Предэкспоненциальный множитель определяет время пролета электрона через барьер, второй обратно пропорционален вероятности термической активации носителя. Кривые токов ТСД полученные в работах обнаруживают наличие трех максимумов, соответствующих релаксации инжектированного заряда, поэтому суммарное изменение величины гомозаряда во времени представляется суперпозицией релаксационных процессов разрядки всех центров захвата и выражается как
. (1.6)
Здесь t, — величина заряда и время его релаксации для i–го центра захвата (фиксированной по значению энергии ловушки).Один из недостатков такого подхода в утверждении, что все электрическое поле заряда сосредоточено в объеме пленки. Эта модель внутренней релаксации была бы справедлива для мембран с гомозарядом в случае металлизированных короткозамкнутых образцов. В противном случае расчеты приводят к завышенным значениям времени пролета. При храненении или эксплуатации мембран в свободном, т.е. в незакороченном и незаземленном состоянии, в соответствии с расположением в пленке внедренного заряда, создаваемое им электрическое поле сосредоточено преимущественно в приповерхностной области образца. При хранении образцов в замкнутом сосуде малого объема, т.е. при невозможности компенсации гомозаряда ионами внешней среды время его жизни возрастает на несколько порядков и приблизительно совпадает с рассчитываемым по формуле. В этом случае потеря заряда определяется исключительно процессами в объеме диэлектрика. Уменьшение объема сосуда, в котором хранился электрет, т. е. снижение концентрации ионов, позволяло повысить его стабильность значительной степени, что еще раз подтверждает предположение о выносе заряда на поверхность электрета в реальных условиях. При несоблюдении вышеуказанных режимов хранения процесс релаксации вызван взаимодействием внедренного заряда и положительных ионов на поверхности образца.
Изменение конфигурации напряженности электрического поля отмечалось и в работе. Исследовались электреты, полученных облучением пучком ускоренных электронов в условиях их эксплуатации, т. е. при наличии плоскости нулевого поля в образце, и в режиме хранения с заземленным элетктродом. В роли плоскости нулевого поля могли выступать положительные ионы на поверхности диэлектрика или металлический электрод помещенный вблизи поверхности. В этом случае происходило изменение конфигурации напряженности электрического поля, как указано выше, и перемещение гомозаряда к поверхности, через которую производилась инжекция. В образце с заземленным электродом подобного перемещения не наблюдалось.
Тогда предлагаемое строение накопленного заряда подразумевает несколько иной изгиб зон чем при барьерной модели. В этом случае, согласно модифицированной барьерной модели, электрон, после его выброса с ловушки, будет испытывать дрейф в сильном поле электрета и выноситься или на ближайшую поверхность или через объем. Исследования показали, что в образцах из пленок ПТФЭ с отрицательным гомозарядом процесс разрядки диэлектрика действительно определяется эмиссией неравновесного заряда с поверхности и его дрейфом. Кроме того, исследования указали на образование в образце неоднородно распределенного объемного заряда.
В силу малого изгиба зон в объеме материала по сравнению с изгибом зон на поверхности основной дрейф активированных носителей заряда будет происходить в направлении ближайшей поверхности диэлектрика, и, в этом случае, толщину пленки (L) в выражении следует заменить на значение пространственной глубины залегания заряда (DL). Тогда мы получаем следующее выражение
. (1.7)
Другая неточность барьерной модели, в том то что она рассматривает дрейф носителей в электрическом поле с постоянной напряженностью E. В действительности дрейф электронов происходит в самосогласованном электрическом поле, величина которого уменьшается по мере релаксации гомозаряда.
В этом случае постоянная релаксации гомозаряда t является функцией времени, что должно приводить к более сложному виду экспоненциальной зависимости . Учет этого обстоятельства позволяет объяснить замедленный начальный спад гомозаряда по сравнению с рассчитываемым. Связать величину гомозаряда и время его релаксации можно на основе следующей системы
(1.8)
Согласно развитию модели стабильность гомозаряда также должна сильно зависеть от ориентации поверхностных диполей и степени деформации цепочек молекул. Уже проводились исследования релаксации гомозаряда в пленках неполярных диэлектриков, которые показали снижение временной стабильности заряда под действием переменных электрических полей. Также о влиянии дипольного строения поверхности фторопласта на процессы старения электрета можно судить по ряду методов ускоренной стабилизации внедренного заряда.
Так предлагалось стабилизировать гомозаряд импульсной формовкой при электретировании в низкотемпературной плазме. Суть метода состоит в следующем. Во время электретирования (3 мин.) на управляющий электрод подаются импульсы чередующейся полярности со скважностью 1200 Гц. По объяснению высказанному в , во время отрицательного полупериода импульса слабо закрепленные электроны выбрасываются из ловушек сильным электрическим полем с напряжением 100—500 В. Однако в таком случае аналогичный эффект стабилизации заряда было бы достигнут трехминутной выдержкой образцов в поле 100—500 В после электретирования. Кроме того вырывание слабосвязанных электронов с ловушек под действием внешнего поля обязательно проявилось бы при измерении поверхностной плотности заряда компенсационным методом. Поскольку такие явления не наблюдались стабилизация гомозаряда имеет другую природу.
Подобный механизм ускоренного старения заряда в пленках ПТФЭ уже предлагался. Заряженные образцы политетрафторэтилена предлагалось выдерживать в переменном поле небольшой напряженности (5—10 В, 1000 Гц) в течении нескольких часов. Энергии таких полей явно недостаточно для активации электронов из ловушек и объяснение стабилизирующего действия слабых переменных полей не было дано.
Указанные процессы находят логическое объяснение в соответствии с положением о существовании на поверхности политетрафторэтилена ориентированных диполей. Прикладываемое к образцам переменное электрическое поле увеличивает амплитуду колебаний дипольных участков молекул на поверхности диэлектрика, а подобное интенсивное молекулярное движение ведет к выталкиванию захваченных электронов с ловушек и, после их рекомбинации, к снижению величины гомозаряда. Также в литературе упоминается изменение свойств электретных пленочных мембран при увеличении степени их натяжения, то есть при изменении деформации молекулярных цепочек, приводящее к ускоренному спаду заряда. Аналогичное явление быстрого спада гомозаряда в мембранах наблюдалось при попытке изготовления головных телефонов на базе заряженных пленок политетрафторэтилена. Создание в пленках политетрафторэтилена ультразвуковых механических упругих деформаций приводило к выбросу электронов с ловушек 0,5—0,6 эВ и ускоренному спаду эффективной поверхностной плотности заряда. Причем увеличение интенсивности ультразвукового воздействия приводило к нелинейному снижению уровня стабильного заряда. Суммируя наблюдаемые экспериментальные данные можно сказать, что любые воздействия, приводящие к увеличению амплитуды колебаний молекулярных цепочек или их фрагментов (повышение температуры, механическая деформация, электрические или магнитные поля и т. п.), будут способствовать освобождению захваченных этими молекулами электронов и ускоренному спаду гомозаряда. Следует отметить, что уже предпринимались попытки связать характерные особенности электретного эффекта в пленках фторопласт–4 и фторопласт–10 со структурой и дефектами структуры материала. При этом также предполагалось существование дипольных структур вблизи поверхности пленок. Предполагалось, что внедренные при электретировании электроны захватываются глубокими ловушками, а с более мелких локальных уровней за счет флуктуаций теплового движения освобождаются дырки. Пара электрон—дырка образует квазидиполь и в целом электрет нейтрален. При поляризации диэлектрика квазидиполь направлен противоположно внешнему полю и ничем не отличается от обычных дипольных молекул. Под действием сильных флуктуаций теплового движения электрон высвобождается из ловушки и диполь разрушается. Разрушение квазидиполей электрон—дырка происходит также при изменении надмолекулярной структуры фторопластов и при фазовых переходах. Однако модель основывается на предположении, что в материале изначально на ловушках находятся дырки в концентрации достаточной для нейтрализации внедренных электронов. Кроме того, накопление свободных дырок вблизи поверхности, где сосредоточен гомозаряд, при образовании квазидиполей должно приводить к резкому падению поверхностного сопротивления материала, что не отмечалось в практических исследованиях.
Согласно этой модели электрет представляет собой многослойную структуру. Инжектированный в приповерхностный объем электронный заряд компенсируется положительным пространственным зарядом в объеме диэлектрика и экранирующим слоем ионов. Рекомбинации внедренных электронов с ионами экранирующего слоя препятствует приповерхностный буферный слой из дипольных участков молекул ориентированных инжектированным зарядом. Для подтверждения развития модели и определения структуры внедряемого гомозаряда целесообразно исследовать спектр энергетических ловушек в политетрафторэтилене. Это позволит связать структурные особенности полимера с процессами накопления и релаксации в нем электронного гомозаряда. Необходимость получения полной информации об энергетических спектрах требует проводить исследования в режиме максимального заполнения ловушек. В связи с этим в следующей главе производится поиск оптимального режима электретировани пленок ПТФЭ в плазме газового разряда для получения максимальной поверхностной плотности гомозаряда.
2.Технико - экономическое обоснование проекта.
Важнейшей задачей электронной техники в настоящее время является миниатюризация приборов и элементов, обеспечение минимального веса, высокой чувствительности и экономичности. Это возможно с помощью применения новых материалов и физических явлений. В частности в качестве постоянных магнитов используются пленочные электреты, что позволяет решить многие проблемы.
Но несмотря на все достоинства их применение до сих пор ограничено, в следствии нестабильности заряда, изменения характеристик под действием окружающей среды, плохой воспроизводимости результатов электретирования.
Целью данной дипломной работы является подтверждение модели образования заряда электрета на основе неполярного диэлектрика, проведение оптических исследований, и исследования влияния внешних факторов на величину заряда электрета. Производилась разработка новой ячейки для электретирования мембран диаметром 10 мм., с последующим их применением в электретном микрофоне, который является составной частью диагностического комплекса по измерению проходимости бронхов.
Применение датчиков на основе электретов нашло широкое применение в повседневной жизни, что делает тему данной работы весьма актуальной.
3.Экспериментальная часть.
3.1.Методика получения электретов в плазме.
В данном разделе мы должны рассмотреть способы получения электретированных мембран, проверить воспроизводимость результатов электретирования, рассмотреть влияние окружающей среды на величину и стабильность заряда электрета. Провести оптические исследования электретированных пленок фторопласта, которые должны подтвердить теорию образования гомозаряда. Конечной целью является получение электретированных мембран, для создания электретного микрофона необходимого для диагностической установки по тестированию проходимости бронхов.
Для исследований мы выбрали фторопласт - 4, который является одним из лучших высокополимеров, созданных на основе химического синтеза. Пленки ПТФЭ обладают наиболее стабильными во времени электретными свойствами,
способностью к холодному течению и высокая пластичность материала при низких температурах.
ПТФЭ обладает высокой степенью кристалличности (количество кристаллической фазы доходит до 40—85 %). Кристаллизация ПТФЭ начинается при охлаждении ниже 327 °C, причем наибольшая скорость кристаллизации наблюдается при 310 °C.
В идеальном случае ПТФЭ является неполярным полимером. Диэлектрическая проницаемость пленок ПТФЭ составляет 1,8—2,2 на частоте 1 кГц, а тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 Мгц.
Пленки ПТФЭ прозрачны для видимого света и ультрафиолетового излучения. ПТФЭ мало устойчив к g– и b–облучению. При этом его механические свойства резко ухудшаются.
Таким образом несмотря на то, что ПТФЭ является в целом неполярным полимером, на его поверхности и в приповерхностном объеме существуют дипольные участки молекул, что должно учитываться при рассмотрении динамики процессов инжекции и релаксации гомозаряда. В процессе электретирования при взаимодействии плазмы с поверхностью ПТФЭ может происходить изменение концентрации дипольных частей молекул.
Многочисленные данные по исследованию зависимости поверхностного плотности заряда от времени хранения показывают, что наиболее стабильным в заполяризованном диэлектрике является гомозаряд.
Согласно представлениям о природе гомозаряда, его образование в случае термоэлектретирования связано с инжекцией в поверхностные слои диэлектрика свободных зарядов из электродов и из воздушного зазора в случае его ионизации. В работе [12] отмечается увеличение гомозаряда примерно в 15 раз при поляризации с прокладками по сравнению с контактными методами электретирования. Локальный характер микропробоев в зазоре при термоэлектретировании является причиной неравномерного распределения зарядов по поверхности образца и недостаточной повторяемости зарядов.
Анализ физической модели образования гомозаряда приводит к предположению о возможности успешного использования в качестве инжектирующего электрода высоко ионизированной внешней среды – плазмы газового разряда. Действительно, высокая концентрация зарядов в плазме, возможность ее регулирования путем изменения тока в разрядном промежутке, создают реальные предпосылки для получения в диэлектрике высокого по величине и равномерного по поверхности гомозаряда. Более подробно мы рассмотрим явления на границе диэлектрик – плазма.
При зажигании заряда в замкнутом объеме на его стенки течет электрический ток, обусловленный движением электронов и ионов. В стационарном состоянии нормальная составляющая тока на диэлектрическую стенку должна равняться нулю, то есть:
Jn= S jкн =0 (2.1)
Суммирование проводится по электронному и всем компонентам ионного тока.
В момент зажигания разряда основные носители отрицательного заряда являются – электроны, обладая большими скоростями, чем положительно заряженные ионы, попадают на стенку в большом количестве и заряжают ее отрицательно по отношению к газу. На некотором расстоянии от диэлектрической пленки в газе образуется нейтрализующий этот отрицательный заряд слой положительного заряда. Таким образом, если вдали от стенки концентрация носителей обеих знаков могут быть одинаковы и в целом ионизированный газ нейтрален (плазма), то вблизи стенки эта нейтральность нарушается. Электрическое поле в этом слое направлено от газа к стенке, а электроны тормозятся и часть из них, обладающая меньшими скоростями возвращается обратно в газ. Несмотря на большое различие в подвижностях в установившемся состоянии электронный ток на стенку равен ионному току, в следствии чего сохраняется равенство. Если в качестве стенки использовать исходный материал электрета, то совершенно очевидно, что его поверхность, обращенная к газовому разряду будет заряжаться отрицательно до величины пристеночного потенциала, определяемого параметрами заряда, и на поверхности образуется небольшой по величине электронный заряд, препятствующий дальнейшему проникновению электронов из плазмы. Этот заряд нестабилен и быстро исчезает после прекращения заряда. Созданием в пленке внутреннего электрического поля, направленного в сторону плазмы, можно реализовать условия для дрейфа электронов в объем диэлектрика. Учитывая высокую концентрацию электронов в плазме можно ожидать при этом можно ожидать достаточно высокого по величине и равномерно распределенного по поверхности заряда. Необходимо заметить, что в данной системе вряд ли удастся получить в образце устойчивый положительный заряд со стороны плазмы, поскольку эта поверхность диэлектрика заряжена отрицательно, а управлять процессами в разряде через диэлектрическую пленку приложением к ней относительно плазмы разности потенциалов весьма трудно, так как в следствии резкого различия в значениях электропроводности ионизированного газа и диэлектрической пленки почти все напряжение оказывается приложенным к диэлектрику и внутри у него образуется сильное электрическое поле. В силу этого условия основное воздействие со стороны внешнего электрического поля испытывают заряды, попавшие на диэлектрическую стенку за счет кинетической энергии, которыми в данном случае являются электроны.
3.2.Установка для получения электретов в плазме газового разряда.
Функциональная схема установки представлена на рисунке 3.1. Электронная часть включает в себя генератор задающих импульсов, импульсный усилитель, блок питания импульсного усилителя и источник высокого напряжения (для питания импульсного усилителя и зажигания плазмы). Ячейка для электретирования помещается в рабочий объем вакуумного поста, сунок конструкции установки для электретирования обеспечивающего необходимое разряжение в процессе получения электрета. Регулирование величины давления в разрядном промежутке регулируется с помощью натекателя. Система позволяет производить электретирование в среде различных газов.
ррррррр
оравлоирлдваоит
Оркпжзвпилвоит
В качестве генератора используется генератор прямоугольных импульсов Г5-56, позволяющий получить импульсы с амплитудой до 10 В в широком диапазоне частот и длительностей импульсов. Получение высокоионизированной среды в непосредственной близости от поверхности образца, необходимой для равномерной инжекции заряда в пленку, обеспечивается подачей на вспомогательный разрядный промежуток анод -
катод постоянного напряжения от второго блока высоковольтного источника питания ВС–23 . Напряжение на разрядном промежутке регулируется в пределах от 1 кВ до 10 кВ с помощью регулятора напряжения блока ВС–23, ток разряда ограничивается балластным сопротивлением и может изменятся в зависимости от приложенного напряжения и разряжения в рабочем объеме от 0.1 до 30 мА.
Дальнейшее увеличение разрядного тока приводит к разрушению образца; а при уменьшении разрядного тока ниже 0.1 мА возможен спонтанный срыв разряда ( при P < 10-1 мм рт. ст. ), что также недопустимо в процессе получения электрета.
Часть импульсного напряжения, прикладываемого к образцу, с делителя 1:10 подается на осциллограф С1 - 64. Соответствующая калибровка позволяет измерять на экране осциллографа напряженность электрического поля в пленке, положение уровня нулевого потенциала при элекретировании образцов импульсами с чередующейся полярностью, а также вести контроль дефектности пленки в процессе изготовления электрета. Последнее обстоятельство, в отличие от других методов, обеспечивает в какой - то мере гарантии надежной работы полученных пленочных электретов в различного рода устройствах.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
