3.3.Конструкция ячейки для электретирования.
Для конструирования электретного микрофона требуется электретная мембрана диаметром 10 мм. Для этого была разработана новая кассета для ячейки электретирования рис. 4. Она состоит из 2 пластин оргстекла круглой формы, между ними расположена пленка фторопласта толщиной 0,5 мм в которой имеются отверстия для расположения электретируемых мембран. Для подвода тянущего напряжения используется алюминиевый электрод круглой формы, надежное соприкосновение мембраны и электрода обеспечивается с помощью затяжного винта, который со стороны катода надежно заизолирован во избежание пробоя рис. 3.2.
Ячейка состоит из стеклянной трубы 3, кассеты . Внутрь трубы введен анод и катод. Катод 4 выполнен в виде плоского диска из алюминия и закреплен на подвижном держателе 5, что позволяет менять ширину разрядного промежутка. Подключение катода к источнику питания осуществляется проводником через специальное отверстие в нижней пластине. Анод 5 представляет собой шайбу из алюминия прикрепленную к верхней пластине тремя винтами. Катодная шина за пределами колбы изолирована от корпуса. Анод через измерительный прибор, позволяющий контролировать ток разряда, соединен с корпусом. Ограничение разрядного промежутка стеклянной трубой необходимо для предотвращения разряда по длинному пути, так как необходимо работать по левой ветви кривой Пашена. В диапазоне разряжения 10-2 - 10-3 торр удается в этом случае исключить возникновение дугового разряда и получить наиболее равномерное распределение плазмы в замкнутом объеме. Электретируемые мембраны помещаются в кассету, сделанную из фторопласта и зажатой между двумя пластинами оргстекла, металлизацией вверх. Мембранные кольца 10 накрывают стальным контактом круглой формы, который осуществляет электрический контакт металлизированного слоя мембраны с выводом импульсного напряжения. Электрод прижимается к
Конструкция ячейки.
Рисунок 3.2.
1 – держатель катода; 2 – фторопластовая пластина; 3 – стеклянная труба; 4 – катод; 5 – анод; 6 – фторопластовая пленка; 7, 11 – пластины оргстекла; 8 – управляющий электрод; 9 – отверстие для затяжного винта; 10 – мембрана.
мембранам с помощью затяжного винта, и к нему подводится импульсное напряжение. Подачей на электрод импульсного напряжения в мембранах создается электрическое поле, необходимое для образования устойчивого гомозаряда.
3.4.Работа установки.
После сборки установки, функциональная схема которой показана на рисунке 5, ячейка для электретирования с закрепленной в ней мембранами вводится в рабочий объем вакуумного поста. Мембрана устанавливается на некотором расстоянии от анода в области, где превалирует хаотическое движение электронов, обеспечивающих зарядку диэлектрика. При достижении в области разрядного промежутка необходимого рабочего давления, подачей высокого напряжения от источника питания в разрядном промежутке зажигается плазма. Ток разряда контролируется миллиамперметром, включенным в цепь, соединяющую цепь разрядника с землей. После достижения необходимой для протекания процесса величины тока, на рабочий электрод подается импульсное напряжение, создающее в диэлектрике электрическое поле. В поле импульсов происходит накопление заряда, и его закрепление на глубоких ловушках в приповерхностном слое образца, обращенной к плазме. Важным преимуществом данного метода является контроль качества в процессе получения. Для этого производится осциллографирование импульсного напряжения, подаваемого на рабочий электрод. Наличие в пленке слабых мест (сквозных пор),количество которых существенно растет с уменьшением толщины пленки, вызывает локальные микропробои образца, это видно на экране осциллографа (на вершине импульса появляются характерные всплески), хотя при визуальном осмотре дефекты могут быть не обнаружены. Наличие микропробоев пленок приводит к ухудшению стабильности накопленного заряда образца. Применение режимов осциллографирования позволяет выбрать режим способный свести количество микропробоев к минимуму
3.5.Методика измерения заряда электрета.
Изучение свойств электретов производится главным образом с помощью измерения поверхностной плотности заряда, а в последнее время получили распространение методы токов термической деполяризации. Тем не менее основные данные по целесообразности использования электрета несет в себе поверхностная плотность заряда. Соответственно возникает необходимость разработки метода для ее определения, но с тем условием ,что этот процесс не окажет влияния на заряд электрета.
За всю историю изучения электретного эффекта было разработано множество методик измерения заряда электрета, но наиболее широкое применение нашли две разновидности конденсаторного метода, основанного на принципе электростатической индукции, а именно с подъемным электродом – контактный и с вибрирующим электродом – бесконтактный метод [1,5].
Метод с подвижным электродом впервые был применен Егучи, позднее этот метод использовал Гросс и другие ученые. Суть этого метода заключается
том, что в поле электрета, расположенного на нижнем плоском, неподвижном электроде, подводится верхний металлический электрод. При приближении электрода к поверхности электрета, индуцируемый на нем заряд стекает во внешнюю цепь, состоящую из эталонного конденсатора с присоединенным параллельно электростатическим вольтметром. По величине разности потенциалов на эталонном конденсаторе определяется поверхностная плотность заряда.
Контактный метод имеет ряд существенных недостатков и главный из них низкая точность измерения поверхностной плотности заряда (из-за
Схема измерения заряда пронвеновек
еншлнг
енглкнгнг
Еклшенглкналкна
воздушных промежутков между металлическими электродами и электретом, в индуцируемый заряд всегда меньше, чем настоящий поверхностный заряд, и в это же время происходит частичный разряд электрета, что вносит произвольную ошибку в процесс измерения). Исходя из этих соображений в измерениях используется бесконтактный метод с вибрирующим электродом.
Этот метод получил особое развитие в последние годы в связи с тем , что он очень прост, не разрушает электрета и дает достоверные результаты, совпадающие с результатами других измерений. Кроме того этот метод удобен
еще тем, что позволяет измерить непосредственно на электретных мембранах, что и определило его использование в данной дипломной работе.
На рисунке 6 представлена функциональная схема для измерения заряда электрета данным методом. Схема состоит из измерительного прибора, звукового генератора Г3-34, источника постоянного напряжения УИП-2 и осциллографа С1-65. Компенсирующее напряжение измеряется цифровым электронным вольтметром В7-21 А. Верхний, вибрирующий (с частотой 70 Гц) электрод (1) жестко соединен с диффузором динамического громкоговорителя 1ГД-40 и находится на расстоянии 1,0-1,5 мм. От поверхности мембраны (2).
Для создания необходимых колебаний на звуковую катушку громкоговорителя подается переменное напряжение 0,5 В от генератора Г3-34.
Нижний подвижный электрод (3) служит предметным столиком для закрепления образца. Вибрирующий во внешнем поле электрета электрод согласно закона электростатической индукции генерирует переменное синусоидальное напряжение, которое отмечается на экране осциллографа С1-65 А рис. 7.
U=A*R*dI*s*w*соs w*t (2.2)
, где А=(e*S/L)*1/(e*I0/L+1) (2.3)
Синусоида
аповеншлвео
впрьлванг
певьрнлв
впоьвпненве
коэффициент зависящий только от диэлектрической проницаемости электрета, его размеров (L,S) и зазора I0; - круговая частота колебаний электрода; dI- амплитуда колебаний верхнего электрода относительно среднего положения; R- сопротивление цепи.
Компенсирующее напряжение внешнему полю электрета, подается от внешнего источника УИП-2. В момент компенсации напряжения на экране осциллографа наблюдаются линии развертки рисунок 6. Зная величину компенсирующего напряжения Uк, можно рассчитать поверхностную плотность заряда пленочного электрета, по формуле:
s=e*e0*U/L (2.4)
Знак электрета определяется по полярности компенсирующего напряжения.
Высокая точность измерения зарядов с помощью приведенной установки достигается использованием в качестве чувствительного нуль индикатора – осциллографа С1-65 А и для отсчета компенсирующего напряжения цифрового электронного вольтметра В7-21 А.
3.6.Исследование влияния режимов электретирования на характеристики электретов.
При получении электретов из пленок фторопласта – 4, как показали измерения, возникает гомозаряд, отрицательный по своему знаку на измеряемой стороне. При зажигании заряда в рабочем объеме электроны более подвижны, чем отрицательные ионы , осаждаются на поверхности получаемого образца. При подаче на электрод положительного импульса в диэлектрической пленке создается сильное диэлектрическое поле, под действием которого электроны инжектируются в тонкий приповерхностный слой и закрепляются на ловушках. В течении отрицательного полу периода адсорбированные на поверхности и слабо закрепленные носители выбрасываются обратно в плазму. Таким образом создаются условия для дальнейшего захвата зарядов глубокими ловушками и формирования стабильного гомозаряда. Следовательно, величина начальной и установившейся плотности поверхностных зарядов пленочных электретов определяется параметрами режима электретирования.
Основными параметрами являются:
Р – рабочее давление;
Iр – разрядный ток;
Ер - напряжение электрического поля в образце;
tэ – время электретирования.
В разработаной конструкции ячейки для электретирования в плазме разрядник служит для создания высокоионизированной газовой среды, используемой в качестве инжектирующего электрода. Равномерное распределение плазмы над пленочным образцом достигается при разряжении в рабочем объеме 10-1 – 10-2 мм рт. ст. Увеличение давления приводит к контрагированию разряда и, следовательно, к неравномерному распределению гомозаряда по поверхности образца.
Уменьшение давления ниже 10-2 мм рт.ст. сопровождается резким возрастанием напряжения горения разряда и уменьшением концентрации зарядов в плазме, так же возможна деструкция поверхности диэлектрической пленки. Поэтому в целях создания технологически выгодных режимов и предотвращения пробоя образцов выбрана величина разряжения в рабочей камере, получаемая обычными форвакуумными установками, то есть 10-1 – 10-2 мм рт.ст. При таких условиях исследовалось влияние параметров процесса электретирования в плазме на заряд полимерных пленок. Зависимость плотности заряда от давления показана на рисунке 9.
По каждому режиму было получено три партии по 5 образцов электретных мембран, таким образом приведенные ниже кривые представляют собой усредненные характеристики.
3.6.1.Влияние разрядного тока на плотность заряда электрета.
Расчеты показывают, что для обеспечения процесса электретирования достаточно создавать в разрядном промежутке разрядные токи Ip порядка десятков микроампер. В предложенной трехэлектродной системе нижним пределом, обеспечивающим стабильное горение разряда, является Ip=100 мкА. При уменьшении Ip ниже 100 мкА возможен спонтанный срыв разряда в рабочем объеме (из - за понижения давления, напряжения на электродах и пр.). В силу этих условий при проведении экспериментов удалось получить небольшой участок кривой предшествующий насыщению.
Из рис. 3.5 видно, что при увеличении разрядного тока от 0.5 до 3 мА s растет ( более низкое значение Ip получить не удалось, так как возможен спонтанный срыв разряда в рабочем объеме, из-за понижения напряжения на электродах, давления и так далее ).
Увеличение поверхностной плотности заряда при увеличении тока подтверждает принятую теорию о образовании заряда электрета.
Влияние разрядного тока Iр мА на плотность заряда электрета s*105 Кл*м2.
Рисунок 3.5.
3.6.2.Влияние напряженность электрического поля на плотность заряда электрета.
Зависимости поверхностной плотности заряда в пленке фторопласта - 4 толщиной 10 мкм от напряжения и влияние напряженности импульсного поля в образце на величину и стабильность заряда приведены на рис. 3.56. Амплитуда импульсов, подаваемых на рабочий электрод изменялась в широких пределах от 400 В до значений, соответствующим предпробивным полям в пленке. Электрическая схема импульсного усилителя, кроме того позволяет изменять полярность импульсов относительно потенциала плазмы. Следует заметить, что повторяемость результатов при поляризации в плазме гораздо лучше, чем при использовании других методов, и ограничена только идентичностью параметров образцов.
В отсутствии электрического поля в пленке измеренная величина заряда соответствует энергии хаотического движения электронов в плазме ( пристеночный потенциал ) и составляет примерно 3×10-5 Кл×м-2. Из рис. 3.6 видно, что при увеличение амплитуды импульсов положительной полярности до 1000 В приводит к увеличению значений начального и стабильного заряда, причем его максимальная величина соответствует напряжению примерно 1000 В. Дальнейший рост напряжения вызывает спад начального и в особенности стабильного (Рис. 3.6) заряда за счет увеличения сквозных токов и разрушения поверхности образца ( пробой ).
Влияние напряженноси Е*107 В/м на плотность заряда электрета s*105 Кл/м-2.
Рисунок 3.6.
3.6.3.Влияние продолжительности процесса электретирования на плотность заряда электрета.
Влияние времени электретирования исследовалось в интервале от 1 мин до 20 мин, график зависимости представлен на рис. 3.7. Из графика видно, что максимальное значение начального заряда наблюдается при tэ= 1 мин.
При изменении времени выдержки с 1 мин до 5 мин, как видно из графика , заряд электретной мембраны растет и достигает насыщения при t’=5 мин. Превышение указанного времени электретирования вызывает спад заряда. Такой характер зависимости объясняется сильным разогревом пленки под действием плазмы, что приводит к значительным структурным изменениям. Визуальный осмотр показывает, что изменение цвета пленки при длительности выдержки превышающей 5 мин , а при tэ более 20 мин наступает полное разрушение образца.
Влияние времени электретирования Т мин. на плотность заряда электрета s*105 Кл*м2.
Рисунок 3.7.
3.6.4.Влияние повторного электретирования на плотность заряда электрета.
Для выяснения возможности возникновения ловушек при обработке мембран в плазме газового разряда был произведен опыт по повторному электретированию. На рис. 3.8 приводятся зависимости для нескольких повторов электретирования.
Значительное увеличение плотности поверхностного заряда наблюдалось при двукратном и трехкратном электретировании образца. При дальнейших обработках плотность поверхностного заряда электрета практически не менялась. Также из рис. 3.8 видно, что прирост плотности поверхностного заряда снижается с увеличением времени электретирования и практически отсутствует при повторных обработках в течение 5 минут.
Отжиг после электретирования приводит к определенному уменьшению заряда электрета, который становится более стабильным по сравнению с зарядом в неотожженнном образце. Путем повторений операций электретирования и отжига удается превысить первоначальную плотность заряда и повысить его стабильность. Влияние подогрева образцов как в процессе электретирования, так и после него сводится к повторному захвату носителей более глубоко расположенными уровнями.
Влияние повторного электретирования на плотность заряда электрета.
Рисунок 3.8.
n электретировали в течении 5 минут, - электретировали в течении 3 минут, - электретировали в течении 1 минуты.
3.6.5.Влияния деформации пленки ПТФЭ на плотность заряда электрета.
Было проведено исследование влияния деформации пленки ПТФЭ на величину заряда. Для этого заряженные мембраны закреплялись на специальном электроде в установке для измерения заряда. И с помощью подачи электрического переменного сигнала заставили мембрану совершать механические колебания представленные на рис. . при увеличении времени колебания наблюдалось уменьшение эффективной поверхностной плотности заряда. Измерение заряда производилость бесконтактным методом.
Уменьшение заряда электрета можно объяснить тем, что при больших механических деформациях пленки происходит изменение поверхностной ориентации диполей, и уменьшение поля диполей. Поэтому часть электронов может освобождаться из ловушек, релаксируя тем самым уменьшая заряд электрета рис. 3.9 и 3.10.
Влияние времени деформации на плотность заряда электрета.
Рисунок 3.9.
Влияние амплитуды колебаний на величину заряда электрета.
Рисунок 3.10.
3.6.6.Влияние давления на плотность заряда электрета.
На рис. 3.11 показана зависимость поверхностной плотности заряда от давления в разрядном промежутке. Снятие зависимости проводилось для интервала давлений от 10-2 до 10-1 мм рт. ст. Данный выбор диапазона объясняется тем, что равномерное распределение плазмы над пленочным образцом достигается при разрежении в рабочем объеме 10-2—10-1 мм рт. ст. Увеличение давления выше 10-1 мм рт. ст. приводит к возникновению явления контракции разряда и, как следствие, к неравномерному распределению гомозаряда по поверхности образца. Уменьшение давления ниже 10-2 мм рт. ст. сопровождается резким возрастанием напряжения возникновения тлеющего разряда. Кроме того, снижение давления до 10-2 мм рт. ст. приводит к уменьшению концентрации носителей заряда в плазме, что требует увеличения времени электретирования.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
