лучших.
8. Организация и протоколирование процесса генерации но-
вых идей и их отбора.
9. Пополнение существующего «банка идей».
5.2.2. Те, которые ближе всего
Аналогичные по своей направленности, но принципиально от-
личные по своей основе программные продукты разрабатывались
в СССР (Минск). Методологическая основа этих разработок —
ТРИЗ. Первые программные продукты появились в восьмидеся-
тых годах прошлого века. Вначале такие продукты представляли
собой всего лишь изложение АРИЗ на машинном языке. Еще
более упрощенный вариант — изложение на машинном языке
базы знаний (физических, геометрических и иных эффектов).
К моменту распада СССР в Минске был создан дееспособный
программный продукт под названием «Изобретающая машина».
Он с уважением был воспринят зарубежными специалистами, и
вскоре его создатели оказались за рубежом, где и творят поныне.
Ведущее положение на рынке разработок программных про-
дуктов на базе ТРИЗ сейчас занимают две компании, основан-
ные выходцами из бывшего СССР: Invention Machine Corporation
(США, Бостон) и Ideation International Inc. (США, Детройт). Раз-
работанные ими программные продукты (Goldfire Innovator,
TechnoOptimaiser, IdeationSoftware и др.) [6, 7] сейчас использу-
ют в своей инновационной деятельности крупнейшие мировые
корпорации: LG, General Electric, Procter & Gamble и др. Совре-
менные программные продукты помогают заниматься «техничес-
кой хиромантией» и специалистам корпорации Samsung.
Эти программные продукты отличаются друг от друга, но в то
же время они объединены общей схемой решения задач на методо-
логической основе ТРИЗ. Они содержат набор преобразований,
основанных на законах развития технических систем, который по-
зволяет выполнять прогноз развития технических систем; эффек-
тивный механизм разрешения противоречий; базы данных по фи-
зическим, геометрическим, химическим и иным эффектам и т. д.
К сожалению, эти программные продукты имеют один суще-
ственный недостаток: они очень дороги. Как правило, они про-
даются пакетами на сотни, тысячи рабочих мест. Стоимость та-
ких сделок не афишируется. Скорее всего, речь идет о милли-
онах или десятках миллионов долларов США. Разработчики
высоко оценивают продукты своего интеллектуального труда, и
приобрести такие программные продукты могут действительно
только крупнейшие мировые корпорации. Остальным чаще все-
го приходится заглядывать в будущее и реализовывать «тризовс-
кие» алгоритмы в носимом компьютере. Нет, не в ноутбуке — в
собственной голове. Хотя в последнее время аналогичные разра-
ботки начали проводиться и в России.
5.2.3. Те, которые обещают больше всех
Принципиальный недостаток перечисленных выше программных
продуктов в том, что они не сделают за вас изобретение, а всего
лишь помогут это сделать. Отличия этих продуктов друг от друга
лишь в методах, на которых они базируются, и соответственно в
эффективности помощи.
На этом общем фоне выделяется программный продукт, раз-
работанный российской компанией «Метод» (изобретающая про-
грамма Новатор) [8]. Разработчики этого программного продукта
обещают, что их программа сама сделает за вас изобретение, прав-
да, ограничивая при этом область ее применения только изобре-
тениями-устройствами. На чем же базируются такие обещания?
Блок-схема, поясняющая процесс решения технических про-
блем в программе Новатор приведена на рис. 5.8.
Процесс решения разделяется на 4 этапа:
1. Выявление проблемы.
2. Анализ проблемы.
3. Решение проблемы.
4. Выбор решения.
Исходной информацией для Новатора является модель про-
блемной ситуации, которую разрабатывает пользователь. Модель
Глава 5. Игры разума
Модуль
программы
Части
базы знаний
Входная
— и выходная
информация
— Знания
Промежуточная
информация
Модель* — Расширенная модель
Рис. 5.8. Блок-схема решения технических проблем в программе Новатор [8].
необходима, поскольку фрагменты текста, рисунков, диаграмм,
расчетных формул и др. не могут служить исходными данными
для компьютерной программы.
Модель проблемной ситуации представляет собой блок-схему,
которую пользователь строит с помощью специального объектного
графического редактора. При этом указываются объекты, свой-
ства объектов, отношения между объектами... и, наконец, опре-
деление объектов, их свойств и отношений между ними через
словарь терминов. Это самый сложный этап работы.
Какого же рода изобретения способна выдавать такая про-
грамма?
Во-первых, на первом этапе решения предлагается использо-
вать известные устройства по новому назначению. В соответствии
с действующим патентным законодательством — это изобретения.
Во-вторых, обращаясь к базе данных по известным решениям и
эффектам, Новатор предлагает способы улучшения показателей
найденных устройств (изменение свойств материалов, замена мате-
риалов, изменение конструкции и режима работы). В данном слу-
чае такие изменения (новые конструктивные признаки) в соответ-
ствии с тем же патентным законодательством изобретениями могут
быть не всегда. Нужен своеобразный «синергический» эффект.
В-третьих, для обеспечения проблемы функционирования ново-
го устройства Новатор объединяет исходное устройство и устрой-
ства, обеспечивающие его функционирование, в одно целостное ус-
тройство. Это устройство может иметь новый принцип действия,
что, по мнению разработчиков, также может стать изобретением.
Литература
1. Алътшуллер Г. С. История развития АРИЗ /
http://www.altshuller.ru/triz/ariz-about 1 .asp
2. Политехнический словарь. Редкол.: А.Ю. Ишлинский и др. —
М.: Сов. энцикл., 1989.
3. Уразаев В.Г., Сарбайцев А.А. Ванна для нагрева жидкостей.
А.с. СССР № 1690226, приоритет от 19.12.1988 г.
4. Дубина И.Н. Современные программные средства поддержки
креативных процессов: назначение, специфика, принципы работы,
основные функции // http://ec.asu.ru/hb/sbom/infec2003/sod.php
5. http://members.ozemail.com.au/~caveman/Creative/Software/
swindex.htm
6. http://www.invention-machine.com
7. http://www.ideationtriz.com
8. http://www.method.ru
ГЛАВА 6
ЭФФЕКТЫ
Главное не в том, как достать, а как поло-
жить.
Линда Мур
Есть такая область человеческой деятельности, где энциклопеди-
ческие знания в различных областях науки и техники приносят
только пользу — это разгадывание кроссвордов. А вот в гораздо
более важной области (совершенствование техники) отношение
к таким знаниям двойственное. Энциклопедические знания и
полезны, и одновременно вредны.
Почему вредны? Дело в том, что «ходячей энциклопедии» не
так просто отмахнуться от психологической инерции. А она, как
известно, в изобретательской деятельности плохой помощник.
Почему полезны? Энциклопедические знания очень важны
на завершающей стадии создания изобретения. ТРИЗ очень хо-
рошо помогает найти общее решение изобретательской задачи.
Но чтобы перейти от общего решения к конкретному, необходи-
мы знания различных эффектов (законов, закономерностей, яв-
лений).
Количество таких эффектов измеряется цифрой со многими
нулями, да еще и растет по экспоненте. Человеческий мозг ис-
пользует свои возможности всего лишь на несколько процентов.
Почему так получается и как сделать наоборот — тема отдельно-
го разговора. Но столь низкий КПД требует использовать ресур-
сы биологического компьютера преимущественно для осуществ-
ления логических операций, а не в качестве хранилища базы зна-
ний. В настоящее время в качестве такого хранилища эффективно
используется посредник — персональный компьютер. Дополни-
тельные возможности пользователю компьютера предоставляет
Интернет.
Но прежде всего необходимо было выявить и систематизиро-
вать те эффекты, которые могут быть использованы для решения
задач в изобретательской практике. Работа над созданием таких
указателей началась задолго до того, как персональный компью-
тер стал общедоступным. Указатели физических, геометричес-
^alaUausi^l
6.1. Физические эффекты
ких, химических и биологических эффектов были вначале со-
ставлены энтузиастами от ТРИЗ в бумажном варианте. Ныне
многочисленные версии таких указателей можно достаточно бы-
стро и просто найти в Интернете. Следует всего лишь ввести
ключевые слова. Какие-то версии указателей общедоступны,
смотрите, например, базу данных по химическим эффектам [1].
В открытое пользование выставлены указатели физических эф-
фектов [2]. За просмотр и использование некоторых других ука-
зателей, увы, придется заплатить. И ничего предосудительного в
этом нет. К такому понятию, как интеллектуальная собствен-
ность, вне зависимости от своих желаний следует привыкать.
Кроме того, база знаний является обязательным элементом
(блоком) любой компьютерной программы типа «изобретающая
машина». Поиск необходимого эффекта в данном случае превра-
щается в увлекательное занятие, поскольку такие программы обыч-
но снабжены удобным для пользователя интерфейсом, механиз-
мом целенаправленного поиска нужных эффектов и прекрасно
иллюстрированными примерами.
6.1. Физические эффекты
Если нечто не работает, значит это фи-
зика.
Законы Мерфи
6.1.1. Что-то с памятью моей стало...
Физика и в какой-то степени химия являются основой микро- и
макротехнологий получения изделий электроники. В микротех-
нологиях мирно сосуществуют физические и химические методы
локального травления: изотропными и анизотропными травите-
лями (wet isotropic, anisotropic etching), плазмохимическое трав-
ление (plasma etching), глубокое реактивное ионное травление
(DRIE — Deep Reactive Ion Etching) [3].
А в основе работы современных электронных устройств пока
лежат только физические принципы. Обязательным элементом
любого современного электронного прибора является энергоне-
зависимая память. «Склеротические» явления (неспособность
сохранять информацию после выключения питания) сделали бы
их бесполезными. В работах [4—6] приведены принципы работы
энергонезависимой памяти.
Подавляющее большинство электронных приборов исполь-
зуют ныне в качестве энергонезависимой памяти Flash — элект-
рически стираемую программируемую память. Устройства Flash-
памяти приобрели большую популярность и завоевали всеобщее
признание пользователей персональных компьютеров. Самое
широкое распространение получил вариант исполнения «memory
stick» — память-палочка. Кроме того, Flash-память существует в
виде карточек, которые являются сменными носителями инфор-
мации и вставляются в цифровые фотоаппараты, видеокамеры,
сотовые телефоны.
Физическую основу технологии Flash составляет «плавающий»
затвор МОП-транзистора, находящийся между управляющим зат-
вором и каналом сток—исток. Если в плавающем затворе нет
свободных электронов, то напряжение, приложенное к управляю-
щему затвору, откроет канал транзистора, что интерпретируется
как логическая «1». Когда в плавающем затворе много свободных
электронов, приложенное к управляющему затвору напряжение
не способно открыть канал, транзистор остается выключенным,
и считывается логический «О». Операция чтения ячейки Flash-
памяти проста — проверяется, открывается ли транзистор напря-
жением, приложенным к управляющему затвору. Запись произ-
водится несколько сложнее.
Принцип работы магниторезистивной памяти MRAM осно-
ван на различной проводимости магниторезистивного материа-
ла, помещенного между ферромагнетиками с одинаковой или
различной ориентацией магнитных моментов. Если направления
магнитных полей слоев ферромагнетика совпадают, то сопротив-
ление магниторезистивного материала невелико, что интерпре-
тируется как логическая «1». При противоположных магнитных
моментах сопротивление значительно больше, и это обозначает
логический «О». При чтении измеряется сопротивление туннель-
ного перехода. Для записи в ячейку используется намагничива-
ние внешним магнитным полем. Направление намагниченности
задается направлением тока.
В памяти на ферроэлектрических конденсаторах FRAM ин-
формация хранится в поляризованных ферроэлектриках. Работа
такой памяти основана на способности ферроэлектрических кон-
денсаторов очень долго (до 10 лет) сохранять заряд без потребно-
сти в регенерации. Полярность заряда конденсатора интерпрети-
руется как двоичная информация: логический «0» или логичес-
кая «1».
В основе работы универсальной памяти OUM лежит явление
фазового перехода. Принцип действия этой памяти основан на
уникальном свойстве халькогенидного сплава принимать два ус-
тойчивых состояния (аморфное и поликристаллическое). Нагрев
в течение нескольких десятков наносекунд до 600 °C приводит
его в аморфное (высокоомное — около 100 кОм) состояние. Ох-
лаждение — возвращает его в поликристаллическую форму. При
этом сопротивление уменьшается примерно на два порядка. Из-
менение сопротивления при осуществлении фазового перехода
используется для регистрации «0» и «1» при чтении.
Управление фазовым состоянием халькогенидов уже много
лет используется в CD-R/W, DVD-R/W и DVD-RAM. В ком-
пакт-дисках нагрев сплава производит луч лазера. В интеграль-
ных схемах для нагрева используется резистивный нагреватель.
Для записи по цепи резистор — кристалл пропускается импульс-
ный ток (около 1 мА). Процесс чтения основывается на измере-
нии сопротивления.
6.1.2. Физический фейерверк
Различные варианты энергонезависимой памяти основаны на
различных физических эффектах. Настоящий фейерверк физи-
ческих эффектов продемонстрирован в книге Дж. Уокера [7].
Видимо, не случайно к переводу и изданию этой книги на рус-
ском языке оказалась причастной редакция научно-популярной
и научно-фантастической литературы.
Пример из этой книги. Как быстрее поджарить большой ку-
сок мяса? Можно насадить его на железный прут, как это обыч-
но делают, когда пекут картошку. Тогда тепло лучше проникает
внутрь мяса, и оно готовится быстрее. В США продается специ-
альное приспособление, предназначенное для этой цели. Внешне
это приспособление выполняется в виде обыкновенного гвоздя,
на который можно насадить кусок мяса. Внутреннее содержание
этого «гвоздя» гораздо сложнее. Оно представляет собой закры-
тую с обоих концов трубку, внутри которой проходит смоченный
водой фитиль. Утверждается, что такая трубка проводит тепло в
1000 раз лучше, чем сплошной металлический стержень. В ре-
зультате чего время приготовления уменьшается в 2 раза. Для
реализации этого очень эффективного технического решения были
использованы два физических эффекта: капиллярный эффект и
явление фазового перехода жидкость—пар. Оба этих эффекта
объединены в так называемой тепловой трубе (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Устройство тепловой трубы:
1 — тонкостенный металлический сосуд; 2 — капиллярно-пористый ма-
териал (фитиль); 3 — внутренний объем.
Классическая тепловая труба представляет собой, как прави-
ло, тонкостенный металлический сосуд (1), внутренние стенки ко-
торого покрыты капиллярно-пористым материалом (фитилем) (2).
Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью.
Внутренний объем (3) заполнен паром этой жидкости.
Если один конец тепловой трубы подсоединить к источнику
тепла с температурой 7р а другой к приемнику тепла с темпера-
турой Т2 (меньшей, чем Т,), то тепловая труба будет передавать
тепло во много раз больше (быстрее), чем сплошной стержень,
изготовленный из самых теплопроводных материалов. На одном
конце трубы источник тепла переводит жидкость в пар, потреб-
ляя при этом большое количество тепла (теплота парообразова-
ния обычно очень велика). Горячий пар перемещается вдоль труб-
ки и конденсируется на другом конце трубы, высвобождая тепло,
затраченное ранее на переход жидкости в пар и отдавая его при-
емнику тепла. За счет капиллярного эффекта охлажденная жид-
кость вновь перемещается к нагретому концу трубы. Такие цик-
лы повторяются много-много раз.
Оригинальное издание книги Дж. Уокера вышло в 1975 г. С тех
пор «утекло» много времени. Изготовители микроволновых пе-
чей наверняка привели в упадок бизнес у изготовителей умных
«гвоздей». Но аналоги этих «гвоздей» в XXI веке, похоже, уже
нашли другую не менее важную нишу [8, 9]. На этот раз замеча-
тельные свойства тепловой трубы используются не для нагрева, а
для охлаждения.
6.1. Физические эффекты
Сверхплотная упаковка внутри интегральных схем и очень
плотная упаковка на их носителях (печатных платах) выдвигает
на первый план проблему отвода тепла от изделий радиоэлектро-
ники. Количество тепла, выделяемое на единицу объема, возрас-
тает многократно. Современные ноутбуки вполне можно исполь-
зовать еще и в качестве грелки.
Иногда даже возникают парадоксальные ситуации. Размер
интегральной схемы уменьшается, а объем, который она занима-
ет, увеличивается. Так, в современных настольных компьютерах
охлаждающее устройство (радиатор + вентилятор) несоизмеримо
больше, чем охлаждаемый им микропроцессор. Использование
систем жидкостного охлаждения позволяет несколько повысить
эффективность охлаждения, но перспективы этого технического
решения не внушают особого оптимизма. Разве что по аналогии
с ядерными реакторами в качестве теплоносителя таких систем
будут использованы легкоплавкие металлы. Представляете, в ка-
честве чего еще можно будет использовать такой компьютер?!
Специалистами фирмы Sandia Labs недавно запатентован ва-
риант «пассивного интеллектуального механизма передачи теп-
ла» [9]. Оказалось, что за этим названием прячется обыкновен-
ная тепловая труба. В тепловых трубках, предназначенных для
охлаждения ноутбуков, в качестве жидкости используется мета-
нол. А вот капиллярно-пористая структура у них реализуется чуть
умнее, чем в «умных» гвоздях. Используются внутренние ресур-
сы трубы. Капиллярная структура представляет собой кривые пре-
цизионные канавки глубиной 60 мкм (тоньше человеческого во-
лоса) в стенках трубы. Эти канавки изготавливают методами фо-
толитографии.
Человек нашел очень много полезных применений сочета-
нию нескольких физических эффектов, реализованных в теп-
ловой трубе. Но, оказывается, приоритет в использовании теп-
ловых труб для интенсификации и регулирования теплообме-
на принадлежит матушке-природе. Более того, эти пионерские
изобретения природы используются в самом человеке. Кожа че-
ловека, да и не только человека, представляет собой бесконечное
множество пор. При ближайшем рассмотрении «конструкции»
совокупности этих пор можно прийти к выводу, что это... обыч-
ные тепловые трубы [10].
Терморегулирование человека осуществляется не только в
результате потовыделения. Природа (или создатель?) заложили
двойной, тройной или даже более того «запас прочности». В хо-
Рис. 6.2. Способ реализации теплообмена в конечностях человека [10].
6.2. Геометрические эффекты I
лодную погоду кровеносные сосуды сужаются, к поверхности тела
поступает меньше крови, и сокращаются потери тепла. Если же
организм перегрет, то кровеносные сосуды расширяются, к по-
верхности подходит больше крови и избыток тепла отдается ок-
ружающему воздуху.
В дополнение к этому у каждого волоска на коже имеется
крошечная мышца, поднимающая или опускающая его, что из-
меняет интенсивность циркуляции воздуха у поверхности кожи.
Кроме того, кровеносные сосуды в конечностях располагают-
ся преимущественно вплотную друг другу и мотут работать по
принципу противоточного теплообменника. Причем, «оригиналь-
ное техническое решение» реализовано таким образом, что вплот-
ную прилегают глубокие вены, а другие вены располагаются вбли-
зи поверхности кожи (рис. 6.2).
Между артерией и глубоко расположенной веной происходит
теплообмен. Артериальная кровь, идущая к поверхности тела,
заранее охлаждается, а венозная, идущая в глубь тела, нагревает-
ся. Если организму требуется отдать избыток тепла, то кровь воз-
вращается по другому пути — по поверхностным венам, где она
может отдать тепло в окружающую среду, а также избежать полу-
чения тепла от артериальной крови.
А как быть, если все же баланс между тепловыделением и
теплопотерями нарушен (последние выше)? На этот случай реа-
лизуется другое «изобретение»: человек начинает «дрожать от
холода». Центральная нервная система вызывает особые мышеч-
ные сокращения, которые приводят к повышению интенсивнос-
ти тепловыделения.
6.2. Геометрические эффекты
Если нечто уму непостижимо, значит это
математика.
Законы Мерфи
Не менее интересный фейерверк эффектов (на этот раз геомет-
рических) приведен в книге [11]. Согласно патентному законода-
тельству изобретения подразделяются на устройства, способы,
вещества и штаммы микроорганизмов [12]. К устройствам как
объектам изобретения относятся конструкции и изделия. Под
способами понимают процессы выполнения действий над мате-
риальным объектом с помощью материальных объектов. Веще-
Глава 6. Эффекты
ства — индивидуальные химические соединения (в том числе и
высокомолекулярные соединения), композиции (составы и сме-
си) и продукты ядерного распада.
На первый взгляд, глубокие знания математики (преимуще-
ственно геометрии) необходимы только при разработке устройств.
С упоминаний о Кулибине начинается практически каждая вто-
рая статья на тему изобретательства. Действительно, оригиналь-
ные технические решения в области конструирования очень эф-
фектны. Но изобретения-способы и изобретения-вещества, хотя
и не так эффектны, но не менее эффективны. Более того, реали-
зация таких технических решений в большинстве случаев также
немыслима без использования познаний из области «царицы всех
наук».
6.2.1. Устройства
Самый распространенный пример демонстрации возможностей
использования геометрических эффектов (за исключением дос-
тижений Кулибина) — лента Мебиуса. Если взять полоску бума-
ги, перекрутить ее на 180° и соединить ее концы, мы получим
ленту Мебиуса (рис. 6.3).
Шагая по поверхности этой ленты, можно пройти по внеш-
ней и внутренней ее стороне и вернуться в начальную точку, не
пересекая при этом ее ребра. Лента с так называемой односто-
ронней поверхностью названа в честь профессора Лейпцигского
университета Августа Мебиуса. И.Л. Викентьевым при анализе
фонда патентной документации было найдено около ста изобре-
тений, в которых явно или неявно использован этот геометри-
ческий эффект.
В большей части этих изобретений используется возможность
двукратного увеличения рабочей поверхности и/или ресурса при
незначительном увеличении габаритов конструкции. Простейший
пример — двухсторонняя шлифовальная лента, не требующая
остановки и переворачивания после износа шлифовального слоя
Рис. 6.3. Лента Мебиуса.
6.2. Геометрические эффекты
на одной стороне. Другой пример использования ленты Мебиуса
имеет прямое отношение к радиоэлектронике. Сигнал, распрос-
траняющийся по поверхности Мебиуса, проходит каждое сече-
ние дважды — по внутренней и наружной поверхности. Это по-
зволяет геометрическим путем реализовать делитель частоты.
На поверхностях ленты выполняются возбудители акустических
волн, которые, возникнув, отражаются от возбудителя и образу-
ют стоячую волну с частотой в два раза меньше, чем у цилиндри-
ческих устройств тех же габаритов.
Знания геометрии очень важны и для разработчиков волно-
водов. Волноводы — устройства (каналы) в неоднородной среде,
вдоль которых могут распространяться волны — акустические,
электромагнитные (радио- и световолноводы), сейсмические и
др. [13]. Чаще всего радиоволноводы используются как линии
передачи. Отрезки радиоволноводов служат резонаторами элект-
ронных приборов. По сравнению с двухпроводными линиями
передачи радиоволноводы позволяют передавать большую мощ-
ность с меньшими потерями. Поперечные сечения волноводов
поражают причудливостью своих форм (рис. 6.4).
Причем выбор того или иного сечения — не случайность, а
осознанная необходимость. Так, для создания электромагнитно-
го поля с круговой поляризацией (в антенных решетках) лучши-
ми оказались крестообразные радиоволноводы. Коконообразные
волноводы позволяют уменьшить размер поперечного сечения и
расширить рабочую полосу пропускания. И так далее.
Рис. 6.4. Примеры поперечных сечений полых радиоволноводов в виде
металлических труб:
а — прямоугольного; б — круглого; в — П-образного; г — Н-образного:
д — коконообразного; е — крестообразного.
6.2.2. Способы и вещества
Нанотехнологии — ныне самое модное направление в науке.
Каких только чудес не ожидает от них человечество! По мнению
экспертов, такие технологии наряду с информационными и био-
технологиями станут фундаментом научно-технической револю-
ции в XXI веке. Как это следует из названия, нанотехнологии
реализуются на уровне молекул («нано» — 10 ~9). Говоря о нано-
технологиях, большинство из нас не принимает во внимание то,
что химики уже в течение нескольких веков работают на этом
самом молекулярном уровне. Поэтому «изобретательский уро-
вень» и «практическая применимость» у таких конструкций и тех-
нологий налицо, а вот с «новизной» большие проблемы. И если
основоположником нанотехнологий назвать Дмитрия Иванови-
ча Менделеева или иного великого химика, большой ошибки,
думаю, не будет.
За долгие годы упражнений по конструированию на молеку-
лярном уровне химиками создано великое множество оригиналь-
ных технических решений, в основе которых — все те же геомет-
рические эффекты. Какие-то стали следствием «научного тыка»,
какие-то — результатом «удовлетворения учеными собственного
любопытства за государственный счет». Поподробнее о любопыт-
стве. Из школьной химии нам известна формула бензола: С6Н6.
Это простейшее химическое соединение с кольцевой структу-
рой. Любознательные химики (на спор?) поставили задачу про-
деть кольцо одной молекулы в кольцо другой. В результате по-
явился новый класс химических соединений — катенаны (от лат.
catena — цепь) [14]. Катенаны — это соединения, молекулы ко-
торых состоят из двух или более циклов, продетых один в другой
подобно звеньям цепи. Циклы связаны между собой не химичес-
кой связью, а так называемой топологической (механической).
Смотрите, например, соединение формулы:
Думаю, что читателям интересно узнать, как же им это уда-
лось? Подковать молекулярную блоху оказалось не так-то про-
6.2. Геометрические эффекты I
сто. Одни ученые пошли по пути направленного синтеза. Итого-
вая схема включала более 20 стадий присоединения, циклизации
и разрыва связей. Другие отдались воле случая, проводя цикли-
зацию длинноцепных молекул в растворе, содержащем макро-
циклы других молекул. В обоих случаях выход реакции был весь-
ма далек от желаемого. Но несмотря на это, задача была успешно
решена!
Для любознательных физиков могу поставить обратную зада-
чу: как эти кольца разъединить, не нарушая при этом их целост-
ности? Или еще одну, не менее интересную задачу: как из цепоч-
ки одной молекулы получить ленту Мебиуса? Кто знает, какие
неожиданные практические применения удастся реализовать на
базе этого любопытного решения.
Катенаны по химическим свойствам оказались аналогичны-
ми образующим их циклам и широкого практического примене-
ния пока не получили. А вот их высокомолекулярные аналоги
уверенной поступью захватывают все новые и новые территории.
Исторически термин «взаимопроникающие полимерные сетки»
(ВПС) возник при проведении полимеризации смеси двух моно-
меров в таких условиях, когда при этом получались два простран-
ственных гомополимера, а не сополимер. Эти две тесно сосуще-
ствующие сетки гомополимеров были названы взаимопроника-
ющими. Между ними отсутствуют химические связи, но их нельзя
разделить именно в силу взаимопроникновения. В развитии тео-
рии ВПС принимало участие множество ученых. Всеобщее при-
знание получили работы Л. Сперлинга [15, 16]. В Советском Со-
юзе мозговой центр находился в АН УССР (работы Ю.С. Липа-
това). К прикладным аспектам использования ВПС имеет
отношение и автор книги [17, 18].
Если говорить шире, то ВПС можно определить как комбина-
цию двух сетчатых полимеров (полимер 1 и полимер 2), когда по
крайней мере один из них синтезирован и/или сшит в непосред-
ственном присутствии другого. Следует отметить, что Г. Фриш,
один из ученых, имеющий непосредственное отношение к откры-
тию ВПС, длительное время занимался изучением катенанов.
В зависимости от способа получения различают одновремен-
ные и последовательные ВПС.
На рисунке 6.5 приведена схема получения одновременных ВПС.
Сплошными линиями изображена сетка полимера 1 (Р1),
штриховыми линиями изображена сетка полимера 2 (Р2), узлы
сетки — жирные точки, □ — мономеры, X — сшивающие агенты.
□ i di di Xi
(P1P2)
E-H2 dz dj X2 /d/-*'
Рис. 6.5. Схема получения одновременных ВПС.
Образование одновременных ВПС происходит в однородной
смеси двух мономеров и соответствующих каждому из них сши-
вающих агентов. Для образования таких ВПС необходимо, чтобы
образование двух полимерных сеток происходило по разным (не-
зависимым) механизмам: ступенчатая полимеризация и цепная
полимеризация, поликонденсация и цепная полимеризация и др.
Для получения идеальных одновременных ВПС необходимы-
ми условиями являются также одновременность начала гелеоб-
разования обоих полимеров и их полная совместимость. На прак-
тике эти условия выполняются очень редко. Чаще всего имеет
место разделение фаз, и взаимопроникновение происходит лишь
в зонах, прилегающих к границе их раздела. Любознательным
химикам все же удалось синтезировать идеальные одновремен-
ные ВПС, но оказалось, что вопреки ожиданиям, выдающимися
свойствами они не обладают. Выдающимися свойствами облада-
ют реальные одновременные ВПС, позволяя получить более вы-
сокий уровень физико-механических свойств, чем это было в ис-
ходных полимерах или обычной смеси этих полимеров.
На рисунке 6.6 приведена схема получения последовательных ВПС.
Сплошными линиями изображена сетка полимера 1 (Р1),
штриховыми линиями изображена сетка полимера 2 (Р2), узлы
сетки — жирные точки, □ — мономеры, X — сшивающие агенты.
Термин «последовательные ВПС» связан с временной после-
довательностью полимеризации. Полимерная сетка 1 может быть
получена любыми известными методами. Затем мономер 2 со-
вместно со сшивающим агентом в результате диффузии прони-
кает в полимерную сетку 1 и полимеризуется in situ. Последова-
тельные ВПС позволяют реализовать полимерные материалы с
более плотной упаковкой полимерных цепей со всеми вытека-
ющими из этого последствиями. В зависимости от того, на какой
стадии был прерван процесс диффузии, можно получить равномер-
ное по объему образца распределение полимера 1 и полимера 2,
или градиентное распределение. В градиентных ВПС соотноше-
ние сетчатых структур полимера 1 и полимера 2 изменяется по
6.2. Геометрические эффекты
Рис. 6.6. Схема получения последовательных ВПС.
толщине образца. Такие ВПС являются очень удачным техничес-
ким решением для получения изделий с изменяющимися по тол-
щине физическими свойствами (плотность, показатель прелом-
ления и др.).
Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) оп-
ределяется многими факторами. Для всепогодной РЭА, предназ-
наченной для эксплуатации в экстремальных условиях, на пер-
вое место выдвигается обеспечение ее влагостойкости. Влагос-
тойкость РЭА определяется преимущественно диэлектрическими
характеристиками подложки печатной платы (стеклотекстолита)
и влагозащитного полимерного покрытия (лак, защитная паяль-
ная маска и др.). В условиях воздействия влаги диэлектрические
свойства ухудшаются. Результат — отказ или даже самовозгора-
ние РЭА. Микроминиатюризация в электронике ведет и к мик-
роминиатюризации печатных плат. Зазоры между проводниками
становятся все меньше и меньше. Диэлектрические характерис-
тики стеклотекстолита становятся явно недостаточными. Поэто-
му печатные платы лимитируют микроминиатюризацию РЭА в
целом.
Все сказанное выше относится к абсолютным истинам. До
недавних пор считалось, что уровень сопротивления изоляции
стеклотекстолита в готовой печатной плате не может быть выше,
чем в исходном стеклотекстолите. На практике он бывает только
ниже. Причина проста: многократные термические и химичес-
кие «ожоги», которые стоически переносит стеклотекстолит при
изготовлении из него печатной платы. Эти, казалось бы, тоже
абсолютные истины удалось превратить в относительные. Оказа-
лось, что в готовой печатной плате можно реализовать более
высокий уровень сопротивления изоляции стеклотекстолита, чем
в исходном базовом материале [18]. Помогли же сделать это ВПС,
точнее последовательные ВПС, а еще точнее — градиентные по-
следовательные ВПС.
Говорят, что первенство в практическом использовании ВПС
принадлежит изобретателю резины Гудьиру [14]. Еще в 1844 г.
ВПС вольно или невольно были реализованы им при вулканиза-
ции каучука. Чуть позже... в 1988 г. ВПС были реализованы авто-
ром при проведении экспериментов с печатными платами.
Известно, что уровень сопротивления изоляции печатных плат
определяется преимущественно состоянием поверхностного слоя
стеклотекстолита [19]. Усовершенствованию этого поверхност-
ного слоя и были посвящены эксперименты с печатными плата-
ми, завершившиеся разработкой специальной технологии, назван-
ной полимеризационным наполнением [20—23]. Полимеризаци-
онное наполнение включает две основные стадии:
1. Диффузию жидкой композиции на основе непредельных
бифункциональных мономеров в поверхностный слой стекло-
текстолита печатной платы.
2. Отверждение (полимеризацию) этой композиции в объеме
стеклотекстолита при термообработке.
Налицо абсолютное совпадение с методами получения гради-
ентных последовательных ВПС. В данном случае полимер 1 —
эпоксидная полимерная матрица стеклотекстолита, а полимер 2 —
трехмерная полимерная сетка, получаемая при полимеризации
бифункционального мономера. Глубокие инструментальные ис-
следования показали, что образование градиентных последова-
тельных ВПС имеет место в действительности. Более того, имен-
но образованием ВПС объясняется столь высокая эффективность
полимеризационного наполнения.
Очень часто бывает так, что человеческие изобретения при-
рода уже давно и успешно использует в самом же человеке. Так,
например, в нуклеиновых кислотах были обнаружены фрагмен-
ты, аналогичные по структуре катенанам. В свою очередь, чело-
век, используя эти (общие?) изобретения, пытается усовершен-
ствовать самого себя.
^alaiLaus^i
6.2. Геометрические эффекты
Интересна история открытия цианакрилатных клеев (эфиров
а-цианакриловой кислоты). Измеряя показатель преломления
свежеперегнанного метил-аг-цианакрилата, сотрудники фирмы
«Eastman Kodak Со» (США) обратили внимание на невозмож-
ность разъединения призм рефрактометра [24]. В результате уже
через год появились первые промышленные цианакрилатные ад-
гезивы. Это так называемые «блиц»- или «момент-клей».
Уникальность этих клеев заключается еще и в том, что гидро-
ксилсодержащие соединения являются ускорителями их поли-
меризации. Следствие этой уникальности — возможность «на-
мертво» склеивать биообъекты, в которых гидроксилов видимо-
невидимо. Такие клеи получили распространение в хирургической
практике. И если цианакрилатный клей случайно попадет вам на
кожу, имейте в виду, что через некоторое время удалить его мож-
но будет только с кожей. Химические связи, особенно если их
много, разорвать не так-то просто. Кстати, те же проблемы вас
ожидают при работе с продуктами на основе изоцианатов (отвер-
дитель ДГУ, монтажные строительные пены).
«Намертво» прикрепить друг к другу два биообъекта, или при-
крепить что-либо к биообъекту, можно и без образования хими-
ческих связей. Достаточно использовать ВПС. Тризовское реше-
ние! Химических связей между объектами нет, а для того чтобы
разъединить эти объекты, химические связи нужно разорвать.
Что же может скрываться за словами «объекты»? На сайте
американской корпорации «American Beauty International» [25]
предлагается широкий ассортимент продукции, предназначенной
для того, чтобы женщины стали еще красивее. В этом ассорти-
менте мы видим по крайней мере два продукта, при объяснении
принципа действия которых используются такие знакомые сло-
ва: ВПС и патент.
Объекты усовершенствования — ногти. Для наращивания ног-
тей предлагается использовать «первый в мире мономер с самой
большой силой сцепления, не требующий праймера... основан-
ный на эксклюзивной технологии взаимопроникающей сетки».
Этот (первый ли?) мономер способен проникать в кератино-
вые пластины ногтей и при последующей полимеризации в ре-
зультате образования ВПС «намертво» прикреплять накладные
ногти. Другое предложение — «оригинальная акриловая пудра с
взаимопроникающей сеткой для придания естественного вида
ногтям».
А вот изобретение Святослава Федорова [26] позволяет слег-
ка подремонтировать другой биообъект — глаза. Для замены ро-
говой оболочки глаза при ее помутнениях предложено использо-
вать керапротез, опорная и оптическая части которого соединя-
ются друг с другом за счет переходной зоны взаимопроникающих
полимерных сеток полимеров.
Еще один пример. Если вы сидите в стоматологическом кресле
и чувствуете характерный сладковатый запах метилметакрилата,
с высокой долей вероятности у вас во рту происходит рождение
ВПС. Чаще всего это полу-ВПС (полимер 1 — линейный поли-
мер, полимер 2 — трехмерный полимер). Такие ВПС образно
называют «змея в клетке».
Дело идет к тому, что ВПС становятся необходимыми и
неотъемлемыми элементами косметологических салонов и ме-
дицинских клиник. Попытаюсь спрогнозировать дальнейшее раз-
витие событий в области медицины красоты. На мой взгляд,
ВПС затаились перед прыжком на скандально известные сили-
коновые имплантанты. Преимущества ВПС — очевидны. Во
всяком случае, хотя бы о таком необычном явлении, как «вывих
груди», можно будет забыть навсегда. Недостатки скорее всего
тоже есть. И над их устранением, думаю, трудится не одна свет-
лая голова.
Молекулярная архитектура химических соединений беско-
нечно разнообразна и фантастически богата. Многие из искус-
ственно полученных соединений могут навсегда остаться экзо-
тикой. Судьба других не так трагична. Так, катенаны стали пра-
родителями ВПС, с использованием которых, как оказалось,
можно решить множество реальных проблем сегодняшнего и
завтрашнего дней. Чуть-чуть пофантазируем о завтрашнем дне.
Биологические ЧИПы сегодня — фантастика, а завтра — реаль-
ность? А технология их объединения с печатной платой уже
готова (смотрите выше). Если же союз такого ЧИПа с печат-
ной платой окажется чуть жестче, чем нужно, можно вспом-
нить еще об одном прикладном аспекте использования ВПС.
На основе градиентных последовательных ВПС можно полу-
чать материалы с переменной жесткостью по толщине (демп-
фирующие материалы). И так далее, и тому подобное. В руках
у конструкторов и технологов появился замечательный инст-
румент для практической реализации самых смелых и амбици-
озных замыслов.
’Уи1и1[аиЫ$1
6.3. Химические эффекты
Если нечто воняет, значит это химия.
Законы Мерфи
6.3.1. Делай как я
Две задачи и два решения из «тризовской» практики автора:
Задача 1------------------------------------------------
Есть такие химические соединения, которые называются изоциа-
натами [27]. Изоцианаты содержат функциональные группи-
ровки — NCO. Это чрезвычайно химически активные и к тому
же чрезвычайно токсичные соединения. В производстве элект-
ронной техники изоцианаты находят применение в качестве от-
вердителя алкидно-уретанового лака УР-231 — диэтиленгликоль-
уретан (ДГУ), при изготовлении компаундов и др.
Высокая химическая активность изоцианатов находит прак-
тическое применение и в иных областях. Так, для модификации
полиолефинов было синтезировано химическое соединение с
очень длинным названием: 1,1—1,6-гексаметилен-3,3, З1, З'-тет-
ракис-(2-оксиэтил)-бисмочевина (далее бисмочевина). Добавку
получали в результате взаимодействия 1,6-гексаметилендиизоци-
аната и диэтаноламина по реакции (1)
OCN (СНХ NCO + 2NH (СН7СН2ОНк -»
xZzO ' z z 'Z (1)
-» (НОСН2СН2)2 NC (O)NH(CH2)6 NHC(O)N(CH2CH2OH)2
Эта добавка случайно оказалась в руках медиков. Оказалось,
что она обладает уникальными криопротекторными свойствами.
Еще из школьного курса физики мы знаем, что в отличие от
большинства химических соединений вода при замерзании не
уменьшается в объеме, а увеличивается. Именно благодаря этому
лед не тонет, а плавает. Именно благодаря этому сохраняется
жизнь в водоемах и т. д. Но с другой стороны, именно благодаря
этому же свойству воды, при замерзании любого живого существа
кристаллики льда необратимо разрушают органические клетки.
Но биообъекты (кровь, костный мозг, человеческие органы и др.)
можно длительно сохранять, замораживая их при температуре
жидкого азота (—196 °C) в присутствии криопротекторов. На прак-
тике для этого чаще всего используется диметилсульфоксид, очень
токсичное и недостаточно эффективное соединение. Оказалось,
что бисмочевина обладает прекрасными криопротекторными
свойствами. И самое главное, несмотря на чрезвычайную ток-
сичность используемых для ее получения химических соедине-
ний, сама она практически не токсична. По словам разработчи-
ков, ею можно даже намазывать хлеб и есть его.
Вслед за положительными результатами испытаний возникла
потребность в разработке промышленной технологии получения
бисмочевины. Первоначально синтез добавки проводился по ре-
акции (1) с использованием традиционной для химии техноло-
гии — в среде органического растворителя. Целевой продукт по-
лучался в виде раствора и выделялся в кристаллическом виде
известными методами, например многократной перекристалли-
зацией. Технология сложна и многостадийна, особенно на ста-
дии очистки бисмочевины от примесей. Химики обычно, если
имеется возможность, стремятся уйти от органических раствори-
телей. И разработчики ушли от них, заменив органический ра-
створитель на обычную воду. Решение — сверхоригинальное. Дело
в том, что исходный продукт (диизоцианат) очень активно реа-
гирует с водой. Было предложено проводить реакцию при очень
низкой (отрицательной) температуре. При такой температуре ре-
акция (1) еще идет, а скорость реакции диизоцианата с водой
практически снижается до нуля. Выбирая это решение, разра-
ботчики имели в виду, что даже при нормальной температуре
скорость реакции (1) была на несколько порядков выше скорос-
ти реакции диизоцианата с водой. Целевой продукт получался в
виде водного раствора, а именно в таком виде он и использовал-
ся в медицине. Следовательно, необходимость в выделении бис-
мочевины из раствора отпадала. В теории, а в некоторых случаях
и на практике, все получалось прекрасно. Но почему-то водный
раствор бисмочевины, полученный по этой технологии, часто
оказывался токсичным.
Автор присоединился к разработчикам технологии на этой
стадии. Отдавая должное красоте этого технического решения,
можно было сказать, что оно не лишено недостатков. Принци-
пиальным недостатком технологии было то, что она работоспо-
собна лишь в том случае, когда исходные продукты в реакции (1)
взяты в абсолютно стехиометрических соотношениях. Теорети-
чески это возможно, а практически мы можем только более или
менее приблизиться к этому. Напомню, что в 1 г-моле вещества
содержится 6,02 • 1023 молекул (число Авогадро). Попробуйте вве-
сти в реакцию вещества с такой точностью, чтобы каждой мо-
лекуле одного вещества точно отвечало столько же молекул дру-
гого вещества (в данном случае соотношение 2:1). Вряд ли это
удастся. Поэтому в тех случаях, когда соотношение исходных ком-
понентов в реакции было близко к стехиометрическому, получа-
ли нетоксичный продукт. В иных случаях (а они по теории веро-
ятности должны были случаться гораздо чаще) раствор получал-
ся токсичным из-за остатков токсичных исходных соединений.
Для решения этой, казалось бы, не решаемой проблемы был
использован известный из ТРИЗ прием разрешения технических
противоречий «использовать частично избыточное или частично
недостающее действие». Одно из исходных веществ (диизоциа-
нат) взяли чуть больше, чем это нужно по реакции. Формула
изобретения [28], в котором реализовано это решение, выглядит
следующим образом.
Способ получения 1,1—1,6-гексаметилен-3,3, З1, З^тетракис-
(2-оксиэтил)-бисмочевины взаимодействием 1,6-гексаметиленди-
изоцианата с диэтаноламином в среде растворителя с последую-
щей выдержкой реакционной массы и выделением целевого про-
дукта, отличающийся тем, что гексаметилендиизоцианат берут в
количестве 1,0005—1,1 от стехиометрического, а в качестве ра-
створителя используют воду и реакционную смесь выдерживают
при 25—60 °C в течение времени, необходимого для выработки
1,6-гексаметилендиизоцианата.
Избыточное по отношению к стехиометрическому количе-
ство 1,6-гексаметилендиизоцианата гарантирует во всех случаях
отсутствие в водном растворе целевого продукта диэтаноламина.
1,6-гексаметилендиизоцианат, оставшийся в реакционной среде,
при последующей выдержке в результате реакции с растворите-
лем (водой) переводится в полимочевины. Полимочевины выпа-
дают в осадок и отфильтровываются. Таким образом, получается
водный раствор бисмочевины, готовый к использованию по на-
значению. Инъекции такого раствора мышки, на которых прове-
ряли его токсичность, переносили безболезненно. Таким ориги-
нальным способом были практически реализованы «водные уст-
ремления» в этой технологии.
Задача 2---------------------------------------------------
Современная электронная техника немыслима без использова-
ния полимеров. Но, к сожалению, большинство полимеров го-
рючи. К чему может привести сочетание: короткое замыкание +
горючий полимер, думаю, не требует дополнительных поясне-
ний. Поэтому проблема снижения горючести полимерных мате-
риалов, используемых в производстве электронной техники, очень
даже актуальна. К решению этой проблемы приложили немалые
силы ученые. Стимулирующее воздействие на решение этой про-
блемы оказали еще и страховые компании. Как следствие, наи-
более распространенным стеклотекстолитом, используемым для
изготовления электронной аппаратуры, стал стеклотекстолит мар-
ки FR-4. Снижение горючести этого стеклотекстолита достигает-
ся бромированием его эпоксидной полимерной матрицы. Анало-
гичного результата можно добиться путем введения в полимер
низкомолекулярных соединений, содержащих элементы-антипи-
рены. Снижение горючести полимеров достигается введением в
их состав и других химических элементов-антипиренов, напри-
мер хлора, фосфора.
Для исследования свойств одного из перспективных антипи-
ренов, содержащего бром и фосфор, бис-(2,3-дибромпропил)-
метилфосфоната, автору нужно было синтезировать, или, говоря
языком химиков-синтетиков, наработать около килограмма это-
го продукта. Синтез проводился по реакции (2)
СН3Р(О)С12 + 2СН2 ВгСНВгСН2 ОН + 2(С2Н5)3К ->
-» СН3 Р(О)(ОСН2 СНВгСН2 Вг)2 + 2(С2Н5)3 NHC1
Дибромпропанол и триэтиламин растворялись в растворите-
ле (бензоле) и в этот раствор при перемешивании и охлаждении
прикапывали чрезвычайно химически активное соединение —
хлорангидрид метилфосфоновой кислоты. В результате реакции
получали целевой продукт и осадок — триэтиламмонийхлорид.
Осадок отфильтровывался. Растворитель отгонялся. А целевой про-
дукт для очистки от примесей перегонялся в глубоком вакууме.
В результате выход целевого продукта составлял не более 10—15 %
от теоретически возможного. Особенно большие потери имели
место при перегонке из-за осмоления продукта. Как увеличить
выход продукта? Было решено «поиграть» с растворителями.
Задача решалась просто, если бы удалось подобрать такой
растворитель, в котором растворяются все исходные продукты
реакции, но не растворяется целевой продукт. В этом случае тех-
нология очистки заключалась бы всего лишь в выделении осадка
триэтиламмонийхлорида, например, фильтрованием и в отделе-
нии одной жидкой фазы (целевой продукт) от другой (раствори-
тель с примесями). Но идеального растворителя, к сожалению,
’NataHaus^
6.3. Химические эффекты
подобрать не удалось. Наиболее близким к идеальному раство-
рителю оказался петролейный эфир. В нем не растворялся целе-
вой продукт, но также не растворялся еще и один из трех исход-
ных компонентов реакции — дибромпропанол.
Для решения этой изобретательской задачи был использован
все тот же изобретательский прием «использовать частично из-
быточное или частично недостающее действие» [29]. Если диб-
ромпропанола взять чуть меньше, чем это требуется по реакции,
то он наверняка израсходуется полностью и не загрязнит целе-
вой продукт. А два других исходных компонента реакции оста-
нутся в другой фазе (в петролейном эфире). Следовательно, вся
очистка целевого продукта, как этого и хотелось, сведется к филь-
трованию (отделению осадка) и разделению на делительной во-
ронке двух жидких фаз, одна из которых — чистый целевой про-
дукт. Такой способ был реализован на практике и позволил уве-
личить выход целевого продукта до 60—70 % при существенном
упрощении методики синтеза. Вакуумная перегонка стала про-
сто не нужна [30].
6.3.2. Делай как мы
В радиоэлектронике под «железом» понимают материальное воп-
лощение интеллектуальной начинки того или иного изделия.
Традиционную ТРИЗ также можно назвать «железной», посколь-
ку «полигоном» для отработки и развития методов ТРИЗ стали
конструктивно-технологические решения из самых разных обла-
стей техники. Химия же, к сожалению, оказалась на обочине этого
процесса — вдалеке от «железной» ТРИЗ. Говорят, что всему ви-
ной «некомплект» в среде разработчиков ТРИЗ специалистов с
химическим образованием. Если таковые все же появлялись, то
почему-то через некоторое время они уходили в «железную» ТРИЗ
или (в последнее время) в иные, более привлекательные с ком-
мерческой точки зрения области ее применения.
В сорока приемах разрешения технических противоречий
можно выделить всего лишь один прием, имеющий однозначно
химическое происхождение: использовать сильные окислители.
С большой натяжкой к этому приему можно добавить еще два
приема: изменение степени инертности и переход к композици-
онным материалам.
Химия — это такая наука, которая сама по себе способна со-
вершать чудеса. К сожалению, не каждому дано прочувствовать
эту «самую сложную физику», чтобы стать волшебником. Но, как
это следует из предыдущего раздела, даже обычные нехимические
приемы разрешения технических противоречий с превеликим ус-
пехом могут быть использованы в этой удивительной науке. Ма-
нипулирование химическими соединениями на «макроуровне» с
использованием инструментов ТРИЗ по своей результативности
не менее эффективно, чем традиционное химическое взаимодей-
ствие между атомами и молекулами. Стремительное развитие
нанотехнологий способствовало еще тому, что тризовский инст-
рументарий ныне перемещается и на «микроуровень» [31]. Поле
деятельности на этом уровне — громадное.
И все же для меня, химика по образованию, очевидно, что не
меньший эффект может быть получен от использования собствен-
ных «внутренних ресурсов» химии. А точнее — в результате ис-
пользования на завершающей стадии решения изобретательских
задач чисто химических решений (химических эффектов).
Химия не так предсказуема, как физика. Это и плохо, и одно-
временно хорошо.
Плохо потому, что трудно предугадать, чего от нее можно
ожидать. Особенно трудно это сделать тем, кто знаком с химией
только в объеме обязательного минимума, полученного еще на
школьной скамье.
Хорошо потому, что от нее можно ожидать самые неожидан-
ные и красивые технические решения. Очень часто «химические»
решения легко и просто позволяют получить такие результаты,
которые более предсказуемыми методами уж очень сложно реали-
зовать. Типичный пример приведен в интереснейшем исследова-
нии в области химических эффектов, проведенном Ю.П. Сала-
матовым [32]. Известно, что алмаз — один из самых трудно обра-
батываемых материалов. В шкале твердости материалов он стоит
на первом месте. Как же алмаз превратить в бриллиант? Чтобы
придать ему необходимую огранку, приходится обрабатывать ал-
маз... алмазом. Механический способ очень длителен и трудоемок.
Химический способ обработки поверхности алмаза был изве-
стен давно, а вот обратили на него внимание относительно не-
давно. Известен давно, потому что с точки зрения химии алмаз —
это всего лишь углерод. Углерод не относится к химически инер-
тным веществам и может вступать в различные химические реак-
ции: с кислородом (горение), с железом и др. Более того, уже в
конце XIX века был известен такой факт: при попытке обрабо-
тать алмаз стальным (железным) резцом «тупится» не резец, а
алмаз!
Вред в пользу сумели превратить ученые Якутского филиала
СО АН СССР. Они положили на алмаз железную пластину и
нагрели до 1000 °C. Через некоторое время эта пластина начала
«тонуть». Но по мере насыщения железа углеродом процесс ра-
створения быстро замедлялся. Для реализации промышленно
применимой технологии химической обработки алмазов были
использованы еще и так называемые «транспортные» реакции
(перевод твердых или жидких веществ в газообразное состояние
и извлечение из зоны реакции). При взаимодействии углерода с
водородом, углекислым газом, водяным паром образуется газо-
образный продукт (метан и окислы углерода), который легко уда-
ляется из зоны реакции.
Наиболее полный на данный момент перечень химических
эффектов, используемых в изобретательской практике (около
100), приведен В.А. Михайловым в работе [33]. Именно этот
перечень положен в основу размещенной в Интернете базы дан-
ных химических эффектов, используемых преимущественно в
области охраны окружающей среды [1]. В базе данных имеется
более 1000 примеров реальных изобретений. Необходимую ин-
формацию в этом программном продукте можно найти несколь-
кими способами:
• по ключевому слову (корню этого слова);
• непосредственно по названию химического эффекта;
• по классам и подклассам международной классификации изоб-
ретений (МКН);
• путем комбинации двух таких способов.
И, наконец, в данном разделе нельзя не сказать доброго сло-
ва еще об одной работе [34]. В этой книге приведены около двух-
сот авторских свидетельств и патентов, которые авторы исполь-
зовали в качестве сюжетов интересных изобретательских хими-
ческих задач для школьников и не только.
6.4. Биологические эффекты
Если нечто зеленое или извивается, значит
это биология.
Законы Мерфи
Число химиков, развивающих в ТРИЗ направление «химические
эффекты» легко пересчитать по пальцам. А вот развитием друго-
го направления (биологические эффекты) пока занимается в ос-
новном один человек — Виктор Тимохов. Использованию био-
логических эффектов в изобретательской практике посвящены
его традиционные бумажные книги, а также электронные публи-
кации [35—38].
6.4.1. Похвалят за эрудицию
Английский литератор Чарльз Колтон сказал, что если вы краде-
те у современников, вас обругают за плагиат, а если у древних —
похвалят за эрудицию. Большая часть биологических эффектов
по сути дела есть заимствование (или плагиат?) у матушки-при-
роды. В данном случае похвалы заслуживает любое эффективное
заимствование независимо от его временных рамок.
В погоне за идеальностью учеными был изобретен новый вид
стекла (Pilkington Activ) [39]. Это стекло имеет специальное очень
тонкое покрытие диоксидом титана (15 нм), которое реагирует
на дневной свет. Ультрафиолетовое излучение (составляющая
солнечного света) катализирует процесс разрушения органичес-
ких загрязнений. Остатки загрязнений практически не держатся
на стекле и могут быть смыты простой водой (например, дожде-
вой) даже без применения моющих веществ.
Неизвестно, каким путем пришли ученые к созданию само-
очищающихся стекол. А вот самоочищающаяся одежда в какой-
то степени заимствована у природы. Американскими учеными из
университета Клемсона (Южная Каролина) разработано особое
водонепроницаемое покрытие, которое не позволяет частицам
грязи аккумулироваться на поверхности [40]. На идею создания
самоочищающегося материала натолкнул цветок лотоса. Извест-
но, что поверхность этого растения способна отталкивать грязь и
воду. Такая особенность цветов объясняется наличием бесчис-
ленного множества миниатюрных выступов на поверхности лис-
тьев, покрытых водостойким (гидрофобным) веществом. Поэто-
му вода по ним не растекается, а скатывается капельками, унося
с собой пыль и частички почвы. Ученые попытались воспроизве-
сти такую структуру. В новом покрытии использовались сереб-
ряные наночастицы толщиной в одну тысячную диаметра чело-
веческого волоса. Эти частицы создают в тонком полимерном
покрытии, накладываемом на ткань, мини-выступы. При воз-
действии воды на ткань с «волшебным» покрытием частицы гря-
зи удаляются значительно легче. Такое покрытие не так просто
удалить, а наноситься оно может на любые ткани.
6.4. Биологические эффекты
Создавая обшивку космических кораблей, в частности кос-
мических кораблей типа «Шатл», ученые уже в какой-то степени
заимствовали идею у природы. Уж очень мне напоминает эта
конструкция «обшивку» представителей животного мира класса
земноводных. Австралийские ученые пошли еще дальше. Не очень
удачные последние старты кораблей-челноков инициировали
научно-технические разработки, направленные на создание «ум-
ных» покрытий. Такие покрытия на космической орбите должны
ремонтировать сами себя [41]. Образцы покрытий уже существу-
ют. Плитки (отдельные элементы) такого покрытия снабжены
специальными сенсорами и микрочипами и способны взаимо-
действовать друг с другом подобно насекомым в колониях. Если
одна из плиток оказывается поврежденной, то сигнал об этом
рассылается всем остальным элементам конструкции, и они са-
мостоятельно перераспределяют давление на уцелевшие плитки,
возвращая обшивку в рабочее состояние. Такой метод оповеще-
ния применяется лесными термитами при строительстве мура-
вейников, когда они выделяют летучие сигнальные вещества —
феромоны. Чтобы «колония плиток» перестала работать, нужно
вывести из строя значительное число ее элементов, в то время
как в «централизованной системе» единственный удар неболь-
шого метеорита может привести к критическим последствиям
для всей внешней оболочки космического корабля.
6.4.2. Биоэлектроника
Выделение биологических эффектов в самостоятельный раздел,
очевидно, стало следствием интенсивного развития различных
наук с приставками био- (биохимии, биофизики, биометаллур-
гии и даже биоэлектроники).
Биоэлектроника — интенсивно развивающееся направление
на стыке наук. Перспективы этого направления на данный мо-
мент можно только недооценить. Доказательство этого — сооб-
щение исследователей Калифорнийского университета о созда-
нии органической оперативной памяти, которая по большинству
характеристик значительно превосходит традиционную неорга-
ническую память. Она более дешевая, более быстрая (в три мил-
лиона раз) и гораздо больше времени сохраняет информацию
после отключения питания [42].
Органическая память функционирует по принципу электри-
ческой бистабильности, явления, при котором объект показыва-
ет два состояния различной удельной электропроводности при
том же самом напряжении. Конструктивно память устроена в
три слоя. Основной слой металлической пленки находится посе-
редине между слоями органических пленок. Этот пакет соединен
двумя электродами. Для включения устройства подается поло-
жительное напряжение. Поскольку органические слои сделаны
из материала, обладающего электрической бистабильностью, та-
кая память получила название органическое бистабильное уст-
ройство (Organic Bistable Device (OBD)).
He так масштабно, но не менее интересно сообщение ученых
из университета штата Небраски [43]. Они создали биоэлектрон-
ное устройство — гигрометр (прибор для измерения влажности
воздуха). В работе этого устройства принимают участие живые
микроорганизмы. В этом изобретении были использованы бак-
терии, которые помещаются вместе с крупицами золота микро-
скопических размеров на поверхности стандартного кремниево-
го чипа, имеющего золотые электроды. В зависимости от уровня
влажности окружающего воздуха бактерии могут разбухать или,
наоборот, уменьшаться в объеме, что приводит к изменениям
параметров электрического тока, проходящего через схему. Не-
смотря на то что такой «режим работы» губителен для бактерий
(жизнеспособность до 2 дней), такое устройство может нормаль-
но функционировать примерно в течение месяца.
Еще один пример. Когда-то в поисках истоков жизни на Зем-
ле Сидней Фокс подверг нагреванию сухую смесь аминокислот и
получил цепочки, состоящие из остатков аминокислот, которые
были названы протеиноидами [10]. Протеин — термин из облас-
ти биологии или, точнее, биохимии. Ученые Института техноло-
гии «Техникой» (Израиль) скажут, что еще и из электроники.
Ими разработан органический полупроводниковый материал на
базе протеинов [44]. Протеины соединяются друг с другом, обра-
зуя пептиды, пригодные для построения электронных приборов.
По мнению разработчиков, в ближайшие несколько лет им удас-
тся создать полноцветные биодисплеи с более высоким разреше-
нием, чем у экранов современных компьютеров.
6.4.3. Классификация
Так что же такое биологический эффект? Под биологическими эф-
фектами подразумевают применение биологических объектов, под
которыми понимаются растения, животные, бактерии, ферменты
в жизнедеятельности человека, в том числе и в изобретательстве.
Эта формулировка взята из проекта «Картотека биологических
эффектов» [38]. Биологические эффекты в картотеке разбиты на
пять разделов:
1) обнаружение веществ и энергии;
2) удаление веществ и поглощение энергии;
3) накопление веществ;
4) преобразование веществ и энергии;
5) выделение веществ и генерация энергии.
6.4.3.1. Обнаружение веществ и энергии
Оказывается, радиоволны метрового диапазона вызывают возбуж-
дение у обезьян. Они поворачивают голову в сторону их источ-
ника.
Так же поворачивают свои листья растения, но уже в сторону
Солнца. Если они делают это днем, то ничего удивительного в
этом нет. Удивительно то, что некоторые растения делают это
еще и ночью!
Муравьи-термиты располагаются на отдых таким образом, что
их головы направлены в одном направлении. Одни группы на-
правляют свои головы параллельно, а другие перпендикулярно
силовым линиям магнитного поля Земли. Аналогичным образом
себя ведут майские жуки и обыкновенные мухи.
А вот личинки последних предпочитают двигаться в направ-
лении силовых линий наведенного электрического поля. Этот
биологический эффект возможно уже нашел практическое при-
менение. Во всяком случае, в авторском свидетельстве № 1340698
предлагается использование этого эффекта для очистки продук-
тов пищевой промышленности.
6.4.3.2. Удаление веществ и поглощение энергии
Те же личинки, как это ни парадоксально, могут быть использо-
ваны для лечения инфицированных ран. В одной из больниц США
личинки мух использовались для поедания отмирающих тканей.
Без использования полимеров немыслимо развитие современ-
ной электроники, и не только. Но необходимость утилизации
отходов полимеров превратилась в сложнейшую проблему. Ис-
пользование биоразлагаемых полимеров — один из вариантов
реального решения этой проблемы. Например, штамм бактерии
Bacillus subtilis BKM В-1676 прекрасно разлагает (деструктирует)
полиамидные полимеры.
Ни для кого не секрет, что жители хорошо озелененной ули-
цы гораздо меньше ощущают уличный шум. Те же деревья слу-
жат мощным экраном для радиоволн (плохо!) и сдерживают про-
никновение электронаводок (хорошо!).
6.4.3.3. Накопление веществ
К сожалению, обычные грибы являются накопителями не только
токсичных, но и радиоактивных элементов, в частности цезия-137.
И если опята накапливают от 3 до 5 нКи/кг, то маслят можно
назвать даже аккумулятором радионуклидов. Они поглощают от
100 до 200 нКи/кг.
Универсальным накопителем (извлекателем) различных хи-
мических соединений являются водоросли. Водоросль ламина-
рия концентрирует в своих тканях до 0,5 % иода (в 100 000 раз
больше, чем в окружающей ее воде). Водоросли помогают извле-
кать из воды (на этот раз из сточной воды) не только иод, но и
золото. Причем, в отличие от искусственных адсорбентов, они
отличаются очень высокой избирательностью.
6.4.3.4. Преобразование веществ и энергии
Водоросли могут извлекать и концентрировать полезные для че-
ловека вещества. А некоторые микроорганизмы могут не кон-
центрировать, а преобразовать чрезвычайно вредные химические
соединения в относительно безвредные. Так, для очистки сточ-
ных вод гальванических производств, содержащих цианиды, ис-
пользуются цианотолерантные микроорганизмы. Они превраща-
ют синильную кислоту в гораздо менее токсичные соединения,
например в аммиак и углекислоту.
Известно, что все паяльные флюсы по своему принципу дей-
ствия можно разделить на две группы: флюсы, растворяющие
окисную пленку на поверхности контактных площадок, и флю-
сы, восстанавливающие окисную пленку до металла. Восстанов-
ление металла происходит по реакции (1)
Me О + 2mH = nMe + тН?О. (1)
Оказалось, что железная лопата, погруженная в сапропель
(природный ил), применяемый в качестве удобрения, не ржавеет.
Бактерии, содержащиеся в этом иле, восстанавливают железо из
окислов до металла по той же реакции 1. Вот вам и еще одно
перспективное направление для разработки «биологически ак-
тивных» паяльных флюсов или паяльных паст. Во всяком случае,
при практической реализации это техническое решение по своей
идеальности на голову превзойдет все те, которые реально ис-
пользуются в производстве электроники.
6.4.3.5. Выделение веществ
и генерация энергии
Культуры микроорганизмов способны вырабатывать электри-
ческий ток. Если в питательную среду, содержащую обычные
дрожжи, поместить платиновый электрод, а другой электрод по-
местить в чистую питательную среду, то между электродами воз-
никает разность потенциалов. КПД батарей с биологической
начинкой достигает 40 %. Электрические рыбы (скаты) способ-
ны генерировать электричество напряжением до нескольких со-
тен вольт. Коэффициент полезного действия у них, думаю, не
меньше. И самое главное — никакой посторонней помощи им
при этом не требуется.
Некоторые бактерии могут синтезировать полезные вещества,
например целлюлозные волокна. Толщина таких волокон изме-
ряется нанометрами (40 нм). Такие нанотехнологии уже нашли
практическое применение. Мембраны, изготовленные из нано-
волокон, фирма Sony использует в аудиотехнике. Они примерно
на порядок прочнее обычной бумаги.
Говорят, что когда-то в деревнях в молоко клали лягушек.
Оригинальное техническое решение основывалось на том, что
якобы выделяемые кожей лягушек вещества способны уничто-
жать микробов, которые способствуют скисанию молока. Так ли
это на самом деле, не проверял. Но ведь говорят...
Матушка-природа в отличие от человека обладает неисчерпа-
емыми материальными и временными ресурсами. Ее развитие —
по сути дела есть использование в громадных масштабах метода
проб и ошибок. В результате этого развития остаются (выжива-
ют) самые эффективные (идеальные) «технические» решения.
Одно из таких «технических» решений — человек разумный.
И если он действительно разумный, ему не остается ничего дру-
гого, кроме как использовать эти решения в своей деятельности
хотя бы на уровне аналогии.
Глава 6. Эффекты
6.5. Эффект—антиэффект
Технологи из фирмы «Дэу» делятся опытом
со своими запорожскими коллегами:
— Мы проверяем герметичность с помощью
кошки. Запускаем ее вечером в автомобиль и
закрываем двери. Если к утру кошка жива, зна-
чит кузов бракованный.
— У нас почти такой же метод! — подхва-
тывают запорожцы. — Запускаем кошку, все
плотно закрываем. Если утром ее нет, значит
кузов бракованный...
6.5.1. В физике — это просто
Так уж получилось, что практически каждому действию в
природе существует свое противодействие. Да иначе, наверное, и
быть не должно. В противном случае получилась бы очень уж
неравновесная система. Примеров существования физических
эффектов с прямо противоположными свойствами очень много.
И в первую очередь это множество базируется в области элект-
ротехники.
Чем отличаются электродвигатель от генератора электричес-
кого тока? Да почти ничем. Конструктивно они очень похожи
друг на друга. Но эта общая конструкция в зависимости от спо-
соба ее использования, может выполнять прямо противополож-
ные действия. Если мы будем насильственно вращать вал, то
сможем на выходе получить электрическую энергию (генератор).
И наоборот, если мы к этой конструкции подведем электричес-
кую энергию, то на выходе получим вращение вала (электродви-
гатель). Таким образом реализуется превращение механической
энергии в электрическую и, наоборот, электрической энергии в
механическую. А за превращения тепловой энергии в электри-
ческую и обратный переход отвечают два других физических ан-
тиэффекта: эффект Зеембека и эффект Пельтье [45].
Эффект Зеембека — возникновение электродвижущей силы
(ЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно со-
единенных между собой разнородных проводников, контакты
между которыми находятся при разных температурах. В простей-
шем случае такая цепь состоит из двух разнородных проводни-
ков (термопара). Термопара состоит из двух последовательно со-
единенных пайкой и сваркой разнородных проводников, реже
полупроводников. Если места соединений (контакты) проводни-
6.5. Эффект—антиэффект
ков находятся при разных температурах, то в цепи термопары
возникает термоэдс, тем большая, чем больше разность темпера-
тур «горячего» и «холодного» спаев. Термопара широко исполь-
зуется в качестве термочувствительного элемента в устройствах
для измерения температуры и в различных автоматизированных
системах управления.
Эффект Пельтье обратен эффекту Зеембека: при пропуска-
нии электрического тока через контакт (спай) двух различных
проводников или полупроводников на месте контакта происхо-
дит выделение тепла при одном направлении тока или его погло-
щение при обратном направлении. Этот эффект находит приме-
нение в холодильной технике. Ближайший пример — перенос-
ной автомобильный холодильник.
Эффект Зеембека был открыт в 1821 году, эффект Пельтье —
в 1834 году. А ведь эту тринадцатилетнюю дистанцию можно было
бы сократить до минимума. Достаточно было использовать та-
кую могучую связку, как эффект—антиэффекг.
Осмос (от греческого osmos — толчок, давление) — самопро-
извольный перенос вещества через полупроницаемую мембрану,
разделяющую два раствора различной концентрации или раствор
и чистый растворитель и проницаемую только для растворителя
(рис. 6.7). Вследствие этого возникает осмотическое давление,
которое иногда достигает несколько десятков атмосфер [46].
Осмотическое давление придает упругость тканям живых орга-
низмов, обеспечивает движение воды в растениях и ее подъем от
корней к листьям. Эти полезные процессы реализуются в приро-
де сами собой и приносят только пользу. Электронная техника —
продукт деятельности человека. Осмос очень часто вредит этим
р<л
Рис. 6.7. Осмос:
р — давление над исходным раствором; л — осмотическое давление.
Рис. 6.8. Эффект осмоса в печатном узле:
1 — поверхностный слой влаги; 2 — водный раствор загрязнений под
влагозащитным покрытием; 3 — влагозащитное покрытие; 4 — загрязне-
ния; 5 — подложка печатной платы; Р — результирующее давление.
продуктам. Осмотические явления являются причинами отказа
печатных узлов (рис. 6.8).
Влагозащитное покрытие (лаковая пленка) представляет со-
бой полупроницаемую мембрану. Она проницаема для малень-
ких молекул воды и непроницаема для больших молекул всевоз-
можных загрязнений поверхности подложки печатной платы. Во
влажных условиях (а влага в воздухе имеется всегда) под покры-
тием образуется концентрированный водный раствор загрязне-
ний. Вода, в стремлении уравнять концентрации загрязнений
под покрытием и над покрытием, интенсивно перемещается из-
вне под покрытие. И зачастую раньше, чем эти концентрации
сравняются, отрывает лаковую пленку от поверхности подлож-
ки. Образуется пузырь, наполненный концентрированным ра-
створом загрязнений. И если эти загрязнения ионогенные, то
очень быстро происходят отказы изделий электрохимической
природы.
Рис. 6.9. Обратный осмос:
р — давление над исходным раствором; п — осмотическое давление.
6.5. Эффект—антиэффект
Антиэффектом по отношению к осмосу является обратный
осмос (рис. 6.9). Это метод очистки растворителей от растворен-
ных примесей, заключающийся в их подаче под давлением на
полупроницаемую мембрану. Мембрана пропускает растворитель
и полностью или частично задерживает растворенные в нем ве-
щества.
Для реализации этого эффекта необходимо со стороны ра-
створа приложить давление, превышающее осмотическое. В про-
изводстве электронной техники обратный осмос в отличие от
прямого осмоса находит очень полезное применение. Преиму-
щественная область использования этого метода — очистка ра-
створов, и в первую очередь очистка воды.
6.5.2. В химии — чуть сложнее
Итак, в некоторых случаях реализовать противоположный эф-
фект очень просто. В других для этого следует достаточно серьез-
но потрудиться. Перейдем от физики к химии, а еще точнее — к
химии полимеров. Как правило, полимеризация — это процесс
превращения жидкой фазы (мономеров) в твердую (полимеры).
Это превращение может происходить при различных воздействиях
(нагревание, ультрафиолетовое облучение, ионизирующее излу-
чение, другие внешние воздействия) [47]. Среди других внешних
воздействий наиболее привлекательны те, где отверждение про-
исходит как бы «само собой». С этой точки зрения наиболее при-
влекательны методы отверждения, основанные на использова-
нии ресурсов окружающей среды (воздуха). В воздухе имеется
как минимум два компонента, способные инициировать реак-
цию полимеризации. Это — пары воды и кислород.
Под действием влаги воздуха могут отверждаться силиконо-
вые (кремнийорганические) полимеры.
При непосредственном участии кислорода происходит отвер-
ждение известных всем масляных лаков и красок. Их отверждение
обусловлено окислительной полимеризацией масел, содержащих
ненасыщенные связи. Полимеризация инициируется органичес-
кими гидроперекисями, которые образуются при взаимодействии
масла с кислородом воздуха. Как следствие, чтобы оградить та-
кие жидкости от отверждения (высыхания), необходимо и доста-
точно поместить их в герметичную емкость. Так оно и делается.
Масляные лаки и краски, помещенные в герметично закрытую
банку, могут храниться очень долго.
Вот вам — эффект. Как вы думаете, каков будет антиэффект?
Проведем инверсию. Энтиэффект можно сформулировать следу-
ющим образом: жидкость не должна полимеризоваться в присут-
ствии кислорода воздуха и должна полимеризоваться вне доступа
кислорода воздуха. Антиэффекта в отличие от прямого эффекта
не существовало в природе. Над его созданием химикам пришлось
потрудиться. В итоге появился целый класс композиций, объеди-
ненных общим названием «анаэробные композиции» [48].
Основной компонент анаэробных композиций обычно пред-
ставляет собой бифункциональный мономер, чаще всего диак-
риловый эфир общей формулы:
Н2С=С(А)-СО-О-Х-О-СО-С(А)=СН2.
Благодаря симметричности этой молекулы полимеризаци-
онная способность обеих концевых двойных связей практичес-
ки одинакова, и в результате инициирования по радикальному
механизму образуются трехмерные структуры с поперечными
Х-эфирными «мостиками» по типу «шведской стенки»:
А----С---СО----О----X---О----СО----С----А
сн2 сн2
В обычных условиях (в присутствии кислорода воздуха) по-
лимеризация практически не идет, поскольку концевые двойные
связи дезактивируются кислородом с образованием неактивных
пероксидных групп. В отсутствии кислорода воздуха отвержде-
ние таких композиций может происходить с очень высокой ско-
ростью. Такие композиции могут отверждаться в узких зазорах
между металлическими поверхностями. Узкие зазоры необходи-
мы для «укрытия» композиции от кислорода воздуха, а металл —
для инициирования реакции полимеризации по окислительно-
восстановительному механизму Такая реакция не требует допол-
нительного нагревания и происходит в нормальных условиях.
Основные области применения анаэробных композиций — скле-
ивание и герметизация. Так, например, использование таких ком-
позиций позволяет отказаться от традиционных механических
6.5. Эффект—антиэффект
способов стопорения резьбовых соединений. При монтаже пере-
крытия над мюнхенским стадионом с помощью таких компози-
ций было зафиксировано 274 тысячи болтов.
Аналогичный эффект был использован и автором при разра-
ботке технологии полимеризационного наполнения подложек
печатных плат. Необходимо было заполнить полимером-напол-
нителем внутренние дефекты подложки, печатной платы. Для это-
го было решено заполнять эти дефекты жидким мономером, а
затем проводить его полимеризацию (отверждение) в объеме этой
подложки. Проблема была в том, что полимеризация может идти
и в объеме подложки и на ее поверхности (в том числе на кон-
тактных площадках, в узких переходных металлизированных от-
верстиях). Как следствие, может ухудшиться качество пайки ра-
диоэлементов. Если перед проведением полимеризации моно-
мер смыть с поверхности, например, растворителем, то он смоется
и из прилегающих к поверхности пор. Как следствие, уменьшит-
ся или даже исчезнет положительный эффект.
Это техническое противоречие было разрешено с использо-
ванием типового приема разрешения технических противоречий
«разделить противоречивые требования в пространстве». Моно-
мер должен полимеризоваться в объеме подложки и не должен
полимеризоваться на ее поверхности. Вариант решения — он
должен полимеризоваться в отсутствии кислорода воздуха (в объе-
ме) и не должен полимеризоваться в присутствии кислорода воз-
духа (на поверхности). Таким способом эта задача и была реали-
зована на практике.
Как уже было сказано выше, в настоящее время выявлено и
сформулировано около сотни химических эффектов, но, види-
мо, еще не все. На мой взгляд, эта связка двух противоположных
эффектов, связанных с особенностями отверждения (полимери-
зации) мономеров, также просится в этот перечень. То же самое
можно сказать об отверждении (полимеризации) мономеров под
действием другого компонента окружающей среды — влаги воз-
духа.
И еще. Пока что сочетание эффект—антиэффект рассматри-
валось нами с той точки зрения, что многим эффектам соответ-
ствует антиэффекг. Это следует знать, это следует использовать,
это поможет значительно уменьшить дистанцию между изобре-
тениями и/или открытиями. Не менее интересное и не менее
полезное использование связки эффект—антиэффект может быть
получено при их объединении. Классический пример — из обла-
Глава 6. Эффекты
сти экологии. Обычно на промышленных предприятиях хими-
ческие стоки разделяют на кислотные, щелочные, хромсодержа-
щие, цианидные и т. д. Каждый вид стоков обезвреживают своим
способом. Кислотные — нейтрализуют щелочью, щелочные —
нейтрализуют кислотой и т. д. Думаю, что читатели уже догада-
лись, как увеличить степень идеальности работы очистных со-
оружений. Достаточно объединить кислотные и щелочные сто-
ки. Естественно, при этом следует соблюдать стехиометрическое
соотношение реакции (3):
Н+ + ОН = Н2О. (3)
В этом случае на выходе можно получить чистую воду.
6.5.3. У кого что болит...
...тот о том и говорит. Область узкопрофессиональных интересов
автора — проблема обеспечения влагостойкости радиоэлектрон-
ной аппаратуры. Гидрофильность и гидрофобность — два физи-
ческих свойства-антагониста, имеющие самое непосредственное
отношение к этой проблеме. Что это такое, как эти свойства ис-
пользовать с пользой, как с ними бороться, как ими управлять —
тема этого раздела.
6.5.3.1. Основные понятия
Понятия гидрофильность и гидрофобность являются частным
случаем более общих понятий лиофильность и лиофобность —
характеристик межмолекулярного взаимодействия вещества и
жидкой среды, в которой оно находится. Если жидкой средой
являются углеводороды (масло, жир) говорят об олеофильности
и олеофобности (от лат. oleum и греч. lipos — масло). Если жид-
кая среда вода, то обычно используются термины гидрофиль-
ность и гидрофобность.
Понятия гидрофильность и гидрофобность были предложе-
ны Ж. Перреном в 1905 году. Эти термины произошли от гречес-
ких слов: hydor — вода, phileo — люблю, phobos — страх [49].
Таким образом, в дословном переводе гидрофильность означает
любовь к воде, а гидрофобность — страх, неприязнь по отноше-
нию к ней. Если молекулы вещества сильно взаимодействуют с
водой, например образуя водородные связи, то говорят о его гид-
рофильности, при слабом взаимодействии говорят о его гидро-
фобности. Гидрофильность присуща веществам, близким по хи-
ftataHausiiik
6.5. Эффект—антиэффект
мическому строению с водой и, наоборот, гидрофобными свой-
ствами обладают вещества, очень далекие от воды по своей хи-
мической структуре.
Мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия
является поверхностное натяжение на границе раздела вещества
и воды. Чем больше гидрофильность вещества, тем ниже повер-
хностное натяжение. Гидрофильность и гидрофобность поверх-
ности количественно оцениваются краевым углом смачивания 0.
Этот угол измеряется между поверхностью и водой внутри воды
(рис. 6.10).
Если 0< 90° (рис. 6.10, а), то поверхность гидрофильна. При
этом поверхностное натяжение на границе раздела твердого тела
с водой меньше, чем на границе раздела твердого тела с возду-
хом. Чем ниже краевой угол смачивания, тем более гидрофильна
поверхность. На предельно гидрофильных поверхностях проис-
ходит растекание воды.
Если 0 > 90°, поверхность гидрофобна. На гидрофобных по-
верхностях вода собирается в капли (рис. 6.10, б). Гидрофобность
можно рассматривать еще и как малую степень гидрофильности,
поскольку все вещества обладают ею в большей или меньшей
степени.
Углеводороды, имеющие низкую работу когезии, растекают-
ся по большинству поверхностей, за исключением фторопласта.
Поэтому олеофобность и олеофильность могут быть охаракгери-
Рис. 6.10. Смачивание поверхностей:
а — смачивание водой гидрофильной поверхности; б — смачивание во-
дой гидрофобной поверхности; в — избирательное смачивание гидро-
фобной поверхности.
зованы только по углу избирательного смачивания, который из-
меряется при нанесении капли одной жидкости (например, мас-
ла) на поверхность раздела твердого тела с другой жидкостью
(водой) (рис. 6.10, в).
Поскольку гидрофильность является характеристикой (мерой)
интенсивности межмолекулярного взаимодействия воды и по-
верхности твердого тела, то ее степень можно количественно
выразить не только краевым углом смачивания, но и дифферен-
циальной теплотой смачивания поверхности данного тела водой
или теплотой адсорбции водяного пара [50].
Понятия гидрофильности и гидрофобности применимы не
только к макроскопическим телам (фазам), у которых они явля-
ются свойствами поверхности, но и к отдельным молекулам и
даже к их функциональным группам. В табл. 6.1 приведена пос-
ледовательность атомных группировок в порядке уменьшения их
сродства к воде [51].
Таблица 6.1. Функциональные группировки, расположенные
в порядке уменьшения их сродства к воде.
Гидрофильные группы Гидрофобные группы
Структура Название Структура Название
-С(О)-ОН Карбоксильная ? -с6н5 Фенил
-ОН Г идроксильная? -СН=С(СН3)- -сн=сн2 Изопренил?
-С(О)Н Альдегидная? -СпН2п+1 Алкил?
>С=О Кетогруппа? -с3н7 Пропил?
-nh2 Аминогруппа? -С2Н5 Этил?
-NH Иминогруппа? =сн2, >сн2 Метилен?
-C(O)-NH2 Амидогруппа? -СН, Метил?
—C(NH)—OR Имидогруппа—> -SH Сульфогидриль- ная группа?
Степень «гидрофильности» некоторых атомных группировок
можно оценить по числу гидратации — количеству прочно свя-
зываемых инактивированных молекул воды (табл. 6.2).
ftalaHauslgk
6.5. Эффект—антиэффект
Таблица 6.2. Количественные характеристики гидрофильности
атомных группировок.
Атомная группировка Гидратация молекул воды
-С(О)ОН 4
-ОН 3
-nh2 2-3
-С(О)Н, >СО, >NH 2
-CH-NH- (в белке) 1
Гидрофильно-гидрофобное взаимодействие в пределах одной
молекулы реализуется в поверхностно-активных веществах (ПАВ).
Эти вещества содержат гидрофильную (полярную) группировку
и гидрофобную углеводородную цепь. Соотношение между эти-
ми частями молекул ПАВ определяет их гидрофильно-гидрофоб-
ный баланс.
Гидрофильно-гидрофобным балансом должны обладать и ра-
створители, используемые в производстве лаков, красок и по-
крытий на их основе. Иногда этот баланс реализуется в пределах
молекул одного растворителя. Чаще используется смесь раство-
рителей, обладающих преимущественно гидрофильными свой-
ствами (спирты и др.) и преимущественно гидрофобными свой-
ствами (предельные углеводороды и др.).
6.5.3.2. Кто кого
С явлениями гидрофильности и гидрофобности приходится посто-
янно сталкиваться при реализации макро- и микротехнологий, ис-
пользуемых в производстве радиоэлектронной аппаратуры. В неко-
торых случаях эти явления удается очень удачно использовать, в
иных эти столкновения напоминают непримиримую борьбу.
Известно выражение: «Вода камень точит». Негативное воз-
действие «чудесных» [52] молекул воды по отношению к элект-
ронной технике иное. «Водные процедуры», как правило, сопро-
вождаются не механическими разрушениями, а нарушениями
работоспособности электрических схем. Почему?
Значительный прогресс в области полимерной химии и, как
следствие, широкое использование в электронной технике мате-
риалов на основе полимеров можно только приветствовать. Бла-
годаря этому достижения электроники стали доступны каждому.
Но практически все полимеры или материалы на основе полиме-
ров диффузионнопроницаемы. Проще говоря, вода способна пре-
одолевать практически любые полимерные барьеры.
Следующий принципиально важный момент — электроизоля-
ционные свойства абсолютно сухого полимера и электроизоляци-
онные свойства полимера, содержащего воду, разнятся. Сравне-
ние явно не в пользу последнего. Причем изменения измеряются
не единицами, а порядками. Кроме того, вода обычно содержит
множество примесей, в том числе и ионогенных. И чем дальше
находится вода от своего гипотетического абсолютно чистого
состояния, тем больше получается порядков.
Самое неприятное то, что абсолютно сухих полимеров, так же
как и абсолютно чистой воды, не бывает. Каждому полимеру или
материалу на основе полимеров при определенных условиях соот-
ветствует свое равновесное значение влагосодержания. Водопог-
лощение даже самых лучших современных базовых материалов для
печатных плат (стеклотекстолитов) измеряется долями процента.
Поверхность подавляющего большинства печатных плат, как
бы нам ни хотелось обратного, гидрофильна. К сожалению, эпок-
сидное, фенолоформальдегидное, да и большинство других по-
лимерных связующих подложек печатных плат имеют большое
сродство к воде. Явление гидрофобности наблюдается лишь на
поверхности стеклотекстолита с фторопластовым (политетра-
фторэтиленовым) связующим (ФАФ). Вода на этой поверхности
собирается в шарики, которые так и норовят скатиться с повер-
хности. Краевой угол смачивания равен 113°. Но массовому ис-
пользованию гидрофобных диэлектрических подложек печатных
плат типа ФАФ противодействует целый ряд причин. Политет-
рафторэтилен примерно на порядок дороже, чем эпоксидная смо-
ла. Поэтому, прежде чем использовать такие материалы, прихо-
дится много раз подумать. И размышления обычно заканчиваются
тем, что стеклотекстолит с нетрадиционным связующим исполь-
зуется только там, где он незаменим или почти незаменим — в
высокочастотной технике.
С технической точки зрения использование таких сверхгид-
рофобных подложек печатных плат создает множество других
проблем. Понятия гидрофобность и высокая адгезия несовмес-
тимы. Поэтому через торцевую поверхность (по границе раздела
полимер—наполнитель) ФАФ поглощает влагу не хуже, а даже
лучше, чем стеклотекстолит с эпоксидным связующим. По той
6.5.
же причине не так просто реализовать адгезионные связи: про-
водник-поверхность политетрафторэтилена, влагозащитное по-
крытие-поверхность политетрафторэтилена. Сложнейшая зада-
ча — реализация оптимальных режимов сверления таких матери-
алов и т. д. Фторопласт вообще очень трудный материал для
механообработки. Причем затруднения вызывает не излишняя
жесткость, а, наоборот, излишняя «мягкость» этого материала.
Гидрофильные свойства поверхностей приветствуются при ре-
ализации клеевых соединений. Адгезия (от латинского adhaesio —
притяжение, сцепление, прилипание) — явление соединения при-
веденных в контакт поверхностей конденсированных фаз. Ад-
сорбционная (молекулярная) теория рассматривает адгезию как
результат проявления сил молекулярного взаимодействия между
контактирующими поверхностями адгезива и субстрата. С этой
точки зрения очень важно, чтобы адгезив и субстрат обладали
полярными (гидрофильными) функциональными группами.
В некоторых областях техники, далеких от радиоэлектрони-
ки, приветствуются и те, и другие свойства. Так, одежда и обувь
должны обладать одновременно гидрофильными и гидрофобны-
ми свойствами. Гидрофильными свойствами потому, что они дол-
жны уметь поглощать влагу. (Так уж устроен механизм терморе-
гуляции человека — в знойные дни через кожу испаряется не-
сколько литров воды). В то же время желательно, чтобы те же
одежда и обувь не пропускали влагу извне, например во время
проливного дождя. Сделать так, чтобы вещество было одновре-
менно и «черным» и «белым» — не просто. Иногда это получает-
ся неплохо, иногда — сами знаете как.
В радиоэлектронике, на первый взгляд, задача гораздо про-
ще. Вопрос вроде бы уже решен на 50 %. В отличие от человека
печатные узлы влагу не генерируют. Они нуждаются только в
защите от нее извне. Поэтому гидрофобные свойства используе-
мых веществ обычно приветствуются, а вот с гидрофильностью
приходится бороться. И эта борьба пока идет с переменным ус-
пехом. Хотя в некоторых случаях влагозащитные покрытия пе-
чатных узлов также могут (должны?) быть одновременно и гид-
рофобными, и гидрофильными [53]. Любое реальное влагозащит-
ное покрытие все-таки проницаемо для молекул воды. Поэтому
влагозащитное покрытие должно быть гидрофобным по отноше-
нию к воде, проникающей в печатный узел извне, и гидрофиль-
ным по отношению к воде, отдаваемой печатным узлом в окру-
жающую среду.
6.5.3.3. Капиллярные явления
С явлениями гидрофильности и гидрофобности тесно связаны
другие явления — капиллярные. На первый взгляд, большинство
окружающих нас тел представляет собой монолит. Капиллярные
явления явно видны разве только при растворении кусочка саха-
ра. На второй взгляд, практически все тела представляют собой
капиллярно-пористые структуры. Различия лишь в величине ра-
диуса капилляров, который изменяется от нескольких наномет-
ров (внутримолекулярная пористость) до десятков-сотен микро-
метров (микропоры в керамике) [54]. Для сравнения, размер мо-
лекулы воды составляет 0,27 нм.
Капиллярными называют поверхностные явления на границе
жидкости с другой средой, связанные с искривлением ее повер-
хности. При контакте жидкости с твердым телом происходит
искривление поверхности раздела в результате действия межфаз-
ного натяжения. Если твердое тело смачивается (гидрофильная
поверхность + вода), то силы притяжения между молекулами
жидкости и твердого тела заставляют ее подниматься по стенке
сосуда, а участок жидкости, прилегающий к твердому телу, при-
нимает вогнутую форму. В капиллярах образуется вогнутый ме-
ниск (рис. 6.11, а). Величина капиллярного давления (Ар) связа-
на со средним радиусом кривизны поверхности (г) уравнением
Лапласа:
Ар =
где а — поверхностное натяжение.
Рис. 6.11. Капиллярное поднятие жидкости (а) и капиллярная конденса-
ция (б):
г — радиус капилляра; О— краевой угол смачивания; h — высота подъе-
ма жидкости; / — длина перемещения жидкости в капилляре.
6.5. Эффект—антиэффект
Искривление поверхности жидкости приводит к изменению
над ней равновесного давления пара (р) по сравнению с давле-
нием насыщенного пара над плоской поверхностью (ps). Над
вогнутым мениском давление насыщенных паров воды ниже.
Поэтому создаются благоприятные условия для дополнитель-
ного поглощения паров воды в результате капиллярной конден-
сации (рис. 6.11, б).
Количество удерживаемой капиллярными силами воды зави-
сит от радиуса кривизны поверхности раздела вода — пар (ради-
уса капилляра) согласно уравнению Кельвина:
p/ps = exp(2aV/rRT),
где су — поверхностное (межфазное) натяжение; V — молярный
объем воды; R — газовая постоянная; г — радиус кривизны по-
верхности раздела вода—пар; Т — температура по Кельвину.
На основании уравнения Кельвина рассчитывают заполне-
ние капилляров или пористых тел при капиллярной конденса-
ции. Предельное количество воды достигается при р = ps, что
отвечает плоской поверхности раздела (заполнению всех пор
водой).
С явлениями гидрофильности и гидрофобности связаны ме-
ханизмы переноса влаги. Стеклотекстолиты (подложки печатных
плат) являются капиллярно-пористыми телами. Капиллярно-по-
ристая структура у них реализуется преимущественно на границе
раздела: полимерное связующее — наполнитель. В процессах пе-
реноса влаги через капиллярно-пористые структуры участвуют
диффузия, сорбция, десорбция и капиллярная конденсация.
Пары воды адсорбируются на гидрофильных участках повер-
хности пор и капилляров. Большая удельная поверхность пор и
капилляров способствует увеличению количества адсорбирован-
ных молекул воды и при высоких значениях относительной влаж-
ности воздуха адсорбционные слои в узких капиллярах (порах)
могут сливаться с образованием вогнутых менисков.
Даже при низкой влажности воздуха на гидрофильной повер-
хности стеклотекстолита адсорбируется мономолекулярный слой
воды. При более высокой влажности начинает формироваться
полимолекулярный слой, толщина которого резко возрастает с
приближением к относительной влажности воздуха 90 %. Харак-
теристики капиллярно-пористой системы стеклотекстолита та-
ковы, что капиллярная конденсация также происходит при влаж-
ности воздуха, соответствующей нормальным условиям [54]. По-
этому образное сравнение стеклотекстолита с «промокашкой»
можно еще и дополнить... смоченной водой со всеми вытекающи-
ми из этого неприятными последствиями. Косвенное подтвержде-
ние этого факта — очень большое (на 3—4 порядка) изменение
уровня сопротивления изоляции в цепях очень сложных печатных
плат, наблюдаемое при изменении относительной влажности воз-
духа в пределах 45—80 % (нормальные условия) [55].
Если поверхность капилляров гидрофобна, то в капиллярах
наблюдается выпуклый мениск. Капиллярное давление изменяет
знак — становится отрицательным. Соответственно над таким
мениском наблюдается не пониженное, а повышенное давление
паров воды. Объективные причины для капиллярной конденса-
ции отсутствуют. Поэтому гидрофобизация объема диэлектри-
ческой подложки печатных плат или хотя бы ее поверхности —
вековая мечта конструкторов и технологов радиоэлектронной
аппаратуры.
Примеры удачного решения проблемы гидрофобизации по-
верхности печатных плат — использование полимерных покры-
тий кремнийорганической природы и покрытий на основе эпи-
ламов [56]. А вот с гидрофобизацией объема их подложек вопрос
пока открыт. Промежуточное решение — уменьшение капилляр-
ной пористости и «уплотнение» структуры стеклотекстолитов на
макро- и микроуровне. Вариант такого решения — многократ-
но упоминаемое в этой книге полимеризационное наполнение.
Другой вариант (менее универсальный) приводится автором в
работе [57]. Жидкости, используемые для порозаполнения, мож-
но и не отверждать. Если жидкости обладают отличными элект-
роизоляционными свойствами, да еще и гидрофобны, то их можно
оставить в порах стеклотекстолита и в первозданном виде.
Но... задача заполнения капиллярно-пористой системы стек-
лотекстолита жидкостями не так проста хотя бы потому, что эта
система даже в нормальных условиях большей частью заполнена
водой. Вода довольно быстро может быть удалена из стеклотексто-
лита нагреванием и/или вакуумированием. Но капиллярно-порис-
тая система стеклотекстолита вновь так же быстро наполняется во-
дой из окружающей среды. И времени на межоперационные раз-
мышления практически не остается. На помощь технологам может
прийти известный вариант пропитки пористых систем, при ко-
тором одна жидкость вытесняет другую [49]. Такого эффекта мож-
но добиться, если эта жидкость лучше смачивает поверхность,
чем вода. Автолюбители знают, о чем идет речь. Аэрозольных
^aiaHaus,^
6.5. Эффект—антиэффект
препаратов, вытесняющих влагу из открытых элементов элект-
рооборудования автомобилей, предлагается великое множество.
А как быть, если жидкость смачивает поверхность хуже воды?
Физику можно «обмануть». И в этом вам могут помочь ПАВ,
незначительные добавки которых очень сильно улучшают смачи-
вание поверхности жидкостью за счет уменьшения краевого угла
смачивания 0.
6.5.3.4. Поверхностно-активные вещества
Что же это за такие «волшебные» вещества? Под поверхностной
активностью понимают способность вещества при адсорбции на
границе раздела фаз понижать поверхностное натяжение. Наи-
большей поверхностной активностью обладают вещества, моле-
кулы которых дифильны, то есть состоят из полярных и непо-
лярных частей. Полярная (гидрофильная) часть молекулы ПАВ
при адсорбции ориентируется в сторону полярной фазы (воды).
Неполярная часть (углеводородный радикал) выталкивается из
полярной фазы и ориентируется в сторону менее полярной фазы
(воздуха, органических жидкостей). Различают несколько основ-
ных типов ПАВ: анионактивные, катионактивные, амфотерные
и неионогенные.
Обычное мыло (твердое — натриевые соли карбоновых кис-
лот и жидкое — калиевые соли карбоновых кислот) относится к
анионактивным ПАВ. Анионактивные ПАВ содержат в молекуле
одну или несколько полярных групп и гидрофобный углеводо-
родный «хвост». Они диссоциируют в водном растворе с образо-
ванием длинноцепочечных анионов, определяющих поверхност-
ную активность:
RCOOM RCOO + М .
В катионактивных ПАВ поверхностной активностью облада-
ют катионы с длинной гидрофобной цепью. Амфотерные ПАВ
также содержат гидрофильную и гидрофобную части. В зависи-
мости от величины pH-среды они проявляют свойства катионак-
тивных и анионактивных ПАВ.
ПАВ находят широкое применение в технологиях отмывки
печатных плат и печатных узлов. По ряду объективных причин
для этих целей используются неионогенные ПАВ. Неионоген-
ные ПАВ практически вытеснили мыла из обыденной жизни.
Причина в том, что анионактивные ПАВ в обычной (жесткой)
воде работают не как ПАВ, а скорее как регуляторы жесткости
воды. Они высаждаются из воды кальциевыми и магниевыми
солями, придающими воде жесткость. В технологиях отмывки
печатных плат использование жесткой воды не приветствуется.
Но остатки ионогенных ПАВ в любом случае создают на поверх-
ности печатных плат условия для нежелательной проводимости.
И удалить такие вещества с поверхности печатных плат в силу их
поверхностной активности не так просто.
Причина предпочтения, которое отдается неионогенным ПАВ,
кроется в их названии. Неионогенные ПАВ не диссоциируют в
воде с образованием ионов. Их растворимость в воде обусловле-
на наличием в молекулах гидрофильных эфирных и гидроксиль-
ных групп чаще всего полиэтиленгликолевой цепи. Получение
неионогенных ПАВ в большинстве случаев основано на реакции
присоединения этиленоксида к спиртам, карбоновым кислотам,
алкилфенолам и другим химическим соединениям.
Гидрофильностью и гидрофобностью поверхности можно
управлять. Для этого, например, используют химическую моди-
фикацию поверхности путем «прививки» гидрофильных или гид-
рофобных функциональных групп [58]. Использование ПАВ —
другой очень эффективный вариант управления этими свойства-
ми. В зависимости от природы ПАВ возможна как полная гиро-
филизация, так и полная гидрофобизация поверхности. Этот ва-
риант широко используется в химии и физике дисперсных сис-
тем (эмульсии, дисперсии и др.) [59]. Этот же вариант нашел
свое применение и в области влагозащиты печатных узлов. Упо-
минаемые выше эпиламы, оказывается, тоже являются ПАВ.
Эпиламы представляют собой фторсодержащие ПАВ (перфтор-
полиэфирокисл оты). Молекулы этих кислот ориентируются под
действием поля твердого тела гидрофильной частью к поверхно-
сти печатной платы, а гидрофобной — навстречу потенциально-
му противнику (воде). В результате получается очень тонкое, тол-
щиной до нескольких ангстрем, гидрофобное нанопокрытие.
Литература
1. http://ecoportal.ru/db.php
2. http://www.inventors.ru/index.asp?mode=3115
3. Цветков. Ю. Микротехнология — универсальная основа
производства современной электроники // Компоненты и техно-
логии. Приложение: Технологии в электронной промышленнос-
ти, 2005, № 4.
ftataUausi^i
4. Зайцев И. Сравнение новых технологий энергонезависи-
мой памяти // Компоненты и технологии. — 2004, № 4.
5. Валъпа О. Контроллер флэш-памяти с интерфейсом USB //
Компоненты и технологии, — 2005, № 6.
6. Зайцев И. О надежности и качестве ферроэлектрической
памяти // Компоненты и технологии, 2004, № 6.
7. Уокер Дж. Физический фейерверк. Пер. с англ/ Под ред.
И.Ш. Слободецкого. — М.: Мир, 1988.
8. Колпаков А. Энергия, принесенная ветром // Компоненты
и технологии, 2005, № 3.
9. Интеллектуальные тепловые трубки для охлаждения ноут-
буков // Электроника: НТВ, 2003, № 6.
10. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. Пер. с англ. — М.:
Мир, 1988.
11. Правила игры без правил / Сост. А.Б. Селюцкий. — Пет-
розаводск: Карелия, 1989.
12. Патентный закон РФ от 23.09.1992 г. № 3517-1 (Ведомос-
ти Съезда народных депутатов Российской Федерации и Верхов-
ного Совета Российской Федерации, 1992, № 42).
13. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред.
В.Г. Колесников. — М.: Сов. энцикл., 1991.
14. Химическая энциклопедия: В 5 т. Т. 2 / Редкол.: И.Л.
Кнунянц и др. — М.: Сов. энцикл., 1990.
15. Сперлинг Л., Взаимопроникающие полимерные сетки и
аналогичные материалы. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.
16. Мэнсон Дж.. Сперлинг Л., Полимерные смеси и компози-
ты. — М.: Химия, 1979.
17. Уразаев В.Г. Полимеризационное наполнение: новые тех-
нологии, контрафактные предложения // Компоненты и техно-
логии. 2004. № 4.
18. Уразаев В.Г. Время вперед! // Комментарии и технологии.
Приложение: Компоненты и технологии. 2005. № 1.
19. Медведев А.М. Надежность и контроль качества печатного
монтажа. — М.: Радио и связь, 1986.
20. http://www.urazaev.narod.ru
21. Уразаев В.Г. Способ влагозащиты печатных плат. Пат. РФ
№ 2265975. Приоритет от 29.12.2003 г.
22. Уразаев В. Г. Способ влагозащиты печатных плат. Пат. РФ
№ 2265976. Приоритет от 14.01.2004 г.
23. Уразаев В.Г. ТРИЗ в электронике // Компоненты и техно-
логии. 2005. № 2—5.
24. Притыкин Л.М., Кардашов Д.А., Вакула В.Л. Мономерные
клеи. — М.: Химия, 1988.
25. http://abi.avigal.com.ua
26. Федоров С.Н., Багров С.Н., Новиков С.В. и др. Керапротез.
Пат. РФ№ 2124331.
27. Саундерс Дж. X, Фриш К. К. Химия полиуретанов. Пер. с
англ. — М.: Химия, 1972.
28. Уразаев В.Г., Архиреев В.П., Батдалов Ю.Р. Способ полу-
чения 1,1-1,6-гексаметилен-3,3,31,31-тетракис(2-оксиэтил)-бисмо-
чевины. Пат. РФ № 2072352. Приоритет от 10.08.1994 г.
29. Уразаев В.Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобре-
тателя. — М.: Солон Пресс, 2003.
30. Уразаев В.Г, Елисеева Л.А., Архиреев В.П. Способ получе-
ния бис-(2,3-дибромпропил)-метилфосфоната. Патент № РФ
2047618. Приоритет от 25.07.93 г.
31. Кынин А.Т. Молекулярный ТРИЗ — применение ТРИЗ на
микроуровне: в химии, полупроводниковых и нанотехнологиях //
http://alexander-kynin.boom.ru
32. Нить в лабиринте / Сост. А.Б. Селюцкий. — Петрозаводск:
Карелия, 1988.
33. Михайлов В.А., Косарев Д. С. Некоторые возможности при-
менения базы данных по использованию химических эффектов в
патентах / http://www.metodolog.ru/00466/00466.html
34. Лисичкин Г.В., Бетанели В.И. Химики изобретают. — М.
Просвещение, 1990.
35. Тимохов В.И. Сборник творческих задач по биологии,
экологии. — Санкт-Петербург: ТРИЗ-ШАНС, 1996 / http://
www.trizland.ru/trizba.php?id=70
36. Тимохов В.И. Картотека биологических эффектов: в по-
мощь учителю биологии. — Гомель, 1993 / http://www.trizland.ru/
trizba.php?id=118
37. http://www.metodolog.ru/00301/00301 .html
38. http://www.trizminsk.oig/e/247001 .htm
39. http://www.gazeta.ru/techzone/2004/06/09_n_l 13943.shtml
40. http://www.utro.ru/articles/2005/01/13/395784.shtml
41. http://news.izvestia.ru/tech/newsl00405
42. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/3273.html
43. http://www.88002004040.ru/Technology-bioTechnology.aspx
44. Майская В. Органические светодиоды — новые звезды ма-
лых экранов И Электроника: НТБ, 2005, № 8.
^aiaHaus,^.
45. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред.
В.Г. Колесников. — М.: Сов. энцикл., 1991.
46. Политехнический словарь / Редкол.: А.Ю. Ишлинский
и др. — М.: Сов. энцикл., 1989.
47. Химическая энциклопедия: В 5 т. Т. 4 / Редкол.: Зефиров Н.С.
и др. — М.: Большая рос. энцикл., 1995.
48. Притыкин Л.М., Кардашов Д.А., Вакула В.Л. Мономерные
клеи. — М.: Химия, 1988.
49. Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т. 1. Редкол.: Кнунянц
ИЛ. и др. — М.: Сов. энцикл., 1988.
50. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Пер. с англ. —
М.: Химия, 1979.
51. Химические реакции полимеров. Т. 1. Под ред. Е. Фетте-
са. — М.: Мир, 1967.
52. Салем Л. Чудесная молекула. Пер. с франц. — М.: Мир,
1982.
53. Уразаев В.Г. Влагозащитные покрытия печатных узлов:
фантазии на тему // Компоненты и технологии. Приложение:
Технологии в электронной промышленности. 2005, № 4.
54. Медведев А.М. Надежность и контроль качества печатного
монтажа. — М.: Радио и связь, 1986.
55. Галецкий Ф.П. Технология изготовления двадцатислойных
печатных плат с проводниками 100 мкм // Экономика и произ-
водство, 2000, № 12.
56. http://www.epilam.ru
57. Уразаев В.Г. Влагозащита печатного монтажа. Обзор мето-
дов // Электроника: НТБ, № 1, 2003.
58. Сум БД., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы сма-
чивания и растекания. — М.: Химия, 1976.
59. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. —
М.: Химия, 1982.
ГЛАВА 7
ИНВЕРСИЯ
Американец, первым открывший Колумба,
сделал скверное открытие
Георг Лихтенберг
7.1. Исследовательские задачи
Кроме изобретательских задач существуют и такие задачи, кото-
рые требуют ответа на вопрос: «Почему это происходит?». Чтобы
использовать инструментарий ТРИЗ для решения таких задач,
было предложено использовать прием инверсии [1]. Инверсия
осуществляется на стадии постановки задачи, путем ее перефор-
мулировки из исследовательской задачи в изобретательскую.
7.1.1. Инверсия целей
Вопрос: «Почему это происходит?» чаще всего задается детьми в
возрасте от двух до пяти. Ответы на свои вопросы они получают
от пап и мам или же опытным путем. Чуть реже такие вопросы
себе задают ученые, работающие в области фундаментальной
науки, — исследователи. Исследователями поневоле приходится
быть и тем, кто работает в условиях реального производства, и в
первую очередь технологам.
Армия технологов состоит из двух «подразделений»: разра-
ботчиков технологий и тех, кто реализует эти технологии в ре-
альных производственных условиях. Задачи и проблемы у них
разные. Одним нужно разработать новое, другим — реализовать
это новое на практике. Практическому технологу чаще всего изоб-
ретать ничего и не нужно. Да и времени на изобретательство у
него, как правило, нет. Его главная задача — обеспечить выпуск
продукции стабильно высокого качества. В связи с этим он вы-
нужден постоянно искать причины того или иного явления (от-
клонения в технологии, появление брака и др.). Это своеобраз-
ные исследовательские задачи. Каким образом можно решать та-
кие задачи, не используя привычный метод перебора множества
возможных вариантов? Как повысить коэффициент полезного дей-
ствия? Как сделать так, чтобы появилось свободное время?
NataHausi^.
Для решения таких задач было предложено использовать при-
ем, который получил название «обращение исследовательской
задачи». Суть его заключается в том, что от вопроса: «Как это
явление объяснить?» нужно перейти к вопросу: «Как это явление
получить?» Таким способом осуществляется превращение иссле-
довательской задачи в изобретательскую, которая может решать-
ся с привлечением наработанного в течение многих лет инстру-
ментария ТРИЗ.
Прием обращения (инверсии) позволяет использовать для
решения производственных задач практически все наработки
ТРИЗ. Однако при этом следует учитывать некоторые особенно-
сти. При решении исследовательских задач желательно исполь-
зование внутренних ресурсов системы. Ведь непонятное явление
произошло именно в рамках этой системы! В какой-то степени
это даже лучше, поскольку задача становится уже, а следователь-
но, и проще.
Но желательно не означает обязательно. Никто не возбраняет
использовать другие вещества, поля «со стороны». Особенно в
тех случаях, когда задача формулируется иначе. Для производ-
ственников вопрос: «Как это явление получить?» чаще всего бы-
вает промежуточным. Если речь идет о неполадке в технологи-
ческом процессе, то главным вопросом будет: «Как эту неполад-
ку устранить?» Такую задачу можно решать и без использования
приема инверсии — напрямую. При этом «в пределах разумного»
можно использовать и внешние ресурсы.
7.1.2. Реальная задача
Решение производственных задач включает определенную пос-
ледовательность операций. В качестве примера рассмотрим ре-
шение реальной задачи из практики автора [2].
Однажды ко мне обратился знакомый технолог. Ему нужно
было разбавить меламино-алкидный лак. Для разбавления ис-
пользовался уайт-спирит — растворитель, рекомендованный
предприятием—изготовителем лака. Но вопреки желаниям лак
не хотел растворяться и отторгал этот растворитель. Вопрос пер-
вый: «Почему это происходит?». Вопрос второй: «Как его ра-
створить?».
Рассмотрим решение этой задачи.
Шаг L Формулировка исходной задачи.
Записываем условие исходной задачи.
Пример---------------------------------------------------
Система, включающая лак в емкости, растворитель (уайт-спи-
рит), человека (технолога). При добавлении уайт-спирита не про-
исходит растворение лака, хотя это должно происходить. Почему
это происходит и что нужно сделать, чтобы эту «неполадку» уст-
ранить?
Шаг 2, Формулировка обращенной задачи.
Превращаем исследовательскую задачу в изобретательскую.
Пример---------------------------------------------------
Система, включающая лак в емкости, растворитель (уайт-спи-
рит), человека (технолога). Задача № 1: «Как сделать так, чтобы
при добавлении в лак растворителя (уайт-спирита) не происхо-
дило растворение лака?» Параллельно ставим себе и задачу № 2:
«Что нужно сделать, чтобы растворить лак?»
Очевидно, обе задачи связаны друг с другом. Если мы узнаем
причину сего странного явления, то нетрудно будет найти и спо-
соб растворить лак. И, наоборот, если мы найдем способ раство-
рить лак, то недалеко будет и до понимания причины его нера-
створения. Поэтому эту задачу можно решать в двух вариантах.
Для начала сделаем ставку на решение задачи № 1.
Шаг 3. Паспортизация ресурсов.
Перечисляются имеющиеся в системе ресурсы, способные
совершить или способствовать совершению нужного действия.
Особое внимание уделяется ресурсам изменения — имеющимся
даже самым незначительным отличиям от стандартных условий,
в которых получается ожидаемое явление, а также системным
ресурсам.
Пример----------------------------------------------------
В системе имеются ресурсы, связанные с деятельностью челове-
ка: химические вещества, которые могут изменяться; поля (меха-
ническое, тепловое, возможно электрическое).
Шаг 4. Поиск известных решений.
Рассматривается, в каких природных процессах, в каких об-
ластях науки, техники, в быту требуемое явление происходит само
собой или создается искусственно. Нельзя ли использовать этот
NataHausi^.
7.1. Исследовательские задачи
способ в данной задаче? Причем предпочтение отдается простей-
шим средствам.
Пример------------------------------------------------
Такое явление может произойти, если, например, произойдут
какие-то химические изменения в полимерном связующем лака.
Но меламино-алкидное связующее лака довольно стабильное.
Лишь в открытой емкости лак частично отверждается кислоро-
дом воздуха. В данном случае поверхностной «корочки» в лаке не
было. Ближайшая бытовая аналогия нерастворимости: коагуля-
ция в воде прокисшего молока. Но содержимое емкости с лаком —
однородное. Отторгается только дополнительная порция раство-
рителя.
Шаг 5. Поиск необходимых эффектов.
Рассматриваются физические, химические, геометрические,
биологические (если проблема связана с действиями людей, то и
психологические) эффекты, способные дать нужное действие.
Проверяется, нельзя ли создать нужный эффект с помощью име-
ющихся в системе ресурсов.
Пример--------------------------------------------------
Биологические эффекты в данном случае, скорее всего не при-
менимы. Геометрия банки не изменялась, не изменялся и способ
перемешивания лака и растворителя. О химических эффектах мы
уже говорили. Галлюцинациями технолог не страдал. Быть мо-
жет, что-то изменилось в физике процесса?
Шаг 6. Поиск новых решений.
Для получения решения используются инструменты ТРИЗ:
приемы, стандарты (вепольный анализ), АРИЗ.
Пример--------------------------------------------------
Попробуем найти решение с конца (задача № 2). Что нужно сде-
лать, чтобы этот лак все-таки растворить?
В ТРИЗ существуют стандарты для решения по сути дела не-
стандартных задач. В соответствии со стандартом 1.1.2 если дан
веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия за-
дачи не содержат ограничений на введение добавок в имеющие-
ся вещества, задачу решают переходом к внутреннему комплекс-
ному веполю, вводя в вещества В1 или В2 добавки, увеличиваю-
щие управляемость или придающие веполю нужные свойства [3].
Глава 7. Инверсия
Схематически это выгладит следующим образом:
Пм Пм
где В] — изделие (лак), В2 — инструмент (растворитель), В3 —
добавка, Пм — механическое поле (перемешивание лака и ра-
створителя). Скобками обозначена внутренняя комплексная связь.
Шаг 7. Формулировка гипотез и их проверка.
На базе полученных по шагам 4—6 решений формулируются
и проверяются гипотезы.
Пример---------------------------------------------------
На шаге 6 была предложена вепольная модель решения зада-
чи № 2. В простейшем случае добавкой В3, видимо, может быть
другой «хороший» растворитель. В данном случае уайт-спирит
оказался «плохим» растворителем. Это растворитель с гидрофоб-
ными свойствами.
Известно, что подобное растворяется в подобном. В поли-
мерном связующем лака имеются не только гидрофобные, но и
гидрофильные функциональные группировки. Поскольку лак
отторгает гидрофобный растворитель, очевидно, «хорошим» мо-
жет быть только гидрофильный растворитель, например, бута-
нол. Экспериментальная проверка подтвердила эту версию и эту
модель.
Вернемся к задаче № 1. Так почему же все-таки лак не ра-
створялся в уайт-спирите? Формальная логика подсказывает —
этого можно добиться удалением из него растворителей с гидро-
фильными свойствами.
После уточнения задачи выяснилось, что этот лак уже ис-
пользовался для вакуумной пропитки обмоток трансформаторов.
В нормальных условиях из лака испаряются преимущественно
самые летучие растворители. В данном случае ими оказались ра-
створители с гидрофобными свойствами. Поэтому изготовитель
и рекомендовал при загустевании лака разводить его гидрофоб-
ным растворителем — уайт-спиритом. Если же лак вакуумирует-
ся, то из него улетают еще и менее летучие растворители с гидро-
7.2. Диверсионный анализ
фильными свойствами. Поэтому лак отторгает избыток уайт-спи-
рита. Его гидрофильные группировки просят еще и гидрофиль-
ного растворителя.
Решение задачи № 1 по законам ТРИЗ можно получить и без
использования обходных маневров. На уровне физического про-
тиворечия эта задача формулируется следующим образом: «Лак
должен растворяться в растворителе и лак не должен растворять-
ся в растворителе».
Для разрешения физических противоречий ТРИЗ рекоменду-
ет набор стандартных приемов. Физическое противоречие мож-
но «уничтожить», разрешая противоречивые требования в про-
странстве:
• разделив систему на части, придав им противоположные свой-
ства;
• вынося из системы часть с ненужными свойствами или, наобо-
рот, внося часть с нужными свойствами;
• вынося из системы часть с нужными свойствам или, наоборот,
внося в систему часть с ненужными свойствами;
• раздробить объект на множество частей, использовать имею-
щиеся пространственные ресурсы: незанятое место, обратные
стороны площадей, многоэтажную компоновку, размещение од-
ной части внутри другой.
Задача № 1 в общем виде решается путем «вынесения из си-
стемы части с нужными свойствами». Если под частями системы
понимать смесь растворителей с прямо противоположными свой-
ствами (гидрофильных и гидрофобных), то от общего решения
до конкретного решения остается всего лишь шаг.
7.2. Диверсионный анализ
Диверсия — в последние годы это пугающее слово не покидает
нас везде: в газетах, журналах, радио, телевидении и, наконец, в
Интернете. А вот методика диверсионного прогноза (анализа) [4]
никого пугать не должна, поскольку она предназначена в первую
очередь для решения проблем, связанных с обеспечением безо-
пасности. Речь идет о прогнозировании возможных чрезвычай-
ных ситуаций, аварий, катастроф и других нежелательных явле-
ний и эффектов; своевременном выявлении «факторов риска» и
«предвестников аварии»; выработке конкретных технических и
организационных решений, направленных на предотвращение
спрогнозированных нежелательных явлений, и т. д.
Основа этой методики — тот же метод обращения, а точнее его
модификация, получившая название диверсионный анализ. Сущ-
ность диверсионного анализа заключается в том, что вместо вопро-
са «Какие чрезвычайные ситуации и нежелательные явления воз-
можны в данной конструкции или технологии?» задается вопрос:
«Как испортить данную конструкцию, технологию, как обеспечить
получение возможно большего числа наиболее опасных чрезвычай-
ных ситуаций и нежелательных явлений?» А для «реализации» ди-
версии можно вновь использовать инструменты ТРИЗ. После того
как диверсию удается «реализовать», ставится следующая, вновь
изобретательская задача: «Как эту диверсию не допустить?»
Основные шаги алгоритма диверсионного анализа [4]:
1. Формулирование диверсионной задачи.
2. Поиск известных способов создания чрезвычайных ситуа-
ций или нежелательных явлений.
3. Паспортизация и использование ресурсов.
4. Поиск нежелательных эффектов по информационным фондам.
5. Поиск нежелательных эффектов с помощью инструментов
ТРИЗ.
6. Поиск возможности усиления нежелательных эффектов.
7. «Маскировка» нежелательных эффектов.
8. Анализ выявленных нежелательных эффектов.
9. Устранение нежелательных эффектов.
10. Анализ хода работы.
В работе [4] приводится пример применения диверсионного
анализа в области практической электроники.
Проводился диверсионный анализ по отношению к конструк-
ции обычного выключателя. Ведущим был задан вопрос: «Допус-
тим, этот выключатель идеальный и мы не можем его улучшить.
А как его испортить? Причем так, чтобы дефект оказался скры-
тым». Одно из предложений было таково. Если пайку проводить
не по всей площади соприкосновения, а только по краям, то при
пропускании малых токов ничего плохого не произойдет, но при
больших токах спай будет интенсивно греться и в итоге выключа-
тель может развалиться на две половинки. Это предложение выз-
вало замешательство технолога, который знал, что из-за того что
рабочие экономят дорогостоящий припой, именно так они и по-
ступают. Цепная реакция пошла еще дальше. Не меньшее замеша-
тельство такое предложение вызвало и у инженера-исследователя,
который уже не первый год без особых успехов исследовал причи-
ны перегрева и разрушения контактов выключателя...
Используется ли этот метод в России по своему назначению?
Затрудняюсь ответить на этот вопрос. Техника в России, за ис-
ключением сырьевых отраслей, длительное время пребывала в ле-
таргическом сне. Потому и приоритеты были иными. А вот чрез-
вычайных ситуаций было более чем достаточно. Используется ли
этот метод людьми, которые по праздникам носят форму с пого-
нами? Похоже, тоже нет. Дело в том, что в самом начале методики
написано, что она рассчитана на использование человеком, про-
шедшим обучение ТРИЗ, и для ее использования желательно под-
робно ознакомиться хотя бы с несколькими книгами о ТРИЗ. Эти
книги учат думать. А люди в погонах обычно отдают предпочтение
книгам иного (инструктивного) содержания. Хотя идея способа
разрешения ситуации, сложившейся в связи с захватом заложни-
ков на Дубровке, уж очень напоминает мне «тризовское» реше-
ние. К сожалению, на практике оно было реализовано «как все-
гда». То есть очень плохо. Итог — множество человеческих жертв.
Диверсионный анализ изначально разрабатывался для техни-
ки, и в первую очередь для предотвращения аварий на производ-
стве. Но так же, как и другие инструменты ТРИЗ, он нашел при-
менение в иных областях (бизнес, реклама и др.) [5]. В частности,
диверсионный анализ эффективно применяется при проверке на
предмет защищенности товарного знака и элементов фирменного
стиля компании. Есть такая область, где использование диверси-
онного анализа крайне нежелательно. Какая? Ответ спрятан в са-
мом названии этого метода. Но подавляющее большинство ава-
рий происходит не по злому умыслу, а по незнанию. Превратить
это незнание в знание и призван диверсионный анализ.
Литература
1. Злотин Б.Л., Зусман А.В. Решение исследовательских задач.
Кишинев, 1991.
2. Уразаев В.Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобре-
тателя. — М.: Солон Пресс, 2003.
3. Алыпшуллер Г.С. Маленькие необъятные миры. Стандарты
на решение изобретательских задач. В сб. Нить в лабиринте /
Сост. Селюцкий А.Б. — Петрозаводск: Карелия, 1988.
4. Злотин Б.Л., Зусман А.В. Методика диверсионного прогно-
за / http://www.trizdiol.ru/Library/Disaster/divprogn.pdf
5. http.7/www.advertology.ru/modules.php?file=article&sid= 12496
ГЛАВА 8
УМНИЦЫ И УМНИКИ
У кого большой ум, тому надо еще больше
ума, чтобы управлять им.
Английская пословица
В последние годы слово «умный» (smart) в массовом порядке стало
использоваться для характеристики различных неодушевленных
предметов. Что это такое, в чем выражается их интеллект, что
они нам дают и... что отнимают? Попытка дать ответы на эти
вопросы делается в данной главе.
8.1. ЕСЛИ бы...
Январскую стужу 2006 года многие из нас перенесли бы гораздо
легче, если бы... Вариантов продолжения этой фразы существует
очень много. Остановимся подробнее на одном из них. Просмат-
ривая патенты по классу Н 05В (нагревательные устройства), я
обратил внимание на обилие изобретений, предназначенных для
облегчения жизни автолюбителям. Дело в том, что тепло для ото-
пления салона автомобиля традиционно забирается из системы
жидкостного охлаждения двигателя. Исключение составляет раз-
ве что канувший в Лету «Запорожец», оборудованный автоном-
ной системой отопления. Поэтому пока двигатель автомобиля не
прогрет, не прогрет и салон автомобиля. И если на улице очень
холодно, а продолжительность поездки невелика, то воспомина-
ния о валенках и прочих традиционных средствах защиты от хо-
лода неизбежны.
В чем же суть этих изобретений? Чтобы отказаться от вале-
нок, предлагается встраивать в систему отопления автомобиля
позисторы. Позисторы — это термо-резисторы, имеющие в темпе-
ратурной характеристике участок с большой положительной вели-
чиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС) [1].
Типичная зависимость сопротивления (R) позистора от темпера-
туры (Г) показана на рис. 8.1.
Сопротивление позистора резко возрастает в узкой темпера-
турной области обратимого фазового превращения материала, из
8.1. Если бы...
Рис. 8.1. Типичная зависимость сопротивления позистора от температуры,
которого он изготовлен. Благодаря большому положительному
ТКС позисторы Moiyr работать в качестве автостабилизирующихся
нагревательных элементов. Алгоритм работы этих нагреватель-
ных элементов таков. Изначально позистор работает как обыч-
ный нагревательный элемент. При достижении температуры фа-
зового перехода сопротивление позистора резко возрастает, и ток
падает до величины, недостаточной для его дальнейшего нагре-
ва. В результате позистор охлаждается, его сопротивление умень-
шается, а ток растет. И температура вновь достигает значения,
при котором происходит фазовое превращение материала. И так
далее много-много раз. При использовании позисторов нагрев
происходит очень быстро, температура поддерживается очень
точно и самое главное — отпадает необходимость использования
сложных и не всегда надежных автоматизированных систем уп-
равления. Позистор сам управляет собой.
В Германии, не такой уж и холодной стране, на долю пози-
сторных нагревателей приходится почти 50 % всех заявок на
нагревательные устройства для автомобильных двигателей [2].
В этих устройствах ответственность за подогрев салона автомо-
биля при недостаточно прогретом двигателе принимают на себя
позисторы. Как только температура охлаждающей жидкости дос-
тигнет нужного значения, они автоматически отключаются. В ре-
альных конструкциях многочисленные «таблетки» позисторов
и умники
можно разместить, например, между пластинами радиатора ото-
пителя автомобиля. К сожалению, такие конструкции находят
применение только в зарубежных автомобилях. По отношению к
отечественным автомобилям пока можно использовать только со-
слагательное наклонение.
Сами собой могут управлять еще и так называемые «вечные
предохранители». Основу таких предохранителей составляют то-
копроводящие полимеры, которые также обладают положитель-
ным ТКС [3]. При электрической перегрузке цепи или коротком
замыкании они ведут себя как обращаемые плавкие предохра-
нители, переключающиеся из низкоомного в высокоомное со-
стояние. Сопротивление таких предохранителей в проводящем
состоянии составляет всего несколько миллиом, что делает их
идеальными для применений, требующих безотказного функци-
онирования. Самовосстанавливающиеся полимерные предохра-
нители рассчитаны на многократное срабатывание, а их разру-
шение происходит при токе, во много раз превышающем ток
срабатывания.
Полимерный материал с положительным ТКС представляет
собой кристаллическую решетку органического полимера, содер-
жащую токопроводящие частицы (обычно сажу). Резкое измене-
ние сопротивления полимерного предохранителя также обуслов-
лено фазовыми превращениями. В холодном состоянии материал
имеет преимущественно кристаллическую структуру. Токопро-
водящие частицы локализованы в аморфных областях между кри-
сталлами. При достаточном содержании токопроводящих частиц
они соприкасаются друг с другом, обеспечивая трехмерную то-
копроводящую структуру.
При нагревании материала до температуры плавления поли-
мера (перегрузка по току) мелкие кристаллы плавятся. При этом
возрастает объем аморфной фазы и разрушается токопроводящая
структура. С разрушением этой структуры резко увеличивается
сопротивление предохранителя. Поскольку фазовый переход про-
исходит в очень узком диапазоне температур, изменение сопро-
тивления также наблюдается в относительно узком диапазоне
температур. Увеличение сопротивления предохранителя снижа-
ет ток в цепи до значения, которое является безопасным для
элементов цепи. При устранении причины токовых перегру-
зок и уменьшении температуры такой предохранитель автома-
тически возвращается в свое исходное (рабочее) проводящее
состояние.
8.2. Умные материалы
8.2. Умные материалы
Один из основных законов развития технических систем — за-
кон повышения их идеальности [4]. Согласно этому закону тех-
нические системы развиваются в том направлении, при котором
соотношение ^ФЛ/£ФЛ (Фя — полезная функция, — функ-
ция расплаты) стремится к бесконечности. Получить эту беско-
нечность можно, либо увеличивая до бесконечности числитель
этого соотношения (универсализация, увеличение числа функ-
ций, выполняемых системой), либо уменьшая до нуля его знаме-
натель (выполнение функции, не производя или почти не произ-
водя никаких затрат). Второй способ психологически более при-
влекателен. Кто из нас не мечтал о том, чтобы работа выполнялась
сама собой? Материализовать некоторые такие мечты и позволя-
ют умные материалы (smart materials).
Так что же это такое умные материалы? Кто-то говорит, что
это всего лишь материалы, которые могут реагировать на измене-
ние внешних условий: температуры, давления, влажности воздуха
и др. [5]. Но покажите мне, пожалуйста, хоть один материал, кото-
рый не способен тем или иным образом реагировать на эти изме-
нения! Очевидно, способность реагировать на внешние измене-
ния является необходимым, но явно недостаточным для того, что-
бы материал стал умным. Умные материалы «знают и умеют» гораздо
больше. Металлы с памятью формы при нагревании до заданной
температуры скачкообразно изменяют свою форму (размеры), вы-
полняя при этом самые разнообразные полезные функции. «Веч-
ные» предохранители при увеличении тока выше заданного значе-
ния резко увеличивают сопротивление, выполняя полезную функ-
цию (отключая потребителей электроэнергии). Позисторы при
нагревании до определенной температуры также скачкообразно
увеличивают свое сопротивление, выполняя при этом полезную
функцию (на этот раз отключая самих себя). И так далее.
В работе [6] приводится иное определение умных материа-
лов. Умный материал — это такой материал, который при дости-
жении внешним воздействием некоторого порогового значения
трансформирует количественное изменение энергии этого воз-
действия в качественное, скачкообразное изменение собствен-
ных свойств, выполняя при этом полезную функцию. Выпол-
нение полезной функции может быть как однократным, так и
многократным (повторяющимся при уменьшении внешнего воз-
действия).
В той же работе умные вещества в зависимости от функциональ-
ной направленности делятся на несколько классов и подклассов:
1. Сенсоры, реагирующие на внешние воздействия:
• сигнализаторы, информирующие об изменении условий;
• адаптеры, изменяющие свои свойства без вмешательства чело-
века.
2. Преобразователи:
• превращающие внешние воздействия в механическое движение
(актуаторы);
• превращающие внешние воздействия в сигнал «отклика».
В соответствии с этой классификацией познакомимся побли-
же с некоторыми другими типичными представителями умных
материалов.
Умные сенсоры-сигнализаторы сообщают человеку о тех или
иных изменениях во внешней среде. Причем передача сообще-
ний осуществляется напрямую одному из его органов чувств. Хотя
в некоторых случаях используются и посредники. Так, для инди-
кации утечек природного газа, не имеющего ни цвета, ни запаха,
в него обычно вводят небольшое количество обладающего рез-
ким запахом метилмеркаптана. Поэтому на кухне при малейших
утечках газа человек довольно просто и быстро может отклик-
нуться на появление вещества-сигнализатора. А как быть, если
утечка происходит в магистральном газопроводе (в чистом поле)?
В США работники газопроводов для выявления утечки газа из
трубы используют обоняние грифов. С этой целью в природный
газ добавляют вещество с запахом тухлого мяса. Грифы, питаю-
щиеся падалью, начинают кружиться над местом утечки. Обход-
чику легко заметить крупных птиц с размахом крыльев до двух
метров и найти нужное место [7].
Сенсоры-адаптеры не только сигнализируют о внешнем воз-
действии, но и откликаются на него, устраняя отрицательный
эффект от этого воздействия. Материалы, способные адаптиро-
ваться к внешним температурным воздействиям, находят приме-
нение в умной одежде. К этому же подклассу можно отнести
позисторы, «вечные» предохранители и др.
В статье [8] автор мечтал о создании умных влагозащитных
покрытий для печатных узлов, способных изменять влагопрони-
цаемость в зависимости от влажности окружающей среды. Ум-
ные покрытия должны плохо пропускать влагу при высокой влаж-
ности окружающей среды (извне) и одновременно хорошо про-
пускать влагу при низкой влажности окружающей среды (изнутри).
^laiattaus^
8.2. Умные материалы
Такие покрытия необходимы при эксплуатации изделий в самых
тяжелых условиях. Если эти мечты будут материализованы, то
таким покрытиям уже зарезервировано место в этом подклассе.
Одним из вариантов реализации умных влагозащитных покры-
тий может быть уменьшение — увеличение величины «отвер-
стий» в их полимерной сетке по заданному алгоритму (в боль-
шинстве случаев влагозащитные покрытия представляют собой
трехмерную полимерную сетку). «Включать» или «выключать»
такие изменения может окружающая среда (влага воздуха) или
же для этого могут быть использованы внутренние ресурсы пе-
чатного узла.
В умных полимерных гелях такие переходы уже реализуются
на практике [9]. Полимерные гели представляют собой набухшие
в растворителе (воде) длинные полимерные цепи, сшитые друг с
другом поперечными ковалентными связями в единую простран-
ственную сетку. Гидрогели способны поглощать и удерживать в
себе огромное количество воды. Реальный пример — памперсы.
Такие «выдающиеся» свойства характерны для полиэлектролит-
ных гелей. Они диссоциируют в водной среде с образованием
заряженных звеньев и низкомолекулярных противоионов. При-
чем одни ионы остаются связанными с полимерной цепью, а
другие (противоположные им по заряду) находятся в свободном
состоянии в воде. Одноименно заряженные звенья полимерной
сетки отталкиваются друг от друга. При этом полимерные цепи,
свернутые ранее в клубки, распрямляются и сильно вытягивают-
ся. В результате гель набухает, поглощая воду, а «отверстия» в
полимерной сетке геля увеличиваются.
Сильное набухание полиэлекгролитных гелей обусловлено еще
и осмотическими явлениями. Свободные противоионы не могут
покинуть полимерную сетку, иначе нарушилась бы ее электро-
нейтральность. Поверхность образца геля становится полупро-
ницаемой для воды (проницаема извне и непроницаема изнут-
ри). Как следствие, вода устремляется внутрь в стремлении урав-
нять концентрации противоионов вне и внутри образца.
Набухшие полимерные гели даже при незначительном изме-
нении внешних условий (температура, pH, состав растворителя
и др.) способны резко, иногда даже в сотни раз, уменьшать свой
объем. Соответственно уменьшаются и «отверстия» в полимер-
ной сетке. Это явление называется коллапсом. Переход обратим.
Такие полимерные гели называют восприимчивыми (responsive
gels), или, ближе к теме, умными гелями.
Глава 8. Умницы и умники
Преобразователи-актуаторы — вещества, которые при опре-
деленном внешнем воздействии выполняют механическую рабо-
ту. Эта работа может быть использована для реализации отклика
на это воздействие. Такие эффекты могут быть реализованы не
только в макроскопических телах, но и на микроуровне.
Если молекулы транс-изомера азобензола подвергаются ульт-
рафиолетовому излучению с частотой 313 нм, то они переходят в
цис-форму. При изменении частоты излучения до 380 нм осуще-
ствляется обратный переход [10] (рис. 8.2).
более 380 нм
313 нм
транс-изомер цис-изомер
Рис. 8.2. Транс-цис-переход молекул азобензола.
Длина молекулы цис-изомера явно меньше длины молекулы
транс-изомера, но уловить ее изменение можно только под мик-
роскопом. А вот механическую энергию, которая совершается в
процессе транс-цис-перехода длинных полимерных цепочек, по-
лученных при полимеризации азобензола, удалось даже замерить.
В макроскопических телах, например сплавах с «памятью
формы», для обнаружения механической работы никаких допол-
нительных ухищрений не требуется. Пластически деформирован-
ный материал, обладающий памятью формы, при достижении
некоторой температуры вспомнит свою прежнюю форму, видо-
изменяясь и совершая при этом механическую работу.
Очень много интересных технических решений может быть
получено с использованием особого класса полимерных смесей —
взаимопроникающих полимерных сеток (ВПС) [11]. В общем
случае под ВПС понимают комбинацию двух сетчатых полиме-
ров (полимер 1 и полимер 2), когда по крайней мере один из них
синтезирован и/или сшит в непосредственном присутствии дру-
^alaifaus^
того. Между этими двумя тесно сосуществующими сетками от-
сутствуют химические связи, но в то же время их нельзя разде-
лить в силу взаимопроникновения. Частный случай ВПС — гра-
диентные ВПС. В них соотношение сетчатых структур полимера
1 и полимера 2 изменяется по толщине образца. Использование
таких ВПС является очень удачным техническим решением для
получения изделий с изменяющимися по толщине материала
физическими свойствами.
Образование ВПС объясняет высокую эффективность разра-
ботанной автором технологии полимеризационного наполнения
подложек печатных плат [12]. Причем градиентный характер рас-
пределения полимера-наполнителя (больше у поверхности стек-
лотекстолита и меньше в его объеме) позволил в максималь-
ной степени улучшить электроизоляционные свойства стекло-
текстолита у его поверхности, то есть именно там, где это больше
всего и нужно.
С использованием градиентных ВПС удалось получить поли-
мерные материалы с непрерывно изменяющимся по толщине
коэффициентом преломления. Такие полимерные стекла исполь-
зуются в оптике [13].
Преобразователи-актуаторы могут не только выполнять ме-
ханическую работу, но и усиливать либо ослаблять механическое
воздействие. Градиентные ВПС позволяют реализовать умные
полимерные эластичные амортизаторы, жесткость которых авто-
матически изменяется с изменением нагрузки [14]. Полимерные
амортизаторы на базе ВПС нетрадиционным способом реагиру-
ют на механическое воздействие. Другие умные амортизаторы
также нетрадиционно откликаются на воздействие электричес-
кого тока. Под действием электрического тока изменяется вяз-
кость электрореологических жидкостей. Такие жидкости находят
применение в амортизаторах переменной жесткости активной
подвески легковых автомобилей Cadillac [15].
8.3. Звездопад
Публикации об умных материалах, а точнее о возможных вари-
антах их реализации и использования, можно сравнить со звез-
допадом. Исследования в области создания умных материалов
ведутся столь широким фронтом, что даже появился специаль-
ный журнал «Smart Materials and Structures» [16]. Перейдет ли
когда-либо количество этих «звездочек» в качество — это отдель-
и умники
ный вопрос. Дело в том, что между принципиальным решением
той или иной технической задачи и воплощением его в реальную
конструкцию или реальную технологию — дистанция огромного
размера. Чаще всего, чтобы воплотить красивую идею в жизнь,
следует решить множество последовательных и/или параллель-
ных изобретательских задач. Не меньшее, а чаще даже большее
значение имеют экономические факторы, конкурентная борьба
и, наконец, просто субъективные факторы.
Пример из области нанотехнологий — другого интенсивно
развивающегося направления развития современной науки и тех-
ники. Кстати, именно использование нанотехнологий является
основой для реализации многих умных технических решений.
Ни для кого не секрет, что в микроэлектронике традиционные
твердотельные технологии по своим физическим возможностям
приближаются к своему пределу. Поэтому знаменитый закон
Мура, согласно которому плотность упаковки элементов мик-
роэлектроники должна удваиваться в каждые 1,5—2 года, нахо-
дится уже на грани неисполнения. Исследователи лихорадочно
ищут альтернативные пути развития электронных технологий.
За последние 10 лет было предложено множество принципи-
ально новых технических решений из области химии, биологии
и т. д. Поразительны по остроумию «химические компьютеры» —
молекулярные переключатели, состоящие из одной или несколь-
ких молекул [17]. Не менее изящны «биокомпьютеры», в кото-
рых вычислительные операции осуществляются молекулами ДНК,
манипулирующими молекулярными фрагментами и функциональ-
ными группами. Но, увы, прогресс в микроэлектронике до сих
пор достигается в результате усовершенствования классических
твердотельных схем и устройств. Один из крупных специалистов
в области молекулярной электроники даже пошутил: «Наша на-
ука страдает от избытка воображения и недостатка завершенных
разработок» [18].
Другой пример — чуть ближе к теме. Современные конструк-
ционные материалы в отличие от живых тканей, к сожалению,
не обладают способностью восстанавливать поврежденные учас-
тки. Особенно проблематично сохранение прочностных и несу-
щих характеристик для конструкционных материалов, изготов-
ленных на основе полимеров. Износ, усталость, ограниченный
срок службы подстерегают нас повсюду. Несколько лет назад были
обнародованы результаты работ по созданию умных (самозале-
чивающихся) композиционных полимерных материалов [19].
8.3. Звездопад
в
Рис. 8.3. Механизм самозалечивания трещины в полимерном материале.
Идея этого технического решения показана на рис. 8.3.
В полимерный материал, изготовленный на основе эпоксид-
ной полимерной матрицы, вводятся микрокапсулы с мономером
(циклопентадиеном) и вкраплениями вещества, инициирующего
полимеризацию (катализатор на основе рутения). В исходном
состоянии мономер и инициатор полимеризации разделены в
пространстве. Когда в материале возникает трещина, она разрушает
стенки микрокапсул, попадающихся на ее пути, и одновременно
выходит на вкрапления инициатора полимеризации. Мономер за
счет капиллярного эффекта вытекает в трещину и контактирует с
инициатором полимеризации. Полимеризация (отверждение)
происходит очень быстро — за несколько минут. По данным раз-
и умники
работников, коэффициент восстановления механических свойств
составляет около 75 %.
А теперь комментарии специалиста, который работает при-
близительно в этой же области, к этому техническому решению.
Когда-то автором был разработан способ ремонта (лечения) мно-
гослойных печатных плат с внутренними расслоениями [20]. По
сути дела речь идет об устранении тех же трещин, в той же эпок-
сидной полимерной матрице. В данном случае прочностные ха-
рактеристики материала не так уж и важны. Но очень важны
изоляционные характеристики подложки печатной платы. А внут-
ренние полости через увеличение водопоглощения значительно
их снижают. К сожалению, прием «сделать заранее» в данном
случае по целому ряду причин оказался неприменимым. Поэто-
му жидкость (мономер + инициатор полимеризации) вводилась
во внутренние полости подложки печатной платы (стеклотексто-
лита) после вскрытия этих полостей. А затем, при термообработ-
ке печатной платы, проводилась полимеризация жидкости не-
посредственно в полостях.
Использование термоотверждаемых мономерных композиций
(жидкостей) дало возможность существенно разнести во време-
ни операции заполнения полостей и полимеризации (отвержде-
ния) жидкости в этих полостях. В результате диффузии, а это
довольно длительный процесс, композиция может проникать в
области стеклотекстолита, охватывающие эти полости. Последу-
ющая полимеризация происходит одновременно в полости и в
зонах, прилегающих к этой полости. Это позволило не только
механически заполнить дефектные полости твердым диэлектри-
ком, но и одновременно очень прочно связать их друг с другом.
Вернемся к цифре 75. Почему коэффициент восстановления
механических свойств умного полимерного материала реально
составляет только 75 %, а не 100 % или даже более того. «Более
того» возможно при реализации технологии, аналогичной техно-
логии лечения многослойных печатных плат. Но, увы, разработ-
чики реальной (не идеальной) технологии самозалечивания по-
лимерных материалов столкнулись с техническим противоре-
чием. Дело в том, что процессы разрушения материалов вообще
и полимерных материалов в частности состоят из двух стадий.
На первой стадии (длительной) происходят количественные из-
менения. При этом в результате воздействия различных небла-
гоприятных факторов накапливаются такие же неблагоприятные
изменения в материале. Далее происходит качественный скачок —
8.3. Звездопад
микродефекты превращаются в макродефекты, например в тре-
щины. И процесс разрушения материала происходит уже очень
быстро, его скорость нарастает подобно лавине.
Как следствие, мономер (в данном случае циклопентадиен)
должен полимеризоваться очень быстро. Иначе полимерный ма-
териал разрушится раньше, чем произойдет самозалечивание тре-
щины. Но при этом не будет достаточно времени, чтобы моно-
мер смог проникнуть в зоны эпоксидной смолы, прилегающей к
этой трещине. Поэтому будет невелика прочность адгезионного
соединения между полимерным материалом и «заплаткой». И, на-
оборот, если время между разрушением капсул с мономером и
началом полимеризации (отверждения) будет велико, то цикло-
пентадиен сможет проникнуть в эпоксидную смолу, но когда
начнется полимеризация, будет уже поздно...
Разработчики пока сумели разрешить эти противоречивые
требования всего лишь на уровне компромисса. Несколько ми-
нут от момента разрушения капсул до отверждения циклопента-
диена — это середина между двумя желаемыми крайностями:
мгновенно и очень долго. При разработке этого технического
решения удалось решить множество непростых изобретательс-
ких задач. Не так просто получить микрокапсулы, наполненные
мономером; не так просто получить полимерный материал, в
котором равномерно распределены капсулы мономера и иници-
атора полимеризации, да еще и не разрушить эти капсулы в про-
цессе изготовления материала; не так просто подобрать нужное
сочетание мономер — инициатор полимеризации, и т. д. и т. п.
Остается пожелать им удачи в решении очередной (последней
ли?) изобретательской задачи.
Удачи можно пожелать и другим исследователям, работаю-
щим над решением той же проблемы. Как сообщает журнал
Science, группе ученых из Калифорнийского университета, про-
водивших исследования под руководством доктора Фреда Вадле-
ма, удалось разработать полимер, который при физическом по-
вреждении, будь то трещина или надлом, способен практически
полностью восстановить первоначальную структуру [21]. При этом
для «активации» процесса авторемонта необходимо нагреть по-
лимер до температуры 120 °C. При последующем охлаждении тре-
щина «зарастает» с образованием на поверхности небольшого шва.
Описание сути этого процесса не изобилует излишними подроб-
ностями и заключается в следующем: при нагревании у молекул
полимера, находящихся по разные стороны трещины, высвобож-
даются свободные связи, способные взаимодействовать друг с
другом и образовывать поперечные сшивки. Правда, прочность
такого соединения несколько ниже, чем прочность исходного
полимера, да и идеальность этого решения чуть ниже — все-таки
требуется нагрев.
Нагрев помогает «самозатянуться» и пулевым отверстиям в
полимере, которым покрывают мячи для игры в гольф. Идеаль-
ность этого решения значительно выше, поскольку в нем ис-
пользуются внутренние ресурсы системы (высокая кинетическая
энергия пули). Предполагается, что механизм основан на термо-
пластичных свойствах этого полимера. Пуля, имеющая достаточно
высокую скорость, разогревает полимер, прилегающий к отверстию,
до определенной температуры. Материал начинает плавиться и,
подтаивая, закрывает образовавшееся отверстие [22]. Устойчи-
вость по отношению к выстрелам для мячей в гольф представля-
ет только теоретический интерес. А вот обеспечение неуязвимо-
сти топливных баков по отношению к выстрелам — очень акту-
альная задача. И специалисты надеются, что в ближайшее время
им удастся эту задачу решить.
8.4. Умная одежда
Под умной одеждой понимают либо одежду, которая реализуется
с использованием умных материалов, либо так называемую «элек-
тронную» одежду. В обоих случаях речь идет о придании интел-
лектуальных свойств преимущественно ее тканой составляющей.
Требования к одежде чрезвычайно разнообразны и... проти-
воречивы. Влагопроницаемость, воздухопроницаемость, теплопро-
водность и другие ее характеристики по разным причинам долж-
ны быть одновременно высокими и низкими. Обычно такие про-
тиворечия разрешаются разнесением противоречивых требований
в пространстве. Ткани, близко прилегающие к коже, обладают
высокой воздухопроницаемостью, высокой влагопроницаемостью
и хорошей гигроскопичностью. Напротив, для верхней одежды
высокая воздухопроницаемость крайне нежелательна, так как
приводит к резкому падению теплозащитных свойств даже при
небольшом ветре. Влагопроницаемость и гигроскопичность вер-
хней одежды по известным причинам также стремятся миними-
зировать.
Противоречивые требования к одежде принимаются во вни-
мание еще и в «конструкции» одежды. Дизайнеры летней одеж-
8.4. Умная одежда
ды явно не будут поняты, если не сделают ее максимально от-
крытой и свободной для обеспечения эффективной вентиляции.
Верхняя (зимняя) одежда, наоборот, должна прилегать достаточ-
но плотно, чтобы обеспечить замкнутость «конструкции», ограж-
дающей от проникновения холодного воздуха.
Функциональность предметов нашего гардероба, особенно
женского, очень велика. Но все-таки главное назначение одеж-
ды — это обеспечение оптимального теплового режима челове-
ческого тела вне зависимости от колебаний температуры окру-
жающей среды. Эффективность этой защиты, как правило, опре-
деляется ее тепловым сопротивлением. Тепловое сопротивление
оценивается временем в часах, в течение которого через 1 м2 тка-
ни при перепаде температур в 1 °C пройдет 1 ккал тепла [23].
Увеличение теплового сопротивления одежды чаще всего дости-
гается увеличением ее воздухосодержания. Так, объемная масса
хлопчатобумажной ваты составляет всего 0,011 г/см3. Дополни-
тельный эффект может быть получен, если используется много-
слойная одежда. У маленьких детей количество таких «слоев»
достигает даже 5—6.
Способы защиты человеческого тела от суровых холодов, так
же как и от знойной жары, отрабатывались нашими предками в
течение тысячелетий. А вот способы его защиты от резких коле-
баний температуры, увы, до сих пор сводятся всего лишь к одно-
му тривиальному решению: «Сними-ка, Елдырин, с меня пальто.
Ужас как жарко! ... Надень-ка, брат Елдырин на меня пальто.
Знобит» [24]. Идеальное решение этой задачи — одежда сама
должна регулировать свое тепловое сопротивление в зависимос-
ти от температуры окружающей среды и/или от внутренних теп-
ловыделений человека.
Умные ткани, способные сами изменять свое тепловое со-
противление при изменении температуры окружающего воздуха,
уже существуют. В Великобритании разрабатывается одежда бу-
дущего, способная адаптироваться к изменению погодных усло-
вий. Идея заимствована у природы. Конструкция такой ткани
напоминает конструкцию еловой шишки [25]. Основу верхнего
слоя «умной ткани» представляют микроскопические выступы в
форме еловой чешуи из абсорбирующего влагу материала, на-
пример шерсти. Диаметр выступов составляет не более 200 мкм.
Когда человеку становится жарко, он потеет. И выступы под дей-
ствием влаги в буквальном смысле раскрываются. При этом об-
разуются поры, впускающие охлаждающий воздух. Как только
и умники
необходимость в вентиляции отпадает (уменьшается влажность
воздуха под слоем ткани), «чешуйки» возвращаются в исходное
положение, перекрывая путь холодному воздуху. Второй слой
«умной ткани» делается из непористого материала для защиты
человека от дождя в тот момент, когда поры открыты. В этом тех-
ническом решении одновременно разрешается еще несколько
реально существующих физических противоречий: одежда долж-
на быть влагопроницаемой и одновременно влагонепроницаемой,
одежда должна быть воздухопроницаемой и одновременно воз-
духонепроницаемой.
Этот проект был выбран английскими учеными для демонст-
рации своих достижений на международной выставке Ехро-2005.
Есть все основания полагать, что умные пальто, шляпы, перчат-
ки, рубашки, брюки, платья и юбки станут предметом массового
употребления в самое ближайшее время.
Приставка «папо» появилась в названиях зарубежных фирм и
компаний, специализирующихся на изготовлении тканей и одеж-
ды. Нанокомпозиты стали основой умных технических решений.
Компания NanoTex выпускает ряд самоочищающихся тканей, а
также тканей, которые трудно испачкать и намочить. Фирма
NanoSonic недавно представила одежду Metal Rubber, которая мо-
жет даже изменять форму в зависимости от желаний хозяина [6].
Что бы ученые ни делали, у них все равно получается оружие.
Это известная истина. Практически для любого открытия, для
любого изобретения можно найти как мирные, так и военные
применения. Умная одежда пока еще не используется в качестве
наступательного оружия. «Могучие умы» всего лишь используют
умные решения для защиты воина от оружия настоящего и буду-
щего и/или эффективного управления им в ходе боевых действий.
Обычные бронежилеты имеют очень большой недостаток. Они
не могут гарантированно защитить подвижные и гибкие части
тела (руки, ноги). В научно-исследовательской лаборатории США
(U.S. Army Research Laboratory) разработана жидкая броня. Ее
основу составляет смесь из микроскопических частиц кварца и
жидкости — STF (Shear Thickening Fluid). Когда ткань погружают
в STF, кварцевые частицы поглощаются ее волокнами. Эластич-
ность такой умной ткани, так же как и вязкость тиксотропных
красок (еще один умный материал), зависит от скорости механи-
ческого воздействия на нее. В обычном режиме (ходьба, бег) ткань
гибкая. Но когда материал встречается с резким внезапным на-
пряжением, например попаданием пули, частицы кварца созда-
8.4. Умная одежда
ют дополнительное сопротивление, и она становится жесткой,
способной противостоять пулям [26].
Используя обычную аналогию (вспомним фотохромные стекла
очков), можно реализовать умную одежду, способную изменять
цвет, коэффициент отражения солнечных лучей и, следователь-
но, тепловое сопротивление в зависимости от освещенности.
Именно из таких материалов планируется изготавливать верхний
слой формы американского солдата 2025 года [27]. Внутренние
слои ткани, из которой будут шить форму американского солда-
та будущего, станут еще умнее. Для их изготовления планируется
использовать электронный текстиль — так называемую е-ткань.
Токопроводящие нити, вплетенные в такую ткань, смогут подво-
дить энергию к датчикам, исполнительным механизмам и мик-
роконтроллерам, вплетенным в ту же ткань. Программное обес-
печение будет управлять связью внутри «тканой сети» (on-fabric
network) и поддерживать передачу радиосигналов ПК, карманно-
му компьютеру или сети Интернет [28].
Исторически сложилось так, что полиграфические технологии
стали основой технологий изготовления печатных плат. Класси-
фикация конструкций печатных плат, основанная на слойности
их проводящего рисунка, охватывает большую часть конструкций
коммутационных плат, но не всех. Например, для изготовления
тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригодным не
печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование [29]. По ряду
причин тканые платы не получили широкого распространения.
А вот их «наследников» ожидает большое будущее. Пригодная
для носки материнская плата компьютера, встроенная в е-ткань,
позволит одежде выполнять самые разнообразные электронные
функции. Получить ткань, содержащую токопроводящие волок-
на и/или оптические волокна, оказалось не так уж и сложно.
Чуть сложнее оказалось встроить в нее датчики давления, тем-
пературы, чипы с датчиками вибрации и др. Не оставили без
внимания е-ткань и разработчики электронных компонентов.
Реальностью сегодняшнего дня стали полимерные транзисто-
ры, изготавливаемые непосредственно на волокнах ткани. Такой
же реальностью стали задачи совместимости процессоров и кон-
троллеров различных е-тканей по отношению друг к другу, со-
вместимости их программного обеспечения и т. д.
Не менее важная задача — обеспечение надежности таких
«плат». Ведь во время стирки они испытывают гораздо более
жесткое воздействие, чем обычные печатные платы при эксплуа-
тации во влажных субтропиках. Избыточность является решени-
ем этой проблемы. Объединение в сеть сотен процессоров, дат-
чиков и контроллеров позволит повысить их надежность до при-
емлемого уровня. А постоянное удешевление изделий электрон-
ной техники является экономической базой для реализации этого
технического решения.
Говорят, чтобы победить современную американскую армию,
достаточно перерезать пути поставки не боеприпасов, а всего лишь
туалетной бумаги. Видимо, в этой шутке есть и доля правды.
Следуя такой логике, можно сказать, что американский солдат
2025 года будет более защищен и одновременно будет более уяз-
вим. Очередное противоречие... Как его разрешить? Непростой
вопрос.
8.5. Умный дом
Для реализации проекта «умная одежда» использовались не толь-
ко умные материалы, но и достижения современной радиоэлект-
роники. Достижения радиоэлектроники стали базовой основой и
другого умного проекта — «умный дом» (smart home). Начало
этому проекту было положено в 1999 году, когда на северо-за-
падной окраине Лондона был построен прекрасный современ-
ный дом для гипотетической семьи из 5 человек, включающий
гостиную, столовую, кухню, две ванные комнаты, кабинет, пять
спальных комнат. Этот дом был построен из современных мате-
риалов, оснащен экономичной системой отопления и т. д. Но
главное отличие этого проекта заключалось в том, что его по
праву можно было назвать еще и Интернет-домом. Кроме стан-
дартного набора оборудования умный дом (совместный проект
Cisco Systems и строительной фирмы Laing Homes) был осна-
щен сетевой инфраструктурой и различными высокотехноло-
гичными приспособлениями [30]:
• 72 порта данных;
• настольный маршрутизатор Cisco 1750-2В;
• две ISDN карты компании British Telecom, обеспечивающие
работу 6 цифровых каналов связи;
• два стандартных телефона British Telecom;
• до пяти IP/цифровых беспроводных телефонов;
• четыре компьютера Compaq PCs (в том числе один — NT-сер-
вер для беспроводного оборудования и один для проведения
видеоконференций);
8.5. Умный дом
• два телевизора с плоским экраном Fujitsu;
• высокоскоростной доступ в Интернет;
• четыре Web-камеры;
• распределенная аудиовизуальная система Total Sound и др.
Подробнее о потребительских свойствах умного дома, кото-
рые обеспечиваются наличием этого сложного «радиоэлектрон-
ного комплекса». На входе в дом установлена Web-камера, под-
соединенная к аудиовизуальной системе Total Sound. К ней мож-
но подключиться не только из любого места в доме, но и из
странички вашего дома в Интернете.
Освещение в доме можно регулировать с помощью универ-
сального сетевого пульта управления или также из Интернета. То
же самое можно сказать и по поводу регулирования температур-
ного режима (отопления). Следует иметь в виду, что под регули-
рованием температуры в английском варианте умного дома нуж-
но понимать нечто очень похожее на предварительный дистан-
ционный прогрев двигателя и салона автомобиля. В России же
под регулированием понимают постоянное поддержание опти-
мальной температуры в помещении вне зависимости от того,
находится ли кто-либо в нем. Чувствуете разницу (или пропасть?)
между теми, кто добывает и продает природный газ и теми, кто
его покупает?
Безопасность дома обеспечивается электронным аналогом
сторожевой собаки (система MicroLan, подключенная к сигна-
лизации ADT). Она способна определить, когда все члены семьи
дома, и подает сигнал тревоги при несанкционированном про-
никновении в дом, когда все спят. Нетрудно догадаться, что па-
раметры системы можно установить при помощи любого сете-
вого пульта.
Система Hometronics позволяет управлять всеми розетками в
доме. Поэтому можно в любой момент включить кофеварку из
гостиной, спальни и даже с улицы.
Благодаря системе спутникового телевидения и Интернет-ус-
луг, наличию пульта дистанционного управления, беспроводной
клавиатуры и трекбола высокоскоростной Интернет доступен в
любом месте этого умного дома. Более того, доступ к большей
части товаров и услуг возможен в режиме онлайн.
Благодаря системе дистанционного обучения RM в умном доме
детям в школу можно не ходить. Можно подключаться к школь-
ной сети, заходить в собственные и/или общие папки, помещать
туда выполненные домашние задания и брать новые и т. д. Как
бы хотелось, чтобы такая возможность (не ходить на работу) в
этом удивительном доме распространялась и на взрослых! Но,
увы, такая возможность пока имеется только для очень узкого
круга лиц. А вот диагностику автомобиля в умном доме в бли-
жайшем будущем можно будет проводить лежа на диване. В рас-
чете на создание очередного «умника» — умного автомобиля ка-
бели и порты имеются даже в гараже.
Вот такой он вкратце умный дом образца 1999 г. Сейчас уже
2006 г. Локальное будущее наступило. В начале XXI века техни-
ческие характеристики некоторых высокотехнологичных приспо-
соблений конца XX века уже вызывают только улыбку. Прогресс
в области электроники идет семимильными шагами. Стоимость
экспериментальной модели первого умного дома оказалась не
маленькой (около полумиллиона фунтов стерлингов). Но посколь-
ку Интернет, в том числе и Рунет, ныне «завален» предложения-
ми по строительству действующих моделей, очевидно предложе-
нию отвечает определенный спрос. Стремление заглянуть в буду-
щее (или иные причины?) главенствуют над экономическими
факторами.
8.6. Горе от ума
Итак, «умницы и умники» были разделены нами в этой главе на
умные материалы, умную одежду и умный дом. Хотя, не прила-
гая больших усилий, этот перечень можно существенно расши-
рить. На первый взгляд, всем этим интенсивно развивающимся
направлениям можно только аплодировать. Действительно, пер-
вые члены этого товарищества — умные материалы — заслужи-
вают только аплодисментов. Никакая система автоматики ни-
когда не будет сопоставима по надежности с умным материалом,
изменения которого определяются только законами природы. Ма-
териал с памятью формы неизбежно вспомнит свое прежнее со-
стояние при достижении определенной температуры. Ему не
страшны ни плохая пайка радиоэлементов, ни плохая влагостой-
кость подложки печатной платы, ни плохая отмывка печатного
узла от паяльного флюса и т. д. — все то, что влияет на надеж-
ность работы обычных устройств, состоящих как минимум из
нескольких элементов. Он «выстрелит» когда нужно и как нуж-
но. В технических решениях, основанных на применении умных
материалов, кроме высокой надежности привлекают еще и эле-
менты идеальности. При объяснении принципа действия этих
8.6. Горе от ума
материалов не обойтись без словосочетания «само собой». По-
этому и с экономической точки зрения умные материалы гораздо
выгоднее своих неидеальных аналогов.
С потребительской точки зрения заслуживают признания и
«умницы и умники», ответственные за создание комфортабель-
ных (идеальных?) условий для человека. Но так ли идеальны эти
решения?
Поговорим подробнее об обратной связи, той самой, благо-
даря которой поумнели многие материалы. Обратная связь —
это воздействие результатов какого-либо процесса на его про-
текание [31]. Если при этом интенсивность процесса увеличива-
ется, то обратная связь называется положительной, в противном
случае — отрицательной. Положительная обратная связь приво-
дит к тому, что возникшее отклонение от стационарного состоя-
ния все более увеличивается и ранее устойчивая система может
стать неустойчивой. Отрицательная обратная связь обеспечивает
автоматическое поддержание регулируемых физических характе-
ристик на требуемом уровне.
Человека, для которого создаются умная одежда и умный дом,
можно представить в виде саморегулирующейся биологической
машины. Великий русский физиолог И.П. Павлов говорил: «Че-
ловек есть, конечно, система (грубее говоря — машина), как и
всякая другая в природе, подчиняется неизбежным и единым для
всей природы законам. Наша система в высочайшей степени са-
морегулирующаяся, сама себя поддерживающая, восстанавлива-
ющая, поправляющая и даже совершенствующаяся». В основе
механизма саморегулирования этой машины, очевидно, лежит от-
рицательная обратная связь. Иначе бы такая машина работала в
разнос, что иногда и случается. Благодаря отрицательной обрат-
ной связи биологическая машина после воздействия различных
неблагоприятных факторов возвращается в устойчивое состоя-
ние. Этот возврат возможен за счет мобилизации внутренних
ресурсов и (при отсутствии веры в собственные силы или при их
недостаточности) в результате введения в организм лекарствен-
ных препаратов.
Каким же образом в нашем организме действуют традицион-
ные лекарственные препараты? После прочтения книги [32] я
пришел к выводу, что большинство лекарственных препаратов
стремится помочь биологической машине уменьшить те небла-
гоприятные отклонения от нормы, которые по тем или иным
причинам в ней произошли.
и умники
Возьмем, например, банальный гастрит с повышенной кислот-
ностью желудочного сока. При этом заболевании по тем или иным
причинам резко увеличивается секреция желудочного сока, основу
которого составляет соляная кислота. Не мудрствуя лукаво, медики
предлагают нам нейтрализовать избыток этой кислоты. Для этого
используется обычная реакция нейтрализации. Альмагель, фосфа-
гель и другие аналогичные лекарственные препараты представляют
собой смесь гидроксидов магния, кальция, алюминия и некоторых
других соединений. В результате этой реакции концентрация соля-
ной кислоты в желудке снижается, уменьшая раздражение слизис-
той оболочки. И кажется, все довольны: больной тем, что отступи-
ла боль, а врач тем, что оказал ему помощь. Но почему-то через
некоторое время все повторяется вновь. Причем, чем пунктуальнее
больной выполняет указания врачей и чем эффективнее он исполь-
зует лекарственные препараты, тем короче становится дистанция
между гастритом и язвой желудка. Почему?
Рассмотрим подробнее работу биологической машины. Как
может на нее повлиять такая «помощь»? В этой машине есть ус-
тройство, вырабатывающее соляную кислоту (железы), есть дат-
чики, измеряющие ее количество в желудке (рецепторы), реали-
зуется отрицательная обратная связь, поддерживающая заданную
концентрацию кислоты в желудке (нервная система, мозг). В мо-
мент введения нейтрализующих препаратов биологическая ма-
шина находилась в равновесном состоянии, характерном для ее
«больного» состояния. После нейтрализации части кислоты био-
логическая машина переходит в неравновесное состояние. Дат-
чики (рецепторы) определяют, что содержание кислоты в желуд-
ке стало меньше, и подается команда на выработку дополнитель-
ного количества кислоты, чтобы перевести систему в прежнее
состояние. Причем, чем чаще и чем интенсивнее будет такого
рода внешнее воздействие на биологическую машину, тем более
вероятно, что такой «форсированный» режим работы для желез,
вырабатывающих соляную кислоту, станет «новой нормой». И эта
«норма» будет далека от действительной нормы. Условный реф-
лекс закрепит это состояние. Говоря медицинскими терминами,
мы придем к хроническому заболеванию. И так далее — конец
известен. Предполагая, что традиционные лекарственные препа-
раты работают по принципу отрицательной обратной связи, на
самом деле мы получаем положительную обратную связь. Следо-
вательно, с точки зрения тактики такой метод лечения верен, а с
точки зрения стратегии он порочен.
flataffausii&
8.6. Горе от ума
Как же превратить эту фактически положительную обратную
связь в отрицательную обратную связь? Рассмотрим проблему в
несколько иной плоскости. В основе жизнедеятельности челове-
ка лежат химические реакции. Из химии известно, что практи-
чески все химические реакции обратимы. Принцип Ле Шателье
гласит: если система находится в состоянии равновесия, то при
воздействии на нее сил, вызывающих нарушение равновесия,
система переходит в такое состояние, в котором эффект внешне-
го воздействия ослабевает [33]. Согласно этому принципу, введе-
ние в систему дополнительного количества реагента смещает рав-
новесие в направлении того процесса, при котором концентра-
ция этого реагента убывает, и наоборот.
Соляная кислота появляется в желудке не просто так, а в
результате определенных химических реакций. Так что нужно
сделать, чтобы выделение соляной кислоты в желудке умень-
шилось? Как ни парадоксально это звучит, но, согласно принци-
пу Ле Шателье, в него нужно добавить кислоту! Добавить! А не
отнять, как это обычно делается. И, если это «антилекарство»
вводить в биологическую машину постоянно, тот же условный
рефлекс сместит равновесие в нужную сторону. В этом случае с
точки зрения тактики (кратковременное облегчение) будет иметь
место положительная обратная связь, а с точки зрения стратегии
(излечение) — так нужная нам отрицательная обратная связь.
Но как же так? Человек испытывает боль из-за избытка соля-
ной кислоты, а мы ему добавляем еще и кислоты, и боли. Чем
все это может закончиться? Сформулируем техническое проти-
воречие этой задачи (ТП) по законам ТРИЗ [34].
ТП 1. Если мы используем обычные лекарства, то кратковре-
менно боль прекращается, но со временем болезнь только про-
грессирует.
ТП 2. Если мы используем «антилекарство», то болезнь изле-
чивается (будем считать, что так), но боль при его приеме только
увеличивается.
Принимаем за основное противоречие ТП 2, поскольку для
нас главной задачей является положительный результат лечения.
Эта изобретательская задача уже на стадии ТП легко решается с
использованием типового приема: «разрешить противоречивые
требования во времени». А именно, на стадии обострения болез-
ни следует использовать традиционные лекарства, а в промежут-
ках (в состоянии ремиссии) — «антилекарства».
и умники
Какое же отношение имеют эти рассуждения и пока еще вир-
туальные решения к «умницам и умникам»? Самое прямое. Дело
в том, что развитие проектов «умная одежда» и особенно «умный
дом» может привести к результатам, аналогичным тем, к кото-
рым привели биологическую машину современные лекарствен-
ные препараты. А точнее — традиционные подходы к их созда-
нию и применению. Итог этих подходов налицо: лекарственные
препараты становятся все более и более эффективными, а здоро-
вых людей уже практически не осталось.
Умная одежда поможет оградить человека как от лютого хо-
лода, так и от знойной жары. Но та же умная одежда оградит
человека и от сравнительно слабых колебаний температуры, ока-
зывающих «тренирующее» воздействие по отношению к воздей-
ствию на него тепла и холода.
Умный дом создаст максимум удобства для его обитателей,
но с той же неотвратимостью приведет ко все большему и боль-
шему обездвиживанию человека. Человек ленив по своей приро-
де. В какой-то степени это хорошо: стимулирует технический
прогресс, способствуя созданию все более и более идеальных тех-
нических решений. Умные материалы — реальный тому пример.
А вот желающих «истязать» себя физическими упражнениями,
позволяющими хотя бы поддерживать свое физическое состоя-
ние в относительно благоприятной форме, не так уж и много.
Вся надежда лишь на необходимость совершать те или иные фи-
зические «насилия» над своим организмом. Умный дом, скорее
всего, будет способствовать тому, что эта необходимость в пре-
деле уменьшится до нуля.
Появление высокоинтеллектуальных материалов и высокоин-
теллектуальных технических систем — объективная необходимость
и требование времени. И как бы отдельные индивидуумы не хо-
тели обратного, от «умниц и умников», как и от «праздника дет-
ства», нам никуда не деться. Более того, деваться от них и не
нужно. Все эти достижения современной цивилизации следует
только приветствовать. Но из техники нам известно, что измене-
ние (улучшение) одной характеристики технической системы
неизбежно приводит к изменению (на этот раз ухудшению) ка-
кой-то другой характеристики этой системы. Изобретения (на-
стоящие) в каждом конкретном случае разрешают эту противо-
речивую ситуацию, позволяя сделать очередной шаг вперед в раз-
витии науки и техники.
^ataHaus^
Аналогичные мысли возникают и по отношению к другой
технической (социальной?) системе — к человеку, а точнее к
системе человек — окружающая его внешняя среда. В этой тех-
нической системе также великое множество противоречий. «Ум-
ницы и умники» делают свой дополнительный вклад в эту слож-
ную и запутанную сеть противоречий. Поэтому как минимум
следует иметь в виду их существование, а в лучшем случае ста-
раться их разрешать. На то они и противоречия, чтобы их пре-
одолевать. Как это делать в технике, человек знает и умеет. Нуж-
но всего лишь повернуться лицом еще и к себе.
Литература
1. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Ко-
лесников. — М.: Сов. энцикл., 1991.
2. Смыслов И. Новые возможности передовой технологии.
Позисторные нагреватели // Электроника: НТВ, 2002, № 4.
3. Курышев К. Полимерные предохранители PolySwitch — на-
дежный способ защиты электрических цепей от повреждений //
Компоненты и технологии, 2001, № 2.
4. Алътшуллер Г.С. Алгоритм изобретений. — М.: Московский
рабочий, 1973.
5. http://www.kv.by/index2002073401 .htm
6. Кынин А. Т. Как умные вещества могут помочь изобретате-
лю // http://metodolog.ru/00246/00246.html
7. Тимохов В.И. Картотека биологических эффектов // http://
www.trizland.ru/book.php?id= 154&part=part 1
8. Уразаев В.Г. Влагозащитные полимерные покрытия: фанта-
зии на тему // Компоненты и технологии. Приложение: Техно-
логии в электронной промышленности, 2005, № 5.
9. Филиппова О.Е. «Умные» полимерные гели // Природа, 2005,
№ 8.
10. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. Пер. с англ. — М.: Тех-
носфера, 2005.
11. Уразаев В.Г. Все взаимопроникает, все... // Компоненты и
технологии. Приложение: Технологии в электронной промыш-
ленности, 2005, № 3.
12. http://www.urazaev.narod.ru
13. Сперлинг Л. Взаимопроникающие полимерные сетки и
аналогичные материалы. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.
14. Мэнсон Дж., Сперлинг Л., Полимерные смеси и компози-
ты. — М.: Химия, 1979.
15. http://agga.ru/HomeLife/Auto/Catalog/Cadillac.shtml
16. http://www.iop.org/EJ/joumal/SMS
17. Уразаев В.Г. Химия в электронике // Компоненты и техно-
логии. Приложение: Технологии в электронной промышленнос-
ти, 2005, № 6.
18. http://www.chem.msu/rus/joumals/chemlife/2001/welcome.html
19. http://www.scientific.ni/joumal/news/n 190201 .html
20. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. — М.: Техно-
сфера, 2006.
21. http://www.nature.ru/db/msg.html?mid=l 181458&s=120700000
22. http://www.utro.ru/articles/2004/08/26/344279.shtml
23. Методические указания «Гигиенические требования к одеж-
де детей», утвержденные главным государственным врачом СССР
30.09.1981г. № 2452-81.
24. Чехов А.П. Хамелеон. Собрание сочинений в 8 томах. Т. 1. —
М: Правда, 1969.
25. http://www.utro.ru/articles/2004/10/05/358102.shtml
26. http://www.news.pravda.ru/index.html
27. http://www.publish.diaspora.ru/gazeta/articles/usa009_4.shtml
28. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника,
вплетенная в ткань, становится модной // Электроника: НТВ,
2003, № 8.
29. Мокеев М.Н., Лапин М.С. Технологические процессы и
системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. — Л.:
ЛДНТП, 1988.
30. http://www.aspect.spb.ru/libraiy/ib/ihome/sx/art/25641 l/cp/1/br
31. Электроника: Энциклопедический словарь/ Гл. ред. В.Г. Колес-
ников. — М.: Сов. энцикл., 1991.
32. Ураков А.Л. Как действуют лекарства внутри нас. — Ижевск:
Удмуртия, 1993.
33. Химическая энциклопедия: В 5 т. Т. 4 / Редкол.: И.С. Зе-
фиров (гл. ред.) и др. — М.: Большая рос. энцикл., 1998.
34. Уразаев В.Г. Путешествие в страну ТРИЗ. Записки изобре-
тателя. — М.: Солон Пресс, 2003.
ГЛАВА 9
ХИМИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Я пишу, чтобы узнать, что я думаю.
Граффито
9.1. Вопреки законам Мерфи
Говорят, что химия — это то, что воняет [1]. Это взгляд иронич-
ного пессимиста. Действительно, химические соединения обла-
дают целой палитрой разнообразных запахов, в том числе и не
самых приятных.
Восторженный оптимист видит в химии музыку [2]. В музыке
из семи музыкальных нот рождаются волшебные мелодии. Не
менее волшебные превращения рождаются шестнадцатью про-
стыми атомными орбиталями (одной 5-орбиталью, тремя р-орби-
талями, пятью ^/-орбиталями и семью /-орбиталями) — своеоб-
разными химическими нотами. Академик А.Л. Бучаченко видит
в химии не только музыку, но еще и свой внутренний мир,
внутреннюю логику, внутреннюю торжественную красоту.
Атомная архитектура природных и синтетических молекул
бесконечно разнообразна и совершенна. Созданы молекулы-ро-
токсаны (кольцо, двигающееся по стержню с ограничителями на
концах), молекулы-катенаны (продетые друг в друга кольца),
фуллерены (молекулы-футбольные мячи). Синтезированы органи-
ческие сверхпроводники и сверхпроводящие керамики, органи-
ческие ферромагнетики, молекулы-лестницы, молекулы-тороиды
и многопалубники, молекулярные «контейнеры» и т. д. Крупным
прорывом современной химии стал синтез углеродных нанотру-
бок. Уже созданы технологии манипулирования этими трубка-
ми — реальный путь к молекулярной наноэлектронике.
Электроника — очень широкое понятие. Химия является важ-
ной составляющей большей части макро- и микротехнологий,
используемых в этой области. Химики уже в течение нескольких
веков работают на наноуровне, к которому стремится современ-
ная электроника. Поэтому переход химических технологий на
наноуровень очень интересен и полезен, но в какой-то степени
предсказуем.
А вот словосочетание «химическая радиофизика» восприни-
мается с некоторым недоверием. Но... радиоизлучение хими-
ческой реакции в микроволновом диапазоне сначала было пред-
сказано теоретически, а затем обнаружено экспериментально.
Более того, оказалось, что химическая реакция может быть не
только квантовым генератором, но и приемником микроволно-
вого излучения. В химию плавно перетекают и другие радиотех-
нические термины. Когерентная химия — новое лицо химии.
Под когерентностью понимается свойство химических систем
формировать колебательные режимы реакции. Когерентность
вносит в химию такие новые понятия, как волновой пакет, фаза,
потеря когерентности, интерференция, бифуркация и другие
инородные слова.
Химия все более и более проникает в электронику и, наобо-
рот, электроника проникает в химию. О некоторых направлени-
ях этого взаимопроникновения и взаимообогащения подробнее.
9.2. Твердотельные технологии и закон Мура
Те же ироничные пессимисты говорят, что физика — это то, что
не работает [1]. Развитие компьютерной техники дало в руки
физиков один, но очень серьезный аргумент. Появилась возмож-
ность переадресовать упреки «злопыхателей» на другой адрес —
к Биллу Гейтсу. Операционная система Windows по степени не-
надежности уже давным-давно оставила позади «железо».
Физика и в какой-то степени химия являются основой мик-
ро- и макротехнологий получения изделий электроники. В мик-
ротехнологиях мирно сосуществуют физические и химические
методы локального травления: изотропными и анизотропными
травителями (wet isotropic, anisotropic etching), плазмохимичес-
кое травление (plasma etching), глубокое реактивное ионное трав-
ление (DRIE — Deep Reactive Ion Etching) [3].
А в основе работы современных электронных устройств пока
лежат только физические принципы. Так, различные варианты
энергонезависимой памяти основаны на различных физических
эффектах (4]. Физические принципы составляют основу работы
и других электронных устройств. Но все эти технические реше-
ния пока объединяет общее — использование твердотельных тех-
нологий. С технологической точки зрения изделия современной
электроники (кремниевые кристаллы, подложки гибридных ин-
тегральных микросхем и микросборок) имеют общие черты. Это
9.2. Твердотельные технологии и закон
плоские, часто многослойные структуры. Их функциональные
элементы выполняются в виде микрорельефов в технологичес-
ких слоях. Связь между слоями осуществляется электропроводя-
щими микропереходами. Процесс создания интегральных схем
включает множество (до 20 и более) последовательных этапов.
На каждом этапе с помощью масок формируются полупроводни-
ковые, изолирующие и проводящие слои. И так далее.
Когда-то Гордон Мур, один из основателей фирмы Intel сфор-
мулировал знаменитый закон Мура: «Плотность упаковки элемен-
тов микроэлектроники должна удваиваться каждые 1,5—2 года. Этот
эмпирический закон в течение длительного времени довольно
строго выполнялся.
В 1960 году на собрании Американского Физического обще-
ства Ричард Фейнман прочитал пророческую лекцию, где фанта-
зировал на тему вероятности создания и потенциальных возмож-
ностей наноразмерных материалов. Он представлял себе грави-
рование линий посредством электронного пучка шириной в
несколько атомов, предсказав осуществление электроннолучевой
литографии, используемой ныне в технологиях изготовления крем-
ниевых чипов. Он мысленно видел создание электрических це-
пей нанометровых масштабов, используемых в мощных компью-
терах. Фантазии Фейнмана сбылись. 65 нм технологии стали ре-
альностью микроэлектроники сегодняшнего дня. Специалисты
компании Intel, выполняя план Мура, успешно реализовали та-
кую технологию [5].
Однако в последние годы дальнейшая микроминиатюриза-
ция классических кремниевых чипов стала сталкиваться уже не с
техническими, а принципиальными сложностями. Методы ли-
тографии, используемые в технологиях изготовления кремние-
вых чипов, в плане уменьшения размеров элементов схемы при-
ближаются к своим пределам. И расчеты показывают, что физи-
ческие пределы роста плотности упаковки при использовании
традиционных твердотельных технологий будут достигнуты уже
в ближайшее время.
Пока же прогресс в микроэлектронике все еще по-прежнему
достигается в результате эволюционного улучшения классичес-
ких твердотельных схем и устройств. Но разработчики электро-
ники мысленно уже давно находятся в других «мирах». Идет ин-
тенсивное изучение устройств на квантовых эффектах, биоком-
пьютеров, структур из так называемых «искусственных атомов»
и т. д. [6].
Глава 9. Химия в электронике
9.3. Чудеса остроумия и изящества
Чудеса остроумия и изящества проявляют исследователи в
своих попытках реализовать «химические компьютеры». Моле-
кулярные переключатели могут стать основой устройств хране-
ния информации (памяти) и логических схем устройств, исполь-
зующих двоичную систему. Принцип работы такого устройства
величиной в одну молекулу показан на рис. 9.1.
Ri R2
I I
SI
A В
S2
Рис. 9.1. Схема работы молекулярного переключателя:
S1 и S2 — внешние воздействия; Rj и — чтение; А — состояние моле-
кулы 0; В — состояние молекулы 1.
Для запоминания информации может служить молекула, ко-
торая способна находиться в двух различных состояниях (А и В)
и обратимо переводиться из одного состояния в другое внешни-
ми воздействиями (напряжение электрического тока, свет и др.).
Состоянию А будет соответствовать ноль, а состоянию В — еди-
ница. Дополнительное требование — переключение между вне-
шними воздействиями должно быть быстрым и обратимым.
Катенаны — химические соединения, представляющие собой
одно кольцо, продетое в другое кольцо. Они были синтезирова-
ны любознательными химиками уже давно. Но поскольку хими-
ческие свойства катенанов оказались аналогичными химическим
свойствам составляющих их колец, они длительное время не на-
ходили собственного практического применения. Хотя синтези-
рованные по аналогии с катенанами взаимопроникающие поли-
мерные сетки уже нашли много интересных и полезных приме-
нений. Существует вероятность того, что в ближайшее время и
сами катенаны начнут служить человечеству.
Для изготовления молекулярных переключателей предложе-
но использовать катенаны, состояние которых изменяется при
подводе напряжения [7]. Два различных состояния молекулярно-
го переключателя нанометрового размера (1 х 0,5 нм) показано
на рис. 9.2.
9.3. Чудеса остроумия и изящества
б
Рис. 9.2. Принцип работы молекулярного переключателя на основе кате-
нана, изменяющего конфигурацию при приложении напряжения.
При приложении напряжения изменяется конфигурация этой
сложной молекулы. Или молекул? Трудно определенно сказать,
сколько молекул в катенане — одна или две. При приложении
напряжения происходит окисление (прямая реакция). При этом
теряется электрон и тетратиофульвалиновая группировка, содер-
жащая серу, становится положительно заряженной. Она элект-
ростатически отталкивается от циклофановой группировки дру-
гого кольца, содержащего положительно заряженные атомы азо-
та. Это приводит к изменению структуры — повороту одного
кольца относительно другого на 180°. При отключении напряже-
ния происходит обратный переход. Если монослой катенана по-
местить между двумя электродами, то структура (а) будет соот-
ветствовать разомкнутому состоянию переключателя (хуже про-
водит электрический ток), а структура (б) — замкнутому.
Не менее интересное техническое решение было найдено спе-
циалистами фирмы Hewlett Packard при работе с молекулами
псевдоротоксана:
Молекулу (а) можно представить как ось, а молекулу (б) как
кольцо. Нанотехнологам удалось насадить кольцо на ось. При-
чем для того чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концам
прикрепили крупные молекулярные фрагменты, играющие роль
«гаек». При реакции с кислотой или основанием кольцо может
9.3. Чудеса остроумия и изящества
скользить от одного конца оси к другому, переключая химичес-
кое состояние, — почти как в обычных счетах. С использованием
методов самосборки массивы таких «микродиодов» удалось со-
брать в монослой одинаково ориентированных молекул на по-
верхности металла — прототип логических вентилей.
В журнале Scientific American анонсировано еще одно остро-
умное техническое решение. Была синтезирована молекулярная
цепочка из звеньев бензол-1,4-дитиолата длиной 14 нм:
В нее были введены группировки, способные захватывать элек-
троны, если к молекуле подводится напряжение. К среднему коль-
цу был прикреплен донор электронов (аминогруппа), выталки-
вающая электроны в кольцо. На другую сторону этого кольца
была введена нитрогруппа (акцептор электронов), оттягивающая
электроны с кольца. В результате центральное кольцо стало об-
ладать большим электрическим дипольным моментом.
При наложении электрического поля к концам этой молеку-
лы она приобрела способность закручиваться. При этом изменя-
ется ее электрическое сопротивление и она приобретает способ-
ность пропускать электрический ток. При снятии электрическо-
в электронике
го поля молекула раскручивается в обратную сторону и возвра-
щается в исходное состояние. Молекулярный переключатель,
работающий по этому принципу, представляет собой линейную
цепочку из примерно 1000 молекул нитроаминобензолтиола, рас-
положенную между двумя металлическими контактами.
Экспериментально полученная кривая проводимости такого
переключателя имеет четко выраженный провал. Это позволяет
изменением приложенного напряжения переводить молекулы из
проводящего состояния в непроводящее. Таким образом был син-
тезирован молекулярный триод. Обратите внимание на необыч-
ное сочетание в этой фразе химического термина «синтезиро-
ван» и радиотехнического — «триод».
9.4. Реальные технологии
Остроумные «химические компьютеры» пока еще реализованы
только на идеальном уровне — на уровне принципиальных ре-
шений. Чем отличаются реальные решения, реальные техноло-
гии от идеальных? Примерно тем же, чем наши возможности
отличаются от наших желаний. Остроумие и изящество в них
обнаружить гораздо сложнее. Есть желание углубиться в эту про-
блему «с головой», но, увы, нет возможностей. Эта масштабная
проблема вновь выходит за пределы этой книги. Поэтому акцен-
тируем свое внимание лишь на одном аспекте этой многогран-
ной проблемы — на изменчивости веществ, используемых в ре-
альных технологиях.
9.4.1. Изменчивость
Одна из проблем, мимо которой не удается пройти реальным
технологам любого профиля деятельности, — использование в
технологических процессах веществ с изменяющимися свой-
ствами. Размышления автора на эту тему приведены в статье
[8] и в книге [9]. Здесь же — лишь основные моменты этих
размышлений.
9.4.1.1. Качели
Колебания химического состава многих соединений подобны ка-
челям. В первую очередь «качаются на качелях» вещества расти-
тельного и животного происхождения. Так, химический состав
продуктов растительного происхождения зависит от множества
9.4. Реальные технологии
факторов, например от места посадки растений, плодородия по-
чвы, климатических условий, времени сбора урожая и т. д.
То же самое можно сказать и о полимерах в целом. В отличие
от низкомолекулярных соединений молекулярная масса являет-
ся необходимой, но явно недостаточной характеристикой поли-
мера. Не менее важная характеристика — молекулярно-массовое
распределение (относительное распределение молекул полимера
с различными молекулярными массами в макроскопическом об-
разце). Молекулярная масса двух образцов полимера может быть
одинаковой, а молекулярно-массовое распределение может от-
личаться очень сильно. Как следствие, очень сильно могут изме-
няться и физико-механические свойства этих образцов. Поскольку
реакции образования полимеров (полимеризации, поликонден-
сации) осуществляются по механизмам, основанным на теории
вероятности, то получить абсолютно одинаковые образцы поли-
мера возможно только теоретически.
9.4.1.2. Чистота
Ни природа, ни человек не способны создавать абсолютно похо-
жие друг на друга вещества (полимеры). К сожалению, практи-
чески невозможно получить еще и абсолютно чистые вещества.
Всем известна классификация веществ по степени возрастания
их чистоты:
• технические (т);
• чистые (ч);
• чистые для анализа (ч.д.а.);
• химически чистые (х.ч.);
• особо чистые (осч).
До недавних пор такая классификация была необходима и дос-
таточна для практических применений. Тем более что в реальных
технологиях из экономических соображений стремятся использо-
вать самые грязные (технические) продукты. Стремительное разви-
тие микроэлектроники, а в последние годы еще и нанотехнологий,
резко подняло планку требований. Как следствие, особо чистые
вещества пришлось разделить еще на 10 классов (табл. 9.1).
Последнему, десятому классу соответствует содержание при-
месей 10-10 %. Много это или мало? Очень мало — скажут те, кто
занимается очисткой химических соединений. Дело в том, что
по мере увеличения степени очистки трудоемкость очистки и
соответственно стоимость препаратов возрастает в геометричес-
кой прогрессии. Очень много, — скажут специалисты, работаю-
Таблица 9.1. Особо чистые вещества.
Подкласс Цвет этикетки Содержание основного компонента, % Содержание примесей, %
А1 Коричневый 99,9 ю-1
А2 Серый 99,99 io-2
ВЗ Синий 99,999 10-3
В4 Голубой 99,9999 10-4
В5 Темно-зеленый 99,99999 10-5
В6 Светло-зеленый 99,999999 10-6
С7 Красный 99,9999999 10-7
С8 Розовый 99,99999999 10-8
С9 Оранжевый 99,999999999 10-9
СЮ Светло-желтый 99,9999999999 1О-10
щие в области нанотехнологий. В нанотехнологиях оперируют
отдельными атомами или молекулами. Поэтому для нанотехно-
логов наличие в веществе даже одного или нескольких «чужих»
атомов превращается в серьезную проблему.
9.4.1.3. Инверсия
А что будет, если количество примесей увеличивать до бесконеч-
ности? В результате такой инверсии в конце концов вещество
будет состоять уже из одних примесей. Реальное воплощение та-
кого рода инверсии — использование в технологических процес-
сах отходов производства других или тех же самых технологичес-
ких процессов. С точки зрения ТРИЗ такого рода тенденции со-
ответствуют объективному закону развития технических систем
(закону повышения их идеальности). Но как трудно бывает та-
кие почти идеальные решения воплотить в виде реально работа-
ющих технологий! Использование в технологических процессах
продуктов, состав которых не только малоизвестен, но еще и не-
предсказуем, — один из самых тяжелых случаев в технологичес-
кой практике.
9.4. Реальные технологии
9.4.1.4. Возрастные изменения
Изменения могут происходить не только в статике, но и в дина-
мике. Состав и физико-химические свойства веществ изменяют-
ся во времени, например при их транспортировке и хранении.
В ряде технологий используются вещества с чрезвычайно
высокой химической активностью. Использование таких реаген-
тов значительно упрощает технологии, поскольку появляется воз-
можность их осуществления в естественных условиях, да к тому
же еще и очень быстро. К сожалению, высокая химическая ак-
тивность чаще всего не отличается высокой избирательностью.
Высоко химически активные вещества могут реагировать с кис-
лородом и влагой воздуха, другими веществами, содержащимися
в промышленной атмосфере.
Внутренние превращения могут происходить и в относитель-
но неактивных веществах и композициях. Солнечный свет и даже
обычная температура могут инициировать эти нежелательные
изменения. Такие изменения характерны для мономеров или оли-
гомеров, содержащих непредельные двойные связи. Введение в
их состав ингибиторов полимеризации помогает, но ненадолго.
Избыточное содержание ингибитора полимеризации приводит к
увеличению срока хранения, но... усложняет или даже делает не-
возможным использование этих веществ по прямому назначе-
нию. Ингибитора должно быть много и ингибитора должно быть
мало... Вот вам и изобретательская задача!
«Короткоживущие» химические соединения создают для пред-
приятий, использующих их, множество проблем. Использование
химических соединений, показатели которых находятся на пре-
деле возможного, не способствует улучшению качества продук-
ции. Низкий коэффициент использования многократно увели-
чивает их реальную стоимость. Непросто и недешево утилизиру-
ются остатки таких соединений, которые, как правило, еще и
токсичны.
9.4.1.5. Дисбаланс
Многокомпонентные составы (композиции) изменяются еще и в
условиях практического использования В данном случае измен-
чивость проявляется преимущественно в дисбалансе — в нару-
шении оптимального соотношения между компонентами.
Такого рода изменчивость характерна для процессов гальва-
нической и особенно химической металлизации. При этом по
в электронике
разным причинам изменяется соотношение компонентов в элек-
тролитах, изменяется pH среды и др. Как следствие, для обеспе-
чения высокого качества покрытий необходима постоянная кор-
ректировка их состава.
Реальные электролиты существенно отличаются от идеаль-
ных электролитов. Идеальный электролит, необходимый для по-
лучения медного покрытия, представляет собой раствор соли меди,
например медного купороса, в воде. Реальный электролит содер-
жит как минимум 4—5 компонентов. Поддержание необходимо-
го соотношения между этими компонентами — непростая зада-
ча. Особенно сложно обстоят дела с продуктами полимерной
химии, например с блескообразующими добавками. Содержание
таких добавок не так просто определить, да еще и они в процессе
применения изменяются сами. Дополнительные проблемы воз-
никают от постепенного накопления в ваннах целого «букета»
примесей (продуктов нужных и ненужных химических реакций).
9.4.1.6. Погоня за тенью
А что, если скорость изменения этих свойств увеличить на поря-
док, на два порядка, на три порядка? Такими «экспериментами»
вынужденно занимаются технологи, используя двух- и много-
компонентные композиции, смешиваемые непосредственно пе-
ред применением (клеи, герметики, компаунды, лакокрасочные
материалы холодного или реже горячего отверждения). Жизне-
способность таких составов очень мала. На мой взгляд, это самая
проблемная проблема, поскольку при реализации таких техноло-
гий закрываются глаза на то, на что их закрывать нельзя.
Например, физико-механические свойства лака или компа-
унда не зависят от того, где происходило их отверждение. Они
определяются лишь условиями, при которых происходило это
отверждение. А вот другие свойства (в надсистеме) очень даже
зависят от того, в каком состоянии находился лак или компаунд,
когда он был задействован в технологическом процессе. Так, если
в производстве стеклотекстолита эпоксидный лак, используемый
для пропитки стеклоткани, стал очень вязким, выдающихся элек-
трофизических свойств от стеклотекстолита трудно ожидать. Не-
радивые технологи пытаются регулировать его вязкость разбав-
лением органическими растворителями. Но результаты такой
рационализации на печатных платах видны невооруженным взгля-
дом — это проявление или даже оголение текстуры стеклоткани.
Аналогичные проблемы возникают и в других видах производств,
9.4. Реальные технологии
в которых также используются вещества, характеризующиеся та-
ким показателем, как жизнеспособность.
Подведем некоторые итоги. Проблема изменчивости веществ
в реальных технологических процессах даже при таком поверх-
ностном ее рассмотрении кажется очень сложной. Как быть?
Ответов несколько. Мне ближе всего такой: «Эффективнее ис-
пользовать свое интеллектуальное превосходство над бездуш-
ными изменяющимися веществами». Некоторые варианты успеш-
ного использования интеллектуального превосходства приведе-
ны ниже.
9.4.2. Химики изобретают
9.4.2.1. Буфер
При проведении процессов химической и/или гальванической
металлизации очень важно постоянство показателя pH технологи-
ческих растворов, который по самым разным причинам склонен к
изменению. Как сделать так, чтобы при добавлении в технологи-
ческий раствор кислоты или щелочи pH среды не изменялся? Или
же как сделать так, чтобы при разбавлении технологических ра-
створов водой pH среды также не изменялся? Напомню, что под
pH среды понимается отрицательный логарифм концентрации
ионов водорода в этой среде.
С позиции ТРИЗ физическое противоречие этой изобрета-
тельской задачи (задач) таково.
ФП: Показатель pH технологического раствора должен изме-
няться и не должен изменяться.
Должен изменяться потому, что в пользу этого говорит здра-
вый смысл. Если мы добавляем в среду ионы водорода, то пока-
затель pH среды должен уменьшаться. Если же добавка имеет
щелочной характер, то показатель pH среды должен увеличиваться
(реакция нейтрализации).
Не должен изменяться потому, что этого требуют условия
проведения технологического процесса. Большая часть техноло-
гических процессов нанесения металлических покрытий, особенно
технологических процессов химической металлизации, очень чув-
ствительна к величине pH среды.
Химики сумели разрешить это противоречие уже давно [10].
Даже гораздо раньше, чем была издана эта древняя книга. Так
называемые буферные растворы можно получить, используя в
водных растворах сочетание слабой кислоты и сопряженного с
в электронике
ней основания. Показатель pH кислотно-основного буферного
раствора зависит от концентрации компонентов буферной сме-
си, находящейся в химическом равновесии, и мало изменяется
при концентрировании и разбавлении раствора или введении
небольших количеств веществ, взаимодействующих с одним из
компонентов буферного раствора.
Наиболее распространенные водные кислотно-основные бу-
ферные растворы содержат слабую кислоту НА и сопряженное с
ней основание А", например СН3СООН и СН3СОО~, NH4+ и
NH3. В таких системах осуществляется равновесие:
НА + Н2О Н3О+ + А
или
НА + ОН" Н2О + А-
По данным о константе диссоциации кислоты
Ка = [Н3О+] [[А ]/[НА]
определяют значение pH раствора:
pH = рКа + 1g ([А]/[НА]),
где [НА] и [А ] — равновесные концентрации соответствующей
кислоты и основания, рКа = — 1g Ка.
Это значение показателя pH остается практически постоян-
ным, так как при добавлении небольших количеств сильных кис-
лот или оснований ионы Н3О+ или ОН“ связываются основанием
(кислотой) с образованием сопряженной кислоты (основания).
Следует иметь в виду, что «буферная емкость» таких растворов
не беспредельна.
Как оказалось, буферными бывают не только кислотно-ос-
новные растворы, но и окислительно-восстановительные систе-
мы [11]. Окислительно-восстановительные буферные растворы
содержат смесь химических соединений переменной валентнос-
ти в двух степенях окисления (то есть смесь обеих форм окисли-
тельно-восстановительной пары).
На некоторое время вернемся к химическим эффектам. 40 типо-
вых приемов разрешения технических противоречий, выявлен-
ных Г.С. Альтшуллером, стали результатом кропотливого анали-
за мирового патентного фонда изобретений. По этому же пути
пытаются идти энтузиасты ТРИЗ, пытаясь расширить перечень
химических эффектов, используемых в изобретательской прак-
ftalqttausife
9.4. Реальные технологии
тике. Это титанический труд. Более того, результаты такого тита-
нического труда В.А. Михайловым выставлены в Интернете на
бесплатное общее пользование. И это в наш полностью коммер-
циализованный век! За это мы все ему благодарны.
Но тризовский ли это подход? ТРИЗ всегда нацеливает на
идеальные решения, в крайнем случае, на решения, выполнен-
ные на уровне «шаг назад от ИКР». Не проще ли в качестве ис-
ходной базы для поиска эффектов использовать обычные учеб-
ники, энциклопедии, научно-популярные книги и статьи, при-
кладные публикации и др. Таким способом можно использовать
целую «армию» помощников, которые большую часть механи-
ческой работы уже вольно или невольно взяли на себя.
Возьмем, к примеру, те же буферные растворы. На мой
взгляд — это самый что ни на есть настоящий химический эф-
фект, очень полезный для многих практических применений. Но
в перечне химических эффектов, приведенных В.А. Михайло-
вым, он почему-то отсутствует. Да, такой эффект очень трудно
обнаружить, читая описание и формулу изобретения. Да и вык-
ладывать все свои секреты «на тарелочке с голубой каемочкой»
никто не собирается. Реальная жизнь далека от идеальной... И в
то же время этот эффект можно найти в любом учебнике по ана-
литической химии.
9.4.2.2. Крауны
Не менее интересный химический эффект — использование мо-
лекул-краунов. Краун-эфиры, так же как и буферные растворы,
помогают решить задачу противодействия изменчивости реаль-
ных технологических растворов, но иным способом.
Краун-эфиры — крупные циклические молекулы (макроцик-
лы), которые состоят из чередующихся этиленовых мостиков —
СН2—СН2— и атомов кислорода [12]. В некоторых случаях часть
атомов кислорода заменена атомами азота или серы. Форма та-
ких молекул напоминает корону, что и определило их название
{англ, crown — корона). Краун-эфиры содержат в цикле свыше
11 атомов, из которых не менее четырех — гетероатомы, связан-
ные между собой этиленовыми мостиками. Типичные структуры
краун-эфиров показаны на рис. 9.3.
Краун-эфиры в комплексах с катионами металлов являются
полидентатными лигандами. Что это такое? Характерное свой-
ство этого класса соединений — способность образовывать комп-
лексы за счет неподеленных электронных пар кислорода, азота и
в электронике
12-краун-4
Рис. 9.3. Некоторые краун-эфиры.
18-краун-6
серы. В краун-эфирах число таких неподеленных электронных
пар велико, да еще и все они ориентированы внутрь цикла. Как
следствие, краун-эфиры обладают «выдающимися» способнос-
тями по вылавливанию и захвату катионов металлов с образова-
нием прочных комплексов (рис. 9.4).
Изменяя величину цикла и соответственно размер его внут-
ренней полости, можно «настроить» краун-эфир на избиратель-
ное улавливание катионов металлов определенного размера [13].
Потенциальные возможности такого рода химических соеди-
нений безграничны. Например, используя краун-эфиры, можно
растворять неорганические соединения в органических раство-
рителях. Не правда ли, прекрасное изобретательское решение?
Рис. 9.4. Комплексообразование краун-эфира с катионом металла.
9.4. Реальные технологии
Широкое применение краун-эфиры нашли в технологических
процессах, связанных с выделением и очисткой солей щелочных
и щелочноземельных металлов. В радиохимии краун-эфиры по-
могают решить проблему переработки ядерных отходов [14].
И, наконец, чуть ближе к проблеме изменчивости. Введение
в технологические среды краун-эфиров позволяет навсегда за-
быть о проблеме накапливания в них ненужных катионов метал-
лов. Реальный пример — повышение стабильности свойств ана-
эробных герметиков [15]. Даже незначительные количества ионов
переходных металлов способны начать инициирование их поли-
меризации по окислительно-восстановительному механизму.
Отличительная особенность таких реакций заключается в том,
что они имеют очень низкую энергию активации и протекают в
нормальных условиях. И если в анаэробном герметике хотя бы в
течение нескольких минут побывает какая-нибудь «железка», то
о его стабильности можно и не мечтать. Через некоторое время
все закончится «козлом». Герметик просто отвердится, не дож-
давшись своего использования по прямому назначению. Краун-
эфиры эффективно извлекают ионы переходных металлов, появ-
ление которых даже в следовых количествах приводит к резкому
снижению стабильности анаэробных герметиков.
9.4.2.3. Микрокапсулирование
Другой вариант повышения стабильности анаэробных гермети-
ков, да и не только их, — микрокапсулирование. Химические
соединения, склонные к реакции друг с другом, помещаются в
оболочки (капсулы), которые в нужный момент могут быть раз-
рушены. Так, повышение жизнеспособности анаэробных ком-
позиций, используемых в качестве адгезивов, достигается мик-
рокапсулированием инициатора полимеризации. Для этого
предложено инициатор (перекись бензоила) диспергировать в ани-
золе, а ускоритель полимеризации (М,М-диметиланилин) — в тет-
рахлорэтилене. При соприкосновении (сдавливании) склеивае-
мых изделий микрокапсулы разрушаются, и начинается хими-
ческая реакция [16]. К сожалению, из-за сложности выбора
материала капсул и по целому ряду иных причин такой подход
не универсален
Метод микрокапсулирования был успешно использован при
создании самозалечивающихся конструкционных полимерных
материалов (см. гл. 8).
в электронике
9.4.2.4. Вечный двигатель
Другой метод стабилизации акриловых мономеров (анаэробные
герметики тоже относятся к этому классу) также не универсален,
но гораздо более идеален.
Известен способ ингибирования полимеризации олигоэфи-
ракрилатов, основанный на использовании синергического эф-
фекта. Что такое синергический эффект? Проще говоря, это ког-
да 2 + 2 = 5 или даже больше, чем 5. В математике (в классичес-
кой математике) такого не бывает. А в технике — бывает. Более
того, равенство 2 + 2 = 5 является отличительной чертой насто-
ящего изобретения. Синергисты — вещества, действующие та-
ким образом, что активность их смеси превышает сумму актив-
ностей их компонентов [17].
Известно, что классическим ингибитором радикальной по-
лимеризации является бензохинон. Химическое соединение с
длинным названием 2,2\ б^-тетраметилпиперидинЛ-оксил
(ИСР) также ингибирует полимеризацию. Смесь этих двух хими-
ческих соединений обладает гораздо более высокой эффектив-
ностью, чем каждое вещество в отдельности. Почему?
Объяснение таково. ИСР реагирует с метакрильным радика-
лом (носителем зарождающейся цепи) по реакции диспропорци-
онирования, восстанавливаясь при этом. Затем продукт восста-
новления окисляется бензохиноном или промежуточным семи-
хиноидным радикалом вновь до исходного ИСР, готового снова
вступить «в бой». Как следствие, ИСР способен участвовать в
реакции ингибирования многократно. Нехимическая аналогия —
ящерица с неоднократно восстанавливаемым оторванным хвос-
том или же... вечный двигатель.
Химическую «ящерицу» удалось когда-то реализовать на прак-
тике и автору. Стабилизирующая добавка по изобретению [18]
оказалась способной принимать участие в процессе ингибирова-
ния полимеризации неоднократно. А точнее — трижды. К сожа-
лению, до идеального решения добраться не удалось, но все же...
9.4.2.5. Методом Карла Фишера
Это техническое решение не связано явно с проблемой изменчи-
вости, но менее интересным от этого оно не становится.
Если вам нужно определить следовые содержания воды в ка-
ком-нибудь образце, то куда бы вы ни обратились, все равно в
итоге вас переадресуют к методу Карла Фишера. Этот метод в

9.4. Реальные технологии
течение многих лет успешно используется в самых различных
областях техники. В основе методики анализа содержания воды
по методу Карла Фишера лежит процесс взаимодействия йода с
водой:
(RNH) SO3R + J2 + Н2О -> (RNH)SO4R + 2 (RNH)J.
Суть этого метода заключается в следующем [19].
Известны два основных варианта осуществления этого мето-
да (визуальное и электрометрическое титрование). Наиболее уни-
версален — электрометрический метод, поскольку он позволяет
определять влагосодержание непрозрачных жидкостей. При этом
в ячейку титрования подается реактив Фишера, который вступа-
ет в реакцию с водой, содержащейся в образце. Одновременно
на платиновые электроды, находящиеся в ячейке, подается поля-
ризационный потенциал. Пока в ячейке присутствует вода, сво-
бодного йода в ней практически не остается и требуется значи-
тельный потенциал для поддержания определенного тока поля-
ризации. После того как вся вода прореагировала с йодом, в ячейке
появляется свободный йод, что вызывает рост ионной проводи-
мости. Для поддержания заданного тока поляризации требуется
снижение потенциала, подаваемого на электроды. Когда напря-
жение падает ниже определенной величины, определяемой соб-
ственным дрейфом ячейки, процесс титрования считается за-
вершенным. По объему потраченного реактива Карла Фишера
рассчитывается количество воды, содержащейся в образце. В ви-
зуальном методе об окончании процесса титрования судят по
изменению цвета.
На бумаге все просто, а в жизни, как всегда, гораздо сложнее.
Работая с реактивом Фишера, постоянно вспоминаешь о том,
что химия — это то, что воняет. В этой методике в качестве ра-
створителя используется метанол — яд. За формулой RNH обыч-
но скрывается пиридин. Химические соединения, обладающие
таким же тошнотворным запахом, автор еще не встречал. Хоро-
шо, что зловонные запахи на точность измерения не оказывают
влияния. Разве что косвенно, выводя из равновесия того, кто
производит измерение.
На точность измерения влияет, и очень сильно, другое. Это
чистота (степень обезвоженности) всех химикатов, используемых
при проведении этого анализа. Но гостированная методика [20]
почему-то допускает содержание воды в осушенном метаноле до
0,05 %. Как же так? Ведь метод позволяет измерять влагосодер-
в электронике
жание с точностью до 0,0002 %. А в растворителе, используемом
для проведения анализа, вода уже имеется в количестве пример-
но в 500 раз больше. Здравый смысл говорит, что для обеспече-
ния такой точности измерений содержание воды в растворителе,
наоборот, должно быть намного меньше, чем 0,0002 %.
Химикам удалось этот здравый смысл «обмануть». При этом
были использованы внутренние ресурсы системы и прием «ис-
пользовать вред в пользу». Вместо одного титрования было пред-
ложено сделать два. Избыточное содержание влаги в растворите-
ле (метаноле) удаляют... титрованием его тем же реактивом Фи-
шера. Причем такая «очистка» растворителя от воды производится
с очень высокой точностью. Далее в ячейку вводится навеска
анализируемого препарата и вновь проводится титрование реак-
тивом Фишера, на этот раз целевое титрование. Следует отме-
тить, что такая «технология» уменьшает точность измерения при-
мерно в 2 раза (ошибки двух измерений складываются). Но при
этом разрешается великое множество других сложнейших про-
блем! Поэтому на этот недостаток попросту закрывают глаза.
9.5. Нанотехнологии
9.5.1. Алхимикам на зависть
Обычно человек имеет дело с объектами, размеры которых изме-
ряются миллиметрами, сантиметрами, ..., километрами. Свой-
ства таких материалов — усредненные характеристики. Многие
свойства твердых тел зависят от их размеров. В микронном или
нанометровом диапазоне свойства материалов существенно из-
меняются и даже становятся уникальными. Наночастицами счи-
тают образования из связанных атомов или молекул с размерами
менее 100 нанометров (нм). Но величина 100 нм является услов-
ной, потому что резкой границы между наночастицами и обыч-
ными частицами не существует. В некоторых случаях наночасти-
цы демонстрируют новые свойства, отсутствующие у того же
материала в объеме. Дело в том, что с каждым свойством веще-
ства связана характеристическая или критическая длина.
Например, электрическое сопротивление вещества обуслов-
лено рассеянием электронов проводимости на колеблющихся
атомах или примесях. Оно характеризуется длиной свободного
пробега электрона (расстоянием между двумя отклонениями элек-
трона от прямолинейного движения). И как только линейные
9.5. Нанотехнологии
размеры вещества станут соизмеримыми с длиной свободного
пробега электрона, следует ожидать качественных изменений в
проводимости. Так оно и происходит. Чудесные превращения
происходят не только с проводниками.
Наночастицы немагнитных материалов приобретают свойства
магнетизма. Так, кластеры рения демонстрируют отчетливое увели-
чение магнитного момента, если в них имеется около 20 атомов.
Для наночастиц, состоящих из полупроводниковых материа-
лов, характерно резко выраженное отличие их оптических свойств
от свойств объемного материала. Оптические спектры поглоще-
ния существенно сдвигаются в сторону уменьшения длин волн.
Кластерированный гелий обладает свойствами сверхтекучес-
ти при меньшей температуре, чем обычная жидкость 4Не. Моле-
кулы воды также могут образовывать кластеры. Еще в 70-х годах,
задолго до появления слова наночастица, было известно, что вода
не состоит из изолированных молекул. При нормальных услови-
ях около 80 % молекул воды связано в кластеры. Предсказывают,
что в ударной волне при давлении 9 ГПа может существовать
новая форма воды, свойства которой будут значительно отли-
чаться от свойств обычной воды [7].
Обычное золото при комнатной температуре не является ка-
тализатором химических реакций, а частички золота размером от
3 до 5 нм становятся отличными катализаторами. Если говорить
шире, то реакционная способность химических соединений за-
висит от их размеров. Эх, если бы об этом в свое время знали
алхимики...
Нанотехнологии находятся на переднем крае физики, химии,
биологии и технических наук. Их возможности интенсивно изу-
чаются в рамках широких научно-исследовательских инициатив
и программ в области электроники. Молекулярные переключате-
ли (продукты этих высоких технологий) пока еще не вышли за
рамки научно-исследовательских лабораторий. Но некоторые из-
делия этих молодых и модных технологий уже нашли практичес-
кое применение в электронике.
9.5.2. Нанотрубки
В области электроники максимальные ожидания от использова-
ния нанотехнологий связаны с углеродными нанотрубками. Угле-
родные связи сами по себе уникальны. Это основа органической
химии или, иначе, основа всей жизни на Земле. Малые углерод-
ные наночастицы (кластеры) были получены лазерным испаре-
нием углеродной подложки в потоке гелия. Таким образом, были
получены структуры, содержащие 3, 11, 15, 19, 23, 60 и более
атомов углерода. Молекула, состоящая из 60 атомов углерода С^,
оказалась похожей на футбольный мяч. Она имеет 12 пятиуголь-
ных и 20 шестиугольных симметрично расположенных граней,
имеющих форму, близкую к шару. Эта молекула была названа
фуллереном по имени архитектора и изобретателя Р. Бакминсте-
ра Фуллера, сконструировавшего геодезический свод, напомина-
ющий структуру С60
За открытие фуллеренов Керл Р., Смолли Р. (США) и Крото X.
(Великобритания) получили в 1996 году Нобелевскую премию по
химии. А вот углеродным нанотрубкам пока ничьего имени не
присвоили и с Нобелевской премией вопрос пока еще открыт,
хотя их структура не менее оригинальна. И самое главное, с прак-
тической точки зрения такая структура оказалась гораздо полез-
нее. Углеродные нанотрубки получают лазерным испарением в
углеродной дуге и химическим осаждением паров. Нанотрубку
можно представить как лист графита, свернутый в цилиндр. Обыч-
но нанотрубки бывают закрытыми с обоих концов фуллеренопо-
добными структурами. Известны вложенные или многослойные
нанотрубки, в которых одна трубка находится внутри другой.
Однослойная нанотрубка может иметь очень маленький диаметр
2 нм и длину 100 мкм. Углеродные трубки отличаются различной
атомной структурой, причем трубки с разной структурой имеют
разные свойства.
Самое интересное свойство углеродных нанотрубок заключа-
ется в том, что в зависимости от атомной структуры они могут
обладать свойствами металлов (проводников) и полупроводни-
ков. В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень
высока. Они способны пропускать миллиард ампер на квадрат-
ный сантиметр. Медный провод выходит из строя при плотности
тока в тысячу раз меньше. Такие уникальные свойства углерод-
ных нанотрубок предполагают бесконечное множество их воз-
можных применений.
При приложении небольшого электрического поля вдоль оси
нанотрубки с ее концов происходит интенсивная эмиссия элект-
ронов. Разрабатываются плоские дисплеи, использующие элект-
ронную эмиссию углеродных нанотрубок.
Показана возможность конструирования полевых транзисто-
ров на основе полупроводниковых нанотрубок, являющихся пе-
реключающими элементами в компьютерах. Активно обсуждает-
vlmaUausl^R
9.6. Химия — это самая сложная физика
ся идея создания компьютера из нанотрубок. Полевые транзис-
торы, изготовленные на базе полупроводниковых углеродных
нанотрубок, могут быть использованы и как сверхчувствитель-
ные газовые сенсоры.
Потенциальные возможности применения нанотрубок поис-
тине безграничны. К сожалению, за многими возможными при-
менениями пока стоит одно большое но. Для реализации гро-
мадного потенциала необходимо разработать технологии круп-
номасштабного производства относительно дешевых углеродных
нанотрубок.
9.6. Химия — это самая сложная физика
Четкая граница между химией и физикой скорее всего суще-
ствовала только во времена алхимиков. Тогда в современном
понимании этого слова химии вообще не существовало. В ней
главенствовал метод проб и ошибок. Области интересов обеих
наук по мере их развития все более и более перекрывались. Сви-
детельство этому — успешное сосуществование ныне двух наук:
физической химии и химической физики. Интересно, а как бу-
дет названа наука, в которой химия и физика смешаны в про-
порции 50:50?
Молекулярные переключатели реализуются на уровне хими-
ческих соединений, но их работа основана преимущественно на
физических принципах (механика, электростатические взаимо-
действия). Для описания моделей работы таких переключателей
вполне достаточно знания законов всего лишь классической фи-
зики.
Другая более сложная физика — квантовая — сделала химию
ясной и предсказуемой на другом уровне — уровне химических
реакций. Химия стала точной наукой. Метрологический уровень
«самой сложной физики» обеспечивают три главных постулата
квантовой механики [21]:
• уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнений
классической механики;
• принцип Паули, организующий электроны по энергетическим
уровням и спиновым состояниям;
• понятие о волновой функции электрона как распределенного в
пространстве и времени заряда и спина (углового момента).
С позиции этих трех постулатов химическую реакцию можно
рассматривать как физический процесс перестройки электрон-
ных оболочек и перегруппировки ядер. Оказалось, что химичес-
кие взаимодействия не содержат никаких потусторонних взаи-
модействий, кроме кулоновских: отталкивание электрон—элект-
рон, ядро—ядро и притяжение электрон—ядро. Чистая физика,
но не такая уж и простая. Дело в том, что химические системы
состоят из множества частиц, а в физике уже задача трех тел не
является тривиальной. Если же вспомнить о таких понятиях, как
спины, волновые функции и т. д., то эта физика становится все
сложнее и сложнее. Не зря Ричард Фейнман сказал, что химия —
это самая сложная физика, которую физики отдали химикам.
Горизонты химии постоянно расширяются и удаляются. Ее
развитие предсказуемо и одновременно непредсказуемо. Пред-
сказуемы — тенденции, непредсказуемы конкретные техничес-
кие решения. Современные тенденции развития в области элек-
троники свидетельствуют о том, что благодарные химики возвра-
щают «самую сложную физику» в прежние руки. Или, наоборот,
физики вынуждены забрать назад свои дары? Оправдает ли этот
триумфальный возврат наши ожидания?
Литература
1. Блох Артур. Законы Мерфи. Пер. с англ. — Минск: Попур-
ри, 2004.
2. http://www.krugosvet.rU/articles/l 13/1011313/Literature.htm
3. Цветков. Ю. Микротехнология — универсальная основа
производства современной электроники // Компоненты и техно-
логии. Приложение: Технологии в электронной промышленнос-
ти, 2005, № 4.
4. Зайцев И. Сравнение новых технологий энергонезависи-
мой памяти // Компоненты и технологии. — 2004, № 4.
5. Алферов Ж.И. Полупроводниковая электроника в России.
Состояние и перспективы развития // Электроника: НТВ, 2004,
№ 5.
6. http://www.chem.msu.su/rus/joumals/chemlife/2001/welcome.html
7. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. Пер. с англ. — М.: Тех-
носфера, 2005.
8. Уразаев В.Г. Когда галоши плачут // Компоненты и техно-
логии. Приложение: Технологии в электронной промышленнос-
ти, 2005, № 4.
9. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. — М.: Техносфе-
ра, 2006.
10. Колътгоф И.М., Сендэл Е.Б. Количественный анализ. Пер.
с англ. Главлит., 1938.
11. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 1 /Кнунянц И.Л. и
др. — М.: Сов. энцикл., 1988.
12. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 2 /Кнунянц И.Л. и
др. — М.: Сов. энцикл., 1990.
13. http://www.krugosvet.ru/articles/123/1012321/print.htm
14. Хараока М. Краун-соединения. — М.: Мир, 1986.
15. Притыкин Л.М., Кардашов Д.А., Вакула В.Л Мономерные
клеи. — М.: Химия, 1988.
16. Притыкин Л.М., Дергун М.Г., Драковский М.Г. Достижения
в области создания и применения клеев в промышленности. —
М.: Изд. ДНТП, 1983.
17. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 4 / Зефиров Н.С. и
др. — М.: Большая рос. энцикл., 1988.
18. А.с. СССР № 1755563. Стабилизирующая добавка. Ураза-
ев В.Г, Сарбайцев А.А., Елисеева Л.А. и др. Приоритет от 04.06.1990 г.
19. http://www.mtrus.com/m/ti/dl31
20. ГОСТ 14870—77. Методы определения содержания воды. —
М.: Издательство стандартов, 1977.
21. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и про-
гнозы // Успехи химии, 1999, т. 68, 85—102.
ГЛАВА 10
ВЗГЛЯД СО СТОРОНЫ
Как много есть на свете вещей, которые мне
не нужны.
Сократ
Чуть меньше (или столько же?) существует на свете вещей, кото-
рые не известны или недостаточно известны. Признаюсь, что мне
недостаточно известны те области человеческих знаний, о кото-
рых пойдет речь в данной главе. Но тема очень интересная... По-
этому рискнем?
10.1. ТРИЗ в радиотехнике
10.1.1. Об универсальности
Развитие ТРИЗ в последние 10—15 лет показало, что ее инстру-
менты могут эффективно использоваться в различных нетехни-
ческих областях: бизнес, реклама, педагогика и даже юмор [1].
А когда-то стоял вопрос о том, универсальны ли методы ТРИЗ
внутри самой техники. В 1979 году появилась статья Г.С. Альт-
шуллера «О применении АРИЗ к электронике, радиотехнике и
схемным задачам» [2]. Эта статья стала ответом на копившиеся
годами вопросы об универсальности. Дело в том, что классичес-
кая ТРИЗ начиналась с «механических» задач. На «механичес-
ких» задачах были отработаны ее законы, методы, приемы и др.
Провести же параллель между «железками» и радиотехнически-
ми схемами или химическими реакциями было не так-то просто.
Статья начинается с анализа другой (профессиональной) ста-
тьи И.А. Апокина о развитии цифровой вычислительной техни-
ки — о двух наиболее масштабных технических изобретениях того
времени:
1. Применение электроники в счетно-решающих устройствах,
то есть создание ЭВМ.
2. Создание систем, работающих в режиме разделения ма-
шинного времени между абонентами (СВР).
По мнению И.А. Апокина, создание СВР по своей значимос-
ти не уступает созданию ЭВМ, поскольку обеспечивает прин-
ципиальную возможность массового использования ЭВМ. Суть
СВР заключается в том, что машинное время разбивается на ин-
тервалы, в течение которых ЭВМ поочередно решает задачи всех
абонентов (пользователей). Быстродействие машины намного
больше быстродействия человека. Поэтому ЭВМ общается со мно-
жеством медленных партнеров, а каждому партнеру кажется, что
ЭВМ общается только с ним.
По мнению Г.С. Альтшуллера, в этом — одном из самых зна-
чимых изобретений радиоэлектроники того времени — присут-
ствуют практически все элементы ТРИЗ. Противоречие — ма-
шина должна работать быстро, чтобы не простаивать, и машина
должна работать медленно, потому что ее партнер медленный.
Стремление к идеальности — идеально, если машина работает с
максимальной скоростью без простоев. Закон согласования рит-
мики частей. Прием разрешения — объединение (вместо одного
человека много людей).
Те же аналогии имеют место и в менее значимых (небольших)
изобретениях. Несколько особняком стоят схемные решения. Но
и схемные решения — это те же обычные тризовские задачи, тре-
бующие применения тризовских методов, приемов и (часто) фи-
зических эффектов. Усовершенствование имеющихся схем или
даже синтез новых схем — аналогично усовершенствованию и
созданию новых механических систем, например проектирова-
нию и расчету балок. В качестве примера Г.С. Альтшуллер при-
водит задачу об измерении диаметра шлифовального круга, ра-
ботающего внутри цилиндра. Вместо громоздкой и малоэффек-
тивной схемы нужно было предложить новую, более совершенную
электрическую схему. Задача была решена в общем виде «меха-
ническим» способом. А переход от механики к электричеству (про-
водникам, полупроводникам и др.) специалистами был осуще-
ствлен очень просто и очень быстро.
Выводы основоположника ТРИЗ таковы: «Технические сис-
темы едины по своей материальной сущности. Их развитие в оди-
наковой степени подчинено законам диалектики. В машиностро-
ении главный материал — железки, в химии — молекулы, в ра-
диотехнике — электроны, ионы, поля, но все это в принципе
одна и та же материя. Постепенно будут накапливаться данные
об «областных» отличительных особенностях. Мне кажется, что
они вместе с тем будут укреплять представление о единстве явле-
ний материального мира».
10.1.2. Термостат
Прием разрешения технических противоречий «использовать
обратную связь» был выявлен в результате анализа патентного
фонда, включающего преимущественно «механические» изобре-
тения. В этой области данный прием — равный среди равных. А
вот в области радиотехники он, пожалуй, занимает главенствую-
щее положение. Схемотехникам не нужно «копаться» в патент-
ном фонде, выискивая такой прием среди множества других, хотя
бы потому, что они используют его в своей работе постоянно.
Самый простой термостат (устройство для поддержания по-
стоянной температуры) состоит из нескольких основных элемен-
тов: собственно камера, нагреватель и биметаллическая пластина
(датчик и одновременно исполнительный механизм). В зависи-
мости от того, какова температура внутри термостата, биметал-
лическая пластина замыкает или, наоборот, размыкает контакты
в цепи нагревателя. Таким способом реализуется отрицательная
обратная связь. Та самая обратная связь, которая в отличие от
положительной обратной связи обеспечивает автоматическое под-
держание регулируемых физических характеристик на требуемом
уровне. Возможны вариации. Например, чтобы защитить кон-
такты от больших токовых нагрузок и, как следствие, от эрози-
онного износа в эту схему «просится» реле. Другой вариант —
использовать вместо биметаллической пластины контактный тер-
мометр. В этом случае схема управления будет еще сложнее.
Системы автоматического регулирования, реализованные с
использованием умных материалов (см. гл. 8), реализуются го-
раздо проще (идеальнее), поскольку такие материалы способны
одновременно выполнять сразу несколько функций, в том числе
и управлять сами собой. Но в их работе прослеживается все та же
отрицательная обратная связь.
Работа современных автоматизированных систем управления
(АСУ), наоборот, гораздо сложнее, чем работа простейшего тер-
мостата. Сложнее потому, что они более функциональны. Но, не-
смотря на существенные различия в сложности исполнения, их
объединяет с термостатом все та же отрицательная обратная связь.
Обратная связь реализуется не только в системах автомати-
ческого регулирования, но и в других схемно-технических реше-
ниях, например в измерительных схемах.
Обратная связь используется не только на макроуровне (в
электрических схемах). Элементы обратной связи явно присут-
ствуют и в работе тех элементов, на базе которых реализуются
эти схемы. Когда-то это были электронные лампы, чуть позже —
дискретные элементы полупроводниковой техники, ныне — те
же полупроводниковые элементы, реализуемые на принципиально
ином уровне (микроуровне) в интегральных микросхемах.
В процессе этой реализации вновь возникает обратная связь, но
несколько иного рода. В электрических схемах на базе дискретных
радиоэлементов обычно отдается предпочтение пассивным радио-
элементам, поскольку они дешевле. В микроэлектронике главенству-
ющий принцип другой — разместить в одном и том же объеме как
можно больше радиоэлементов. Пассивные радиоэлементы (резис-
торы, конденсаторы) гораздо больше, чем активные (транзисторы,
диоды). Поэтому приоритеты изменились. Сработала обратная связь,
и в современной радиоэлектронике (микроэлектронике) главенству-
ющее положение занимают уже не пассивные, а активные радиоэле-
менты. И, характеризуя достижения современной микроэлектрони-
ки, обычно говорят о количестве транзисторов (активных элемен-
тов), которые можно разместить в единице объема кристалла.
10.1.3. Net
Интернет, или иначе всемирная паутина, — не менее важное изоб-
ретение современности, чем ЭВМ (в современном звучании пер-
сональный компьютер) и СВР. Благодаря этому изобретению для
человека принципиально изменился смысл таких понятий, как
время и пространство. Об одном из направлений «радиотехничес-
кого» развития внутри этого масштабного изобретения подробнее.
10.1.3.1. Размышления о физическом смысле
Небольшое «лирическое» отступление о физическом смысле. Это
очень хорошо, когда за тем или иным явлением, той или иной
формулой, тем или иным графиком виден физический смысл.
К сожалению, обнаружить этот физический смысл удается не все-
гда. И даже если он обнаружен, не так-то просто его представить.
Иногда для того, чтобы решать прикладные задачи, прихо-
дится логарифмировать вольты, килограммы и т. д. Физический
смысл таких «понятий» найти невозможно. И в то же время опе-
рировать такими понятиями приходится, поскольку, например,
логарифмируя экспоненту, можно получить прямую линию. А о
линейной зависимости мечтают все. Ее очень легко обсчитать.
Алгоритмы программ, в которых используются такие зависимос-
ти, гораздо проще и т. д. Преимуществ не перечесть.
Глава 10. Взгляд со стороны
Что такое электрический ток? Говорят, что это всего лишь
направленное движение электрических зарядов. В металлах под
электрическими зарядами понимаются электроны. Кто-то гово-
рит, что ему все ясно. А кто-то — нет. И тех и других можно
понять. Во-первых, с тем, что такое электрон, полной ясности
нет и, наверное, еще долго не будет. Что это, абстракция, кото-
рая позволяет довольно убедительно объяснить некоторые явле-
ния, или реально существующие «образования» материи. Как это
так, электрон — частица и одновременно волна? Чтобы совмес-
тить эти два понятия в одном человеческом мозгу, следует силь-
но потрудиться, и результат такого труда — непредсказуем.
И все-таки представить физический смысл постоянного элек-
трического тока, если отвлечься от философских рассуждений,
довольно просто. В металлах — это однонаправленное движение
электронов. В электролитах чуть сложнее — это движение по-
ложительно заряженных частиц (катионов) и отрицательно заря-
женных частиц (анионов) навстречу друг другу. Гораздо труднее
представить «движение без движения». Таким способом реализу-
ется дырочная проводимость в полупроводниках. Как это так —
дырки остаются на месте, а проводимость имеет место?
Не менее сложно объяснение физического смысла перемен-
ного электрического тока. Полярность постоянно изменяется
на противоположную, а проводимость все равно имеет место!
И, наконец, еще сложнее понять (допустить), что по одному про-
воду можно «запустить» несколько разновидностей этого перемен-
ного электрического тока таким образом, чтобы они абсолютно не
мешали друг другу. Оказывается, можно. А для объяснения того,
как это может быть сделано, специалисты-электронщики обыч-
но используют свои специфические технические термины (мо-
дуляция, несущая частота и т. д.).
10.1.3.2. Размышления об идеальности
Об идеальности. Идеальность бывает разная: общая и локальная;
на макроуровне и на микроуровне и т. д. и т. п.
Волоконная оптика является идеальной средой для цифро-
вых технологий передачи данных. Японская компания Kasai
Electric недавно разработала технологию высокоскоростной пе-
редачи данных по этой идеальной среде (оптоволоконному кабе-
лю), позволяющую передать двухчасовой фильм всего за полсе-
кунды! Скорость передачи данных составила 1 Тбит в секунду [3].
К преимуществам такого способа передачи данных относится еще
и отсутствие манипуляций по преобразованию цифрового сигна-
10.1. ТРИЗ в
ла в аналоговый сигнал и обратно. Как следствие, переданный
сигнал и принятый сигнал очень похожи друг на друга. Чего нельзя
сказать об альтернативных методах передачи информации.
Но, нет в жизни совершенства... Уж очень этот оптический
кабель дорогой. Количество пользователей Интернета растет по
геометрической прогрессии. Хотелось бы связать их всех в еди-
ную идеальную сеть, но это очень и очень дорого. Для повыше-
ния другой идеальности (экономической идеальности) правиль-
нее всего было бы использовать внутренние ресурсы системы.
Первый шаг на пути повышения такой идеальности — ис-
пользование для размещения волоконного кабеля существующих
опор высоковольтных линий [3]. Экономический эффект в дан-
ном случае не может быть меньше суммарной стоимости опор и
затрат на их установку.
Чуть дальше в направлении повышения идеальности шагну-
ли специалисты ЗАО «Севкабель-Оптик», которые разработали
комбинированный кабель для создания гибридных сетей элект-
роснабжения и связи [4]. Заявка на получение патента на комби-
нированный кабель — провод (волокно + самонесущий провод),
одновременно выполняющий функции фазного провода (до 10 кВ)
и оптического кабеля связи, — была подана ими в 2004 г. Такой
провод получился в результате обычного объединения в единое
целое двух принципиально разных проводников. Но, думаю, что
изобретателям пришлось решить еще немало изобретательских
задач, чтобы эти провода (точнее, сигналы, передаваемые по ним)
по меньшей мере не мешали друг другу.
Следует отметить, что такого рода кабели появились именно
тогда, когда они должны были появиться. Дело в том, что основу
распределительных сетей электроснабжения России составляют
воздушные линии электропередачи напряжением до 10 кВ, пост-
роенные в 1960—1970 годах. Они давно отработали свой ресурс и
сейчас требуют замены.
По логике технического развития (но не по временной пос-
ледовательности) за этим шагом следует другое событие — пере-
дача электрической энергии и информации по одному проводу.
Попытки передачи данных по электрическим проводам осуще-
ствлялись уже достаточно давно — в начале прошлого века. Еще
в 1922 году в СССР была осуществлена передача данных по ли-
ниям электропередачи на высокой частоте [5]. Поэтому словосо-
четание «высоковольтный Интернет» ныне никого не шокирует.
Федеральная комиссия электросвязи США (FCC) уже одобрила
со стороны
технологию передачи данных по высоковольтным линиям элект-
ропередачи [6]. Американцы утверждают, что благодаря повсе-
местному распространению линий электропередачи по террито-
рии США наступает эпоха по-настоящему массовой и недорогой
сети и вместе с тем — быстрого и дешевого доступа в Интернет.
К сожалению, того же самого о России пока сказать нельзя. Элек-
трические сети в нашей стране находятся в таком состоянии...
Казалось бы, с точки зрения такого рода идеальности это —
самый идеальный вариант. Нет. Еще более идеально техническое
решение, в котором передаваемый по высоковольтным линиям
информационный сигнал используется кроме всего прочего для
диагностики состояния самих высоковольтных линий [7].
10.1.4. Загадочное слово
Драйвер. Что это такое? Берем Советский энциклопедический
словарь [8]. Увы, самое подходящее место для этого слова (между
«драже» и «Джоном Драйденом») пустует. Нет этого слова в эн-
циклопедическом словаре «Электроника» [9]. Не нашлось места
этому слову и в словаре иностранных слов [10], хотя иностран-
ное (англоязычное) его происхождение не вызывает никаких со-
мнений. Причина проста, словари, которые использовал автор,
как минимум двадцатилетней давности. В наши дни этим словом
свободно оперируют школьники, их родители и даже родители
их родителей, правда, чаще всего не вникая в смысл этого слова.
И все же, что такое драйвер? Если воспользоваться услугами
Интернета, то ответ на данный вопрос можно получить просто и
быстро [11]. Драйвер (driver) — это комплекс программ, выпол-
няющих интерфейсные и управляющие функции.
Драйвер устройства (device driver) — программа, написанная
специально для конкретного периферийного устройства с целью
обеспечить управление этим устройством со стороны операци-
онной системы.
Драйвер принтера (printer driver) — программа, которая спо-
собна переводить стандартные команды печати компьютера в
специальные команды конкретного принтера.
Драйвер протокола (protocol driver) — драйвер, предоставля-
ющий базовые услуги остальным уровням сети, «замыкающий на
себя» подробности фактической реализации:
• управления сеансом;
• службы дейтаграмм;
• сегментации данных и т. д.
10.2. ТРИЗ в программировании
Есть и другие разновидности драйверов.
Перейдем от драйверов к дисплеям — к другому иноязычно-
му слову на ту же букву. Двадцать лет назад это слово ассоцииро-
валось преимущественно с электронно-лучевой трубкой. Сейчас
электронно-лучевые трубки доживают последние дни. Производ-
ство таковых для использования в паре с персональным компью-
тером уже прекращено. На очереди — телевидение. Мы же пого-
ворим о дисплеях малых размеров. Для изготовления дисплеев
малых и средних размеров (до 10 дюймов) обычно используются
3 технологии. Это активно-матричные (AM) технологии, пассив-
ные SNT-дисплеи и органические светодиодные экраны (OLED).
Более половины SNT-дисплеев используется в сотовых телефо-
нах. На ухудшение характеристик SNT-дисплеев с высоким уров-
нем мультиплексирования и большими габаритами сильно влия-
ют падения напряжений на строках и столбцах, наличие матрицы
RC-цепей, изменение реактивного сопротивления в зависимос-
ти от изображения и многое другое. Потенциальных изобрета-
тельских задач — море.
Где же логическая связь между «философскими» рассуждения-
ми о загадочном слове и характеристиками SNT-дисплеев? Она
существует. В ФГУП НИИ «Пульсар» разработаны драйверы, ко-
торые примерно в 100 раз уменьшают влияние этих факторов [12].
В них используется техническое решение (патент РФ № 2146393),
в соответствии с которым для подавления искажений формы уп-
равляющих сигналов на протяженных элементах и переменных
емкостях экрана используются постоянные корректирующие
предискажения (амплитудные и временные сдвиги) в исходных
управляющих сигналах. Результаты этой разработки планируется
использовать при изготовлении SNT-экранов малых, средних и
больших размеров.
А где же логическая связь этого решения на этот раз с ТРИЗ?
И эта связь существует! При более детальном рассмотрении сути
этого технического решения ничего иного, кроме радиотехни-
ческой интерпретации нескольких типовых приемов разрешения
технических противоречий, не видится.
10.2. ТРИЗ в программировании
Когда-то вся радиотехника была аналоговой. Где-то далеко в годы
учебы в институте на занятиях по промышленной электронике
автору приходилось моделировать химические реакции первого,
со стороны
второго и прочих порядков. Аналоговым ЭВМ это очень хорошо
удавалось, но не более того. Цифровые ЭВМ в те годы были
доступны только избранным. Ныне цифровая электроника прак-
тически вытеснила аналоговую. Как следствие, программирова-
ние стало в какой-то степени ее обязательным разделом. И пре-
вращение «электронщика» в программиста ныне случается очень
часто. Обратный переход гораздо менее вероятен.
К сожалению, с программированием автор знаком примерно
так же, как и большая часть читателей, на уровне пользователя
программными продуктами. Поэтому постараюсь всего лишь по
мере возможностей без искажений изложить некоторые матери-
алы дискуссии на тему «ТРИЗ и программирование», имеющей
место в Интернете [13].
Мнения, как это всегда бывает, или правильнее как это дол-
жно быть, самые разные. Кто-то говорит, что ТРИЗ в програм-
мировании нет и никогда не будет, а кто-то приводит реальные
примеры использования элементов ТРИЗ в программировании
[14—17]. О каких же элементах ТРИЗ идет речь? Противоречия,
противоречия и еще раз противоречия. А где противоречия —
там и разрешение этих противоречий.
Несколько примеров противоречивых ситуаций [14].
Пример 1-------------------------------------------------
Программа для просмотра документов должна отображать цвет
фона, который задан в документе, и должна отображать цвет фона,
заданный в настройках самой программы.
Пример 2-------------------------------------------------
В момент запуска программы заставка с анимацией должна по-
являться, чтобы презентовать продукт, и не должна появляться,
чтобы не раздражать пользователя.
Пример 3-------------------------------------------------
Программа должна содержать много разных опций для более точ-
ной настройки и не должна содержать много разных опций, что-
бы не утомлять пользователя.
Пример 4-------------------------------------------------
Среда для разработки программ должна представлять проект в виде
набора файлов, чтобы пользователь имел возможность оперировать
файлами, и должна представлять проект в виде набора классов, чтобы
пользователь имел возможность оперировать классами.
10.2. ТРИЗ в
Все эти примеры имеют отношение к программированию. Но
задачи 1, 2 в какой-то степени уходят в надсистему, поскольку их
решения могут быть найдены и вне непосредственного процесса
программирования. Задача 3 — пограничная. Она может быть
решена и «вверху», и «внизу». А вот последняя задача, очевидно,
имеет отношение только к процессу программирования.
Это всего лишь частные случаи. Есть и общие. Когда-то в
эпоху ОЗУ объемом 64К главным противоречием в программи-
ровании была нехватка памяти. С этой проблемой не раз прихо-
дилось сталкиваться и автору при разработке алгоритмов про-
грамм для средств измерений. (Разрабатывать алгоритмы мне все
же приходилось, но не более того). Ныне, когда ограничения на
память и на производительность практически отсутствуют, ак-
цент сместился на «непрозрачность программ, запутанность и
корявость алгоритмов и т. д.». Но несмотря на это стремление
сэкономить, «действия, классы, силы, варианты и в итоге мыш-
ление» не утратили своей актуальности. Реальные примеры ис-
пользования элементов ТРИЗ для решения изобретательских за-
дач в области программирования, объединенных общей целью
минимизации затрат, можно посмотреть опять-таки на сайте [14].
Некоторые размышления участников дискуссии явно выхо-
дят за пределы узкопрофессионального обсуждения. Интересен
фрагмент одного письма: «Когда удается что-то сделать в про-
граммировании нетривиального, то, как правило, исходя из дру-
гих, не тризовских соображений. Но вот что интересно — потом,
задним числом, видишь, что выбранное таким гарантированно
нетризовским способом решение почему-то всегда соответствует
какому-то тризовскому принципу, но не наоборот. Если делать
программы изначально только по тризовским принципам, то они
могут умереть, не родившись, и практически гарантированно не
будут иметь коммерческого успеха».
Противоречия явно присутствуют в этих умозаключениях:
1. Новое (нетривиальное) создается по законам ТРИЗ и одно-
временно не создается по законам ТРИЗ.
2. Новое (нетривиальное) можно создавать, зная законы раз-
вития, и одновременно нельзя создавать.
Можно сформулировать и психологическое противоречие.
Автор верит в эффективность ТРИЗ и не верит в эффектив-
ность ТРИЗ.
Как их разрешить? Скорее всего, нужно начать с psychological
contradiction — победить неверие в самом себе. А там недалеко до
так желаемой инверсии. И ТРИЗ окажется «впереди паровоза», а
не позади его. Тем более что примеров более чем достаточно.
со стороны
И в заключение другой фрагмент дискуссии: «Искусство про-
граммирования — это и есть ТРИЗ, только без магических клю-
чевых слов. И профессиональные программисты интуитивно дей-
ствуют именно по тризовским алгоритмам. Лично для меня глав-
ная цель применения ТРИЗ в программировании — сделать так,
чтобы программирование стало больше наукой нежели искусст-
вом». И не только для вас. Сделать изобретательство не искусст-
вом, а наукой — такая цель стояла и стоит перед ТРИЗ в целом.
Желающим получить более подробную информацию об ис-
пользовании элементов ТРИЗ в программировании из первых
рук рекомендую посетить страничку в Интернете [18]. На этой
страничке Дмитрием Писаренко собраны ссылки на профессио-
нальные публикации в этой области.
Литература
1. http://www.urazaev.narod.ru
2. http://www.altshuller.ru/triz/investigations6.asp//Альтшуллер Г.С.
О применении АРИЗ к электронике, радиотехнике и схемным
задачам.
3. http://www.cnews.ru/news/line/index.shtml72005/10/28/190754
4. http://www.sevcable.ru
5. http://www.3dnews.ru/communication/edimaxhp
6. http://www.cyberinfo.rU/l/783-l.htm
7. http://www.promsvyaz.perm.ru
8. Советский энциклопедический словарь / Гл. редактор
А.М. Прохоров. — М.: Сов. энциклопедия, 1989.
9. Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. редактор
В.Г. Колесников. — М.: Сов. энциклопедия, 1991.
10. Словарь иностранных слов. — М. Русский язык, 1986.
11. http://slovari.yandex.ru
12. Средства отображения информации: современные разра-
ботки и рынок России. Научно-практический семинар // Элект-
роника: НТВ, 2005, № 8.
13. http://www.trizland.ru/forum/read.php?f= 18&i=240&t=240
14. http://www.triz-ri.ru/themes/method/creative/creative50.asp
15. http://www.triz-ri.ru/themes/method/creative/creative51 .asp
16. http://www.triz-ri.ru/themes/method/creative/creative52.asp
17. http://www.triz-ri.ru/themes/method/creative/creative56.asp
18. http://dapissarenko.com/resources/2005_08_23_progTriz/
index.html
balailausqil
ГЛАВА 11
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХИРОМАНТИЯ
Пять — это достаточно хорошее прибли-
жение к бесконечности.
Законы Мерфи
11.1. Куда катится колесо?
Глядя на рельсы, никогда не угадаешь, в ка-
кую сторону прошел поезд.
Законы Мерфи
Прогнозирование развития технических систем — самая коммер-
чески привлекательная область использования ТРИЗ. Зарабаты-
вать деньги было бы очень легко, если бы развитие технических
систем происходило по единому (одному) закону. Сделать про-
гноз в этом случае можно было бы довольно просто. Но, к сожа-
лению, число этих законов уже приближается к цифре 20. По-
этому прогнозирование в какой-то степени аналогично решению
системы 20 уравнений с 20 неизвестными. В математике такие
уравнения решаемы, вопрос лишь в трудоемкости этого реше-
ния. Вне математики можно говорить лишь о приближенных ре-
шениях. Может получиться и так, что цифра «пять» будет доста-
точно хорошим приближением к бесконечности. Насколько та-
кие решения окажутся близкими к действительности — зависит
от методики проведения прогноза, мастерства конкретного ис-
полнителя прогноза и многих-многих других причин.
Владимиром Петровым предлагается следующая технология
проведения прогноза [1]. Прогнозирование проводится последо-
вательным использованием отдельных законов, закономернос-
тей, механизмов осуществления законов развития технических
систем и стандартов на решение изобретательских задач по опре-
деленной схеме. Если применение различных законов и стандар-
тов подсказывает решения, противоречащие друг другу, то для
разрешения этого противоречия привлекается АРИЗ или другие
инструменты ТРИЗ. Кроме того, полученные решения согласу-
ются с надсистемой и подсистемами. Если при этом вновь воз-
никают несогласованности (противоречия), то для их разреше-
ния вновь привлекаются инструменты ТРИЗ.
Юрий Даниловский использует в своей предсказательской
деятельности еще более сложные алгоритмы. На сайте [2] им был
приведен прогноз развития обыкновенного пылесоса. И, судя по
тому, что через некоторое время он стал «изобретать пылесос» в
компании Samsung Electronics, очень даже удачный прогноз.
На сайте [3] опубликованы сразу два прогноза развития: ко-
леса (Николай Шпаковский) и зубной щетки (Елена Новицкая).
Суперсложные алгоритмы в данном случае не использовались,
но линии развития объектов изобретательства от этого менее
интересными не стали. В части изобретательства колеса эстафету
у Николая Шпаковского подхватил еще и И.В. Морозов [4].
И все же мне почему-то кажется, что самые интересные, са-
мые профессиональные прогнозы развития прячутся ныне «за
семью замками», являются объектами коммерческой тайны. По-
скольку автор не обладает ключами к этим замкам, ему не оста-
ется ничего другого, кроме как выложить свой всего лишь полу-
профессиональный прогноз (прогноз развития печатных плат —
основного конструктивного элемента современной радиоэлект-
ронной аппаратуры).
11.2. Печатные платы — линии развития
Лучший способ догадаться, что будет, —
припомнить, что уже было.
Маркиз Галифакс
11.2.1. Историческая справка
Печатная плата — пластинка из электроизоляционного материа-
ла (гетинакса, текстолита, стеклотекстолита, и др.), на поверхно-
сти которой каким-либо образом (например, фотохимическим)
нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные провод-
ники) с контактными площадками для подсоединения навесных
электро- и радиоэлементов (в том числе модулей и интегральных
схем). Эта формулировка дословно взята из политехнического
словаря [5]. Гораздо более универсальна формулировка, предло-
женная в монографии [6]. Под печатной платой понимается кон-
струкция электрических межсоединений на изоляционном осно-
вании.
11.2. Печатные платы — линии развития 227jj)
Основные конструктивные элементы печатной платы — ос-
нование (подложка) и проводники. Эти элементы необходимы и
достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной пла-
той. Круг второстепенных элементов несколько шире: контакт-
ные площадки, переходные металлизированные и монтажные
отверстия, ламели для контактирования с разъемами, участки для
осуществления теплоотвода и др.
Переход к печатным платам ознаменовал качественный ска-
чок в области конструирования радиоэлектронной аппаратуры.
Печатная плата совмещает функции носителя радиоэлементов и
электрического соединения этих элементов. Последняя функция
будет невыполнимой, если между проводниками и иными про-
водящими элементами печатной платы не будет обеспечен дос-
таточный уровень сопротивления изоляции. Следовательно, под-
ложка печатной платы должна выполнять еще и функцию изоля-
тора.
Говорят, что первенство в разработке печатных плат принад-
лежит немецкому инженеру Альберту Паркеру Хансону [7]. Хан-
сон предложил формировать рисунок печатной платы на медной
фольге вырезанием или штамповкой. Далее элементы проводя-
щего рисунка приклеивались к диэлектрику, например к пропа-
рафиненной бумаге. Первая заявка в патентное ведомство Гер-
мании была подана Хансоном в 1902 году. С тех пор прошло
больше ста лет. Все эти годы конструкции и технологии изготов-
ления печатных плат постоянно совершенствовались. В процес-
се этого совершенствования принимали участие великое множе-
ство изобретателей, в том числе всемирно известный изобрета-
тель Томас Эдисон и гораздо менее известный изобретатель —
автор этой книги. Томас Эдисон предложил формировать токо-
проводящий рисунок посредством адгезивного материала, содер-
жащего графитовый или бронзовый порошки. В другом варианте
токопроводящий рисунок наносился раствором азотнокислого
серебра, которое затем восстанавливалось до металла.
В двадцатых—тридцатых годах прошлого века было выдано
множество патентов на конструкции печатных плат и способы
их изготовления. Первые методы изготовления печатных плат
были преимущественно аддитивными (развитие идей Томаса
Эдисона). Но в современном виде печатная плата появилась бла-
годаря использованию технологий, заимствованных из полигра-
фической промышленности. Печатная плата — прямой перевод с
английского полиграфического термина printing plate (печатная
хиромантия
форма или матрица). Поэтому подлинным «отцом печатных плат»
считается австрийский инженер Пауль Эйслер. Он первым при-
шел к выводу, что полиграфические (субтрактивные) технологии
могут быть использованы для массового производства печатных
плат. В субтрактивных технологиях изображение формируется
путем удаления ненужных фрагментов. Пауль Эйслер отработал
технологию гальванического осаждения медной фольги и ее трав-
ления хлорным железом. Технологии массового производства
печатных плат оказались востребованными уже во время Второй
мировой войны. А с середины 50-х годов началось становление
печатных плат как конструктивной основы радиоаппаратуры не
только военного, но и бытового назначения.
11.2.2. Точка—линия—плоскость—объем— ...?
Начнем с линии. Самый дальний предшественник печатных
плат — обычный провод, чаще всего изолированный. Все функ-
ции печатной платы он выполнять не мог. Поэтому «для оказа-
ния технической помощи» привлекались еще и какие-либо но-
сители, на которые устанавливались радиоэлементы. Все это вме-
сте называлось объемным монтажом.
Печатная плата стала основным конструктивным элементом
современной радиоэлектронной аппаратуры. При этом был осу-
ществлен переход от линии (линий) к плоскости. Односторон-
няя печатная плата — есть пластина, на одной стороне которой
размещены проводники, выполненные печатным способом. В двух-
сторонних печатных платах проводники заняли и пустующую
изнаночную сторону этой пластины. А для их соединения были
предложены разнообразные варианты, среди которых наиболее
прижились переходные металлизированные отверстия. Фрагменты
конструкции самых простых односторонних и двусторонних пе-
чатных плат приведены на рис. 11.1.
Переход от односторонних печатных плат к двусторонним был
первым шагом на пути перехода от плоскости к объему. Если
абстрагироваться (мысленно отбросить подложку двухсторонней
печатной платы), получится объемная конструкция проводни-
ков. Причем этот шаг был сделан довольно быстро. В заявке Аль-
берта Хансона уже было указано на возможность размещения
проводников по обеим сторонам подложки и соединения их с
использованием сквозных отверстий.
Окончательный переход к объему произошел в результате
перехода от одно- или двусторонних печатных плат к многослой-
ftataHausf^.
11.2. Печатные платы — линии развития
1
Рис. 11.1. Фрагменты конструкции односторонней (1) и двухсторонней
(2) печатных плат:
1 — монтажное отверстие; 2 — контактная площадка; 3 — проводник;
4 — диэлектрическая подложка; 5 — переходное металлизированное
отверстие.
ным печатным платам. Фрагмент конструкции современной мно-
гослойной печатной платы приведен на рис. 11.2. Проводники в
таких печатных платах размещаются не только на поверхности,
но и в объеме подложки. При этом сохранилась слойность рас-
положения проводников относительно друг друга (следствие
использования планарных полиграфических технологий). Слой-
Рис. 11.2. Фрагмент конструкции многослойной печатной платы:
1 — сквозное металлизированное отверстие; 2 — глухой микропереход;
3 — скрытый микропереход; 4 — диэлектрические слои; 5 — скрытые
межслойные отверстия; 6 — контакт тые площадки.
ность неизбежно присутствует в названиях печатных плат и их
элементов — односторонняя, двусторонняя, многослойная и др.
Слойность реально отражает конструктив и соответствующие это-
му конструктиву технологии изготовления печатных плат.
Планарные (плоскостные) технологии стали основой и изде-
лий микроэлектроники, изделий, носителями которых являются
современные печатные платы. По скорости осуществления про-
цессов микроминиатюризации микросхемы существенно опере-
жают своих прародителей. Поэтому, прежде чем заглядывать в
будущее печатных плат, возникает естественное желание посмот-
реть, в каком направлении развиваются современные простран-
ственные конфигурации лидеров. А в области микроэлектрони-
ки реалии таковы: намечается уход от планарных технологий и
соответственно планарных конструкций. Первый звонок прозву-
чал несколько лет назад. МОП-транзисторы верой и правдой слу-
жили с начала 60-х годов прошлого века. В конце 2001 года раз-
работчики фирмы Intel доказали возможность изготовления
таких транзисторов с минимальными размерами элементов 15 нм.
При этом был сделан вывод, что это предел. Дальнейшее умень-
шение размеров физически невозможно. Однако чуть позже ре-
шение все-таки было найдено. Был осуществлен прыжок из плос-
кости в трехмерное пространство [8]. Трехзатворный транзистор
представляет собой трехмерный прибор, в котором затвором слу-
жит приподнятая область с токопроводящими линиями, нане-
сенными на три ее стороны. Такая структура позволила практи-
чески в три раза увеличить область пропускания тока, не зани-
мая при этом лишнюю площадь кристалла. Кроме того, благодаря
трехмерной структуре ток утечки у таких транзисторов стал мень-
ше, чем у обычных планарных транзисторов такого же размера.
Сотрудники Шанхайского института оптики и точной меха-
ники также ушли от традиционной планарной технологии и раз-
работали принципиально новую технологию изготовления трех-
мерных микросхем [9]. В ходе экспериментов ученые добавили в
состав стекла золото в концентрации один к десяти тысячам.
Далее, фокусируя короткий лазерный импульс на определенных
частях стеклянного блока, смещали атомы золота с их начальных
позиций. На завершающем этапе при нагревании до 550 °C полу-
чалась сложная пространственная структура из крошечных золо-
тых шариков. Оказалось, что полученные таким образом трех-
мерные структуры можно «стирать», используя излучение друго-
го лазера, разрушающего золотые микросферы на части. Подобная
11.2. Печатные платы — линии развития
технология может быть использована и для хранения данных —
наличие или отсутствие микросферы в определенной точке будет
задавать значение соответствующего бита. На демонстрации воз-
можностей этой технологии было представлено изображение ба-
бочки, состоящее из миллионов крошечных золотых гранул диа-
метром 7 нм каждая.
Разработчики утверждают, что такая нанотехнология может
быть использована для формирования проводников, электричес-
ких цепей и даже модулей памяти. Использование новых техно-
логий даст возможность уйти от некоторых ограничений, накла-
дываемых на существующие конструкции трехмерных электрон-
ных чипов, получаемых послойным наращиванием плоских
микросхем, снизить их себестоимость и выпускать объемные эле-
менты в массовом порядке.
Развитие конструкций и технологий в микроэлектронике идет
в соответствии с объективно существующим законом развития
технических систем: задачи, связанные с размещением или пере-
мещением объектов, решаются переходом от точки к линии, от
линии к плоскости, от плоскости к трехмерному пространству.
(Интересно, а что будет дальше?) Думаю, что и печатным платам
придется подчиниться этому закону. Потенциальная возможность
реализации таких многоуровневых (бесконечноуровневых) печат-
ных плат имеется. Об этом свидетельствуют богатый опыт ис-
пользования в производстве печатных плат лазерных технологий,
не менее богатый опыт использования лазерной стереолитогра-
фии для формирования трехмерных объектов из полимеров, тен-
денция к увеличению термостойкости базовых материалов и т. д.
Очевидно, такие изделия придется и назвать как-то иначе, по-
скольку название «печатная плата» уже не будет отражать ни их
внутреннего содержания, ни технологии изготовления.
11.2.3. Динамизация
Революционные преобразования в конструктивном исполнении
печатных плат не ограничиваются объемными (статическими)
преобразованиями. Хотя придание динамичности внутреннему
содержанию этого объема — один из вариантов ответа на вопрос,
что же будет дальше. Перейдем к другой, более простой динами-
ке. Для большинства людей печатная плата — это всего лишь
жесткая пластинка. Иногда для такой пластинки находят и дру-
гие применения, например используют в качестве подставки для
чашечки кофе. Настоящее надругательство над высокотехноло-
гичным продуктом современной электроники!
Жесткие печатные платы — самый массовый продукт, ис-
пользуемый в радиоэлектронике, о котором знают практически все.
А о том, что существуют еще и гибкие печатные платы, знают
преимущественно специалисты. Пример — так называемые гиб-
кие печатные кабели. Такие печатные платы выполняют ограни-
ченный объем функций (исключается функция подложки для ра-
диоэлементов). Они служат для объединения обычных печатных
плат, заменяя жгуты. Гибкие печатные платы приобретают элас-
тичность благодаря тому, что их полимерная «подложка» нахо-
дится в высокоэластическом состоянии. Гибкие печатные платы
имеют 2 степени свободы. Их можно свернуть даже в ленту Ме-
биуса.
Необходимость увеличения степеней свободы печатных плат
диктуется не только объективными законами развития техники,
но и субъективными факторами. Так, компанией Nokia был про-
веден конкурс на оригинальный дизайн мобильного телефона
будущего. Победила концепция гибкой пластины, которой мож-
но придавать практически любую форму (скручивать в трубку,
изгибать змейкой, дугой и т. д.) [10]. Как следствие, в таком те-
лефоне должна быть предельно гибкая (жидкая?) батарея, элас-
тичный дисплей... и гибкая печатная плата!
Одну или даже 2 степени свободы, но очень ограниченной,
можно придать и обычным жестким печатным платам, в которых
полимерная матрица подложки находится в жестком — стекло-
образном состоянии. Этого можно достичь, уменьшая толщину
подложки. Так, одним из преимуществ рельефных печатных плат,
изготавливаемых из тонких диэлектриков, называют возможность
придания им «округлости». Тем самым появляется возможность
согласовать их форму и форму объектов (ракет, космических
объектов и др.), в которые их можно поместить. Результат —
существенная экономия внутреннего объема изделий.
Промежуточное положение между жесткими и гибкими пе-
чатными платами занимали «древние» печатные платы, состоя-
щие из жестких элементов, складываемых подобно гармошке [7].
Сложенное состояние таких «гармошек», вероятно, и навело на
мысль о создании многослойных печатных плат. Современные
гибко-жесткие печатные платы реализованы иным способом. Речь
идет преимущественно о многослойных печатных платах. В них
можно совместить жесткие и гибкие слои. Если гибкие слои вы-
11.2. Печатные платы — линии развития
вести за пределы жестких, можно получить печатную плату, со-
стоящую из жесткого и гибкого фрагментов. Другой вариант —
соединение двух жестких фрагментов гибким.
Для формирования гибкого элемента обычно используют по-
лиимиды, полиэфиры и/или их сочетание с ультратонкими сло-
ями эпоксидных ламинатов [11]. В последнем случае эпоксид-
ные ламинаты обеспечивают сопротивление статическому напря-
жению на изгиб, а полиимиды и полиэфиры — динамическому
напряжению.
В некоторых случаях для изготовления гибких печатных плат
используются базовые материалы, позволяющие проводить всего
3—5 циклов сгибания (дешевая недолговечность).
Классификация конструкций печатных плат, основанная на
слойности их проводящего рисунка, охватывает большую часть
конструкций печатных плат, но не всех. Например, для изготов-
ления тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригод-
ным не печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование [12].
Такие «печатные платы» уже имеют 3 степени свободы. Так же,
как и обычная ткань, они могут принимать самые причудливые
очертания и формы.
Тканые печатные платы по ряду причин пока не получили
широкого распространения. А вот их «наследников» ожидает боль-
шое будущее. Это... пригодная для носки тканая материнская плата
компьютера [13]. Получить ткань, содержащую токопроводящие
волокна и/или оптические волокна, не так уж и сложно. Чуть
сложнее оказалось встроить в нее датчики давления, температу-
ры, чипы с датчиками вибрации и др. Не оставили без внимания
«умную ткань» и разработчики электронных компонентов. Ре-
альностью сегодняшнего дня стали полимерные транзисторы,
изготавливаемые непосредственно на волокнах ткани. Такой же
реальностью стали задачи совместимости процессоров и контрол-
леров различных «умных тканей» по отношению друг к другу,
совместимости их программного обеспечения и т. д. Из таких
«печатных плат» планируется изготавливать форму американско-
го солдата будущего. Токопроводящие нити, вплетенные в ткань,
смогут подводить энергию к датчикам, исполнительным меха-
низмам и микроконтроллерам, вплетенным в ту же ткань. Про-
граммное обеспечение будет управлять связью внутри «тканой
сети» (on-fabric network) и поддерживать передачу радиосигналов
ПК, карманному компьютеру или сети Интернет.
Что же дальше?
Традиционные гибкие печатные платы легко изменяют свою
форму, но не размеры (точнее, соотношение размеров). Следую-
щим этапом повышения их гибкости может быть появление гиб-
ких печатных плат, способных не только изгибаться, но и растя-
гиваться. А как же медные проводники? А почему они должны
быть обязательно медными (металлическими)? Аналоги в бли-
жайшей к печатным платам области уже известны. Это растяги-
ваемая портативная клавиатура (Vario Keyboard), предлагаемая
компанией Rast Associates. Эта клавиатура может не только при-
нимать самые разнообразные формы, но и растягиваться. В са-
мом компактном состоянии она не больше почтовой марки, а
при необходимости может растягиваться почти в 10 раз.
Материал подложки традиционных печатных плат находится
в стеклообразном состоянии. Материал подложки гибких печат-
ных плат должен находиться в высокоэластическом состоянии
(промежуточном между стеклообразным и жидким состояниями
полимеров). Вероятно, следующий шаг — переход от высокоэла-
стического состояния к жидкому. Свернуть — некуда. Биологи-
ческий аналог такой печатной платы — человеческий мозг. Если
же объединить воедино «умную ткань» и «умную броню», можно
получить чуть более близкий аналог (прототип?). Умная броня —
это ткань, пропитанная специальной жидкостью STF (Shear
Thickening Fluid). Эластичность такой ткани является функцией
от скорости механического воздействия на нее. Поэтому она мо-
жет быть и жесткой, и мягкой. Обычно — мягкой, иногда (когда
это нужно) — жесткой [14].
11.2.4. Преодоление противоречий
История развития печатных плат, так же как и история развития
техники вообще, есть история неравномерного развития, исто-
рия появления и разрешения противоречий. Несколько фрагмен-
тов из этой истории подробнее.
Печатные платы, изготавливаемые методом металлизации
сквозных отверстий, несмотря на их широчайшее применение,
обладают очень серьезным недостатком. С конструктивной точ-
ки зрения самое слабое звено таких печатных плат — места со-
единения металлизированных столбиков в переходных отверсти-
ях и проводящих слоев (контактных площадок). Соединение ме-
таллизированного столбика и проводящего слоя идет по торцу
контактной площадки. Длина такого соединения определяется
11.2. Печатные платы — линии
толщиной медной фольги и обычно составляет 35 мкм и даже
менее того. Гальванической металлизации стенок переходных
отверстий предшествует стадия химической металлизации. Хими-
ческая медь в отличие от гальванической более рыхлая. Поэтому
соединение металлизированного столбика с торцевой поверхнос-
тью контактной площадки происходит через промежуточный, бо-
лее слабый по прочностным характеристикам, подслой химичес-
кой меди. Коэффициент термического расширения стеклотек-
столита гораздо больше, чем у меди. При переходе через
температуру стеклования эпоксидной смолы разница резко воз-
растает. При термических ударах, которые по самым разным при-
чинам испытывает печатная плата, это соединение подвергается
очень большим механическим нагрузкам и... рвется. Как след-
ствие, разрывается электрическая цепь и нарушается работоспо-
собность электрической схемы.
В многослойных печатных платах повышение надежности
внутренних переходов можно достичь введением дополнитель-
ной операции — подтрава (частичного удаления) диэлектрика в
переходных отверстиях перед проведением металлизации. В этом
случае соединение металлизированных столбиков с контактны-
ми площадками осуществляется не только по торцу, но и частич-
но по внешним кольцевым зонам этих площадок (рис. 11.3).
Более высокой надежности металлизированных переходов
многослойных печатных плат удалось добиться при использова-
нии технологии изготовления многослойных печатных плат ме-
тодом послойного наращивания (рис. 11.4). Соединения между
проводящими элементами печатных слоев в этом способе осу-
Рис. 11.3. Межслойные переходы в многослойных печатных платах:
а — без подтрава диэлектрика; б — с подтравом диэлектрика.
1 — диэлектрик; 2 — контактная площадка внутреннего слоя; 3 — хи-
мическая медь; 4 — гальваническая медь
1
2
3
4
Рис. 11.4. Фрагмент конструкции многослойной печатной платы, изго-
товленной методом послойного наращивания:
1 — межслойный переход; 2 — проводник внутреннего слоя; 3 — мон-
тажная контактная площадка; 4 — проводник наружного слоя; 5 — ди-
электрические слои.
ществляются гальваническим наращиванием меди в отверстия
слоя изоляции. В отличие от метода металлизации сквозных от-
верстий в данном случае переходные отверстия заполняются ме-
дью целиком. Площадь соединения между проводящими слоями
становится гораздо больше, да и геометрия — иная. Разорвать
такие соединения не так-то просто. И все-таки эта технология
также далека от идеальности. Переход гальваническая медь—хи-
мическая медь—гальваническая медь все равно остается.
Печатные платы, изготовленные методом металлизации сквоз-
ных отверстий, должны выдерживать не менее 4 (многослойные
не менее 3) перепаек. Рельефные печатные платы допускают го-
раздо большее число перепаек (до 50). По мнению разработчи-
ков, металлизированные переходы в рельефных печатных платах
не понижают, а даже повышают их надежность. Чем же вызван
такой резкий качественный скачок? Ответ прост. В технологии
изготовления рельефных печатных плат проводящие слои и со-
единяющие их металлизированные столбики реализуются одно-
временно в едином технологическом цикле (рис. 11.5). Поэтому
отсутствует переход: гальваническая медь — химическая медь —
гальваническая медь. Но такой высокий результат был получен
путем отказа от самой массовой технологии изготовления печат-
Рис. 11.5. Фрагмент конструкции рельефной печатной платы:
1 — диэлектрическая подложка; 2 — сквозное металлизированное от-
верстие; 3 — проводник; 4 — медь; 5 — припой.
11.2. Печатные платы — линии развития
ных плат, в результате перехода к другому конструктиву. Отка-
заться от метода металлизации сквозных отверстий по многим
причинам нежелательно. Как же быть?
Ответственность за образование барьерного слоя на стыке
торцов контактных площадок и металлизированных пистонов в
основном ложится на технологов. Они же эту проблему смогли и
разрешить. Революционные изменения в технологию изготовле-
ния печатных плат внесли методы прямой металлизации отвер-
стий [15]. Прямая металлизация отверстий исключает стадию
химической металлизации, ограничиваясь только предваритель-
ной активацией поверхности. Причем процессы прямой метал-
лизации реализуются таким образом, что проводящая пленка
образуется только там, где это нужно — на поверхности диэлек-
трика. Как следствие, барьерный слой в металлизированных пе-
реходах печатных плат, изготовленных методом прямой металли-
зации отверстий, просто отсутствует. Не правда ли, красивый
способ разрешения технического противоречия?
Используя терминологию ТРИЗ, можно сказать, что в дан-
ном случае техническое противоречие задачи было разрешено
стандартным методом (разнесение противоречивых требований
в пространстве). Тот же метод стал основой для преодоления тех-
нического противоречия другой изобретательской задачи, также
имеющей отношение к металлизации переходных отверстий [16].
Металлизируемые отверстия могут стать слабым звеном печат-
ных плат по другой причине. Толщина покрытия стенок пере-
ходных отверстий в идеале должна быть равномерной по всей их
высоте. Иначе вновь возникают проблемы с надежностью. Фи-
зико-химия процессов нанесения гальванических покрытий про-
тиводействует этому. Идеальный и реальный профиль покрытия в
металлизируемых переходных отверстиях приведены на рис. 11.6.
Рис. 11.6. Сечение металлизируемого переходного отверстия в печатной
плате:
1 — диэлектрик; 2 — идеальный профиль металлизации стенок отверстия;
3 — реальный профиль металлизации стенок отверстия; 4 — резист.
Толщина покрытия в глубине отверстия обычно бывает меньше,
чем у поверхности. Причины самые разные: неравномерная плот-
ность тока, катодная поляризация, недостаточная скорость об-
мена электролита и др. В современных печатных платах диаметр
переходных металлизируемых отверстий уже перешагнул отмет-
ку 100 мкм, а соотношение высоты к диаметру отверстия в от-
дельных случаях достигает 20: 1. Ситуация предельно усложни-
лась. Физические методы (использование ультразвука, увеличе-
ние интенсивности обмена жидкости в отверстиях печатных плат
и др.) уже исчерпали свои возможности. Начинает играть суще-
ственную роль даже вязкость электролита. Как быть?
Традиционно эта задача решалась благодаря использованию
электролитов с выравнивающими добавками, которые адсорби-
руются в тех областях, где выше плотность тока. Сорбция таких
добавок пропорциональна плотности тока. Добавки создают ба-
рьерный слой, противодействуя избыточному осаждению галь-
ванического покрытия на острых кромках и прилегающих к ним
областях (ближе к поверхности печатной платы).
Иное решение этой задачи теоретически было известно дав-
но, а практическое воплощение получило совсем недавно — пос-
ле того как был освоен промышленный выпуск импульсных ис-
точников питания большой мощности. Этот способ основан на
использовании импульсного (реверсного) режима питания галь-
ванических ванн. Большую часть времени подается прямой ток.
При этом происходит осаждение покрытия. Меньшую часть вре-
мени подается обратный ток. При этом происходит растворение
осажденного покрытия. Неравномерная плотность тока (больше
у острых углов) в данном случае приносит только пользу. По
этой причине растворение покрытия происходит в первую оче-
редь и в большей степени у поверхности печатной платы. В этом
техническом решении используется целый «букет» приемов раз-
решения технических противоречий: использовать частично из-
быточное действие, использовать вред в пользу, переход от не-
прерывного процесса к импульсному, сделать наоборот и др. Да
и полученный результат соответствует этому «букету». При опре-
деленном сочетании продолжительности прямых и обратных
импульсов даже имеется возможность получить толщину покры-
тия в глубине отверстия больше, чем у поверхности печатной
платы. Поэтому такая технология оказалась незаменимой для за-
полнения металлом глухих переходных отверстий (достояния со-
временных печатных плат), благодаря которым плотность меж-
соединений в печатных платах увеличивается примерно в два раза.
11.2. Печатные платы — линии развития
Проблемы, связанные с надежностью металлизированных
переходов в печатных платах, носят локальный характер. Следо-
вательно, противоречия, возникающие в процессе их развития,
по отношению к печатным платам в целом также не носят всеоб-
щего характера. Хотя такие печатные платы и занимают львиную
долю рынка всех печатных плат.
Всеобщий характер носят другие противоречия, с которыми
уже в течение столетия с переменным успехом сражаются разра-
ботчики и изготовители печатных плат. Эти противоречия воз-
никают в процессе микроминиатюризации печатных плат — ли-
нии развития печатных плат, вытекающей из действия закона
перехода технических систем на микроуровень.
11.2.5. Переход на микроуровень
Согласно фундаментальному закону термодинамики энтропия
(мера упорядоченности) замкнутой системы не может убывать.
В соответствии с этим законом зарождение Земли и появление
человека, как это ни печально, — есть случайные отклонения от
общей генеральной тенденции (флуктуации). Использовать дроб-
ление — один из 40 общих способов (принципов) разрешения
технических противоречий, выявленных Г.С. Альтшуллером пол-
века тому назад в процессе анализа закономерностей развития
техники. Сформулированный позже на его основе закон перехо-
да технических систем на микроуровень очень хорошо согласу-
ется с базовыми основами термодинамики.
Печатные платы также не остались в стороне от общей тен-
денции. Микроминиатюризация — ключевое слово современной
электроники. Вдумайтесь в смысл этого слова. Оно состоит из
двух похожих по смыслу составных частей: микро и мини. Види-
мо, не просто так они объединились в одном слове. Линии раз-
вития печатных плат есть линии уменьшения, уменьшения и
уменьшения ее элементов; линии уплотнения, уплотнения и уп-
лотнения их расположения. Под «элементами» в данном случае
следует понимать как собственное достояние печатных плат (про-
водники, переходные отверстия и др.), так и элементы из надсис-
темы (печатного узла) — радиоэлементы. Последние по скорости
осуществления микроминиатюризации идут впереди печатных плат.
Микроэлектроника — их родная наука. Микротехнологии ис-
пользуются для их изготовления. Причем радиоэлементы умень-
шаясь — увеличиваются. Уменьшаются их габаритные размеры и
увеличиваются размеры электрических схем, «запрятанных» в их
объем. Печатные платы вынуждены быть вторыми — подстраи-
ваться под заданный лидерами темп.
Увеличение плотности расположения элементной базы тре-
бует того же самого от проводников печатной платы — носителя
этой элементной базы. В связи с этим возникает множество за-
дач, которые необходимо решать. О двух таких задачах (пробле-
мах) и способах их решения подробнее.
Первая проблема затрагивает область профессиональных ин-
тересов автора. Как обеспечить изоляцию в таких сверхупако-
ванных печатных платах? Уровень изоляции однозначно связан с
расстоянием между токопроводящими элементами. Чем оно мень-
ше, тем абсолютные характеристики диэлектрических свойств
подложки должны быть выше. А они уже сейчас на пределе. Кро-
ме того, эти же диэлектрические характеристики также однозначно
связаны с влажностью окружающей среды. Влага неизбежно при-
сутствует в окружающей среде. Чем выше влажность, тем диэ-
лектрические характеристики хуже. Причем при переходе «вниз»
эта чувствительность повышается. Печатные платы превращают-
ся в своеобразные датчики влажности окружающей среды. Как
быть?
Самые первые способы изготовления печатных плат были
основаны на приклеивании проводников из медной фольги к
поверхности диэлектрической подложки. Предполагалось, что
ширина проводников и зазоры между проводниками измеряются
миллиметрами. В этом варианте такая технология была вполне
работоспособной. Последующая миниатюризация электронной
техники потребовала создания иных методов изготовления пе-
чатных плат, основные варианты которых (субтрактивные, адди-
тивные, полуаддитивные, комбинированные) используются и
поныне. Использование таких технологий позволило реализовать
печатные платы с размерами элементов, измеряемых десятыми
долями миллиметра.
Достижение уровня разрешения в печатных платах примерно
0,1 мм (100 мкм) стало знаковым событием. С одной стороны,
произошел переход «вниз» еще на один порядок. С другой —
произошел своеобразный качественный скачок. Почему? Диэ-
лектрической подложкой большинства современных печатных
плат является стеклотекстолит — слоистый пластик с полимер-
ной матрицей, армированной стеклотканью. Уменьшение зазо-
ров между проводниками печатной платы привело к тому, что
они стали соизмеримы с толщиной стеклянных нитей или тол-
11.2. Печатные платы — линии
щиной узлов переплетения этих нитей в стеклоткани. И ситуа-
ция, когда проводники «замыкаются» такими узелками, стала
вполне реальной. Как следствие, стало реальным образование сво-
еобразных капилляров в стеклотекстолите, «замыкающих» эти
проводники. Капилляры, в конечном счете, приводят к ухудше-
нию уровня изоляции между проводниками печатных плат в ус-
ловиях повышенной влажности. А если быть точнее, даже в ус-
ловиях обычной влажности. Конденсация влаги в капиллярных
структурах стеклотекстолита происходит даже в нормальных ус-
ловиях. Влага всегда снижает уровень сопротивления изоляции.
Поскольку в современной радиоэлектронной аппаратуре та-
кие печатные платы стали уже обыденностью, можно прийти к
выводу, что разработчикам базовых материалов для печатных плат
все же удалось разрешить эту проблему традиционными метода-
ми. А вот справятся ли они со следующим знаковым событием?
Очередной качественный скачок уже произошел. В работе [17J
рапортуется о том, что специалистами компании Samsung осво-
ена технология изготовления печатных плат с шириной провод-
ников и зазорами между ними 8—10 мкм. А это уже толщина не
стеклянной нити, а стекловолокна! Разнопотенциальные про-
водники в таких печатных платах могут «замыкаться» уже ка-
пиллярами, реализованными на границе раздела этих волокон и
полимерной матрицы стеклотекстолита. Это проблема сегодняш-
него дня.
Какой же следующий качественный скачок нам следует ожи-
дать в ближайшем будущем? Если развитие в области конструи-
рования базовых материалов для печатных плат не пойдет по
иному сценарию, то ответ очевиден. Очередной переход количе-
ства в качество может произойти, когда зазоры между проводни-
ками печатных плат сравняются с линейными размерами эле-
ментов надмолекулярной структуры полимерной матрицы. На
первый взгляд, не совсем понятно, о какой надмолекулярной
структуре можно вести речь в трехмерных полимерах. В качестве
полимерной матрицы в стеклотекстолитах используются простран-
ственные (сшитые) полимеры с молекулярной массой, близкой к
бесконечности. Но механизм их образования такой, что предпо-
лагает наличие в конечном полимере областей с большей и с
меньшей упорядоченностью и/или разряженностью полимерной
сетки [18]. Причем чаще всего реализуются такие структуры, где
своеобразные ядра имеют более высокую степень сшивки, а раз-
деляющие их прослойки — меньшую. В образование неоднород-
ностей полимерной сетки дополнительный вклад вносит еще и
дефектность структурообразования, свойственная всем реальным
полимерам.
Рискну заявить, что возможные варианты нетрадиционного
решения этих сегодняшних и завтрашних проблем уже существу-
ют. Это собственные разработки автора по полимеризационному
наполнению диэлектрических подложек печатных плат. Суть этой
технологии заключается в том, что макро- и микродефекты в
диэлектрической подложке печатной платы заполняются жидко-
стью, которая при последующей термообработке способна пре-
вращаться в диэлектрик (полимер) с отличными электроизоля-
ционными свойствами [19, 20]. Как следствие, улучшаются и
диэлектрические характеристики подложки в целом. Полимериза-
ционное наполнение позволяет устранить (заполнить) дефектные
полости, локализованные на границе раздела: стекло — эпоксид-
ная смола в диэлектрических подложках печатных плат. Оказа-
лось, что оно способно и на большие «подвиги». С таким же
успехом полимеризационное наполнение позволяет устранять
дефекты надмолекулярной структуры эпоксидной полимерной
матрицы, те самые, которые будут лимитировать уровень диэлек-
трических свойств печатных плат завтрашнего дня.
Задача обеспечения изоляции в сверхмалых зазорах между
проводниками настоящих и особенно будущих печатных плат
сложна. Какими методами она будет решаться: традиционными,
нетрадиционными и будет ли решена — покажет время. Не ме-
нее сложна другая задача: как получить в печатных платах сверх-
малые (сверхузкие) проводники. По целому ряду причин в тех-
нологиях изготовления печатных плат массовое использование
получили субтрактивные методы. В субтрактивных методах ри-
сунок электрической схемы формируется путем удаления ненуж-
ных фрагментов фольги. Пауль Эйслер отработал технологию
травления медной фольги хлорным железом еще в годы Второй
мировой войны. «Соавтором» этой технологии, очевидно, была
его жена. Все эксперименты по отработке технологии проводи-
лись на кухне — на ее рабочем месте. Столь непритязательная
технология используется радиолюбителями до сих пор. Промыш-
ленные технологии недалеко ушли от этой «кухонной» техноло-
гии. Разве что изменился состав травильных растворов и появи-
лись элементы автоматизации процесса.
Принципиальный недостаток абсолютно всех технологий трав-
ления заключается в том, что травление идет не только в желае-
11.2. Печатные платы — линии
Рис. 11.7. Профили травления медной фольги:
а — идеальный профиль; б — реальный профиль.
1 — защитный слой; 2 — проводник; 3 — диэлектрик.
мом направлении (по направлению к поверхности диэлектрика),
но и в нежелаемом поперечном направлении. Боковой подтрав
проводников соизмерим с толщиной медной фольги (около 70 %).
Обычно вместо идеального профиля проводника получается гри-
боподобный профиль (рис. 11.7). Когда ширина проводников
велика, а в самых простых печатных платах она измеряется даже
миллиметрами, на боковой подтрав проводников попросту зак-
рывают глаза. Если же ширина проводников соизмерима с их
высотой или даже меньше ее (реалии сегодняшнего дня), то «бо-
ковые устремления» ставят под сомнение применимость таких
технологий.
На практике величину бокового подтрава печатных провод-
ников в какой-то степени удается уменьшить. Это достигается
увеличением скорости травления; использованием струйного об-
лива (струи травителя совпадают с желаемым направлением —
перпендикулярно плоскости листа); другими способами. Но ког-
да ширина проводника приближается к его высоте, эффектив-
ность таких усовершенствований становится явно недостаточной.
Шаг вперед позволило сделать использование в технологиях
изготовления печатных плат базовых материалов с тонкомерной
фольгой, например СТПА-5. Противоречивые требования к тол-
щине фольги (должна быть толстой и должна быть тонкой) в
данном случае было разрешено разнесением этих требований во
времени. В момент травления толщина маленькая, следовательно,
подтрав проводников невелик. Необходимая по конструктивным
требованиям толщина проводника получается в результате после-
дующего гальванического наращивания меди. Уменьшение тол-
щины медной фольги от обычной (35—50 мкм) до 5 мкм по-
зволило реализовать технологию изготовления печатных плат
4—5-го классов точности. (4-му классу точности соответствует
ширина проводников и зазоров между ними 150 мкм, 5-му классу
точности — 100 мкм).
На практике боковой подтрав проводников в печатных пла-
тах получается чуть больше, чем он мог быть в идеальном случае.
Причина этого заключается в том, что необходимо гарантиро-
ванно удалить медь со всех «пробельных» мест печатной платы.
Поэтому процесс травления приходится проводить чуть больше
времени, чем это нужно. Увеличение времени травления, а сле-
довательно, и увеличение подтрава проводников связано и с дру-
гой реальностью. Установлено, что при травлении печатных плат
методом струйного облива травящая жидкость располагается на
поверхности печатной платы неравномерно. В центре печатной
платы образуется своеобразная лужица. Как следствие, где-то (на
периферии печатной платы или групповой заготовки) получает-
ся недотрав, а где-то (в центре) перетрав. Недавно появились сооб-
щения о разработке высокоинтеллектуальных установок травления,
в которых реализуется селективное струйное травление печатных
плат. Подача травильной жидкости в отдельных форсунках регули-
руется с учетом образов печатных плат и их расположения в ка-
мере, заранее заложенных в память компьютера. На централь-
ную часть заготовки подается меньше травящей жидкости, чем в
периферийные зоны.
Импульсный способ нанесения гальванических покрытий по-
зволил разрешить серию технических противоречий, «спрятанных»
в сквозных и глухих металлизированных отверстиях печатных плат.
Похоже, эти же методы могут произвести маленькую революцию
и в технологиях травления. На смену химическому травлению
идет электрохимическое. Первой была использована помощь по-
стоянного электрического тока (Direct Current). На смену ему
приходит электрохимическое микротравление с использованием
нестационарного электрического тока (Faradayictm) [21]. Соче-
тание импульсного тока с некоторыми химическими травителя-
ми (NaNO3 + NaCl) дает многообещающие результаты.
Использование «умных» травильных установок, очевидно,
поможет еще на 10—20 % уменьшить конечную величину боко-
вого подтрава проводников. Насколько поможет решить эту же
задачу использование импульсного микротравления — пока от-
крытый вопрос. А как же быть с 6, 7, 8, ... классами точности
изготовления печатных плат? Идеальный вариант — искать ре-
шение «на стороне» Почему бы не получить такую медную фольгу,
скорость травления которой во взаимоперпендикулярных направ-
лениях разнится? Вариантов решения этой задачи просматрива-
ется много. На первый взгляд, достаточно реализовать анизо-
11.2. Печатные платы — линии развития
тропную кристаллическую структуру меди в фольге. Но, увы, та-
кой подход пока еще не реализован на практике. Хотя в микро-
технологиях (в микроэлектронике) анизотропное травление
(anisotropic etching) — уже реалии сегодняшнего дня [22].
Одно из решений этой задачи было предложено в СССР
Ф.П. Галецким еще в 1982 году [23]. Речь идет о технологии
изготовления печатных плат методом ПАФОС (полностью адди-
тивное формирование отдельных слоев). В этой технологии ис-
пользуется метод переноса. Проводящий рисунок сначала фор-
мируется на «посреднике» — временных носителях, поверхность
которых покрывается гальванически осажденной медной шиной.
В качестве посредника используются листы из нержавеющей ста-
ли. На этих листах формируется защитный рельеф пленочного
фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждени-
ем тонкого слоя никеля и меди во вскрытые в фоторезисте рель-
ефы. После удаления пленочного фоторезиста проводящий ри-
сунок впрессовывается в диэлектрик. Прессованный слой вместе
с медной шиной механически отделяется от поверхности вре-
менных носителей. В слоях без межслойных переходов медная
шина стравливается. При изготовлении двусторонних слоев с меж-
слойными переходами (двусторонних печатных плат) перед трав-
лением медной шины создаются межслойные переходы посред-
ством металлизации отверстий.
Преимущество этого метода заключается в том, что проводя-
щий рисунок, утопленный в диэлектрик и защищенный сверху
слоем никеля, при удалении медной шины не подвергается трав-
лению. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисун-
ка определяются рисунком рельефа, который использовался для
получения проводников, то есть процессами фотолитографии.
Профиль проводников, получаемых по этой технологии, близок
к идеальному. В данной технологии центр тяжести при решении
задачи смещается из области химии (а травление — это химичес-
кий процесс) в область фотолитографии. Достижения в области
фотолитографии и лазерного экспонирования позволяют реали-
зовать в печатных платах проводники и зазоры между ними ве-
личиной 50 мкм и менее.
Работы Ф.П. Галецкого в какой-то степени опередили свое
время. Упоминаемые ранее современные достижения специали-
стов компании Samsung (8—10 мкм) реализуются по технологии,
которая как две капли воды похожа на метод ПАФОС. Основные
стадии этих технологий-близнецов показаны на рис. 11.8.
Глава 11. Техническая хиромантия
Y7/7/r/7Z7Z77777Z\
V722272.72722222771
\»2»7272'2У27272'Л
r№^zszz№a
V7777777Z77777ZZZ1
1. Промежуточный носитель
2. Тонкая металлизация поверхности
3. Нанесение фото резисторов
4. Экспонирование и проявление фоторезистора
5. Металлизация рисунка и удаление фоторезистора
6. Впрессовывание рисунка в диэлектрическое основание
7. Отделение промежуточного носителя
8. Травление слоя тонкой металлизации
Рис. 11.8. Технологическая схема получения слоев печатных плат мето-
дом переноса.
Еще более высокий уровень разрешения можно получить,
используя иные физические или физико-химические методы,
активно примняемые в микроэлектронике. Это сфокусирован-
ные лучи: электронный (Electron Beam Machining), лазерный (Laser
Beam Machining), ионный (Ion Beam Machining). Это микроэлек-
троэрозионная (Micro Electro Discharge Machining) или микро-
электрохимическая (Micro Electro Chemical Machining) обработ-
ка [22]. Лазерное гравирование уже используется в технологиях
изготовления печатных плат, но из-за дороговизны процесса это
пока лишь экзотика.
11.2.6. Местное качество
Прием разрешения технических противоречий «использовать
местное качество» в отличие от других, более удачливых не под-
рос до уровня закона развития технических систем. Но еще не
вечер...
Чаще всего применение этого приема диктуется экономичес-
кими факторами. Он широко используется изготовителями базо-
вых материалов (диэлектрических подложек) для печатных плат
в стремлении удешевить свою продукцию. Это стремление мате-
11.2. Печатные платы — линии развития
риализуется следующим образом: материалы (компоненты) улуч-
шенного качества используются там, где это больше всего нуж-
но. Так, в стеклотекстолитах стеклоткань используется только в
поверхностном слое, а для наполнения внутренних слоев приме-
няют более дешевый стеклохолст [6]. Другой вариант — ближе к
поверхности используется стеклоткань более высокого качества,
чем во внутренних слоях, и т. д.
В современных многослойных печатных платах для изготов-
ления наружных слоев используются диэлектрики с иным поли-
мерным связующим (полиимид), чем во внутренних слоях (эпок-
сидная смола). В данном случае причины реализации именно
такого технического решения диаметрально противоположны. Это
решение только удорожает печатную плату, но... дает множество
других полезных преимуществ, имеющих прямое отношение к
таким понятиям, как микроминиатюризация и интеграция.
Отнюдь не экономическими причинами руководствовался и
автор, разрабатывая технологию полимеризационного наполне-
ния подложек печатных плат. Получение технического эффекта
было главной целью этой разработки. А еще точнее — получение
максимального эффекта при минимальных затратах, минималь-
ных изменениях в технической системе. Полимеризационное
наполнение значительно улучшает диэлектрические характерис-
тики подложки печатной платы. Всегда ли, а точнее, везде ли это
нужно? В одно и/или двусторонних печатных платах за обеспече-
ние необходимого уровня сопротивления изоляции максимальную
ответственность несет поверхностный слой стеклотекстолита. Обес-
печение максимального уровня поверхностного сопротивления
изоляции гораздо важнее, чем обеспечение максимального уров-
ня объемного сопротивления изоляции. Исходя из этого факта,
изготовители базовых материалов экономят на качестве матери-
алов, используемых для их «внутренней начинки». Поэтому и по
целому ряду других причин полимеризационное наполнение ис-
пользуется также для «улучшения» поверхностного слоя диэлек-
трической подложки. Распределение полимера-наполнителя по
толщине диэлектрической подложки печатной платы показано
на рис. 11.9.
В многослойных печатных платах очень важно обеспечить
высокий уровень сопротивления изоляции между питающими
слоями и пронизывающими их металлизированными переход-
ными отверстиями. С учетом этого полимеризационное напол-
нение может осуществляться на стадии, предшествующей метал-
1
2
Рис. 11.9. Распределение полимера-наполнителя по толщине диэлектри-
ческой подложки печатной платы:
1 — диэлектрическая подложка печатной платы; 2 — относительное со-
держание полимера-наполнителя по толщине подложки.
лизации этих отверстий. При этом «усиление» диэлектрической
подложки происходит вновь избирательно в кольцевых зонах
вокруг переходных отверстий — именно там, где это больше все-
го нужно. Можно привести еще много других примеров, но соб-
ственные технические решения, думаю, гораздо убедительнее.
Прогноз (на этот раз не из области печатных плат): не пора
ли подумать о повышении статуса этого приема?
11.2.7. Повышение идеальности
Прекрасными иллюстрациями действия закона повышения иде-
альности технических систем являются современные тенденции
развития оборудования для прессования многослойных печатных
плат. Для печатных плат это надсистема, но все же... Так, в рабо-
те [24] отмечается, что наблюдается постепенный переход на прес-
сование многослойных печатных плат без пресс-форм. Это по-
зволяют делать системы совмещения слоев с бандажированием
пакета слоев. Пресс-формы нет, а функция выполняется. Появи-
лась новая система нагрева — нагрев непрерывной ленты фольги
внешних слоев многослойной печатной платы, по которой про-
пускают большие токи (до 2000 А). Используются внутренние
ресурсы системы. Нагревателя как такового нет, а функция на-
грева выполняется.
Повышение идеальности наблюдается и в самих печатных
платах. Увеличивается их функциональность. В соответствии с
законом повышения идеальности технических систем наблюда-
ется процесс сращивания (интегрирования) печатных плат и эле-
ментной базы. Некоторые элементы электрических схем (индук-
тивности, емкости, сопротивления) изготавливаются методами
печати непосредственно в процессе изготовления печатных плат.
В частных случаях (для получения на внутренних слоях много-
11.2. Печатные платы
слойных печатных плат резисторов) используют специальную
двухслойную фольгу, состоящую из меди и резистивного мате-
риала. Идеальность этого решения заключается в том, что пла-
нарные радиоэлементы получаются одновременно с формиро-
ванием рисунка схемы (само собой), не требуя дополнительных
материальных и трудовых затрат. Выполнение многоуровневых
межсоединений в многослойных структурах современных пе-
чатных плат (сквозных, слепых, глухих) позволяет увеличить
коэффициент использования площади внутренних слоев мно-
гослойных печатных плат и разместить эти элементы внутри
печатной платы.
Дальнейшим развитием этого процесса стало встраивание в
печатные платы кристаллов микросхем с обеспечением нужных
межсоединений, сенсорных датчиков, микродатчиков магнитно-
го потока [25—27]. Еще более эффективным и, главное, гораздо
более завершенным процессом стало встраивание элементной базы
в самый современный вариант печатной платы — в «умную ткань».
В данном случае удалось от фрагментарного введения в печат-
ную плату отдельных радиоэлементов перейти к функционально
законченному изделию.
Планарные технологии, похоже, еще не исчерпали своих воз-
можностей. Объемная печать, возможно, станет реальностью бли-
жайшего будущего. Специалистами университета г. Беркли
(США, Калифорния) также разрабатывается технология, по-
зволяющая создавать функционально законченные изделия (пе-
чатные узлы). А изготавливаться они будут на обыкновенном
принтере [28]. Название такой технологии — флексоника. Прин-
теры, способные производить многослойную печать специаль-
ными полимерами, уже существуют и используются для про-
изводства прототипов новых устройств. Как только удастся
разработать специализированный картридж для принтера, по-
зволяющий наносить все необходимые типы покрытий (диэ-
лектрики, полупроводники и проводники и т. д.), задача будет
решена. Можно будет распечатать на принтере схему для мо-
бильного телефона, радиоприемника и т. д. Такие изделия бу-
дут содержать электронные компоненты на основе полимеров.
Правда, характеристики полимерных электронных компонен-
тов пока значительно уступают обычным. Например, полимер-
ные транзисторы, работают примерно в 100 раз медленнее крем-
ниевых. Но цена таких устройств может оказаться настолько
низкой, что они будут одноразовыми.
11.2.8. Дробление — объединение
Микроминиатюризация и интеграция (дробление и объедине-
ние) — два противоположных процесса, которые, как это ни стран-
но, осуществляются в радиоэлектронике в единых временных рам-
ках. В первую очередь такое странное сочетание характерно для
изделий микроэлектроники, тех изделий, носителями которых
являются печатные платы. На первый взгляд, одно исключает
другое. На второй — одно дополняет другое. Уровень разреше-
ния изделий микроэлектроники измеряется уже нанометрами. Как
следствие, в небольшом объеме удается разместить все больше и
больше функционально законченных электрических схем.
«Сборка» электрических схем из отдельных радиоэлементов,
похоже, уже канула в Лету. Передатчики, приемники, усилители
и другие крупные «блоки» электронных схем могут быть реали-
зованы в пределах одной микросхемы. Индивидуальные радио-
элементы используются преимущественно для согласования их
характеристик. Реальностью сегодняшнего дня становится реа-
лизация в пределах одной микросхемы функционально закон-
ченных устройств — устройств, характеризующихся комплексом
потребительских свойств (компьютеров, сотовых телефонов и др.).
11.2.9. Согласование — рассогласование
Остановимся преимущественно на первой части этого закона.
В печатных платах она наиболее актуальна. Печатная плата —
совокупность множества материалов, обладающих различными
физическими свойствами, согласовать которые — хочешь этого
или не хочешь — необходимо. Фольгированный стеклотекстолит
(исходный материал для получения большинства печатных плат)
состоит как минимум из трех материалов с диаметрально проти-
воположными свойствами: медь (металл), эпоксидная смола (по-
лимер), стекло (смесь неорганических соединений).
Для того чтобы печатная плата была способна удовлетворять
множеству требований, эти материалы и/или свойства этих ма-
териалов следует согласовать. А это непростая задача, поскольку
требования зачастую противоречат друг другу.
Использование наполнителей позволило значительно улуч-
шить физико-механические свойства подложки. Использование
в качестве наполнителя стеклоткани, а не просто стекловолокна,
позволило существенно уменьшить коэффициент термического
расширения (КТР) стеклотекстолита в плоскости листа. Поэтому
11.2. Печатные платы — линии развития
разрывы проводников печатных плат, лежащих «в плоскости»,
большая редкость. В направлении, перпендикулярном плоскости
листа, остаются прослойки из эпоксидной смолы, не связанные
стеклотканью. Поэтому КТР стеклотекстолита в этом направле-
нии значительно больше. Кроме того, этот коэффициент суще-
ственно увеличивается при температуре выше температуры стек-
лования эпоксидной смолы. Как следствие, при термических
ударах очень сильно расширяющийся стеклотекстолит может ра-
зорвать значительно менее склонный к расширению металлизи-
рованный столбик, связывающий проводники на двух сторонах
печатной платы, а в многослойных печатных платах еще и внут-
ренние слои. Для «смягчения» этого рассогласования использу-
ется традиционное решение — стремятся как можно выше под-
нять температуру стеклования полимерной матрицы (эпоксид-
ной смолы). Однако получить желаемого уровня согласования
пока не удалось.
Проблема ухода от КТР, а точнее приближение его к нулю,
интересует многих. Исследователи из университета штата Мичи-
ган в США сумели получить сплав, который не расширяется и не
сжимается при нагревании и при этом сохраняет свойства про-
водника [29]. Этот сплав, вероятно, может найти широкое при-
менение в тех областях техники, где условия эксплуатации меня-
ются в широком диапазоне температур. Большинство известных
материалов имеет положительный КТР и при нагревании расши-
ряется. Но имеется еще и очень небольшое число материалов,
уменьшающихся в размере при увеличении температуры (отри-
цательный КТР). Формальная логика говорит, что если соеди-
нить эти два типа материалов в один, можно будет получить но-
вый композиционный материал, который при нагревании не бу-
дет изменяться в размерах. Так оно и получилось. Ученым удалось
найти даже более идеальное решение этой проблемы. Вместо
композиционного материала, состоящего из фрагментов двух
индивидуальных веществ, они получили сплав, в состав которого
входят иттербий, галлий и германий. Изделия из этого сплава
практически не изменяют своих размеров при нагревании в диа-
пазоне от 100 °К до 400 °К.
А вот для подложек печатных плат пока найдено всего лишь
половинчатое решение. Это — применение в качестве наполни-
теля полимерной матрицы подложки печатной платы полимера
(вновь наполнение полимера полимером!). Полимерный напол-
нитель (волокна ароматического полиамида — кевлара) в про-
дольном направлении имеет даже отрицательный по отношению
к полимерной матрице подложки КТР [30]. При использовании
таких базовых материалов удается получить высокую стабиль-
ность линейных размеров слоев, из которых изготавливаются
многослойные печатные платы. А это важно для очень сложных
и насыщенных печатных плат. Таким способом удается снять
элементы рассогласования отдельных слоев многослойных пе-
чатных плат, вносимые неизбежными колебаниями температуры
окружающей среды. К сожалению, в другом направлении (пер-
пендикулярно плоскости листа) использование в качестве напол-
нителя кевлара проблемы несогласованности КТР не снимает.
Не снимает оно и другой проблемы — общей для всех компо-
зиционных материалов: наличие границы раздела фаз, а следова-
тельно, и наличие макро- и микродефектов на этой границе. Как
следствие, для таких материалов характерны пористость, повы-
шенное водопоглощение и на финише значительное снижение
диэлектрических характеристик, особенно при повышенной влаж-
ности окружающей среды. Согласование (связывание) полимер-
ной матрицы и наполнителя обычно осуществляется с использо-
ванием веществ-посредников (аппретов) [31]. В общем случае это
химические соединения, содержащие как минимум две функци-
ональные группы, одна из которых способна взаимодействовать
с наполнителем, а другая — с полимерной матрицей. В лучшем
варианте природа этого взаимодействия — химическая связь.
Вновь о полимеризационном наполнении. Его использование
позволяет повысить эффективность этого взаимодействия не на
химическом, а на топологическом уровне. В основе такого взаи-
модействия лежит образование взаимопроникающих полимерных
сеток полимера-наполнителя и полимерной матрицы диэлектри-
ческой подложки печатной платы [32].
До сих пор мы говорили о внутренних проблемах печатных
плат. Не меньше, а даже больше проблем у печатных плат возни-
кает в связи с необходимостью согласования с надсистемой и в
первую очередь с элементной базой. Согласование КТР радио-
элементов (особенно элементов для поверхностного монтажа) и
КТР подложки печатной платы не менее сложная задача, чем
внутренние согласования в самой печатной плате.
Надсистема диктует свои условия печатным платам. Микро-
миниатюризация элементной базы привела к тому, что печатные
платы изменились не только внешне, но и внутренне. О вне-
шних изменениях мы уже говорили. Проводники печатных плат
J 1.2. Печатные платы — линии
и зазоры между ними приходится рассматривать уже под микро-
скопом. Но этого оказалось явно недостаточно. Произошли и
серьезные внутренние изменения [33]. Появление элементной
базы в микрокорпусах с малым шагом выводов потребовало со-
здания высокоплотных многослойных печатных плат (high density
printed circuit). В конструкциях печатных плат появились глухие
микропереходы (bliend microvia), внутренние или скрытые мик-
ропереходы (buriend microvia), скрытые сквозные металлизиро-
ванные отверстия (см. рис. 12.2). Глухие микропереходы выпол-
няются между наружным и ближайшими внутренними (перерас-
пределительными) слоями, а скрытые микропереходы и скрытые
сквозные отверстия — между внутренними слоями многослой-
ных печатных плат.
Изменения в конструкциях потребовали проведения измене-
ний в технологиях их изготовления. Для изготовления высокоин-
тегрированных многослойных печатных плат используется техно-
логия наращивания (built-up technology). Эта технология является
комбинацией методов металлизации сквозных отверстий и по-
слойного наращивания. Основа этой технологии — изготовление
многослойной печатной платы и наращивание на нее последова-
тельности слоев с микропереходами. Так, структура «2 + 4 + 2»
означает, что на основу (4-слойную печатную плату) с обеих сто-
рон наращено по два слоя с микропереходами.
Технология наращивания обеспечила большую экономию
площади для трассировки благодаря:
• малой ширине проводников внутренних слоев;
• малым диаметрам микроотверстий;
• разнообразию вариантов размещения глухих и скрытых отвер-
стий;
• размещению глухих отверстий в контактных площадках, на ко-
торые монтируются элементы;
• использованию для коммутации элементной базы в микрокор-
пусах (BGA, CSP, СОВ) не только наружных, но и ближайших
внутренних слоев.
Проявление закона согласования—рассогласования можно
рассмотреть и на ином уровне. Применение элементов поверх-
ностного монтажа (SMD-компонентов) позволило уменьшить
толщину печатных узлов и тем самым уменьшить габариты изде-
лий электронной техники. На этом фоне в прямом и переносном
смысле выделялись трансформаторы и дроссели. В соответствии
с тем же законом изобретатели «постучали по приподнятым шляп-
кам этих гвоздей». В результате появились планарные трансфор-
маторы, в которых многослойные печатные платы заменили про-
волочные обмотки [34].
11.2.10. Где-то далеко
К чему же может привести раздельное и/или совместное дей-
ствие законов развития технических систем? С отдельными за-
конами разобраться проще. А вот что получится в итоге наложе-
ния тенденций, соответствующих разным законам развития, число
которых на данный момент уже приближается к двадцати, — за-
дача со многими неизвестными. Развитие событий по каждой
отдельной линии может происходить с разной скоростью. Не
исключены и резкие отклонения (повороты) в том или ином на-
правлении, связанные с новыми, еще не существующими изоб-
ретениями и открытиями. А развитие таких направлений, как,
например, нанотехнология, делает вполне реальными любые са-
мые нереальные на данный момент явления и эффекты. К сожа-
лению, на развитие событий в технике оказывает существенное
влияние еще и человеческий (субъективный) фактор. Но, несмотря
на это, попробуем все-таки спрогнозировать основные тенден-
ции развития печатных плат.
Из рассмотрения последовательности точка — линия — плос-
кость — объем следует, что большая часть объектов нашего ис-
следования находится на финишной стадии (объем) в состоянии
раздумья: «Что же делать дальше?» Мы же можем им подсказать,
что неплохо было бы перейти от пространственно упорядочен-
ной (плоскостной) компоновки ее основных элементов (провод-
ников) к хаотичному расположению. Другой (или параллельный?)
вариант развития событий — придание динамичности внутрен-
нему объему печатных плат.
А еще лучше — придать динамичность и поверхности, огра-
ничивающей объем печатных плат. К максимально подвижным
(жидким печатным платам) подводит нас логика развития собы-
тий в области повышения динамичности печатных плат. Это от-
даленная перспектива. Чуть более приближена к настоящему дню
комбинация из предельно гибких тканых печатных плат и жид-
кого наполнителя. Кстати, похожий вариант уже был опробован
автором на практике в обычных (твердых) печатных платах [35].
Свободный внутренний объем (пористость) печатных плат за-
полнялась жидким диэлектриком. Тем самым уменьшалось во-
допоглощение и улучшались диэлектрические характеристики
11.2. Печатные платы — линии
подложки печатной платы. Гибкими такие печатные платы не
становились, а вот их влагостойкость, так необходимая при экс-
плуатации в жестких условиях, существенно повышалась.
На данном этапе развития объектов исследования уже реаль-
но происходит размывание границы между двумя понятиями «пе-
чатная плата» и «печатный узел». Радиоэлементы стремятся внутрь
печатной платы, а печатная плата, приспосабливаясь (согласу-
ясь) с этим устремлением, поглощает их. Это направление раз-
вития соответствует закону повышения идеальности техничес-
ких систем. Отдаленная перспектива очевидна — слияние печат-
ных плат и изделий микроэлектроники в единое целое.
Сочетание двух противоположных процессов: микроминиа-
тюризация и интеграция (дробление — объединение) приводит к
тому, что все более сложные законченные функциональные уст-
ройства могут быть реализованы в пределах изделий микроэлек-
троники. В данном варианте развития событий печатная плата в
какой-то степени даже исчезает. Отпадает необходимость в од-
ной из основных ее функций — осуществление электрических
соединений между радиоэлементами. Носителем функциональ-
но законченной микросборки в принципе может быть любой
конструктивный элемент.
К такому же выводу можно прийти, основываясь в своих рас-
суждениях вновь на действии закона повышения идеальности
технических систем. Формулировка идеального конечного резуль-
тата (ИКР) будет такова: печатной платы нет, а ее функция вы-
полняется...
Микроминиатюризация, а в последнее время даже наноми-
ниатюризация стали достоянием современной электроники. Про-
цесс микроминиатюризации печатных плат, видимо, не имеет
предела. На данный момент отдельные элементы печатных плат
измеряются уже микронами — находятся на подступах к нано-
метрам. Впереди — область, занятая ныне микроэлектроникой.
Не пройдет и десяток лет, как продукты микроэлектроники ос-
вободят эту нишу для своих носителей. А для освоения этой ниши,
очевидно, придется использовать материалы, конструкции и тех-
нологии, заимствованные из производства микросхем.
Что же дальше? Да, как это ни печально, но в отдаленной
перспективе понятие «печатная плата» в современном понима-
нии этого слова, видимо, исчезнет. В перспективе виден гибрид,
облик которого гораздо ближе к изделию микроэлектроники, чем
к печатной плате в современном ее виде.
А если смотреть дальше, то и изделия современной твердо-
тельной микроэлектроники ждут нелегкие времена. Закон Мура,
согласно которому плотность упаковки элементов микроэлект-
роники должна удваиваться каждые 1,5—2 года, уже находится
на грани невыполнения. Разработчики электроники уже давно
мысленно находятся в иных «мирах». Взоры направлены на хи-
мические, биологические и иные устройства, реализуемые на
уровне атомов и молекул.
Поэтому, если смотреть еще дальше, можно прийти и к той
самой точке, которую мы пропустили выше, рассматривая исто-
рию пространственного развития печатных плат сразу с линии.
Потомки печатных плат в своем эволюционированном виде мо-
гут превратиться в точку, завершив тем самым эволюционную
петлю своего развития.
11.2.11. А и Б сидели на трубе...
Суждено ли превратиться в точку создателю этой сложнейшей
техники, этих сложнейших технологий? Вытеснение человека из
технических систем происходит повсеместно. Автоматизация тех-
нологических процессов — веление времени. И никого этим не
удивить. Гораздо интереснее иной аспект этой проблемы.
В основе большей части технологий изготовления печатных
плат лежат так называемые «мокрые» процессы (нанесение галь-
ванических покрытий, нанесение химических покрытий, трав-
ление и др.)- В большинстве своем это очень сложные неста-
ционарные химические процессы. Технологические параметры
(в первую очередь концентрации полезных и вредных составля-
ющих растворов) изменяются во времени, и очень быстро. Осо-
бенно это характерно для процессов химической металлизации,
основа которых — окислительно-восстановительные реакции.
Следовательно, необходимы постоянный контроль технологи-
ческих растворов по множеству параметров и постоянная их кор-
ректировка. Умная автоматика не всегда способна справиться с
такой задачей. Тогда к ней на помощь приходит человек — тех-
нолог. Главная задача этого человека — обеспечить на выходе
гарантированно высокое качество продукции (в данном случае
печатных плат). Для этого ему приходится использовать свой
интеллект.
В последние годы за рубежом прослеживается тенденция пе-
рехода на так называемые «концентраты». Поставляются концен-
траты с кодовыми названиями «А» и «Б». Каков компонентный и
химический состав этих концентратов, обычно не указывается.
Дается инструкция, как ими пользоваться. Гарантируется, что
при правильном ее применении технологический процесс может
осуществляться долго, устойчиво и практически без вмешатель-
ства человека. Смешать эти концентраты в нужном соотноше-
нии и загрузить в автоматическую линию способен кто угодно.
Как следствие, надобность в интеллекте исчезает. Аналогичные
тенденции начинают прослеживаться и в России. Зарубежные
технологии, как сорока на хвосте, приносят их к нам. Поэтому
делается вывод, что необходимость в такой профессии, как тех-
нолог, за рубежом уже отпала, а в ближайшем будущем «руди-
ментарный отросток», видимо, отпадет и у нас [15]. Так ли это?
Действительно, вытеснение человека из технологического
процесса (как он будет называться, если технологов не будет?)
соответствует объективным законам развития техники. А вот ис-
чезнут ли они вообще как класс, это вопрос спорный.
Дело в том, что интеллектуальный вклад в технологию в дан-
ном случае «делается заранее» — на стадии разработки этой тех-
нологии (в другой надсистеме). А закон вытеснения человека из
технических систем в целом все равно соблюдается. Правда, не в
идеальном варианте, а на уровне «шаг назад от ИКР». Технологи
остаются в надсистеме — на уровне разработки технологий. Но
это очень высококвалифицированные технологи. Как следствие,
численность этой «популяции» становится значительно меньше,
а качество выше.
Мой прогноз: профессии «технолог» — быть!
Литература
1. Петров В. Серия статей «Законы развития систем» / http://
www.trizland.ru/trizba.phd?id= 108
2. http://www.metodolog.ru/00236/00236.html
3. http://www.generator-s.narod.ru
4. Морозов И.В. Стремление к свободе — основной инстинкт.
Или от колеса к токамаку / http://www.metodolog.ru/00656/00656.html
5. Политехнический словарь. Редкол.: А.Ю. Ишлинский и др. —
М.: Советская энциклопедия, 1989.
6. Медведев А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы. —
М.: Техносфера, 2005.
7. Из истории технологий печатных плат. Электроника: НТВ,
2004, № 5.
8. Новинки электронной техники. Фирма Intel возвещает эру
трехмерных транзисторов. Альтернатива традиционным планар-
ным приборам // Электроника-НТБ, 2002, № 6.
9. Истинно трехмерные микросхемы — первое приближение //
Компоненты и технологии, 2004, № 4.
10. http://dk.compulenta.ru/231626
11. Крюгер Е., Новотни М. Жестко-гибкие печатные платы:
гибкое решение // Печатный монтаж, 2006, № 2.
12. Мокеев М.Н., Лапин М.С. Технологические процессы и
системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. — Л.:
ЛДНТП., 1988.
13. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника,
вплетенная в ткань, становится модной // Электроника: НТБ,
2003, № 8.
14. http://www.news.pravda.ru/index.html
15. Медведев А.М. Технология производства печатных плат. —
М.: Техносфера, 2005.
16. Медведев А.М. Импульсная металлизация печатных плат //
Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в элект-
ронной промышленности, 2005, № 4.
17. Ватанабе Риочи. Замечательная идея от фирмы Samsung //
Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в элект-
ронной промышленности, 2005, № 5.
18. Химическая энциклопедия: в 5 т. Т. 4 / Редкол.: Зефи-
ров Н.С. и др. — М.: Большая российская энцикл., 1995.
19. http://www.urazaev.narod.ru
20. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. — М.: Технос-
фера, 2006.
21. Сан Дж., МакКраббX, Тейлор И., Инман М. Электрохими-
ческое микротравление // Печатный монтаж, 2006, № 2.
22. Цветков Ю. Микротехнология — универсальная основа
производства современной электроники // Компоненты и техно-
логии. Приложение: Технологии в электронной промышленнос-
ти, 2005, № 4.
23. Галецкий Ф.П. Способ изготовления многослойных печат-
ных плат. А.с. СССР № 970737, 1982.
24. Медведев А.М. Оборудование для производства печатных
плат. По стендам «Экспо-Электроника 2002» // Электронные
компоненты, 2002, № 4.
25. Медведев А.М. Летняя конференция-2005 Европейского
института печатных схем // Компоненты и технологии. При-
ложение: Технологии в электронной промышленности, 2005,
№ 4.
26. http://lmis2.epfl.ch/articles/pdt/16.pdf
27. Ляйзинг Г.9 Штар Й. Тенденции развития печатных плат /
/ Компоненты и технологии. Приложение: Технологии в элект-
ронной промышленности, 2005, № 5.
28. http://www.ci.ru/inform03_03/pl4nt.htm
29. http://www.cnews.rU/newtop/index.shtml72003/l 0/17/150182
30. http://www.fashionlook.ru/glossary/index.phtml?fnt=show&id= 108
31. Справочник по композиционным материалам. Под ред.
Д. Любина. Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1988.
32. Уразаев В.Г. Все взаимопроникает, все... // Компоненты и
технологии. Приложение: Технологии в электронной промыш-
ленности, 2005, № 1.
33. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных
плат. — М.: Форум, 2004.
34. Макаров В., Рушихин А. Применение планарных транс-
форматоров и плат на алюминиевой подложке в современных
импульсных источниках электропитания. Компоненты и техно-
логии. Приложение: Силовая электроника, 2004, № 1.
35. Уразаев В.Г. Влагозащита печатного монтажа. Обзор мето-
дов И http://www.ELECTRONICS.ru/244.html
ГЛАВА 12
РАЗВИТИЕ ТРИЗ
Так как нам суждено прожить жизнь в
тюрьме собственного ума, наш долг обустроить
ее наилучшим образом.
Питер Устинов
Начну с того, что автор не претендует на глубочайший анализ
процессов развития ТРИЗ в прошлом, настоящем и будущем.
Хотя бы потому, что для проведения такого анализа уровень его
компетенции явно недостаточен. Здесь же приведены лишь не-
которые фрагменты этого развития. Возможно, их истолкование
находится чуть в стороне или даже очень далеко от истины. Но,
думаю, каждый имеет право на собственный взгляд.
12.1. Развитие вглубь
12.1.1. Не дождетесь...
Некоторые говорят, что ТРИЗ умер [1]. Так ли это? Думаю, что
правильный ответ на этот вопрос будет такой: «Не дождетесь...»
С момента появления первой публикации о ТРИЗ прошло
полвека. Все эти годы разработчики ТРИЗ не стояли на месте.
Приемы разрешения технических противоречий были началом
ТРИЗ. Далее были сформулированы законы развития техничес-
ких систем:
• закон неравномерности развития, появления и разрешения тех-
нических противоречий;
• закон повышения идеальности технических систем;
• закон перехода на микроуровень и использования полей;
• закон повышения динамичности и управляемости технических
систем;
• закон S-образного развития технических систем и др.
Как и в любой теории, появлялись факты, которые не вписы-
вались в рамки существующих представлений. Так, оказалось,
что существуют изобретательские задачи, в которых отсутствуют
явные противоречия. Появился вепольный анализ. К концу 1980-х
годов было разработано около 80 стандартов для решения не-
стандартных изобретательских задач [2]. Не правда ли, несколь-
ко неожиданное сочетание «стандарты для решения нестандарт-
ных задач».
Стандарты были предназначены для решения относительно
простых изобретательских задач. Для решения более сложных был
разработан и в течение многих лет совершенствовался алгоритм
решения изобретательских задач (АРИЗ) [3].
Для осуществления перехода от общих решений изобретатель-
ских задач к конкретным техническим решениям создавался ин-
формационный фонд — база знаний (указатели физических,
геометрических, химических, биологических эффектов).
Следствием развития информационных технологий стало по-
явление компьютерных программ, объединенных общей схемой
решения изобретательских задач на базе ТРИЗ. Как правило, они
содержат набор преобразований, основанных на законах разви-
тия технических систем, механизмы разрешения противоречий,
базы данных по физическим, геометрическим, химическим и
иным эффектам и т. д.
К сожалению, характерной особенностью современного эта-
па развития ТРИЗ стала «закрытость» многих направлений ее
развития. Когда-то все новое в ТРИЗ сразу же становилось общим
достоянием, предметом всеобщего обсуждения. Сейчас редко кто
раскрывает инструментальные детали своих исследований, осо-
бенно если они напрямую связаны с практическими применения-
ми. Это хорошо, поскольку является лишним подтверждением
ценности и достигнутого уровня разработок, реализованных на
базе ТРИЗ. Это плохо, потому что нет возможности привлечь
оппонентов (дьявольских адвокатов) со стороны. Но, увы, иного
не дано. Теории цивилизованными способами в современном
обществе пока не защищаются.
О направлениях развития ТРИЗ можно судить по тематике
докладов, представленных на конференции европейской ассоциа-
ции ТРИЗ (ETRIA) TRIZfuture-2005 [4]. О чем же там говорилось?
Заслуживает внимания направление развития ТРИЗ путем
сочетания (слияния) с другими методами активизации творчес-
кого процесса. Осуществляются попытки (удачные попытки) со-
четания ТРИЗ еще и с точными науками. Оптимизация получен-
ных решений методами математического моделирования помо-
гает существенно сократить дистанцию между абстрактными
решениями, выдаваемыми ТРИЗ, и реальными работающими
конструкциями и технологиями.
С коммерческой точки зрения наиболее привлекательной яв-
ляется разработка программных продуктов для поддержки инно-
вационного процесса. Частный случай — разработка программ-
ных продуктов, основанных опять-таки на сочетании различных
методов (ТРИЗ, Six-Sigma и др.).
Не менее привлекательное во всех смыслах этого слова на-
правление развития ТРИЗ — прогнозирование развития техни-
ческих систем. Такие работы превращают несколько неожидан-
ное сочетание двух слов «техническая хиромантия» из мечты в
реальность.
Новое масштабное направление развития основано Gen3Partners
(USA) — это методология консультирования с учетом взаимосвя-
зи проблем бизнеса и технологических проблем.
Развитие ТРИЗ идет и в иных направлениях. В последние
годы в науке и технике интенсивно развиваются технологии, ре-
ализуемые на наноуровне (нанотехнологии). Будущее — за таки-
ми технологиями. Это общепризнанный факт. Поэтому очень
интересным и актуальным направлением развития следует при-
знать перенос инструментария ТРИЗ на микроуровень (молеку-
лярный ТРИЗ).
Не менее интересным и нужным направлением развития ТРИЗ
является совершенствование главного инструмента ТРИЗ — ал-
горитма решения изобретательских задач (вариант — создание
принципиально новых алгоритмов).
12.1.2. АРИЗ
АРИЗ — наиболее важный инструмент ТРИЗ. В статье [5], по-
священной, перспективам развития АРИЗ, Г.С. Альтшуллер вы-
делил следующие основные направления:
1. Традиционное для эволюции АРИЗ — общее увеличение сте-
пени алгоритмизации за счет более полного и более глубокого ис-
пользования объективных законов развития технических систем.
2. Существенное укрепление «моста» между физпротиворе-
чием и способом его разрешения.
3. Усиление информационного фонда, укрепление связей
между АРИЗ и стандартами.
4. Выделение второй половины АРИЗ (развитие и использо-
вание найденной идеи) в самостоятельный алгоритм.
5. Разработка новой начальной части (или отдельного алго-
ритма) для выявления новых задач.
12.1. Развитие
6. Усиление общевоспитательной функции. АРИЗ должен
энергичнее развивать навыки сильного мышления.
7. Постепенное увеличение универсализма.
Эта статья датирована 1986 годом, именно тем годом, кото-
рым датирована лучшая (общепринятая?) версия АРИЗ. Что из-
менилось с тех пор? В каких-то направлениях развитие продви-
нулось довольно далеко, в каких-то нет. Остановимся подробнее
всего лишь на п. 2 и п. 7.
12.1.2.1 . Мосты
Невозможно преодолеть пропасть двумя прыжками. Это глубо-
комысленное выражение заимствовано из законов Мерфи [6].
Говорят, что если изобретательская задача нашла свое решение
на уровне ТП или ФП, то она решена на 99 %. Но оставшийся 1 %,
к сожалению, для многих остается непреодолимой преградой (про-
пастью). Почему?
До сих пор так и не удалось формализовать «мостик» между
общими решениями изобретательских задач и эффектами (физи-
ческими, геометрическими, химическими, биологическими), ко-
торые позволили бы их превратить в реально работающие уст-
ройства, способы и вещества. Как следствие, кому-то достаточно
всего нескольких секунд, чтобы его преодолеть. А для кого-то
этот поединок длится вечность. И исход его непредсказуем.
Число этих эффектов измеряется цифрами со многими нуля-
ми. И даже энциклопедические знания не всегда могут помочь.
Нужен еще и путеводитель. В качестве путеводителя первона-
чально использовались различные указатели эффектов; табли-
цы, составленные по аналогии с морфологическими матрицами.
В последнее время существенный прогресс в этом направлении
произошел в связи с развитием компьютерной техники. Практи-
чески все компьютерные «изобретающие» программы содержат
базу знаний (по сути дела перечни различных эффектов) с удоб-
ным алгоритмом поиска необходимых эффектов и примерами их
использования в изобретательской практике.
Еще сложнее подобрать необходимое сочетание эффектов для
тех задач, решение которых не ограничивается одноходовкой.
Особенно сложная задача стоит в тех случаях, когда для решения
изобретательской задачи необходимо использовать сочетание
нескольких эффектов из различных отраслей знаний.
12.1.2.2. Универсализм
Повышение универсальности ТРИЗ в целом и АРИЗ в частности
можно рассматривать в двух аспектах. Если вести речь о переходе
в надсистему, то в этом направлении сделаны «семимильные шаги».
Инструментарий ТРИЗ находит эффективное применение во все
новых и новых областях. Это нетехнические области (бизнес, рек-
лама, педагогика, искусство, журналистика и т. д.). Очевидно, скоро
будет проще сказать о том, в каких областях ТРИЗ не использует-
ся, чем в каких используется! Следует уточнить, что речь идет
преимущественно о методах ТРИЗ в целом.
Если же говорить о повышении универсальности АРИЗ в пре-
делах самой техники, то существенного прогресса, к сожалению,
не произошло. Статья Г.С. Альтшуллера [7] называлась «О приме-
нении АРИЗ к электронике, радиотехнике и схемным задачам».
Ответ же, прозвучавший в этой статье (законы развития техничес-
ких систем, а следовательно, и технологии ТРИЗ, основанные на
этих законах, универсальны в пределах всей техники) был дан не-
сколько шире, чем это было обозначено в названии.
А вот вопрос об универсальности основного инструмента ТРИЗ
(АРИЗ) так и остался без ответа. Попытался «облечь» в рамки
АРИЗ 85В некоторые свои химические изобретения. В большин-
стве случаев — не получается. А это говорит о том, ...что и рож-
дение таковых по АРИЗ 85В маловероятно. Хотя в основе этих
изобретений лежат технические противоречия, разрешенные
классическими для ТРИЗ методами. Видимо, для решения «хи-
мических» задач требуется либо иной алгоритм, либо усовершен-
ствование АРИЗ 85В. Вероятно, то же самое можно сказать и о
некоторых других областях науки и техники.
Об усовершенствовании. Скорее всего, в основе одного из
противоречий, с которым столкнулось развитие АРИЗ, лежит
именно стремление к универсальности. В стремлении увеличить
свою универсальность АРИЗ становился все больше и больше.
А это вступало в явное противоречие с его пользователем — че-
ловеком, с психологией этого пользователя. Не так-то просто
этому пользователю заставить себя сесть за стол и в течение как
минимум нескольких дней «выворачивать наизнанку» свои моз-
ги, следуя шагам такого «многотомного» алгоритма. Стремление
сделать процесс изобретательства доступным для каждого делало
необходимым еще и мельчайшую детализацию всех шагов и шаж-
ков в этом алгоритме. А это отталкивало от АРИЗ тех, кто хочет
и может преодолевать препятствия (противоречия) прыжками.
И все же, несмотря на имеющиеся недостатки, ничего лучше-
го, чем АРИЗ, пока не придумано. Это признают все — и разра-
ботчики, и пользователи.
12.1.3. Рождественская елка
Такое праздничное название имеет один из основных элементов
структурной схемы решения задач с применением ТРИЗ [8]. На-
звание АРИЗ в ней уже не используется, поскольку эта структур-
ная схема принципиально отличается от структурной схемы клас-
сического АРИЗ. Но задачи и подходы к решению — общие.
Причем акцент сделан именно на решение реальных приклад-
ных задач. Невооруженным глазом в этой схеме (алгоритме?) вид-
но еще и использование элементов вычислительной математики
(метод последовательных приближений).
Диаграмма «Рождественская елка» (рис. 12.1) отображает схе-
му решения единичной, выделенной задачи. Она применяется
после анализа исходной проблемы и выдвижения гипотезы ее
разрешения.
Основу диаграммы составляют две оси:
• X — ось уровня абстракции,
• Y — ось идеальности получаемых концепций решений.
Слева от оси Y — объектная область. В ней «проживают» кон-
кретные объекты. Справа от оси Y — абстрактная область. В ней
осуществляются действия с абстрактными описаниями объектов.
На границе раздела этих областей находится линия концепций.
Все три ситуативных уровня (объектный, концептуальный и аб-
страктный) сливаются в единое целое на вершине диаграммы,
соответствующей идеальному конечному результату (ИКР).
Решение задачи с использованием диаграммы «Рождественс-
кая елка» включает следующие шаги.
1. Переход от исходной проблемы к ее концептуальной мо-
дели.
На этом этапе выделяется конкретная задача. При этом опре-
деляются конфликтующие объекты, их особенности взаимодей-
ствия и ИКР для рассматриваемой ситуации.
2. Формулировка и разрешение технического противоречия.
После получения нескольких идей разрешения технического
противоречия делается попытка найти промежуточные концеп-
ции решения задачи с использованием доступных ресурсов.
Глава 12. Развитие ТРИЗ
3. Построение абстрактной модели задачи.
Для этого предлагается использовать вепольный анализ.
4. Построение абстрактной модели решения.
Построение абстрактной модели решения производится пу-
тем трансформации абстрактной модели задачи при помощи:
• знаний решателя;
• анализа решений задач-аналогов;
• правил стандартных решений задачи.
На этом этапе вновь делается попытка найти предваритель-
ные концепции решения задачи с использованием имеющихся
ресурсов.
5. Определение требований к Х-элементу.
12.2. Развитие вширь
6. Построение физического противоречия.
Физическое противоречие возникает, когда к Х-элементу или
его части предъявляются взаимоисключающие или противопо-
ложные в физическом смысле требования. Разрешение этого про-
тиворечия позволяет получить концептуальное решение, наибо-
лее близкое к идеальному решению.
7. Построение финального решения.
На основе всех концепций, полученных в процессе решения
и проведения экспериментов, строится финальное решение рас-
сматриваемой мини-задачи.
12.2. Развитие вширь
12.2.1. Изучаем географию
Изучать географию можно разными способами. Например, от-
крыть в Интернете страницу [9], или [10], или [11]. На странице
[9] приведен перечень первичных организаций, входящих в меж-
дународную ассоциацию ТРИЗ (МАТРИЗ). На данный момент в
МАТРИЗ входит 40 таких организаций из России, Белоруссии,
Латвии, Эстонии, Украины, Европы, США, Израиля, Латинской
Америки, Южной Кореи. Больше всего представлены Россия и...
Южная Корея. Российское количественное превосходство не тре-
бует пояснений, а вот Южно-корейское — это общая заслуга
ТРИЗ-специалистов из разных стран (Россия, Белоруссия, Укра-
ина), которые с легкой руки старожила Василия Леняшина тру-
дятся в этой стране уже в течение последних 7 лет.
На странице [10] приведен перечень сертифицированных
ТРИЗ-специалистов, в число которых совсем недавно попал и
автор этой книги. География места жительства этих специалис-
тов также чрезвычайно широка.
Заметки о конференции европейской ассоциации ТРИЗ (ETRIA)
приведены на странице [11]. ETRIA также является членом
МАТРИЗ. Национальный состав участников этой конференции явно
выходил за пределы, ограничиваемые территорией Европы.
12.2.2. От техники к...
Распространение ТРИЗ происходит не только по географическому
принципу. В последние годы ТРИЗ-технологии активно внедряют-
ся в областях человеческой деятельности, далеких от техники.
12.2.2.1. Рекламное измерение
Первое издание книги И.Л. Викентьева о технологиях Public
Relations вышло еще в 1995 году. С тех пор эта книга многократ-
но переиздавалась. Последнее, седьмое издание этой книги вышло
в 2004 г. [12]. В чем же секрет такой популярности этой книги?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, дословно приведу назва-
ния некоторых разделов этой книги:
Модели постановки системы задач.
Модели решения системы задач.
Перечень типовых положительных стереотипов.
Приемы выявления стереотипов клиентов.
Приемы отстройки от конкурентов.
Ресурсы рекламной коммуникации.
Элементы фирменных стандартов.
Закономерность S-образного развития систем.
Решение нестандартной задачи как разрешение противоречия.
Конкретные приемы разрешения противоречий в PR.
Обратите внимание на выделенные слова. Да, ключевые сло-
ва ТРИЗ стали ключевыми словами книги о рекламе и Public
Relations. Такая высокая популярность этой книги, очевидно, не
стала результатом только литературного таланта автора. Скорее
всего она стала следствием того, что в руках у многомиллионной
армии специалистов в области рекламы и Public Relations нако-
нец-то появились инструменты, которыми позволяют формали-
зовать поставленные задачи и, что не менее важно, довольно
просто и быстро их решать. Или же даже переложить большую
часть бремени этих решений на «плечи» помощников — компь-
ютерных программ-консультантов.
12.2.2.2. Бизнес от лукавого
Когда-то в одной из телевизионных передач «Что? Где? Когда?»
знатокам было предложено решить задачу из области бизнеса.
Суть этой задачи заключалась примерно в следующем. Имеется
два производителя всем известного продукта — водки. Предпри-
ятия борются за потребителя. Способы традиционны: снижение
внутренних издержек и, как следствие, снижение цены этого
продукта. После нескольких итераций ситуация заходит в тупик.
Ну некуда больше снижать! Как быть?
Знатоки успешно решили эту задачу. А правильный ответ был
такой: нужно сделать наоборот — увеличить цену. Причем уве-
личить не на 10—15 % (это только оттолкнет потенциальных по-
купателей), а в разы, мотивируя тем, что ваша продукция облада-
ет выдающимися свойствами. Использование «тризовских» ме-
тодов (приема «сделать наоборот» и оператора РВС) налицо.
Какими же выдающимися свойствами может отличаться вод-
ка? По сути дела это всего лишь 40 %-ный водный раствор эти-
лового спирта в воде. Причем потребительские свойства опреде-
ляются его первой составляющей. А этиловый спирт, каким он
был в те годы, когда еще Дмитрий Иванович Менделеев устанав-
ливал наиболее удачную его концентрацию, таким он и остался.
Очень удачной зацепкой для «водочных королей» стали примеси,
которые неизбежно присутствуют в этом продукте.
Действительно, идеально чистых химических соединений не
существует. И в спирте неизбежно присутствуют различные при-
меси. Причем в зависимости от способа получения и способов
очистки их состав (альдегиды, эфиры, ацетон, высшие спирты и
др.) и количество разнятся. Все эти примеси объединяет то, что
они довольно токсичны. Именно на очень высокую степень чис-
тоты своей продукции ссылаются производители, повышая ее цену
в разы или даже в десятки раз. В своих рекламных акциях они
постоянно пытаются перещеголять друг друга, заявляя о сверх-
высокой чистоте своей продукции. При этом они якобы руко-
водствуются заботами о его потребителе, то есть нас с вами, ссы-
лаясь на меньшую опасность своей продукции для здоровья че-
ловека. Удаление каких-то дополнительных миллионных долей
процента примесей приводит к увеличению цены продукции
иногда даже в разы.
Действительно, если сопоставлять продажную цену и токсич-
ность «первача» и «Столичной», то с этим утверждением можно
согласиться. Но чем ближе изготовители приближаются к макси-
мально высокой степени чистоты своей продукции, тем в более
высокой степени это отражается на его цене. Можно ли согла-
ситься с этим?
Думаю, что нет. Ничем иным, кроме элементарного исполь-
зования психологической инерции человека, такое резкое увели-
чение цены не обосновано. Действительно, уменьшение количе-
ства примесей на уровне «следов» незначительно, но все-таки
снижает токсичность водки. Но при этом «закрываются глаза» на
то, что сам этиловый спирт также токсичен. После сверхнорма-
тивного приема водки даже самой сверхвысокой чистоты все равно
на другой день вас неизбежно ожидает похмельный синдром (реак-
ция организма на его отравление). Предельно допустимая концен-
трация (ПДК) этанола в атмосферном воздухе составляет 5 мг/м3,
а среднесмертельная доза ЛД50 = 9 г/кг [13]. Его же в водке очень
много, несоизмеримо больше, чем примесей. Поэтому после уда-
ления примесей, содержание которых стремится к нулю, умень-
шение общей токсичности продукции можно будет рассмотреть
только «под микроскопом».
Психологическая инерция является плохим помощником и в
других задачах, возникающих в связи с практическим примене-
нием этилового спирта. Этиловый спирт используется в различ-
ных операциях производства электронной техники (отмывка пе-
чатных узлов спирто-бензиновой смесью, очистка контактов и др.).
Бывает и так, что снабженцам проще приобрести вместо техни-
ческого спирта — пищевой. Думая о том, что спирт, предназна-
ченный для внутреннего употребления, должен быть гарантиро-
ванно чище своего собрата, употребляемого машинами, техноло-
ги соглашаются. А после этого они долго «ломают голову» над
тем, почему идет брак. Действительно, в техническом спирте со-
держание примесей в целом может быть и больше, чем в пище-
вом. Но само его название говорит о том, что он специально
предназначен для технических целей. Как следствие, из него уда-
лены именно те примеси, которые негативно влияют на проведе-
ние тех или иных операций технологического процесса. Челове-
ку же эти примеси не так опасны. Биологическая машина функ-
ционирует по другим законам. Поэтому в пищевом спирте они
могут и оставаться.
12.2.2.3. Изобретаем неваляшку
Не знаю, как у других, но у меня чтение литературы на тему
педагогики вызывает глубокую-глубокую тоску. В большинстве
случаев практическая реализация методов и приемов, приведен-
ных в этой литературе, вызывает не меньшую тоску и у воспиту-
емых. Несколько примеров оживления этого нудного, но, увы,
необходимого процесса.
Игрушка-неваляшка известна во многих странах. В России —
это «Ванька-встанька», в Америке — «Bob of toy», в Японии —
«Дарума». В неваляшке используется известный из физики прин-
цип устойчивого равновесия. Бесконечное множество вариаций
этой игрушки объединяет то, что они имеют сферическое осно-
вание, а центр тяжести всегда находится ниже центра этой сфе-
ры. Как следствие, неваляшку невозможно уложить. Именно эта
12.2. Развитие вширь
невозможность и вызывает очень живой интерес у молодого по-
коления в возрасте от двух до пяти.
Не меньший интерес эта игрушка может вызвать и у детей
«пожилого» возраста. В проекте Нелли Козыревой «изобретаем
неваляшку» [14] очень удачно сочетается интерес и полезность.
Из патентного фонда было отобрано около 50 вариантов испол-
нения неваляшки. В них неваляшки, качаясь, выписывают раз-
ные геометрические фигуры, стоят на голове, вытягивают шею,
качают головой, машут руками, светятся, пищат, подмигивают и
даже лежат! Оказывается и неваляшку можно положить! Анализ
отобранных конструкций показал, что в патентах чаще всего ис-
пользовались 10 изобретательских приемов: дробление, динамиза-
ция, сфероидальность, «матрешка», замена механической схемы,
сделать наоборот, асимметрия, изменение окраски, использова-
ние пневмо- и гидроконструкции, изменение физико-химичес-
ких параметров.
Неваляшка оказалась очень удачной моделью для обучения
техническому творчеству детей, и не только. Еще больше воз-
можностей у этой модели появилось после того, как был создан
программный продукт [15]. В распоряжении учеников оказалась
виртуальная школа-студия, в которой неваляшек обучают покло-
нам и движениям. В этой студии о скуке можно забыть.
О скуке можно забыть и на уроках Натальи Чижевской. Ее
технология сочинения рассказов-миниатюр базируется на двух
«столпах»: ТРИЗ и морфологический анализ [16]. Под расска-
зом-миниатюрой в данном случае следует понимать обычный
анекдот, или иначе — историю с неожиданной концовкой.
12.2.2.4. Жизнь за кадром
Несколько других нетехнических примеров.
Создатели художественного фильма «Жизнь за кадром» по-
пытались снять покров тайны с того, как работает конвейер, еже-
годно выдающий на наш суд тысячи новых фильмов. В условиях
реальных съемок одного из фильмов мы сталкиваемся с различны-
ми и часто, казалось бы, неразрешимыми ситуациями. Типичная
изобретательская задача возникла, когда главная героиня отказа-
лась обнажить свою грудь, потребовав за этот подвиг дополнитель-
ный гонорар величиной 800 тыс. долларов. Абсурдность таковых
требований заключалась в том, что ранее эта актриса отнюдь не
отличалась монашеским поведением. Невыполнение ее требова-
ний грозило еще большими убытками. Проводя аналогию с техни-
кой, своеобразное ФП в этой задаче можно было сформулиро-
вать так: грудь нужно обнажить и грудь нельзя обнажить. Автор
сценария красиво и изящно разрешил эту патовую ситуацию. Он
предложил актрисе обнажить свою грудь, стоя лицом к партнеру
и спиной к зрителям. А поскольку зрители уже многократно ви-
дели эту грудь в других фильмах, все остальное они могут домыс-
лить по памяти.
Научно-технический прогресс все больше осложняет жизнь
правителям тех стран, где религия — превыше всего. В первую
очередь это относится к странам мусульманского мира. Необхо-
димость соблюдения религиозных канонов и одновременно не-
обходимость идти в ногу со светскими странами в области науки
и техники (иначе будет худо) постоянно рождают множество
противоречивых ситуаций. Так, например, в Саудовской Аравии
преподаватели-мужчины не должны видеть лица студенток. Из-
бавиться от преподавателей мужского пола — плохо, избавиться
от студенток — еще хуже. Не те ныне времена. Как быть? Проти-
воречие было разрешено довольно просто: студентки смотрят
лекции по телевизору, а вопросы задают по телефону.
Не всегда «тризовские» инструменты используются во благо
всем. Бывает и так, что они используются только во благо себе.
Как хочется женщинам, чтобы «по щучьему велению» их фигура
соответствовала стандарту 90—60—90! (У мужчин — другие стан-
дарты). Этим стремлением к идеальному решению и пользуются
многочисленные «изобретатели». А слово изобретатели иногда
можно и не заключать в кавычки. В последнее время в Москве
среди власть имущих и других высших слоев общества большой
популярностью пользуется очередная чудодейственная методика
похудания. Суть этой методики в том, что у пациента берут кровь,
проверяют ее на совместимость с различными продуктами пита-
ния и на основании этого рекомендуют специальную диету. Ис-
пользование компьютерной обработки результатов вызывает еще
большее уважение у пациентов. Научная подоплека используе-
мой технологии тщательно скрывается. Но результат — есть.
Методика работает, пациенты худеют. Все довольны — и лекари,
и пациенты.
Корреспондент одной из газет, используя «тризовские» инст-
рументы, раскрыл научную подоплеку этой технологии. Он про-
шел тестирование дважды, причем под разными именами. Реко-
мендуемые для его оздоровления диеты оказались похожими друг
12.3. Проблемы
на друга, как небо и Земля. Почему же все-таки пациенты худе-
ли? Решение самое простое. Все рекомендуемые диеты были та-
ковы, что если их соблюдать — похудеет любой. А состав крови,
ее реакция на различные продукты и все прочее — видимо, от
лукавого.
12.3. Проблемы
Начну с афоризма, автором которого является Дж. Гилфорд:
«Жить — значит иметь проблемы. Решать их — значит расти ин-
теллектуально». Этим все сказано. Если бы в развитии ТРИЗ не
было проблем, значит, действительно, можно было бы сказать,
что ТРИЗ умер. Проблем много. Проблемы разные, разные по
своему внутреннему содержанию, разные по своей значимости.
Здесь же — лишь о том, что больше всего волнует автора.
12.3.1. Разборы
12.3.1.1. В технике
В ТРИЗ используется такое понятие, как главный производствен-
ный процесс (ГПП). Именно главный производственный про-
цесс принимается во внимание, когда осуществляется выбор меж-
ду противоположными вариантами формулировки технического
противоречия изобретательской задачи (ТП 1 и ТП 2). У людей,
имеющих отношение к ТРИЗ, имеется также два варианта, но на
этот раз два варианта ГПП. Для первых главное — ТРИЗ, ТРИЗ и
еще раз ТРИЗ! Для других ТРИЗ — это очень хороший инстру-
мент, позволяющий с минимальными затратами эффективно
решать реальные технические задачи. Длительное время автор
на 100 % входил в состав этих «других». Лишь в последнее время
начался процесс раздвоения личности. Видимо, поэтому приклад-
ной аспект использования ТРИЗ был и остался для него ГПП.
И не только для автора. При проведении конференции ETRIA
«TRIZfuture-2005» изначально предполагалось, что основными
темами будут проблемы обучения — методики обучения ТРИЗ,
методики образования с использованием ТРИЗ. Однако факти-
ческий расклад докладов оказался явно в пользу практических
приложений ТРИЗ в индустрии [11].
Но несмотря на это, в Интернет-публикациях вновь и вновь
появляются разборы чужих, решенных кем-то ранее изобрета-
тельских задач, выполненных по АРИЗ-86В. Почему не своих?
Какие же цели преследуют такие разборы? Изначально одной
из целей таких разборов была необходимость набора статисти-
ческих данных, подтверждающих правильность тех или иных
шагов алгоритма. Не менее важная цель (локальная цель) — под-
крепление «правильности» хода решения ответом, имеющим го-
сударственный «сертификат» в виде авторского свидетельства.
Если же говорить шире, главная цель таких разборов по АРИЗ —
развитие самого АРИЗ.
По прошествии 20 лет с даты, обозначенной в названии
АРИЗ 86В, использование таких разборов правомерно в целях обу-
чения и подтверждения минимального уровня знаний в области
ТРИЗ. Как следствие, разбор задачи (лучше своей) по АРИЗ 86В
стал обязательным элементом при проведении сертификации
ТРИЗ-специалистов.
Другое полезное применение — разбор реальных (вариант —
собственных) решений задач с целью поиска пропущенных ре-
шений или решений на уровне прогноза. Для решения практи-
ческих изобретательских задач «с нуля», к сожалению, по мно-
гим причинам такой алгоритм оказался не очень удобным. Хотя,
не исключаю, что это только личное мнение автора.
12.3.1.2. В жизни
Итак, отношение автора к разборам решений изобретательских
задач по тризовским алгоритмам неоднозначное. Неоднозначное
отношение и к разборам в надсистеме — гораздо выше этих алго-
ритмов. Почему? Да потому, что иногда такие разборы превра-
щаются в разборки.
Ни для кого не секрет, что дела с соблюдением авторских
прав в России обстоят не самым лучшим образом. То и дело нам
показывают по телевидению, как бульдозерами (почему не тан-
ками?) уничтожаются пиратские диски. А воз и ныне там... Ка-
ким же образом защищаются авторские права?
Теории не защищаются ничем. Они являются всеобщим дос-
тояние м.
Когда-то, в советские времена, всеобщим достоянием были и
изобретения (в лице государства). Начиная с 1992 года ситуация
изменилась коренным образом [17]. Оригинальные технические
решения, как и во всем мире, защищаются патентами, срок дей-
ствия которых не превышает 20 лет. Далее изобретения также
превращаются во всеобщую собственность. Следует уточнить, что
12.3.
изобретения, защищенные российскими патентами, сразу же с
момента публикации становятся всеобщей собственностью за
пределами России.
Литературные произведения защищаются авторским правом
на гораздо больший срок [18].
И в завершение следует сказать, что в соответствии с другими
нормами права авторские права передаются по наследству.
К сожалению, Г.С. Альтшуллер рано ушел из жизни. В связи
с этим возникла проблема передачи, приема и контроля за со-
блюдением (нарушениями) авторских прав. Выдающиеся заслуги
Г.С. Альтшуллера в разработке ТРИЗ признаны всей мировой
общественностью. И ежели, кто-то вдруг заявит, что это он, а не
Г.С. Альтшуллер, разработал АРИЗ или другой инструмент ТРИЗ,
то его ждет всеобщее осмеяние и/или остракизм. Откровенный
плагиат в данном случае исключен.
Но... почему-то в Интернете появляются призывы о помощи,
обращенные ко всей тризовской общественности. Причем эти
призывы идут от соратников Г.С. Альтшуллера, которые в течение
многих десятков лет бескорыстно работали на благо и развитие
ТРИЗ, в том числе и от мастеров ТРИЗ. А такое звание получили
лишь те, кто сам внес значительный вклад в развитие ТРИЗ, такое
звание было присвоено самим Г.С. Альтшуллером. Каким это об-
разом они могли нарушить авторские права? Непонятно.
О корректности. Даже простое приглашение автора к интересую-
щимся ТРИЗ посетить его сайт в Интернете было признано некор-
ректным [19]. Почему? Потому что в этом приглашении «...вы не
привели ссылки на первоисточники». Защита авторских прав — дело
нужное. Но ведь должны же быть какие-то разумные пределы...
В течение длительного времени можно было наблюдать, как
«ломаются копья» вокруг товарного знака ТРИЗ (TR1Z). Кто-то
наблюдал за этой историей со злорадством, кто-то — с недопо-
ниманием, кто-то — с чувством глубокого стыда. Себя отношу к
последним. В этой необъявленной войне есть побежденные, по-
скольку товарный знак был аннулирован, но нет победителей.
Почему? Вся эта история нанесла такой непоправимый вред ре-
путации (имиджу) ТРИЗ, последствия которого в течение дли-
тельного времени не смогут устранить даже самые выдающиеся
достижения ТРИЗ. В голову приходит ближайшая аналогия из
области черного юмора. На перекрестке один водитель едет на
зеленый свет, потому что он прав, а другой — на красный, пото-
му что он пьян. Результат известен — оба автомобиля разбиты.
12.3.1.3. Дорогу осилит идущий
А выдающиеся достижения у ТРИЗ имеются! Не знаю, принимал
ли участие в необъявленной войне ТРИЗ-специалист Николай
Шпаковский. Скорее всего нет, поскольку приблизительно в это
же самое время он сражался не «в тылах», а «на передовой». Ре-
шая производственные задачи с использованием технологий
ТРИЗ, он «выдал на-гора» годовую прибыль в размере 92 млн
долларов США [20]. Не спешите пересчитывать эту сумму в руб-
ли. Правильнее будет материализовать ее в вонах (денежных еди-
ницах Южной Кореи). Николай Шпаковский принес такую при-
быль компании Samsung. За это выдающееся достижение на еже-
годной церемонии института передовых технологий компании
Samsung (SAIT) он был награжден специальным призом.
Результативность — главный критерий эффективности лю-
бой теории, любой технологии. Злопыхатели говорят, что это
достижение не ТРИЗ, а интеллекта конкретного человека. На мой
взгляд, правильнее будет сказать «интеллекта конкретного чело-
века, усиленного знаниями ТРИЗ». А самый правильный ответ,
очевидно, можно услышать только от самого Николая Шпаковс-
кого.
12.3.2. Real Engineering
Такое название несколько лет назад появилось у одного из разде-
лов на форуме сайта Виктора Тимохова [21]. Жаль, что по цело-
му ряду причин организовать эффективное решение реальных
производственных задач в рамках форума непросто или даже не-
возможно.
12.3.2.1. Правильное решение
Прочитал доклад В.Е. Минакера «Проблемы ТРИЗ в рамках ре-
ального инновационного процесса», сделанный на научно-прак-
тической конференции «Развитие системы подготовки препода-
вателей, специалистов и исследователей ТРИЗ» [22]. Во многих
основополагающих положениях этого доклада нашел отголоски
собственных мыслей. Есть идеальная ТРИЗ, к которой можно
отнести и упоминаемые выше разборы задач, а есть реальная —
практическая. Бывает так, что очень красивое решение, которое
было найдено с использованием ТРИЗ-технологий, на практике
оказывается недостаточно эффективным, неработоспособным или
даже вредным. Почему?
Реальная сложнейшая многофакторная техническая система
при проведении решения задачи заменяется моделью. И гаран-
тировать то, что при моделировании отброшены только второ-
степенные факторы, не может никто. Еще хуже, если решением
задачи занимается ТРИЗ-специалист с явным гуманитарным ук-
лоном. Отсутствие профессиональных знаний может повредить
и непосредственно в процессе решения задачи.
При проведении теоретических исследований (решение зада-
чи по технологиям ТРИЗ — тоже теоретическое исследование)
сложно провести количественную оценку, к которым могут при-
вести неизбежные упрощения. Грань между количественными
изменениями и качественными становится очень зыбкой. Толь-
ко практика может подтвердить дееспособность того или иного
решения. С этой точки зрения «Рождественская елка» более при-
влекательна, чем классический АРИЗ. Хотя бы потому, что 50%
ее площади занимает область экспериментов.
Реальные технические системы отличаются от своих идеаль-
ных аналогов изменчивостью. Редко какая-либо система пред-
стает перед изобретателями в застывшем (окаменелом) состоя-
нии. Все течет, все изменяется. Не так-то просто уловить суть
постоянно изменяющегося, а иногда еще и с «космической» ско-
ростью явления.
Законы развития технических систем (базовая основа ТРИЗ)
носят явный статистический характер. Как следствие, по теории
вероятности в некоторых случаях допускается их неисполнение.
Реальный пример — разработанная автором и доведенная до ста-
дии промышленного использования технология полимеризаци-
онного наполнения печатных плат. Разработка этой технологии
начиналась с решения исправительной задачи, что не вполне со-
гласуется с генеральной линией развития технических систем по
ТРИЗ.
И еще. Изобретательские решения, причем любые, а не толь-
ко те, к появлению которых причастна ТРИЗ, как правило, не
так-то просто превратить в реальные работающие конструкции и
технологии. Идеальные решения, к сожалению, существуют только
в идеальном мире. В реальном мире улучшение какой-то одной
характеристики технической системы приводит к ухудшению
другой (других). Возникают иные более или менее значимые про-
тиворечия. И вероятность того, что исходное оригинальное тех-
ническое решение найдет практическое использование, во мно-
гом зависит еще и от того, каким образом будут разрешены эти
противоречия-спутники. Очень часто, для того чтобы воплотить
в жизнь то или иное техническое решение, необходимо решить
несколько параллельных задач. Например, практическая реали-
зация способов (технологий) требует создания нового оборудо-
вания и т. д.
«Слухи» о всесильности ТРИЗ явно преувеличены. Г.С. Альт-
шуллер подчеркивал, что ТРИЗ является усилителем человечес-
кого интеллекта, а не его заменителем. Имеет право на суще-
ствование и другая формулировка, приведенная в докладе [22]:
«...ТРИЗ является усилителем не только человеческого ума, но и
его оборотной стороны — глупости».
Вновь о разборах. Глупостью, на мой взгляд, является целе-
направленное подведение слушателей к «правильному решению» —
к тому самому, на базе которого был организован разбор изобре-
тательской задачи. Как правило, задачи для проведения разборов
берутся из патентного фонда. В идеале все патентуемые техни-
ческие решения должны быть работоспособными. В действитель-
ности это далеко не так. Какие-то из них, особенно это относит-
ся к советским временам, представляют собой «изобретения ради
изобретения». Кому-то нужно было набрать положенное число
изобретений для защиты диссертации, кому-то нужно было вы-
полнить план для отчета перед вышестоящей организацией и т.
д. Поэтому среди авторских свидетельств очень много в лучшем
случае «бантиков ко фраку», а в худшем — просто выдуманных,
неработоспособных изобретений.
Велика вероятность подобрать «обманку» и среди патентов, в
том числе среди патентов зарубежных стран. В данном случае это
делается преимущественно для того, чтобы направить конкурен-
тов по ложному следу и тем самым выиграть драгоценное время.
Более того, иногда не совсем правильные решения попадают и
многократно повторяются и тиражируются в литературе о ТРИЗ.
Александр Кынин в работе [23] приводит такой пример. Речь идет
о решении задачи по перевозке шлака. В этой задаче для создания
слоя пены в ковше предлагалось налить воды. И при этом никто
не задумывался, что температура шлака около 1000 °C. А в одном
из вариантов даже предлагалось заранее наливать в ковш немного
воды. Теоретически решение верное, но практически при его реа-
лизации может получиться маленькая бомба. Вот что значит пси-
хологическая инерция! Оказалось, что в действительности для ре-
шения этой задачи использовались добавки карбонатов, которые
при разложении выделяли вспенивающий газ.
12.3.2.2. О задачеклепательстве
Случайно узнал, что в среде ТРИЗ-профессионалов существует
такая профессия (или стиль жизни?) — задачеклепатель. Это ког-
да, используя прием инверсии, начиная с конца (с ответа) при-
думывается задача, которую можно красиво решить, используя
инструменты ТРИЗ. Что можно сказать по этому поводу? Пре-
красная тренировка для ума, но не более того. А не правильнее
ли будет использовать ресурсы собственного интеллекта для ре-
шения реальных задач?
Ответ на этот вопрос: «А где их взять?»
Ответ на этот ответ: «Везде!»
Даже сидя за столом и глядя на пустую стену, можно поста-
вить себе много реальных практических задач, хотя бы каким
образом эту стену приукрасить. Много превратится в бесконеч-
ное множество, если на этом столе будет стоять еще и компью-
тер, подключенный к Интернету. Думаю, что проблема оторван-
ности науки от производства, как простудное заболевание (ОРЗ),
перешла от нашей фундаментальной науки и в науку ТРИЗ.
Когда-то автору довелось написать квалификационную рабо-
ту. В первоначальном варианте логика изложений была пример-
но такова. Во главе угла стояло решение очень важной приклад-
ной задачи. Нетрудно догадаться, что речь шла о проблеме повы-
шения влагостойкости радиоэлектронной аппаратуры. Было
найдено нестандартное оригинальное решение. Какое? Можно
догадаться еще проще — полимеризационное наполнение. На
финише — глубокие инструментальные исследования в этой об-
ласти. Такая логика изложения совпадала с реальным ходом раз-
вития событий. Такая логика развития, по мнению автора, и дол-
жна иметь место в тех странах, которые делают ставку на инно-
вационный путь развития.
Но оказалось, что такой вариант изложения — не проходной.
Оказывается, в нашей науке «правильным» считается обратный
порядок: сначала исследования, а затем поиск возможных облас-
тей их практического использования. Как следствие, учеными
проводятся исследования чего-то неизвестно для чего-то. Резуль-
тативность таких исследований, по меньшей мере, желает луч-
шего. Какова же все-таки судьба квалификационной работы? Жить
в обществе и быть свободным от общества нельзя. Пришлось
скрепя сердце осуществить на бумаге инверсию.
Говорят, что если ОРЗ лечить, оно проходит за неделю, а если
нет — то за семь дней. К сожалению, в науке проблема ее ото-
рванности от производства на уровне ИКР не решается или пока
не решается? То же самое, видимо, можно сказать и о ТРИЗ.
Литература
1. Мороз Ю. Поиск сильного решения в бизнесе (ТРИЗ умер). —
Ростов-на-Дону, Феникс, 2004.
2. Нить в лабиринте / Сост. А.Б. Селюцкий. — Петрозаводск,
Карелия, 1988.
3. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. — М., Московский
рабочий, 1969.
4. http://www.etria.net
5. Альтшуллер Г.С. История развития АРИЗ /
http://www.altshuller.ru/triz/ariz-about 1 .asp
6. Блох Артур. Законы Мерфи. Пер. с англ. — Мн.: Попурри, 2004.
7. Альтшуллер Г.С. О применении АРИЗ к электронике, ра-
диотехнике и схемным задачам / http://www.altshuller.ru/triz/
investigations6.asp
8. http://www.generator-s.narod.ru/tools/ru/a01 .html
9. http://www.matriz.ru/ru/section.php?docld=3573
10. http://www.matriz.ru/ru/section.php?docld=3866
11. http://www.metodolog.ru/00575/00575.html
12. Викентьев И.Л. Приемы рекламы и Public Relations. Про-
граммы консультанты. — Санкт-Петербург, Бизнес-Пресса, 2004.
13. Химическая энциклопедия: В 5 т. Редкол. Зефиров Н.С. и
др. — М.: Большая российская энцикл., 1998.
14. http://www.trizland.ru/trizba.php?id= 161
15. http://novell.sredaboom.ru/publicationl ru.html
16. http://www.trizminsk.oig/e/prs/23025.htm
17. Патентный закон Российской Федерации от 23 сентября
1992 г. № 3517-1 (Ведомости Съезда народных депутатов Россий-
ской Федерации и Верховного Совета Российской Федерации,
1992, № 42).
18. Российская Федерация. Закон об авторском праве и смеж-
ных правах / http://encycl.accoona.ru/?id=21789
19. http://www.fasie.ru/phpBB/viewtopic.php?t=81
20. http://shpackovsky.narod.ru/publication_ru.html
21. http://www.trizland.ru
22. Минакер В.Е. Проблемы ТРИЗ в рамках реального инно-
вационного процесса / http://www.metodolog.ru/00018/00018.html
23. Кынин А.Т. Пустота в материалах / http://alexander-
kynin.boom.ru/TRIZ/POROSITY/POROSITY-R.htm
^alaHaus^!.
ГЛАВА 13
АЛЬТЕРНАТИВА
Если вы не знаете, куда идете, то неважно,
какой вы выберете путь.
Братья Карамазовы
Эвристика (от греческого heurisko — отыскиваю, открываю) —
специальные методы, используемые в процессе открытия нового;
или наука, изучающая продуктивное творческое мышление; или
метод обучения, восходящий к Сократу [1]. Слово «эвристика»
впервые появилось в трудах греческого математика Папа Алексан-
дрийского (вторая половина III века нашей эры). Впоследствии о
необходимости изучения и развития творческого мышления гово-
рили многие выдающиеся ученые, в частности Лейбниц и Декарт.
Изобретательство в отличие от многих других претендентов
на это звание действительно является древнейшей профессией
человека. По мере развития техники изобретательские задачи ста-
новились все сложнее и сложнее, а методы их созидания почти
не изменялись. Как правило, господствовал метод проб и оши-
бок. Возникло явное рассогласование между целями и средства-
ми, используемыми для их осуществления. Не удивительно, что
появилась мысль упорядочить этот процесс и создать науку о
решении творческих задач.
Существует очень много методов интенсификации поиска
нового. Так, в работе [2] упоминается о 35 методах повышения
эффективности, применяемых ныне за рубежом. Если же исхо-
дить из того, что эксклюзивные методы повышения собственной
творческой активности имеются у каждого второго изобретателя,
то число таких методов, очевидно, измеряется цифрой со многи-
ми нулями.
ТРИЗ — один из методов интенсификации поиска нового.
Она существует уже половину века, но, несмотря на это, боль-
шая часть, точнее, подавляющая часть изобретений до сих пор
делается тем самым способом, который «превратил обезьяну в
человека». Кстати, то же самое можно сказать и о других мето-
дах. Детальный анализ причин такого явления явно выходит за
пределы этой книги. Поэтому ограничимся всего лишь краткой
информацией о некоторых других распространенных и/или по-
иГ 282 Глава 13. Альтернатива
лучивших наибольшее признание способах созидания нового.
Сделать же выбор, каким образом увеличить коэффициент по-
лезного действия своей интеллектуальной деятельности и увели-
чивать ли его вообще — личное право каждого индивидуума.
13.1. Метод проб и ошибок
В большей части публикаций на тему изобретательского творче-
ства об этом методе говорят свысока, с некоторым снисхождени-
ем. Но, несмотря на это, заслуги метода проб и ошибок можно
только недооценить. Хотя бы потому, что зарождение жизни на
Земле стало результатом практического воплощения в жизнь ме-
тода проб и ошибок. Используя же этот не очень интенсивный,
но (на больших выборках) достаточно эффективный созидатель-
ный метод в сравнительно короткие исторические сроки, приро-
да в своем творчестве проделала путь от «туфелек-инфузорий» до
«человека разумного». Этот же метод «человек разумный» в тече-
ние длительного времени использовал, использует и, видимо, далее
будет использовать для совершенствования (или приспособле-
ния для своих нужд?) окружающего мира.
Следует иметь в виду, что в абсолютно чистом виде метод проб
и ошибок уже не используется давным-давно. Тыкать пальцем в
небо давно стало не по душе «человеку разумному». Для решения
новых задач привлекается еще и прошлый опыт. Сектор «обстре-
ла» при этом значительно сужается. Это хорошо, поскольку суще-
ственно уменьшает количество проб от бесконечности до какого-
то большого, но в то же время ограниченного числа попыток.
И одновременно это плохо, поскольку направляет действия чело-
века только в определенном направлении, отсекая при этом ори-
гинальные решения, лежащие вне сферы этого опыта. Как след-
ствие, на первый план выходит такое понятие, как психологичес-
кая инерция, а точнее — борьба с нею. Но все-таки самый главный
недостаток этого метода — его экстенсивность. Развитие науки и
техники в последние годы идет по экспоненте. Получить же эту
экспоненту, используя классический метод проб и ошибок, не-
возможно. Математика выступает против этого, поскольку людс-
кие ресурсы, которые могут быть использованы, ограничены.
Рассказывая о методе проб и ошибок, очень часто в качестве
примера приводят изобретения Т.А. Эдисона. Не самый удач-
ный пример. Действительно, изобретая щелочной аккумулятор,
Эдисон нашел нужный вариант, проделав при этом примерно
50 000 опытов. Чуть меньше (6000 опытов) понадобилось ему для
подбора материала нити накаливания электрической лампочки [3].
Но кто знает, какие алгоритмы выбора (поиска) были реализова-
ны при этом в его гениальной голове? Современные научно-ис-
следовательские институты численностью 1000 и более человек
гораздо быстрее могут перебирать эти тысячи вариантов, но, увы,
результативность этих исследований так далека от желаемого. Вот
этот пример — гораздо более подходящий для критики рассмат-
риваемого метода.
Чтобы перебор вариантов в методе проб и ошибок был более
целенаправленным и «приземленным», составляются списки на-
водящих вопросов [4]. Некоторые из них:
1. Не противоречит ли идея законам природы?
2. Может ли изобретение работать и будет ли достигнута же-
лаемая цель?
3. Может ли изобретение работать с достаточной скоростью,
производительностью и т. д.?
4. Можно ли его осуществить из известных материалов и с
помощью существующей технологии?
5. Будет ли оно надежным и простым в эксплуатации?
6. Можно ли им управлять, а при необходимости регулиро-
вать и настраивать?
7. Будет ли изобретение достаточно надежным?
8. Какова стоимость его эксплуатации и обслуживания?
9. Каким будет его срок службы?
10. Насколько частыми будут поломки и будут ли они приво-
дить к катастрофическим последствиям?
Если исходить из модели метода проб и ошибок как серии
случайных и неслучайных, осознанных и неосознанных последо-
вательных проб, можно выделить два основных и противополож-
ных друг другу направления повышения его эффективности:
• увеличение хаотичности поиска (мозговой штурм и его моди-
фикации);
• систематизация перебора вариантов (метод контрольных воп-
росов, морфологический анализ и др.).
13.2. Мозговой штурм
Мозговой штурм — специальный психологический метод, по-
зволяющий увеличить хаотичность (случайность) поиска и, на-
оборот, уменьшить его инерционную направленность. Этот эв-
Глава 13. Альтернатива
ристический метод был создан американским предпринимате-
лем и изобретателем Алексом Осборном в конце тридцатых го-
дов прошлого века [5, 6].
В годы Второй мировой войны для американского флота очень
много трагических неприятностей приносили японские торпе-
ды, управляемые камикадзе. Алекс Осборн служил в то время на
одном из американских кораблей. На этом корабле был проведен
своеобразный ученый совет, в котором приняли участие все чле-
ны команды. Всем было предложено высказать свое мнение о
том, как можно защититься от вездесущих торпед. Первыми выс-
казывались юнги, затем матросы, после них — офицеры. Завер-
шающее слово было за капитаном. Такая очередность была уста-
новлена для того, чтобы авторитет вышестоящих чинов не ока-
зывал давления на подчиненных. Было разрешено высказывать
любые идеи, даже самые фантастические. В ответ на такое разре-
шение один из матросов предложил выстроить всю команду вдоль
борта и одновременно дуть на торпеду. Эта идея при последую-
щем обсуждении и была взята за основу. Поток воздуха всего
лишь заменили сильной струей воды. Использование брандспойта
позволяло не только снизить скорость торпеды, но и изменить
направление ее движения.
Эта история, очевидно, и стала техническим обоснованием
для разработки изобретательского метода, названного позже моз-
говым штурмом (брейнстромингом). Известен целый ряд моди-
фикаций этого метода (групповое решение задач, конференция
идей, массовая атака и др.). В какой-то степени мозговой штурм
напоминают действия участников команд в игре «Что? Где? Ког-
да?». Вначале высказываются идеи, а затем происходит выбор
лучшей.
В основе мозгового штурма лежит мысль о том, что процесс
генерирования идей необходимо отделить от процесса их оцен-
ки. Такому разделению способствовало еще и то, что одни люди
склонны к генерированию идей, а другие — к их критическому
анализу. Осборн предложил на стадии генерирования идей зап-
ретить любую критику. Дело в том, что при обсуждении задач
многие не решаются высказать смелые, неожиданные идеи, опа-
саясь ошибок, насмешек и др. Если же такие мысли высказыва-
ются, то они подвергаются уничтожающей критике со стороны
других участников обсуждения и... гибнут, не получив своего раз-
вития. В процессе генерации идей особая роль отводится веду-
щему, задача которого заключается в том, чтобы обеспечить не-
13.3. Синектика
принужденность обстановки, строго соблюдать правила, не до-
пускать насмешек и др.
Целью первого этапа является получение максимального ко-
личества идей. Группа «генераторов идей» обычно состоит из
5—10 человек. В эту группу включают людей с бурной фантази-
ей, склонных к абстрактному мышлению, не связанных друг с
другом подчиненностью. Заседание этой группы протоколирует-
ся и/или записывается. Процесс генерации длится 30—40 мин.
За это время каждый участник может предложить в среднем
10—15 идей. Приветствуется, если идеи, выдвинутые одним уча-
стником, подхватываются и развиваются другими участниками.
Поощряются любые самые нереальные предложения.
На втором этапе группа «аналитиков» прослушивает все идеи.
При этом уже учитываются конкретные особенности задачи и ре-
шения (оборудование, инструменты, источники энергии и др.). Как
правило, до реальных решений доходит примерно 2—3 % от идей,
выдвинутых на первом этапе. Такими же цифрами, очевидно, из-
меряется и коэффициент полезного действия. Много это или мало?
Если сравнивать с эффективностью метода проб и ошибок — мно-
го, если же отталкиваться от другой «печки», то, несомненно, мало.
Но, несмотря на это, мозговой штурм находит ныне практи-
ческое применение в инновационной деятельности различных
зарубежных компаний, в том числе компаний, работающих в
области электроники. И если южно-корейский гигант Samsung
однозначно отдал предпочтение ТРИЗ, то другой гигант — Intel —
в своей практической деятельности использует эвристические
методы, близкие к мозговому штурму, а по отношению к ТРИЗ
пока занимает позицию заинтересованного наблюдателя.
13.3. Синектика
Основные положения метода синектики изложены в книге Уиль-
яма Гордона «Синектика: Развитие творческой способности»,
изданной в Нью-Йорке в 1961 г. [7]. Краткое изложение этой
книги на русском языке (реферат-рецензия) имеется в Интерне-
те [8]. Слово «синектика» заимствовано из греческого языка и
означает соединение вместе различных элементов. В данном слу-
чае делается попытка «соединить вместе» не только группу лич-
ностей (индивидуальностей), решающих творческую задачу, но и
сознательно применить подсознательные механизмы, проявляю-
щиеся у человека в периоды творческой активности.
(|Г286 Глава 13. Альтернатива
Согласно Гордону результаты решения проблемы рациональ-
ны, а процесс, приводящий к их решению, иррационален. В си-
нектике так же, как и в мозговом штурме, приоритет отдан груп-
повому творчеству (одна голова — хорошо, а две — лучше). Кро-
ме того, Уильямом Гордоном был сделан вывод, что группа,
состоящая из людей различных специальностей, имеет большие
шансы, чем «отряд», состоящий из технических экспертов одной
специальности. Пример качественного состава одной из таких
групп: химик, биолог, физик, психолог, музыкант и филолог.
Гордон понимал, что в небольшой группе невозможно охватить
все области человеческих знаний. Для этого в ее состав может
вводиться технический эксперт в области исследования. Эксперт
исполняет роль энциклопедии и «дьявольского адвоката» (кри-
тика). Конструктивная критика в синектике разрешена.
В отличие от мозгового штурма при формировании синекгичес-
кой группы учитываются еще и эмоциональные факторы. Иные
критерии отбора: способность к метафорическому мышлению, спо-
собность к обобщениям, склонность к риску... и даже координация
движений. Сама же работа по формированию и обучению синекти-
ческой группы — очень сложный, кропотливый и длительный (до 1
года) процесс. Как правило, работой группы руководит опытный
специалист, хорошо знающий основы синектики.
Основные фазы синектического процесса:
1. Постановка задачи (проблема, как она дана).
2. Превращение незнакомого в знакомое.
3. Проблема, как она понята.
4. Использование оперативных механизмов.
5. Сделать знакомое незнакомым.
6. Психологическое состояние.
7. Состояние объединения с проблемой.
8 .Точка зрения.
9. Решение.
Гордон выделяет неоперационные и операционные механиз-
мы, составляющие основу творческого процесса. К первым от-
носятся интуиция, игра, использование не относящегося к делу,
вовлечение. У этих механизмов отсутствует конкретность, они
реализуются на уровне подсознания и, как следствие, им невоз-
можно научить. На сознательном уровне могут быть использова-
ны операционные механизмы.
Синектика включает два противоположных процесса: превра-
щение незнакомого в знакомое и превращение знакомого в не-
13.3. Синектика
знакомое. Процесс превращения незнакомого в знакомое (неиз-
вестного в известное) необходим для понимания проблемы. Но,
если он используется один, то, как правило, дает многообразие
решений, не отличающихся особой новизной. Сделать знакомое
незнакомым — это сознательная попытка свежим взглядом взгля-
нуть на проблему и, как следствие, получить новые неожидан-
ные решения.
В синектике находят применение 4 операционных механизма
превращения знакомого в незнакомое:
1. Личная аналогия (эмпатия).
2. Прямая аналогия.
3. Символическая аналогия.
4. Фантастическая аналогия.
В книге Уильяма Гордона приводится пример использования
личной аналогии. Синекгическая группа решала задачу констру-
ирования механизма. На его входе скорость вращения вала изме-
нялась в диапазоне от 400 до 4000 об/мин., а на выходе она дол-
жна была быть постоянной — 400 об/мин. Члены группы мыс-
ленно оказывались внутри этой «коробки передач», представляя
себя валом. Последствия такого превращения очевидны: «мыс-
ленные» переломы позвоночника, рук, ног и т. д. Еще хуже могут
быть виртуальные последствия дробления самого себя на мелкие
частицы (мясо в мясорубке) или даже на атомы (химические ре-
акции, ядерный распад и др.). Эмпатия — метод не для слабо-
нервных. Говорят, что после нескольких лет работы в группе не-
которые наиболее чувствительные члены синектических групп
попадали в психиатрические клиники.
Для психики человека гораздо менее опасно использование
прямой аналогии. Механизмы прямой аналогии основаны на со-
поставлении решения проблемы с аналогами, известными в дру-
гих областях техники. Наиболее плодотворно сотрудничество с
природой, и в первую очередь с наукой биологией. Так ли это?
Ответить на этот вопрос вы сможете, если, например, поближе
познакомитесь с книгой [9]. Десятки, сотни красивейших «тех-
нических» решений, реализованных матушкой-природой в своих
творениях, были заново открыты ее самыми высокоорганизован-
ными творениями, то есть нами и вами.
Синектика утверждает, что человек не знает даже собствен-
ной науки, если он знает только ее. Гордон находит много при-
меров прямой аналогии и в искусстве. Так, по его мнению, лите-
ратура Гете была основана на музыке, на ее ритме. Музыкальные
{jT 288 Глава 13. Альтернатива
аналогии прослеживаются и в технике. Архитектор А.А. Пилец-
кий считает, что «...математические выражения частот музыкаль-
ных тонов, их интервалов и созвучий порой удивительно точно
совпадают с математическими выражениями пропорций, интер-
валов мерных величин и комбинаций членений в произведениях
древнерусской архитектуры...» [10]. А вот академик А.Л. Бучаче-
неко видит музыкальные аналогии даже в химии: «Химия — это
могучая шестнадцатинотная музыка. Как из семи простых музы-
кальных нот рождается волшебная и вечная музыка, так из шес-
тнадцати простых атомных орбиталей (химических нот) сотворе-
на могучая и неисчерпаемая химия, построена вся химическая
архитектура мира» [11].
В символической аналогии для описания проблемы исполь-
зуются объективные и неличные образы. Цель символической
аналогии — обнаружить в привычном парадокс, неясность, про-
тиворечие. Символическая аналогия — яркое, неожиданное, ин-
тересное определение предмета, состоящее, как правило, из двух
слов (прилагательного и существительного). Эти слова являются
неотъемлемыми характеристиками предмета и в то же время яв-
ляются противоположностями друг друга. Так, книга, которую
вы держите в своих руках, может быть названа «немым собесед-
ником», выставка — «организованной случайностью» и т. д. [12].
Сознательный самообман реализуется во всех видах анало-
гии, но более всего он проявляется в фантастической аналогии.
Фантастическая аналогия предполагает сравнение с фантастичес-
кими образами. Что такое фантастика, думаю, не требует допол-
нительных пояснений. Фантастические аналогии оказались очень
эффективными не только для реализации конкретных изобрета-
тельских решений, но и для прогнозирования путей развития
техники. Вспомним хотя бы пророческие фантазии Герберта Уэл-
лса, Жюля Верна, Александра Беляева. В своеобразном соревно-
вании этих прорицателей пока лидирует Герберт Уэллс. Около 70
% его фантастических идей осуществились или могут осуществить-
ся в ближайшее время.
В синектике очень часто используется слово «аналогия». Это
же слово наряду с другим «инверсия» можно использовать при
сопоставлении синектики и ТРИЗ. Уильям Гордон исходил из
того, что творческие процессы в человеке могут быть познаны,
а изобретения в науке и «изобретения» в искусстве характеризу-
ются теми же самыми фундаментальными психическими про-
цессами.
Базовое положение ТРИЗ заключается в том, что техничес-
кие системы развиваются по определенным законам, которые
также могут быть познаны. Эти же технические законы (законы,
выявленные при анализе технических систем), как показала прак-
тика, оказались применимыми в иных нетехнических областях:
педагогика, реклама, бизнес и даже юмор [13]. Противоречие (клю-
чевое слово ТРИЗ) просматривается в попытке Уильяма Гордона
«сознательно применить подсознательные механизмы». В основе
символической аналогии лежит все то же противоречие. Неодно-
кратный выход на закон повышения идеальности, правда без его
формулировки, отмечается в книге Уильяма Гордона [8]. В чем-то
схожи и методы выявления закономерностей. В ТРИЗ — это ана-
лиз реальных изобретений из патентного фонда. В синектике — это
попытки обнаружить общие положения творческого процесса
путем наблюдения за процессами творчества.
В чем же причины такой похожести? Философский вопрос о
том, что первично, курица или яйцо, не получил ответа до сих
пор. Так же не нашел решения и вечный спор между материали-
стами и идеалистами о первичности материи и сознания. К со-
жалению, ни то, ни другое недоказуемо. ТРИЗ зиждется на мате-
риальной базе. Гордон сделал ставку на сознание. И, как показа-
ла практика, добился при этом неплохих результатов.
13.4. Морфологический анализ
В XIII веке в Испании жил Раймонд Луллие. Он построил маши-
ну, которая позже была названа «Великим искусством». Машина
состояла из трех разновеликих дисков, закрепленных на одной
оси. На дисках были написаны разные слова. Произвольно пере-
мещая (вращая) диски, можно было получить множество сочета-
ний, состоящих из трех слов. При увеличении числа дисков с
трех до четырнадцати число сочетаний увеличивалось до шест-
надцатизначного числа. Эта конструкция, очевидно, и стала про-
образом морфологического ящика.
Морфологический анализ относится к системным методам.
Сущность метода заключается в стремлении охватить все или хотя
бы главнейшие варианты, исключив влияние случайностей. Если
не принимать во внимание машину под названием «Великое ис-
кусство», можно сказать, что его создателем был швейцарский
астрофизик Ф. Цвикки. В тридцатые годы прошлого века он при-
менил этот метод для решения астрофизических проблем и бла-
Глава 13. Альтернатива
годаря этому предсказал существование нейтронных звезд. В годы
Второй мировой войны Ф. Цвикки работал в американской ра-
кетостроительной фирме. При этом, разрабатывая ракеты только
с одним типом двигателя, он сумел предложить 36 864 варианта
компоновки конструкции [2].
Этот метод включает следующие шаги:
1. Выбирается объект.
2. Составляется перечень основных характеристик или частей
объекта.
3. Для каждой характеристики или части перечисляются ее
возможные исполнения.
4. Выбираются наиболее интересные (подходящие) сочетания
возможных исполнений всех частей объекта.
Для анализа используются многомерные таблицы, в которых
выбранные характеристики или части объектов являются основ-
ными осями, получившими название морфологического ящика.
Морфологический ящик, используемый Ф. Цвикки при разра-
ботке компоновки ракет, включал 11 осей. Отсюда — такое боль-
шое количество вариантов. Трехмерного пространства для такого
«ящика» явно не хватает. На помощь приходит матричное исчис-
ление.
Метод морфологического анализа наиболее эффективен для
решения конструктивных задач. Самым трудным и самым интел-
лектуальным этапом работы с морфологическим ящиком являет-
ся выбор нужной комбинации. Правило отбора — отсутствие
правил. Эффективное сочетание скрыто среди сотен, тысяч и даже
миллионов неэффективных или даже бессмысленных. Но, когда
рассматриваемая техническая система не очень сложна и коли-
чество возможных сочетаний не выходит за пределы здравого
смысла, этот метод вполне применим и эффективен.
Использование морфологического анализа в технике позво-
ляет систематизировать перебор вариантов, увеличить число рас-
сматриваемых вариантов, исключить пропуск тех или иных ва-
риантов. А вот Н.А. Чижевская, видимо, вспомнила (или заново
открыла?) машину под названием «Великое искусство» и исполь-
зовала морфологический анализ для получения неожиданных
сочетаний слов (неожиданных концовок) в рассказах-миниатю-
рах [14].
Технология сочинения рассказов-миниатюр базируется на
использовании различных модельных ситуаций (покупка, теле-
фонный разговор, сравнение и др.). Модель включает элемент,
признаки элемента и значения признаков элемента (морфоло-
гический ящик умещается в плоскости). Морфологический ана-
лиз — последовательный перебор всех возможных для данного
элемента состояний. Для этого строится специальная морфоло-
гическая таблица. В результате последовательного перебора раз-
личных сочетаний элемента, признака и значения признака слу-
чайным образом могут быть найдены самые неожиданные кон-
цовки. Используя такой простейший алгоритм, анекдоты могут
успешно сочинять даже дети. Некоторые совместные творения
Н.А. Чижевской и ее малолетних соавторов приведены ниже.
Покупатель обращается к продавцу в киоске:
— Дайте мне, пожалуйста, талон на проезд.
— Какой?
— Со вкусом утренней прохлады.
Разговор в магазине:
— Дайте мне, пожалуйста, четыре ручки.
— Вам деревянные или металлические? Для входной двери или
для двери шкафа?
— Любые, только чтобы с синим стержнем.
У овощного ларька покупатель обращается к продавцу:
— Дайте мне, пожалуйста, льготный талон на проезд.
— У нас продаются только фрукты и овощи.
— Ну, тогда дайте льготный банан.
Элементы морфологического анализа находят применение и
в рамках ТРИЗ. Стремление использовать морфологические таб-
лицы объясняется необходимостью уйти от перебора вариантов
и/или пропуска удачных вариантов на различных этапах реше-
ния изобретательских задач. Своеобразной морфологической таб-
лицей является таблица выбора приемов устранения техничес-
ких противоречий [15]. Морфологические таблицы предлагается
использовать и для практической реализации этих приемов [16].
Литература
1. Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохо-
ров. — М.: Сов. энциклопедия, 1989
2. Джонс Дж. Методы проектирования. Пер. с англ. — М.:
Мир, 1986.
(jT292 Глава 13. Альтернатива
3. Саламатов Ю.П. Как стать изобретателем: 50 часов творче-
ства. — М.: Просвещение, 1990.
4. Тринг М., Лейтуэйт Э. Как изобретать. Пер. с англ. — М.:
Мир, 1980.
5. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. — М.: Московский
рабочий, 1969.
6. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В. Теория и практи-
ка решения изобретательских задач. — Кишинев, 1989.
7. Gordon W.J. Sinectics: The Development of Creative Capacity. —
New York, 1961.
8. Кайков И.К. Реферат книги Gordon W.J. Sinectics: The
Development of Creative Capacity. — New York, 1961 // http://
www.trizland.ru/author.php?id=83
9. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. Пер. с англ. — М.:
Мир, 1988.
10. Альманах «Памятники Отечества», 1984, № 1.
11. Бучаченко А.Л. Химия как музыка. Химические ноты и
новые мелодии нового века // http://www.krugosvet.ni/articles/l 13/
1011313/Literature.htm
12. Кудрявцев А. Маркетологи в поиске нового. Методы под-
держки поиска новых идей (Синектика) // Практический марке-
тинг, 1999, № 7.
13. http://www.urazaev.narod.ru
14. http://www.trizminsk.Org/e/prs/23025.htm
15. Альтшуллер Г.С. Основы изобретательства. — Воронеж:
Центрально-Черноземное издательство, 1964.
16. Кынин А. Т. Пустота в материалах // http://www.metodolog.ru/
00129/00129.html
ГЛАВА 14
ЗИГЗАГ
Счастливейший человек — это тот, кто
обдумывает интереснейшие мысли.
Тимоти Дуайт
14.1. У меня зазвонил телефон
В журнале «Изобретатель и рационализатор» когда-то, давным-
давно, было обнародовано оригинальное решение. В разгар летне-
го сезона дачнику нужно было уехать в командировку. На случай
пожара или других опасностей для своей «фазенды» он оставил
ключ от входной двери соседу по даче. И чтобы у соседа не воз-
никло желания воспользоваться ключом по иным причинам, «мо-
гучий ум» запаял его в стеклянную ампулу, предварительно за-
вернув в алюминиевую фольгу. Фольга должна была еще и скрыть
тип ключа.
Опишем это решение по законам ТРИЗ.
Техническое противоречие задачи:
ТП 1. Если ключ отдать соседу, то в экстремальных случаях
дачу можно будет открыть, но при этом остается вероятность
того, что сосед не удержится от соблазна воспользоваться клю-
чом по иным причинам.
ТП 2. Если ключ не отдавать, то нежелательного визита сосе-
да можно избежать, но как быть в случае возникновения экстре-
мальных ситуаций?
Выбираем в качестве основного противоречия ТП 1.
Физическое противоречие задачи:
ФП. Ключ должен быть доступен и ключ не должен быть
доступен.
Для разрешения этого противоречия была использована ком-
бинация из нескольких приемов разрешения технических проти-
воречий, главный из которых — использовать «матрешку». Один
объект размещается внутри другого объекта, который, в свою
очередь, находится внутри третьего и т. д. В экстремальных ситу-
ациях, для того чтобы воспользоваться ключом, будет достаточно
просто разбить ампулу. Если же ампула будет разбита без объек-
тивных причин, это будет говорить по меньшей мере о чрезмер-
ном любопытстве соседа.
Чуть ближе к электронике. Из российской «фазенды» пере-
местимся в сверхблагополучную страну — Страну восходящего
солнца. Современная Япония занимает лидирующее положение
в электронике. Наиболее динамично развивающаяся область элек-
троники — сотовая связь. Лучшие умы денно и нощно разреша-
ют технические противоречия, возникающие в процессе этого
развития. Более подробно об одном из них.
Техническое противоречие задачи:
ТП 1. Если громкость звука сотового телефона велика, хоро-
шо слышно на шумной улице, но не совсем комфортно себя чув-
ствуешь в тихой комнате.
ТП 2. Если громкость звука сотового телефона мала, наобо-
рот, хорошо разговаривать в тихой комнате, но, увы, ничего не
слышно на улице.
Физическое противоречие задачи:
ФП. Звук у телефона должен быть громким и звук должен
быть тихим.
В первых моделях сотовых телефонов владелец сам пере-
ключал уровень громкости телефона. Чуть позже эту функцию
передали автоматике. В обоих случаях противоречивые требова-
ния разрешались во времени. Только идеальность второго реше-
ния была чуть выше. А самое идеальное решение (на сегодняш-
ний день?) появилось не так уж и давно. Для передачи звука
было предложено использовать... кость. При этом внешние зву-
ковые помехи просто отсекаются, и необходимость в регули-
ровке силы звука отпадает. Изобретатели из Страны восходя-
щего солнца использовали в качестве «посредника» между теле-
фоном и ухом указательный палец. Телефон изготавливается в
виде браслета, надеваемого на запястье. А для того чтобы пого-
ворить по телефону, достаточно прикоснуться к уху указатель-
ным пальцем.
Японской компанией NTT DoCoMo в виде браслета выполнен
и пульт дистанционного управления электронными устройствами.
В данном случае, чтобы включить то или иное устройство, при-
коснуться пальцем к уху недостаточно. Но вполне достаточно все-
го лишь постучать пальцем по столу или по другому пальцу [1].
14.2. От улыбки станет мир светлей
Устройство, получившее название UbiButton, использует микро-
схему, где одновременно происходит обработка аналоговых и циф-
ровых сигналов. UbiButton реагирует на колебания, которые проис-
ходят при стуке пальцев. Частота этих колебаний от 80 до 200 Гц.
Они легко передаются по телу человека к первичному преобразо-
вателю, который является датчиком ускорения.
Интересно, что частота этих колебаний мало зависит от дли-
ны и толщины пальца и от того, какой именно палец использует-
ся. Колебания, возникающие при движении всей руки или дру-
гих частей тела, имеют гораздо более высокие частоты и могут
быть легко отфильтрованы. UbiButton превращает полученные
колебания в двоичный код, в котором 0 или 1 могут быть заданы
продолжительностью одного удара пальцем, а вся последователь-
ность нулей и единиц будет соответствовать определенной рит-
мической картине стука. В определенном смысле можно сказать,
что электроника на новом витке вернулась к азбуке Морзе, толь-
ко теперь уже не нужен телеграфный ключ — стучать можно и по
столу.
14.2. От улыбки станет мир светлей
Что же еще за исключением нетрадиционного использования
ключа и указательного пальца объединяет эти оригинальные тех-
нические решения?
Улыбка!
Улыбка не появилась бы, если бы в первой задаче не было
разрешено еще одно противоречие, уже из области психологии:
противоречие между доверием (ключ все-таки отдается в чужие
руки) и недоверием (две степени защиты от несанкционирован-
ного использования).
Улыбку вызывают (вызывали?) и «новые русские», для кото-
рых между «мобилой» и указательным пальцем нет большой раз-
ницы. Технические решения японских изобретателей превраща-
ют их мечты в реальность.
Почему же появляется улыбка? И вообще, почему изобрете-
ние доменной печи — не смешно, а изобретение сотового теле-
фона — смешно?
Заглянем в энциклопедический словарь: «Юмор (от англ,
humor) — особый вид комического, сочетающий насмешку и со-
чувствие, внешне комическую трактовку и внутреннюю причас-
тность к тому, что представляется смешным» [2].
^^96 Глава 14. Зигзаг
Насмешка и сочувствие... Сочетание несочетаемого... Психо-
логическое противоречие?
Следовательно, чтобы в изобретении появилась «капелька
юмора», оно должно содержать не только техническое противо-
речие, но и психологическое. Изобретение доменной печи ни-
когда не будет смешным, если в нем (вокруг него) не появится
противоречие из области психологии.
Сделаем следующий шаг. Отвлечемся от технической стороны
этих изобретений и перейдем к тому, что останется... к анекдоту.
14.3. Физики и лирики
Давным-давно, «когда деревья были большими», в студенческой
среде была популярной тема «физики и лирики». Лирики (гума-
нитарии) упрекали физиков (технарей) за то, что они ничего не
смыслят в области гуманитарных наук. В МГУ даже состоялось
своеобразное соревнование (предвестник КВН?). Лирики безна-
дежно проиграли. Формула воды оказалась для них загадкой.
Физики же, как это ни странно, знали, кто написал роман «Анна
Каренина».
Продолжим их славные традиции?
Так что же такое анекдот? Гуманитарии говорят, что это неболь-
шой рассказ с неожиданной концовкой. Так ли она неожиданна?
Основа анекдота — психологическое противоречие (проти-
воречие между насмешкой и сочувствием). Если смотреть глубже —
это попытка совместить несовместимое (добро и зло, смех и сле-
зы, любовь и ненависть и т. д.). Не правда ли, что все это очень
похоже на формулировку (содержание) физического противоре-
чия, известного нам из ТРИЗ?
В технике, чтобы сделать изобретение, недостаточно сформу-
лировать техническое или физическое противоречие, нужно их
еще и разрешить. Для чего используются различные типовые
приемы, их комбинации и другие «инструменты» ТРИЗ.
Если в задаче присутствуют противоречия из области техни-
ки и из области психологии, в результате их одновременного раз-
решения можно получить изобретение с «капелькой юмора» (смот-
рите выше).
Если решается только техническая сторона задачи, ничего,
кроме серьезного изобретения, нам «не светит».
И, наоборот, если решение находим только на уровне человечес-
ких взаимоотношений, получается всего лишь шутка или анекдот.
14.4. Поехали?
Итак, психологическое противоречие необходимо, но явно
недостаточно. Чтобы анекдот был смешным, психологическое
противоречие также должно быть разрешено. Каким образом это
можно сделать (это делается)? Простейшее решение — заимство-
вать приемы разрешения противоречий из техники. Если бы от-
правной точкой рассуждений были не изобретения, а анекдоты,
эта фраза, видимо, звучала бы наоборот. Подарим иной вариант
развития темы лирикам, а сами пойдем (поедем?) от техники.
14.4. Поехали?
14.4.1. Сделать наоборот
Чаще всего «неожиданная» концовка анекдота достигается в ре-
зультате использования приема «сделать наоборот».
Студент-украинец пишет маме письмо: «Вышли сало. Здрав-
ствуй, мама!».
Следствие: если хочешь быть или хочешь казаться остроум-
ным, действуй по принципу наоборот. Это лучшее (единствен-
ное?) решение для людей с полной или частичной потерей чув-
ства юмора. Вероятность попадания в цель резко повышается.
На отрицательных аспектах такого творчества останавливаться
не будем.
14.4.2. Другие приемы разрешения противоречий
Думаю, что аргументы будут более убедительны, если мы попыта-
емся обнаружить в анекдотах приемы разрешения противоречий,
которые, на первый взгляд, имеют отношение только к технике.
«Самообслуживание»
Жена обращается к своему зевающему мужу:
— Слушай, раз уж у тебя все равно открыт рот, крикни наше-
му малышу, чтобы он шел домой.
«Использовать обратную связь»
«Дорогой Том!
Обязательно приходи завтра вечером. Папа дома, но он лежит
в кровати из-за сильного повреждения ноги. Понял?
Мэй»
Глава 14. Зигзаг
«Дорогая Мэй!
Я не смогу прийти завтра вечером. Я тоже лежу в постели, у
меня страшно болит то место, о которое твой папа повредил ногу.
Поняла?
Том».
«Использовать местное качество»
Встречаются две акулы. Одна другой говорит:
— На днях яхтсмена скушала. Сам невкусный, но печень!!!...
«Принцип вынесения»
— Мне мама в детстве в косу цветочек заплетала... Было очень
красиво, но больно бил по спине глиняный горшочек...
«Использовать непрерывность полезного действия»
— Скажи мне, Джимми, ты подглядываешь иногда в замочную
скважину, когда мы с твоей сестрой сидим одни вот здесь на диване?
— Да, бывает, но только тогда, когда туда не заглядывают
мама или сестра Бетти.
«Использовать “матрешку”»
Француженка не первой молодости говорит мужу, выходя из
кинотеатра:
— Не понимаю, что находят в этой Брижит Бордо? Если от-
влечься от ее прически, фигуры, бюста, то, что же тогда оста-
нется ?
— Ты! — мрачно ответил супруг.
«Использовать предварительно напряженное состояние»
— Джемс, почему ты носишь ботинки на пару размеров меньше?
Это же чертовски неудобно!
— Видишь ли, приятель. Жена — дура, сын — полный идиот,
босс — абсолютный кретин. Единственная радость в жизни — это
когда вечером прихожу домой и... снимаю эти проклятые ботинки.
«Принцип антивеса»
Хозяин ресторана созывает своих официанток и говорит:
— Сегодня, мои дорогие, оденьтесь понаряднее, приведите в по-
рядок свои прически и подрумяньтесь!
— Ав чем дело? — интересуется одна из них. — Ожидаете
какую-нибудь важную персону?
— Нет, нет, не в этом дело. Сегодня у нас не совсем свежий
бифштекс...
14.4. Поехали?
^atattaus^
«Принцип отброса и регенерации частей»
Спортивные новости:
«После того как китайские спортсмены сумели пробежать сто-
метровку за 5 секунд, антидопинговая комиссия внесла в перечень
запрещенных препаратов слабительное».
«Копирование»
В бар входит посетитель и, указывая на мертвецки пьяного че-
ловека, говорит бармену:
— Мне, пожалуйста, то же самое...
«Принцип эквипотенциальности»
Гномик пришел в аптеку и просит:
— Дайте мне, пожалуйста, таблетку пирамидона.
Продавец:
— Вам завернуть или как ?
«Сделать заранее»
— У меня родилась дочь, и я приглашаю вас это дело отметить.
Но вы сами понимаете, какое сейчас время, как сейчас трудно...
Короче, приходите уже пьяными.
«Согласование — рассогласование»
Рабочий сорвался со строительных лесов. Его напарник кричит
ему вслед:
— Подожми, Вася! За тобой кирпич летит!
И так далее.
14.4.3. Комбинация приемов
разрешения противоречий
Интересные решения можно получить, если для разрешения пси-
хологического противоречия использовать сочетание нескольких
приемов.
«Разрешить противоречивые требования в пространстве + са-
мообслуживание»
Судья перед началом заседания говорит адвокатам противобор-
ствующих сторон:
— Господа! Вы оба дали мне взятки. Вы, господин Леон, дали
мне 15 тысяч долларов. А вы, господин Кампос, 10 тысяч.
Судья порылся в карманах, достал чек на 5 тысяч, вручил его
господину Леону и сказал:
— Ну все, теперь можно судить по закону!
«Разрешить противоречивые требования во времени + сделать
наоборот»
Жена с возмущением говорит мужу:
— Снова напился! Вчера я была просто счастлива, увидев тебя
трезвым!
Муж:
— А сегодня моя очередь быть счастливым!
«Использовать вред в пользу + сделать наоборот»
— Алло, доктор, моя жена разбила себе челюсть!
— Сейчас приеду.
— Нет, нет, не надо торопиться. Приезжайте через пару не-
дель, я немного отдохну от ее разговоров.
14.4.4. Игра слов
Объявление в бюро переводов:
«Специально для новых русских!!! Высокопрофессиональный пере-
вод времени с зимнего на летнее и обратно».
Анекдоты, основанные на игре слов, на первый взгляд, стоят
особняком. Где же здесь приемы? Заменим словосочетание «игра
слов» на словосочетание «универсализация значения слов», и про-
блема будет решена.
14.4.5. Психологические приемы
разрешения противоречий
Су дья. Никак не могу поверить, что такой солидный и пред-
ставительный мужчина мог избивать такую хрупкую и маленькую
женщину, как ваша жена.
Дж он с. Но она ругает и пилит меня до тех пор, пока я не
потеряю терпение.
Судья. А что она говорит?
Джонс. Она кричит: «На, бей меня, я тебя не боюсь!Давай,
давай, ударь меня хоть раз, и я потащу тебя к этому плешивому
старому дурню — судье».
Судья. Дело прекращается.
14.4. Поехали?
Психологическое противоречие может разрешаться психоло-
гическими методами, которые в технике по известным причинам
неработоспособны. Решение близко к идеальному, поскольку
результат достигается без использования каких-либо дополни-
тельных ресурсов (само собой). И, если какой-то ваш поступок
по смыслу так же близок к идеальному, не удивляйтесь, что он
будет воспринят еще и с улыбкой.
Итак, с «анатомией» анекдота, кажется, все ясно. Противоре-
чие — ключевое слово не только в технике, но и в юморе. «Неожи-
данные» решения (концовки) можно находить по стандартам, при-
чем практически по тем же самым, что и в технике.
Какие же еще общие «инструменты» используются «физика-
ми» и «лириками»?
14.4.6. Психологическая инерция
Для изобретателей психологическая инерция — зло. Они всеми
правдами и неправдами пытаются от нее уйти. А для анекдото-
клепателей — это золотая жила.
— Чем вчера закончилась твоя встреча с женой?
— О, она встала передо мной на колени.
— И что она сказала ?
— Вылезай из под кровати, подлый трус!
14.4.7. Оператор РВС
Оператор РВС одинаково полезен и тем, и другим. Аркадий Гай-
дар не имеет к нему никакого отношения, хотя психологическая
инерция и подталкивает нас к этому. РВС расшифровывается
как «размер, время, стоимость». Оператор РВС предназначен для
ухода от этой самой психологической инерции. Изменяя размер,
время или стоимость чего-либо в технической системе от нуля до
бесконечности, можно расшатать сложившийся стереотип и по-
лучить разнообразные варианты оригинальных технических ре-
шений.
Таким же образом можно генерировать и оригинальные юмо-
ристические решения. Так, если реакцию человека на некоррек-
тное поведение собеседника уменьшать, приближая к нулю, мо-
жет получиться такой анекдот:
— Если вы еще раз плюнете мне в стакан, я уйду!
Глава 14. Зигзаг
Дополнительный эффект можно получить, если еще и уйти в
запредельные (отрицательные) значения.
Жена говорит мужу:
— Дорогой! Я сейчас иду к соседке на пять минут, а ты каждые
полчаса мешай кашу.
14.4.8. Аналогия
Пожалуй, это самый простой способ созидания смешного. Но
иногда и он дает прекрасные результаты.
Запись в дневнике:
«Сутра трясутся руки с похмелья. Стал расстегивать пижаму —
отлетели пуговицы. Взялся за портфель — отпала ручка. Боюсь
идти в туалет...».
14.5. Надструктурные элементы юмора
Для точной идентификации анекдота или иного юмористическо-
го решения не всегда достаточно простого перечисления исполь-
зуемых методов разрешения противоречий и других «тризовских»
инструментов.
Изобретатели знают, что чем короче формула изобретения, тем
лучше. Многоэтажная формула свидетельствует лишь о незначи-
тельности усовершенствования. А самая короткая формула защи-
щает «пионерские» изобретения. В юморе не все так однозначно.
Красивое решение с одинаковым успехом может быть реализова-
но как в нескольких словах, так и в многоэтажной конструкции.
Самый короткий анекдот от Юрия Никулина состоит всего
из 7 слов:
Муж уехал в командировку ... и не вернулся.
Конструктивное решение другого анекдота несоизмеримо
сложнее:
Московский мальчик выбегает из дома, делает снежок и разби-
вает окно. Выбегает дворник и гонится за ним.
Мальчик бежит и думает: «Вот я — хороший московский маль-
чик. Зачем-то вышел на улицу, когда мог бы лежать на диване в
14.5. Надструктурные элементы юмора
теплой квартире и читать своего любимого писателя Эрнеста Хе-
мингуэя...»
А в это время его любимый писатель Эрнест Хемингуэй лежал
рядом с грязной потной кубинкой и думал: «Что это такое?!Вот я —
любимый писатель советской молодежи, лауреат Нобелевской пре-
мии, лежу здесь с грязной и потной кубинкой, когда мог бы сейчас
сидеть в кафе на Пляс-Пигаль со своим другом Андре Моруа и рас-
суждать о проблемах потерянного поколения...»
А в это время его приятель, французский писатель Андре Моруа
лежал в ванне, вскрывал себе бритвочкой вены и думал: «Что ж это
я? Любимый друг лауреата Нобелевской премии Эрнеста Хемингуэя,
лежу здесь в ванне, вскрываю бритвой вены, когда мог бы приехать
в Москву, прийти в гости к писателю Андрею Платонову и погово-
рить с ним о жизни и смерти...»
А в это время писатель Андрей Платонов бежал за мальчишкой
и думал: «Поймаю — убью!»
Чтобы закрутить такую круговерть, нужно как следует потру-
диться. И заявить о том, что в этом анекдоте всего-навсего ис-
пользуются такие-то и такие-то приемы разрешения противоре-
чий, честно говоря, не поворачивается язык. Следует иметь в виду
еще и то, что существует высшая организация этих элементов.
Такие «проблемы» обычно возникают в юмористических ре-
шениях, основанных на использовании нескольких приемов раз-
решения противоречий. Здравый смысл говорит о том, что один
прием, с какой стороны на него ни посмотри, так и останется
одним приемом. Хотя, если речь идет о приеме «использовать
обратную связь», из него также можно реализовать самые разно-
образные комбинации, в которых «хорошему московскому маль-
чику» не позавидуешь.
Пусть в анекдоте используется несколько приемов разреше-
ния противоречий и/или иных инструментов, являющихся кон-
структивной основой юмористического решения (юмористичес-
ких элементов). Каким образом они могут быть использованы,
какие возможны сочетания?
Два физика сидят в парке на скамейке. Мимо них проходит
красивая стройная женщина. Оба долго смотрят ей вслед. Нако-
нец, очнувшись, один из них со вздохом восхищения произносит:
— М-м-да-а, нет, ты только посмотри, как интересно сгруп-
пировались атомы!
— Скажите, пожалуйста, Рабинович живет в этом доме?
— Да, на третьем этаже. Только его фамилия Михельсон.
Простейший вариант — изменение последовательности юмо-
ристических элементов в этом решении. В этих двух, казалось
бы, совершенно не похожих друг на друга анекдотах использует-
ся одна и та же структурная схема: сочетание двух приемов-анта-
гонистов (дробление и объединение). Но есть и различие. Разли-
чие в том, какой из них первичен, а какой вторичен.
Обсуждение структурной организации анекдотов, основанных
на использовании нескольких юмористических элементов, воз-
можно и с иной точки зрения: какой элемент главный, а какой
второстепенный. Чаще всего главенствует один, а другие прида-
ют конструктивному решению всего лишь завершающий акцент.
Бывает и так, что используемые приемы разрешения противоре-
чий по своему вкладу в конечный результат эквивалентны. Того,
кто попытается решить, какой из приемов («использовать по-
средника» или «использовать вред в пользу») главенствует в сле-
дующем анекдоте, скорее всего ожидает судьба Буриданова осла.
На путях лежит отрезанная поездом рука.
Обходчик, задумчиво глядя на часы, надетые на окровавленную
руку:
— Полшестого! Опять Харьковский опаздывает...
Юмористические элементы в большинстве анекдотов просто
суммируются. Они различимы и во времени, и в пространстве.
Первая и вторая строки следующего анекдота воплощают прием
«сделать заранее», а третья и четвертая — прием «обратная связь»:
Ночью в темном переулке встречаются двое:
— Гражданин, вы не видели где-нибудь здесь милиционера ?
— Нет, не видел.
— Тогда снимайте пальто.
Если же внутри одного юмористического элемента спрятан
другой, получается своеобразная изобретательская «матрешка».
В следующем анекдоте используются приемы разрешения про-
тиворечий «использовать вред в пользу» и «использовать местное
качество». Выделить из него один прием, не затрагивая другой,
не так-то просто. Операция близка по сложности к разделению
14.5. Надструктурные элементы юмора
сиамских близнецов. По структуре такие юмористические реше-
ния гораздо сложнее. Чего нельзя сказать об их эффективности.
Явная связь между сложностью «схемного» решения и эффек-
тивностью его восприятия, увы, не прослеживается.
— Посмотрите на эту даму! Ее муж, двое детей и любовник
погибли в автомобильной катастрофе.
— Бедная женщина! К счастью, этот траур ей очень к лицу!
Возможны и иные структурные организации юмористичес-
ких элементов в анекдоте или любом другом юмористическом
решении, например логическая цепочка.
Муж возвращается с работы. Жена радостно встречает его:
— Представь себе, у нашего малыша появился первый зубик!
— Отлично!
— И он сделал первый шаг!
— Превосходно!
— Но, сделав первый шаг, он потерял свой первый зуб.
- Ох!
— Но, потеряв свой первый зуб, наш малыш сказал первое
слово!
— Прекрасно!
— Но если бы ты знал, какое...
Могут быть реализованы иерархическая (древовидная) струк-
тура, кольцевая структура и др. Создатели анекдота об Андрее
Платонове, который по преданию еще и работал дворником в
Доме писателей, реализовали кольцо, основанное на использо-
вании обратной связи. Химики уже давно научились синтезиро-
вать органические соединения с кольцевой структурой. Более того,
самые любознательные из них разработали такую технологию
синтеза, при которой кольцо одной молекулы продевается в коль-
цо другой. Катенаны (от лат. catena — цепь) представляют собой
химические соединения, молекулы которых состоят из двух и
более циклов, продетых один сквозь другой подобно звеньям цепи.
Циклические группировки в этих соединениях связаны друг с
другом не химической связью, а механически.
Попробуйте сами решить аналогичную юмористическую за-
дачу. Для облегчения решения приведу наиболее близкое реше-
ние (прототип).
Глава 14. Зигзаг
Мужик пришел на новый аттракцион. Пустая комната. Посе-
редине стоит кресло. В потолке — отверстие. Садится в кресло.
Кресло начинает подниматься. Голова проходит через отверстие и
оказывается в верхней комнате. И вдруг кто-то дает ему по голове
здоровенный пинок!
Кресло сразу же опускается вниз. Обозленный мужик вскакива-
ет с кресла, бежит наверх, а там пусто, никого нет. И тут из
отверстия появляется голова...
14.6. Черный юмор
Анекдоты о том, над чем, казалось бы, нельзя смеяться, занима-
ют в юморе особое место. Типичный образец такого творения.
Сидят некрофил, зоофил, садист и экстремал.
Зоофил (мечтательно):
— Кошечку бы сюда...
Садист:
— Да башку бы оторвать...
Некрофил:
— А потом...
Экстремал:
— Мя-у-у!
Психологическое противоречие этого анекдота — сочувствие
к нетрадиционным увлечениям его героев и одновременно на-
смешка над ними. Для разрешения психологического противоре-
чия используется нестандартное сочетание стандартных приемов
разрешения противоречий. Такая мощная связка очень редко
встречается в «патентном фонде» анекдотов. В этом анекдоте
можно обнаружить приемы: «универсальность объекта», «копи-
рование», «самообслуживание», «разрешить противоречивые тре-
бования во времени и в пространстве». Через «обратную связь»
события связаны еще и в кольцевую структуру. Создателю (со-
здателям?) конструктивного решения такого анекдота можно, не
задумываясь, поставить высшую оценку. Безымянные герои —
откликнитесь!
Еще несколько анекдотов из этой же серии, конструкция ко-
торых значительно проще.
Из медицинского заключения: «Вскрытие показало, что смерть
наступила в результате вскрытия».
— Петрову опять повезло!
— Он получил повышение по службе?
— Нет, его похоронили на Ваганьковском.
Идет панихида. В зал вбегает взмокший человек, подходит к
гробу и что-то сует в ноги покойнику.
— Что это ты? — спрашивает его знакомый.
— Весь город обегал. Нигде цветов нет. Так я ему шоколадку...
Почему же все-таки мы смеемся над тем, над чем смеяться
«грешно»?
Насмешку и сочувствие в этой серии черных анекдотов вы-
зывают ушедшие в мир иной и/или другие участники, так или
иначе контактирующие с ними. На первый взгляд, между черны-
ми и всеми остальными анекдотами нет никакой разницы. Конст-
рукция — та же. Есть психологическое противоречие. Это проти-
воречие разрешается. Для разрешения психологического противо-
речия используются стандартные методы и приемы. И все-таки
отличие есть. До сих пор психологическое противоречие мы ис-
кали и находили в самом анекдоте. Не будем же зацикливаться
на анекдоте и перейдем в надсистему. Для анекдота надсистемой
может быть его слушатель или читатель (homo sapiens). А ведь в
этой изящной и одновременно хрупкой конструкции также име-
ется море противоречий.
Человек появляется на свет без своего на то согласия и ухо-
дит из него против своей воли. И сознание того, что ты не вечен,
каждому как «вечный крест» приходится нести через всю свою
жизнь. В анекдотах о черном юморе человек одновременно раз-
решает и второе психологическое противоречие: насмешку над
своими страхами и сочувствие к своей же непростой судьбе, то
противоречие, «которое всегда с тобой». Проще говоря, психоло-
гическое противоречие № 2 разрешается с использованием по-
средника. Посредник — анекдот с черным содержанием, а точ-
нее, не самые удачливые его герои.
Чем больше человек ценит свою жизнь, тем ближе стано-
вится ему этот элемент народного фольклора. Может быть, имен-
но по этой причине черный юмор пользуется наибольшей по-
пулярностью в высокоразвитых странах Западной Европы. В тех
Глава 14 Зигзаг
странах, где жизнь человека — цель, а не средство... И если
перейти к прогнозированию развития событий (юмористичес-
кой хиромантии), то и нам в недалеком будущем, видимо, пред-
стоит сделать зигзаг от белого к черному. А популярным веду-
щим и профессионалам юмористического жанра придется из-
менить любимой игре слов и бесконечным переодеваниям, и
уйти в иные миры.
14.7. Изобретаем анекдот
Итак, от «анатомии» юмора мы перешли к еще более интересной
теме — его созиданию. Как генерировать юмор? Каковы алго-
ритмы созидания смешного?
Начнем с того, что в ТРИЗ разработаны алгоритмы решения
изобретательских задач. Более того, эти алгоритмы даже реали-
зованы в компьютерных программах. Компьютер, вооруженный
программой, созданной на базе АРИЗ любого поколения, не сде-
лает за вас изобретения, но, как поводырь, поведет по нужному
пути, предложит альтернативные варианты, подскажет и т. д.
Изобретать анекдот в какой-то степени даже проще, чем изоб-
ретать в истинном смысле этого слова. Наряду с новизной и нео-
чевидностью изобретение должно быть еще и полезным, практи-
чески применимым. Бесполезные изобретения вместо страниц
бюллетеней изобретений автоматически попадают на страницы
юмористических журналов.
В юморе же — что смешно, то и полезно. И чем дальше мы
отдаляемся от реальности, тем лучше. Допускаются и привет-
ствуются любые самые фантастические решения.
Мичурин погиб так: зимой полез на елку за укропом, так его
арбузами и завалило.
Более того, противоречивая логика при создании юмористи-
ческих решений имеет право трансформироваться даже в логику
абсурда.
— Сколько же на самом деле лет твоей жене?
— Трудно сказать... Но, по ее собственным словам, она на три
года моложе нашего старшего сына...
Напомню простейший «тризовский» алгоритм.
14.7. Изобретаем анекдот
1. Анализ задачи и переход от расплывчатой изобретательс-
кой ситуации к четко построенной схеме-модели задачи.
2. Формулировка технического противоречия задачи.
3. Разрешение технического противоречия на уровне исполь-
зования типовых приемов, если это возможно.
4. При невозможности — формулировка физического проти-
воречия.
5. Разрешение физического противоречия с использованием
типовых приемов.
6. Нахождение конкретного технического решения на базе
известных физических, химических, геометрических законов,
эффектов или явлений.
Его-то мы и возьмем за основу, изобретая АРИЗ для весель-
чаков [3].
14.7.1. Алгоритм № 1
Первый шаг
Исходная юмористическая ситуация во многом аналогична
исходной изобретательской ситуации. Мы не знаем ни темы, ни
места событий, не знаем вообще ничего о будущем анекдоте. Знаем
лишь то, что нужно сотворить что-то смешное.
Конкретизируем место, тему, возможных участников предпо-
лагаемых событий. Пусть это будут дед и бабка. Для упрощения
задачи на этом этапе иных уточнений и ограничений делать пока
не будем.
Второй шаг
В ТРИЗ на следующем этапе формулируется техническое про-
тиворечие задачи. Техническое противоречие, увы, теперь нам
ни к чему. Необходимым элементом любого юмористического
решения, а следовательно, и анекдота является наличие психо-
логического противоречия. Следовательно, нужно сформулиро-
вать (синтезировать) психологическое противоречие. Что же нужно
для этого сделать?
Психологическое противоречие предполагает наличие одно-
временно насмешки и сочувствия к предполагаемому «объекту
творчества». Формулировка такого противоречия на пустом мес-
те невозможна. Поэтому кроме участников предполагаемых со-
бытий выбираем свойственные им человеческие пороки, недо-
статки и т. д., которые могут служить одновременно предметом
как для насмешки, так и для сочувствия.
Есть такие пороки, над которыми легко смеяться, но трудно
им сочувствовать. Это — жадность, зависть, пьянство, внутрен-
няя пустота, подозрительность и т. д. А есть и такие, которые
находятся вне нашей власти. Например, старость дарит нам скле-
роз, глухоту, слепоту, бессонницу, храп и др. Эти пороки вызы-
вают уже гораздо больше сочувствия, чем насмешки.
В анекдоте о деде и бабке для синтеза психологического про-
тиворечия проще всего использовать человеческие пороки, иду-
щие от старости. Давайте же ощутим свою сопричастность к тому,
что неизбежно ждет нас всех в будущем, и одновременно посме-
емся над этим.
Третий шаг
В ТРИЗ на этом этапе разрешается техническое противоречие.
А мы попытаемся разрешить психологическое противоречие, ис-
пользуя общие для техники и юмора методы и инструменты.
Пусть на предыдущем этапе из предлагаемого списка челове-
ческих «достоинств» был выбран склероз. Наделим склерозом
одного из героев — деда. Психологическое противоречие: мы
сочувствуем деду и одновременно подтруниваем над ним.
Для разрешения этого психологического противоречия мож-
но использовать любимый всеми и хорошо формализуемый при-
ем «сделать наоборот». Пусть дед прекрасно помнит все, что было
давным-давно, но не помнит того, что происходит с ним в дан-
ный момент. Кстати, такая ситуация встречается в медицинской
практике. Тогда может получиться такой анекдот:
Дед с бабкой вспоминают молодость.
— Когда я был парнем, — говорит дед, — мне очень нравилась одна
девушка — Галя Королева... Кто знает, где она теперь, что с ней?..
— Да ты что, старый, сдурел? Это же я!
Используем оператор РВС. Если скорость забывания довести
до предельной, можно получить ситуацию, когда дед забывает
предыдущее предложение, предыдущее слово, или даже преды-
дущую букву. Применительно к выбранной нами ситуации один
из вариантов анекдота может звучать так:
Дед:
— Бабка, у меня провалы в памяти!
Бабка:
14.7. Изобретаем анекдот
— И часто у тебя эти провалы?
Дед:
— Какие провалы?!
Оставим деда в покое и переведем стрелку на бабку. Хоть смей-
ся, хоть сочувствуй, но все наши недостатки с возрастом только
приобретают гипертрофированный вид. Так, милый носик подру-
ги, который в молодости казался просто слегка великоватым и
придавал некую возвышенность ее облику, в старости превраща-
ется в настоящее весло. То же самое можно сказать и о ее манерах
во время еды за столом. Отсутствие зубов и вставная челюсть при-
водят к возникновению нежелательных звуков во время еды.
Пусть наша бравая бабка, по понятным причинам, причмо-
кивает во время еды. Психологическое противоречие: мы сочув-
ствуем беззубой бабке и одновременно смеемся над ней. Но если
мы кому-то расскажем, что дед и бабка сели за стол и бабка
начала чавкать, то вряд ли кто рассмеется. Ну и что, это обычная
жизненная ситуация. Нужно еще и найти способ разрешения этого
психологического противоречия.
На этот раз используем прием разрешения противоречий
«частично недостающее или частично избыточное действие». Если
реакция деда на чавканье его подруги будет «чуть больше, чем
нужно», получится такой анекдот:
Дед с бабкой ужинают. Бабка все время чавкает. Дед дает ей
ложкой по лбу, чтобы не чавкала. Бабка опять чавкает. Он опять
ей по лбу ложкой. Она перестала чавкать. Вдруг через некоторое
время дед ей опять ложкой по лбу.
— За что ? — возмутилась бабка.
— Как вспомню, что чавкала, просто бесит.
Вооруженные «тризовскими» знаниями, мы можем этот анек-
дот еще и продолжить:
На следующий день дед с бабкой снова садятся за стол. Дед
сразу же дает бабке ложкой по лбу.
— За что ? — возмущается бабка.
— Как подумаю, что ты начнешь чавкать, просто бесит.
В этом продолжении использован другой прием разрешения
противоречий: «сделать заранее».
Можно продолжить издевательства над дедом с бабкой, тем
более что мы использовали только малую толику «оружия» для
уничтожения противоречий из «тризовского» арсенала. Но уж
очень жалко эту «сладкую» парочку.
Четвертый шаг (лингвистический)
Детализация конструкции юмористического решения. Анек-
доты про деда и бабку приведены выше уже в завершенном виде.
В принципе, на предыдущей стадии они должны были выгля-
деть несколько иначе. В последнем анекдоте речь шла лишь об
избыточной реакции деда на предосудительное поведение бабки
за столом. Это — конструктивная основа анекдота, его «скелет».
В простейшем случае дед мог сделать бабке ничем не обоснован-
ное излишнее словесное замечание. Схема — та же самая, что и
в конечном варианте этого анекдота. Но именно нетрадицион-
ное использование ложки внесло дополнительный шарм в этот
анекдот.
Для получения дополнительного эффекта на этом этапе харак-
терно использование еще и языковых клише. Во многих анекдотах
используются стандартные зачины, например: «Возвращается муж
из командировки», или «Врезается “Запорожец” в “Мерседес”». Ча-
сто, для того чтобы сделать героя узнаваемым, используется язы-
ковая маска. В грузинских анекдотах герой часто к месту и не к
месту использует вопросительное да ? Редко в анекдоте о чукчах
можно обойтись без слова однако. Помимо языковой маски ис-
пользуются и другие клишированные детали: внешность, одежда
и т. д. Если в анекдоте рассказывается о человеке в кепке, то это
может быть Ленин, грузин или ... Лужков. Для точной идентифи-
кации следует обратить внимание на дополнительные детали (кар-
тавость, размер кепки, наличие лысины). Дед и бабка также явля-
ются своеобразным языковым клише. Можно было бы их назы-
вать пожилой мужчина и пожилая женщина, но, согласитесь,
эффект в этом случае был бы иным.
Приведу еще один анекдот.
Идут двое мужчин. Впереди две женщины. Первый говорит:
— Посмотри, слева идет моя жена, а справа моя любовница, и
очень, я тебе скажу, неплохая любовница.
Второй отвечает:
— Да нет же, справа моя жена, а слева моя любовница, и очень,
я тебе скажу, неплохая любовница.
^atatlausi^i
14.7. Изобретаем анекдот
Помолчали немного, а затем первый говорит:
— Ведь могут же, когда захотят!
В этом анекдоте есть психологическое противоречие. Сочув-
ствие и насмешку вызывают оба представителя сильного пола.
Есть и типовые приемы разрешения противоречивых требова-
ний, используемые их подругами: «разделить противоречивые
требования во времени и в пространстве». Но если бы не было
последней фразы (своеобразного языкового клише), то в нем
присутствовала бы какая-то незавершенность и воспринимался
бы он не так ярко.
В изобретательских решениях на последней стадии алгоритма
находится конкретное решение задачи. Говорят, что к этому мо-
менту задача на 99 % уже решена. Использование синонимов,
антонимов, идиоматических выражений, языковых клише и дру-
гих лингвистических «штучек» практически не влияет на эффек-
тивность технического решения. В юморе роль этих самых «шту-
чек» трудно переоценить. Поэтому эстафетную палочку на фи-
нишном этапе алгоритма «технари» вынуждены все-таки передать
«гуманитариям». В ТРИЗ на финишной стадии алгоритма для
нахождения конкретного технического решения необходимы зна-
ния физики, химии, геометрии и других технических наук. А в
юморе не обойтись без знания филологии или природного линг-
вистического дарования.
14.7.2. Алгоритм № 2
В первом варианте этого алгоритма, если отвлечься от последне-
го, лингвистического, используются три основных шага:
1. Конкретизация места, темы, возможных участников событий.
2. Формулировка психологического противоречия.
3. Разрешение этого противоречия.
Последовательность этих шагов соответствует последователь-
ности аналогичных шагов в алгоритмах решения изобретательс-
ких задач, а также логике событий при проведении любого ис-
следования. В жизни не всегда реализуется такая стройная логи-
ческая цепочка. Очень часто то или иное решение возникает на
основе отрывочных ассоциативных связей, вырванных из какой-
то логической цепочки умозаключений в произвольный момент
времени. Следовательно, возможны и иные варианты последова-
тельности шагов алгоритма, аналогичные тем, которые могут быть
реализованы в нашем сознании.
Вспомним вновь о морфологическом анализе. Для последо-
вательности шагов алгоритма, состоящего из трех элементов, воз-
можны шесть комбинаций: 1-2-3, 1-3-2, 2-1-3, 2-3-1, 3-1-2, 3-2-1.
Логика (на этот раз формальная) подсказывает, что четвертый
шаг (лингвистический) все-таки в любом варианте алгоритма
должен быть последним. Первый и самый привлекательный ва-
риант мы уже обсудили. На первый взгляд, он кажется вполне
работоспособным. Из оставшихся пяти комбинаций мне хочется
остановиться на той, которая является зеркальным отражением
первой: 3-2-1. Все-таки долгие годы изобретательской практики
прочно закрепили в моем сознании прием «сделать наоборот».
Шаг 1
Исходным пунктом в таком алгоритме могут быть приемы
или комбинации приемов разрешения противоречий, хорошо
зарекомендовавшие себя в юмористических решениях. Или же,
наоборот, могут быть использованы приемы или их сочетания,
которые неизвестны или редко встречаются в шутках и анекдо-
тах. Может быть, в этом случае можно получить что-то новое,
неожиданное и интересное.
В качестве примера используем комбинацию приемов «раз-
решить противоречивые требования в пространстве и во време-
ни» и «самообслуживание». Это сочетание приемов известно и в
технике, и в юморе.
Водитель повредил машину, попав в глубокую яму без оградитель-
ных знаков. К счастью недалеко, метрах в тридцати, была автома-
стерская, где уже стояло несколько поврежденных автомобилей.
— Почему никто не засыпает эту яму? — спрашивает возму-
щенный водитель.
— Дело в том, — объясняют ему, — что наш хозяин одновремен-
но и дорожный мастер. И, понимаете, в связи с ремонтом всех
этих машин у него просто нет времени на другие дела.
Чтобы не было обвинений в том, что этот вариант алгоритма —
всего лишь голая аналогия, несколько изменим конструктивную
схему создаваемого анекдота. Приплюсуем к этим двум приемам
еще один — «сделать наоборот».
Шаг 2
Переходим к конкретизации темы и места событий. Если в
первом варианте алгоритма это был самый легкий шаг, то в дан-
ном случае правильнее будет вспомнить о слове «наоборот». В дан-
ном случае нужно перейти к конкретной ситуации, в которой
наши герои «двуедины» во времени и в пространстве, обслужи-
вают сами себя, да еще и совершают нелогичный поступок. За
примером далеко ходить не нужно. В нашей стране были, есть и,
видимо, еще долго будут руководители, которые ничего не знают
и ничего не умеют делать. Над коллегами Огурцова можно по-
смеяться, им можно посочувствовать и даже ... позавидовать.
Психологическое противоречие налицо. Если такого руководи-
теля поставить во главе работоспособного коллектива, то кол-
лектив будет успешно работать и далее. Получается своеобразное
самообслуживание. Идеальный конечный результат (ИКР): ру-
ководителя фактически нет, а функция выполняется. Что же мо-
жет получиться, если расшатать и перевернуть эту такую удоб-
ную и приятную для руководителя ситуацию?
ШагЗ
А теперь сделаем последний шаг и одновременно попытаемся
облечь в слова один из вариантов вполне реальной ситуации.
На предприятии появилась вакансия бухгалтера, В отдел кад-
ров обратился претендент, который когда-то работал главным
бухгалтером на крупном заводе. Естественно он был принят. Про-
шло два месяца. В бухгалтерии полный развал. Взбешенный дирек-
тор вызывает «новобранца» и спрашивает:
— Что же вы делали на своем заводе?
— Ставил подписи...
Уточню, что для придания завершающего акцента в этой про-
тиворечивой юмористической ситуации я использовал еще и опе-
ратор РВС. Из всего того, на что мог быть способен главный
бухгалтер, оставил только один элемент — умение ставить под-
писи на бухгалтерских документах. Можно еще и ужесточить
применение оператора РВС, если в последней фразе добавить
«...в ведомости на получение зарплаты». Но это, пожалуй, будет уже
перебором. Произойдет своеобразный переход количества в каче-
ство, и такая фраза зазвучит уже не с сочувствием, а с издевкой.
А можно обойтись и без оператора РВС.
Беседуют двое сотрудников небольшой фирмы.
Первый:
— А наш директор опять договор потерял, подписанный, с печа-
тями...
(u^3J6 Глава 14. Зигзаг
Второй:
— Да разве можно ему такие документы в руки давать...
Подводя итоги, следует вновь акцентировать внимание на
чрезвычайной важности лингвистического этапа при создании
оригинальных решений в юморе. В одном мультфильме из дале-
ких застойных лет судьба хулигана и двоечника была поставлена
в зависимость от того, где он поставит запятую во фразе: «Каз-
нить нельзя помиловать». Нечто подобное наблюдается на завер-
шающей стадии рождения анекдотов.
Обратим свой взор на очередной анекдот.
Девушка спрашивает у сосредоточенно жующего парня:
— Интересно, о чем ты сейчас думаешь?
— Ни о чем. У меня мышцы головы другим делом заняты.
Так вот, для того чтобы на завершающей стадии рождения
анекдота не получился выкидыш, необходимо как следует на-
прягать мозговые извилины. Если думать только мышцами голо-
вы, вряд ли у вас получится что-то толковое.
14.8. Интересные выводы
1. Структура изобретений аналогична структуре анекдотов.
Основа — противоречия. В одном случае это технические проти-
воречия, в другом — психологические.
2. Для того чтобы техническое решение стало изобретением,
а анекдот — смешным, противоречия нужно еще и разрешить.
3. Для разрешения этих разных по своей природе противоре-
чий чаще всего используются одинаковые приемы.
4. Оригинальные решения можно переносить из техники в
юмор и, наоборот, из юмора в технику. И в шутку, и всерьез
можно рекомендовать проводить повышение квалификации тех-
нических специалистов на концертах с участием Хазанова.
5. У изобретателя должно быть чувство юмора, и, наоборот,
человек с чувством юмора — потенциальный Эдисон.
6. И, наконец, Япония — потенциально самая веселая страна,
а в области техники будущее за Россией!
На таком оптимистическом выводе и хотелось закончить этот
«зигзаг», эту главу и эту книгу. Но... вдруг повело еще в одну
сторону.
14.9. Зигзаг в зигзаге
14.9. Зигзаг в зигзаге
Попробуем сделать своеобразную «матрешку». Тема этого зигза-
га-малыша вновь лингвистическая (технико-лингвистическая).
Ранее был сделан вывод о том, что использование лингвистичес-
ких «штучек» (синонимов, антонимов, идиоматических выраже-
ний, языковых клише и др.) в юморе можно только недооценить.
И наоборот, те же самые «штучки» нисколько не изменяют сути
оригинального технического решения.
Рассмотрим эту проблему несколько в иной плоскости: а вли-
яет ли на эффективность нахождения технического решения то,
на каком языке думает его созидатель? Ответ, на мой взгляд, нео-
днозначный — и да, и нет!
Начнем с конца. Почему нет? Очевидно, потому, что техни-
ческие объекты развиваются по объективным законам, которые
реализуются вне зависимости от языковых предпочтений тех, кто
эти объекты создает, тех, кто этими объектами пользуется. Дей-
ствительно, одни и те же технические решения возникают в го-
ловах изобретателей, живущих в разных странах и разговариваю-
щих на разных языках.
Почему да? Однозначного ответа нет. Поразмышляем немно-
го вокруг этого.
14.9.1. Великий и могучий
Начнем с того языка, на котором писал Пушкин, с родного язы-
ка. Для кого-то он великий и могучий, а для кого-то... очень
сложный. Специалисты в области лингвистики говорят о том,
что русский язык обладает синтетическим строем [4]. Это зна-
чит, что грамматическая функция слова и его взаимоотношения
с другими словами в предложении или словосочетании выража-
ются изменениями в самом слове (окончание, суффиксы и др.),
то есть формами словоизменения. Как следствие, русский язык
очень сложен для обучения и в то же время обладает сверхвоз-
можностями для выражения самых мельчайших оттенков чувств.
В технике мельчайшие оттенки чувств понадобятся вам лишь
для того, чтобы выразить восхищение тем или иным красивым
оригинальным техническим решением. Особенно если к этому
решению пришли вы сами. И все же сверхвозможности русского
языка могут быть использованы и, вероятно, используются на
самом тонком месте «тризовских» алгоритмов — на стадии меж-
ду формулировкой общего решения технической задачи и на-
хождением ее конкретного решения. Говорят, что на этом этапе
незаменимым помощником является богатая фантазия. Богатую
фантазию вам и поможет реализовать богатый русский язык.
14.9.2. Международный
Структура английского языка иная. Немногочисленные синтетичес-
кие формы присутствуют в нем только в виде исключений. Совре-
менный английский язык — это в основном язык аналитического
строя. Это значит, что грамматические функции слов и их взаимоот-
ношения в предложении выражаются специальными средствами:
служебными словами (предлогами и вспомогательными глаголами)
и определенным (жестким, фиксированным) порядком слов [5].
Хорошо это или плохо? Мельчайшие оттенки чувств на таком
языке передавать, очевидно, труднее. А вот четко формулировать
мысли, на мой взгляд, гораздо проще. Четкие формулировки, ис-
ключающие неоднозначное толкование, очень даже полезны при
формулировке ТП, ФП, ИКР и т. д., если решение изобретатель-
ской задачи ведется по «тризовским» алгоритмам, да и не только
по ним. Кто ясно мыслит, тот ясно излагает. Это выражение А.
Шопенгауэра не теряет своей актуальности, если его прочитать с
конца. Действительно, мысль неотделима от слов. На одном язы-
ке осуществлять этот творческий процесс ой как не просто, а дру-
гой создает для этого самые комфортабельные условия.
14.9.3. С глаголом во рту
Немецкий язык в какой-то степени близок к английскому. Об-
щие (похожие) слова. Жесткий (немецкий) порядок во всем, в
том числе и в очередности слов, особенно глаголов. Великий
американский писатель Марк Твен сказал: «Если уж немецкий
писатель нырнет во фразу, так вы не увидите его до тех пор, пока
он не вынырнет на другой стороне своего Атлантического океана
с глаголом во рту». Чаще всего смысл сказанного на немецком
языке становится ясным лишь после того, как прозвучит после-
днее слово (глагол, или иначе часть сказуемого).
Хорошо это или плохо? Однозначно плохо в том случае, ког-
да предложение занимает полстраницы. К тому времени, когда
«вынырнет последний глагол», можно забыть о том, с чего начи-
налось предложение. Хорошо потому, что в процессе произно-
шения этого предложения можно передумать и завершить фразу
другим глаголом, тем самым изменить свою мысль в зависимое-
14.9. Зигзаг в зигзаге
ти от обстоятельств, например реакции на окружающих на про-
износимые вами слова. То есть немецкий язык жесткий и одно-
временно гибкий. Гибкость полезна опять-таки на завершающих
стадиях созидания изобретения. Жаль, что эту гибкость немцы
обычно не используют.
14.9.4. Иероглифы
Добрая половина населения земного шара думает... иероглифами,
которым отвечают не звуки или сочетания звуков, а чаще всего
целые слова. Каким образом такой способ мышления (изложения
мыслей) может отразиться на их изобретательском потенциале?
Конструктивная основа такого способа словообразования —
аналогия. На рисунке 14.1 показаны ранние варианты китайских
иероглифов, обозначающих женщину и ребенка [6].
Женщина Ребенок
Рис. 14.1. Ранние варианты китайских иероглифов.
На этих изображениях видно не только внешнее сходство, но
и черты характера и т. д.
Со временем китайские иероглифы стали менее похожими на
предметы, отображаемые ими. Но при желании сходство все рав-
но можно обнаружить (рис. 14.2).
Дождь
Рис. 14.2. Эволюция китайского иероглифа, обозначающего дождь.
Принцип аналогии положен в основу не только китайских
иероглифов. На рисунке 14.3 показаны «картинки» некоторых
египетских слов.
Как способ изображения слов иероглифами отражается на
способности человека «выдавать на-гора» оригинальные реше-
\AA/V
Глаз Рыба Вода
Рис. 14.3. «Картинки» некоторых египетских слов.
ния — непростой вопрос, особенно для человека, который ни-
когда ими не пользовался. Но все же на уровне гипотез можно
сказать следующее.
1. Такой способ написания — отличная тренировка памяти.
Попробуйте запомнить «бесконечное множество» разнообразных
иероглифов, в написании которых мельчайшие отличия европейцу
не так просто обнаружить! Хорошая память еще никогда и нико-
му не мешала, в том числе и изобретателю.
2. Использование аналогии — обязательный элемент такого
рода словообразования. Использование аналогий — обязатель-
ный элемент изобретательского творчества. Завершающая фраза
этой логической цепочки, думаю, не нужна.
3. Если же говорить о воображении, можно сказать то же са-
мое, что и в п.2.
14.9.5. Резюме
Развитие техники «запрограммировано» объективными закона-
ми. С этой точки зрения техника независима от конкретного че-
ловека (субъекта), от того, каким способом он находит ориги-
нальные технические решения. А вот вероятность и скорость
нахождения этих решений зависит от многих причин, в том чис-
ле и от лингвистических особенностей языка, на котором этот
субъект думает и на котором он излагает свои мысли.
Литература
1. http://www.cnews.ru/newtop/index.shtml72004/10/18/166833
2. Советский энциклопедический словарь // Гл. ред. А.М. Прохо-
ров. 4-е изд. — М.: Сов. энциклопедия, 1989.
3. http://www.urazaev.narod.ru
4. Ожегов С.И. Словарь русского языка. — М.: Оникс XXI век,
2003.
5. Гузеева К.А., Трошко Г. Г. Английский язык: Справочные
материалы. — М.: Просвещение, 1992.
6. Ричардс И.А.^ Гибсон К.М. Английский язык в картинках.
Пер. с англ. — Санкт-Петербург: Грифон, 1992.
Заявки на книги присылайте по адресу:
125319, Москва, а/я 594
Издательство «Техносфера»
e-mail: knigi@technosphera.ru
sales@technosphera.ru
факс: (495) 956 33 46
В заявке обязательно указывайте
свой почтовый адрес!
Подробная информация о книгах на сайте
http://www.technosphera.ru и
http://www.natahaus.ru
Уразаев Владимир Георгиевич
ТРИЗ в электронике
Компьютерная верстка — Н. А. Попова
Корректор — Г. М. Мубаракшина
Дизайн книжных серий — С. Ю. Биричев
Дизайн - А. В. Бурага
Ответственный за выпуск — О. А. Казанцева
Формат 84 х 108/32. Печать офсетная.
Гарнитура Ньютон.
Печ. л. 10. Тираж 2000 экз. Зак. № 1021.
Бумага офсет № 1, плотность 65 г/м2.
Издательство «Техносфера»
Москва, Лубянский проезд, дом 27/1
Диапозитивы изготовлены ООО «Европолиграфик»
Отпечатано в ООО «Чебоксарская типография №1»
428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 15

ISBN 5-94836-091-1
785948
360911
мир
электроники
В.Г. УРАЗАЕВ
ТРИЗ
в электронике
7//Л/Л
ТЕХНОСФЕРА
В.Г. УРАЗАЕВ, К.Т.Н.,
АВТОР ОКОЛО 40 ИЗОБРЕТЕНИЙ И
НЕСКОЛЬКИХ КНИГ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
МЕТОДОВ ТЕОРИИ РЕШЕНИЯ
ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ
(ТРИЗ) В ОБЛАСТИ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ