Получение тонкопленочных электретов на основе фторопласта-4, изготовление приборов на их основе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рязанская Государственная

Радиотехническая академия.

Дипломный проект.

На тему:

"Получение тонкопленочных электретов на основе фторопласта-4, изготовление приборов на их основе"

Выполнил студент

Гр 555

Боронтов С.П.

Рязань 2000

Аннотация

В дипломном проекте рассмотрен электретный эффект в пленках фторопластата-4 толщиной 10 мкм с односторонней металлизацией алюминием. Разработана новая ячейка для электретирования в плазме газового разряда. Было проведено исследование влияния технологических факторов на получение и характеристики электретов. Для подтверждения модели формирования заряда проведены оптические исследования электретированных пленок. На основе полученных мембран разработан и изготовлен макет электретного датчика для экспериментального комплекса исследования проходимости бронхов.

Abstract

The electret teflon films with 10 m thickness wich is considered in graduation paper one side Al junction. Tne modern cell for plasm-enhaced vapont electretion is elaborated. The study of influence of technological factors on process of charge formation model are followed. On base of the obtaining films model of electret chip for experimental complex for exemination of bronchial transport is elaborated.

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Электреты. Общие сведения

1.2 Методы получения электретов

1.3 Обзор существующих моделей электретного эффекта

1.3.1 Модель заряда электрета на основе неполярного диэлектрика

2. Технико-экономическое обоснование проекта

3. Экспериментальная часть

3.1 Методика получения электретов в плазме газового разряда

3.2 Установка для импульсного электретирования

3.3 Конструкция ячейки для электретирования

3.4 Работа установки

3.5 Методика измерения заряда электрета

3.6 Исследование влияния режимов электретирования на характеристики электретов

3.7 Оптические исследования электретированых пленок фторопласта-4

3.8 Области применения электретного микрофона

3.9 Проектирование электретного датчика

3.9.1 Расчет чувствительности микрофона

3.9.2 Разработка конструкции датчика

3.10 Выводы по экспериментальной части

4. Экономическая часть

5. Безопасность и экологичность проекта

Заключение

Библиографический список

Введение

Современный уровень развития электронной техники характеризуется микроминиатюризацией элементов, входящих в те или иные устройства. В этой связи на передний план выступают проблемы уменьшения габаритных размеров, потребляемой мощности и веса элементов. Микроэлектроника успешно решает многие из этих проблем, это связывается с развитием физики твердого тела и полупроводников.

В свою очередь применение электретных материалов - аналогов постоянных магнитов, раскрывает дополнительные горизонты и позволяет решить многие проблемы. Это развитие ограничивается нестабильностью зарядов электретов и сильным влиянием внешней среды. Из активных диэлектриков электреты менее всего изучены. Темой данного дипломного проекта является получение электретов на мембранах из фторопласта-4, исследование влияния внешних факторов на характеристики полученных электретов и конструирование электретного микрофона для экспериментальной установки исследования проходимости бронхов. Оптические методы исследования электретированных пленок фторопласта-4 подтвердили теорию о природе гомозаряда.

Проведенные исследования полученных мембран позволили уточнить более технологически выгодные методы электретирования.

1. Обзор литературы

1.1 Электреты. Общие сведения

Электретом называют тело, которое продолжительное время сохраняет поляризацию после снятия внешнего электрического поля и создающее в окружающем пространстве свое электрическое поле.

Первое упоминание о электретах относится к 1892 году его автором является Хэйвисайд, а систематическое изучение этого явления началось в 1919 году. Егучи исследовал электреты из карнаубского воска полученные термическим методом, который заключался в том, что расплав охлаждали во внешнем электрическом поле [1,2].

В дальнейшем это явление начало изучаться еще более углублено, и было доказано, что практически все диэлектрики, помещенные в сильное электрическое поле и охлажденные в нем, создают остаточную поляризацию и на поверхности возникают поверхностные заряды.

Многолетние исследования этого эффекта привели к тому, что было разработано множество методов получения электретов, и этот вид материалов стал широко использоваться в промышленности и быту [3,4,5].

1.2 Методы получения электретов

1.2.1 Трибоэлектричество: контактная электризация

Трибоэлектричество, то есть электризация двух диэлектриков, находящихся в контакте друг с другом, является суммой двух эффектов: кинетического и равновесного. Кинетический эффект обусловлен, асимметричным характером трения двух кусков одного и того же материала друг о друга. В этом случае вызывающий электризацию кинетический эффект связывают с тем, что трущаяся часть неподвижного куска материала нагревается больше, чем движущийся кусок. Для изучения электретов большое значение имеет равновесный эффект, известный также под названием контактной электризации. Этот эффект возникает уже при статическом соприкосновении двух материалов и наблюдался еще Греем в 1732 году.

Изучение контактной электризации в вакууме, где исключены такие нежелательные факторы, как влажность воздуха, показывает, что она обусловлена передачей электронов или от изолятора или в изолятор. Этот процесс можно описать с помощью работы выхода - величины, широко используемой в теории металлов и полупроводников, применяя ее также и к диэлектрикам.

Как метод изготовления электретов контактная электризация широко не применяется главным образом из-за отсутствия точной воспроизводимости. Это явление, однако, необходимо учитывать в тех случаях, когда диэлектрики приводят в соприкосновение с металлами или другими диэлектриками, поскольку это вызывает эффект нежелательной электризации.

1.2.2 Методы термической электризации

Термические методы заряжения и поляризации электретов сводятся к помещению диэлектрика в электрическое поле при некоторой повышенной температуре с последующим осаждением в поле. Для восков начальная температура часто выбирается равной температуре их плавления, в тоже время для полимеров - это температура выше температуры стеклования и заметно ниже точки плавления. Внешнее поле можно создать с помощью нанесенных на поверхность диэлектрика электродов (например напылением), а также помещением его между внешними электродами (соприкасающиеся с ними или отстоящие от них на некотором расстоянии). При использовании внешних электродов наличие воздушных зазоров (которые в случае приложенных к диэлектрику пластин имеют микроскопические размеры) значительно усложняет картину процесса электризации.

Термическая электризация может сопровождаться в основном тремя типами явлений: образованием гетерозаряда вследствие внутренней поляризации, обусловленной выстраиванием диполей (происходит при повышенных температурах, когда подвижность молекул или молекулярных цепей достаточно высока, при охлаждении ориентированные диполи замораживаются, что приводит к остаточной поляризации диэлектрика) или разделением зарядов внутри диэлектрика (в основе, которой лежит проводимость носителей, способных перемещаться или между какими то внутренними границами типа доменных стенок, или по всей толщине электрета);

образованием гомозаряда вследствие прилипания к поверхности диэлектрика зарядов, поступающих из воздушных зазоров при искровых разрядах в них (возможно лишь если напряжение на зазоре несколько превышает пороговое напряжение, которое для плоскопараллельной геометрии определяется кривой Пашена);

образованием гомозаряда, но по причине инжекции носителей через контакты к электродам.

Однако, границу (или границы) раздела электрод-диэлектрик во многих процессах этого типа можно считать заблокированной, так что инжекция зарядов не происходит (часто применяемые алюминиевые электроды на полимерах как раз попадают в эту категорию). В таких случаях определяющие процесс электризации параметры - напряжение и температура - влияют на него следующим образом:

при напряжении ниже порогового напряжения для пробоя в воздушном зазоре развивается просто внутренняя поляризация с полярностью гетерозаряда;

при напряжении выше порогового значения для пробоя в воздушном зазоре происходит осаждение гомозаряда с более чем линейным ростом по напряжению.

Более высокие значения напряжений, поэтому способствуют тому, что процесс осаждения зарядов превалирует над процессом внутренней поляризации, в тоже время более высокие температуры вызывают противоположный эффект.

Преимуществом всех вариантов методов термической электризации является большая стабильность поляризации как поверхностных, так и объемных зарядов, достигаемая в некоторых неполярных материалах Метод идеально подходит и для поляризации дипольных электретов в цепях различных пьезоэлектрических приложений. Это делает термический метод наиболее предпочтительным в промышленных способах электризации Недостатками термической электризации являются поперечная, то есть поперек поля, а значит вдоль поверхности неоднородность распределения зарядов в поверхностно - и объемно - заряженных электретах и невысокая скорость процесса электризации.

1.2.3 Методы изотермического осаждения зарядов

В основе этих методов лежит перенос заряда, сопровождающий электрический разряд в воздушном зазоре. Поскольку нагрев образца в этих случаях не производится, образование гетерозаряда в следствии диэлектрического поглощения в общем не происходит. В последнее время методы осаждения зарядов приобрели большое значение из-за той легкости и скорости, с какой они позволяют электризовать пленки полимеров при сохранении высокой степени поляризации.

Наиболее широко используется метод коронного разряда, который возникает в неоднородном магнитном поле уже при нормальном атмосферном давлении. Для создания такого поля над диэлектриком, нижняя поверхность которого покрыта плоским электродом, на некотором расстоянии от него (или непосредственно на нем) помещают верхний электрод в форме иглы или ножа. При напряжениях между электродами, превышающими некоторое пороговое значение происходит, протекание тока.

Если на верхний электрод подать отрицательное напряжение, как это делают при электретировании тефлона, то по направлению к диэлектрику текут отрицательные носители заряда. В воздухе при нормальном атмосферном давлении такими носителями в первую очередь являются ионы СО3 с энергиями близкими к средне тепловой. Из-за малой величины этой энергии ионы осаждаются в поверхностном слое и не проникают внутрь материала. Возможно, что они передают свой заряд поверхностным ловушкам и возвращаются обратно в воздух. Эффективность проникновения заряда в объем зависит от полярности и плотности зарядов, а также от свойств поверхности.

Аппаратура для электризации с помощью коронного разряда открывает широкие возможности для управления и контроля за процессом электризации. Обычно установка состоит из электрода в виде острия иглы, потенциал которого относительно иглы порядка нескольких киловольт, и проволочной сетки с потенциалом несколько сотен вольт. Сетка служит для управления током в образце, имеющим первоначально колоколообразное распределение, “затененное” проволочками сетки. Однако, получающиеся, в конце концов, распределение осажденных зарядов, в конечном счете, однородным, если электризацию довести до такого состояния, когда потенциал всей поверхности образца достигает состояния насыщения. При этом он сравнивается с потенциалом сетки. Если конструкция допускает контроль потенциала поверхности образца и тока в нижний электрод, то удается проследить за эквивалентной поверхностной плотностью заряда и током проводимости через образец в течение всего процесса электризации.

Для непрерывной электризации длинных полос пленки используют следующую разновидность этого метода. Полоса диэлектрика двигается от падающей катушки, проходит область, где происходит коронный разряд, минует участок, где измеряется осажденный заряд, и наматывается на приемную катушку. В установке используется электрод в виде иглы или ножа.

Преимуществами короной электризации являются простота аппаратуры и довольно высокая скорость процесса. Устройства, не оборудованные сеткой, имеют тот недостаток, что распределение заряда имеет большую неоднородность в поперечном направлении. Кроме того, необратимое понижение температуры, соответствующее пиковому значению тока при его термической стимуляции в режиме короткого замыкания, указывает на худшую стабильность запасенного заряда при определенных условиях, Тем не менее преимущества этого метода сделали его весьма популярным в широко масштабном производстве пленочных электретов для электретных микрофонов. Широкое распостранение это получило также в ксерографии.

Для изотермической электризации диэлектрических пленок возможно применение также методов искрового разряда. Для получения удовлетворительных плотностей заряда без нарушения участков пленки возникающими дуговыми разрядами используется толстая диэлектрическая прокладка между пленкой и электродом. Более низкое сопротивление материала вставки придает ей роль защитного добавочного сопротивления.

При подключении к источнику напряжения такой конструкции с сэндвичем перенос заряда осуществляется постепенно через воздушные микроскопические зазоры между диэлектрической прокладкой и пленкой, в которой возникаю уже контролируемые электрические разряды. Здесь, как и при коронном разряде, осажденный заряд переносится ионными образованьями. Помимо защиты от разрушительного действия возникающих дуговых разрядов через пленку диэлектрическая прокладка позволяет также вынимать пленочный электрета без потерь из-за пробоев в воздушном зазоре.

К достоинствам метода можно отнести высокую стабильность и равномерность заряда, а к недостаткам малую его величину и необходимость подбора диэлектрической прокладки при изменение режимов электретирования.

1.2.4 Электризация с использованием жидкостного контакта

В этом методе электризации используют контакт между электродом и диэлектриком, причем для достижения большой плотности соприкосновения его с поверхностью электрета в зазор вводят небольшое количество жидкости. Не металлизированная сторона диэлектрика, например полимерной пленки с метализированой нижней поверхностью, находится в контакте с влажным электродом так, что между ними остается небольшой слой жидкости. В качестве жидкостей используются чаще всего вода или этиловый спирт. При подаче напряжения между электродом и нижней метализированой поверхностью на обеих границах раздела жидкость - твердое тело образуются двойные заряженные слои. Перенос заряда на полимерную пленку обеспечивается силами электростатического и молекулярного взаимодействия. В нижний электрод притекает компенсирующий заряд, равный осажденному по величине заряда и противоположный по знаку. Путем перемещения электрода вдоль поверхности электрета удается наэлектризовать должным образом большие площади его поверхности. Что бы не допустить потери зарядов на поверхности электретов, заряжающий электрод перед снятием напряжения следует отнести от нее (или испарить жидкость). Кроме того при использовании в этом методе жидкости, не смачивающей поверхности пленки электрета, можно обеспечить запись потенциального рельефа с высоким разрешением, что важно для контроля за изготовлением электрета, так и для изучения процессов электретирования.

Жидкостно-контактный метод позволяет также изготовить моно заряженный электрет, обладающий лишь зарядами одного знака. Этого можно достичь, помещая между двумя электродами неметализированный диэлектрик так, чтобы оставалось два воздушных зазора, и затем заполняя их жидкостью. Тогда, если при испарении жидкости напряжение на электродах поддерживать неизменным, на одну из сторон диэлектрика через жидкость будут поступать заряды одного знака, и оставаться в нем. Компенсационный заряд останется на втором электроде.

Преимущество жидкостно-контактного метода служат его простота, возможность управления начальной плотностью заряда с помощью приложенного напряжения и однородность распределения зарядов в поперечных направлениях.

1.2.5 Метод электризации частично проникающими пучками электронов и ионов

История применения методов инжекции моноэнергетических пучков частиц с глубиной проникновения в образец, меньшей его толщины, датируется временами 50 летней давности. Совершенствование этих методов в последние годы привело к тому, что они превратились в чрезвычайно многосторонний и гибкий в управлении инструмент электризации диэлектриков. В большинстве методов используются моноэнергетические электроны, которым при той же глубине проникновения требуется гораздо меньше по сравнению с ионами энергия (и как следствие гораздо большие разрушения материала), поэтому рассмотрим электризацию ионными пучками, как наиболее широко применяемую.

Если рассмотреть зависимость практического пробега электронов от энергии в ряде диэлектриков, используемых для производства диэлектриков, становится, очевидно, что пучки с энергиями 0.5 - 1 МэВ, которые можно использовать при нормальных атмосферных условиях, оказываются пригодными для электризации образцов толщиной 0.1 см и более. Для более тонких образцов энергию электронов можно понизить, при этом инжекция может производится только в вакууме.

Физическая картина процесса электризации образца, нижняя сторона которого, то есть сторона, которого не обращена к пучку, металлизирована и заземлена, и сводится к следующему; ударяясь о поверхность образца. Электроны выбивают по несколько вторичных электронов, приводя к образованию в близи поверхности положительно заряженного слоя. Выход эмиссии вторичных электронов, определяемый отношением числа инжектированных электронов к числу первичных, зависит от энергии электронов и свойств поверхности. Проникая в глубь диэлектрика, электроны генерируют пары вторичных носителей, с относительно небольшой энергией, так что последние быстро захватываются. Присутствие вторичных электронов обуславливает проводимость, которая оказывается, таким образом, индуцированной облучением (радиационная проводимость). Она на несколько порядков превышает собственную проводимость материала. Вследствие столкновения первичные электроны замедляются и, в конце концов, захватываются, что приводит к начальному распределению отрицательного заряда, простирающегося на среднюю глубину, составляющую 2/3 от практического пробега, В зависимости от направления поля возможны также дополнительные движения зарядов. В образце, металлизированном лишь с одной стороны, сила со стороны поля направлена к электроду (имеется, правда небольшое притяжение к положительно заряженному слою), таким образом, большинство электронов проникает дальше средней глубины в область образца, где радиационная проводимость все еще достаточно высока и позволяет электронам двигаться вперед, а дыркам назад. Этот процесс завершается в течение нескольких минут после процесса облучения.

При практическом осуществлении электронно-пучковой методики используют горячие катоды или высоко частотные разряды, устройства электронной фокусировки пучков и ускоряющие напряжения 5-50 кВ. Иногда для достижения однородной по облучаемой по площади плотности тока применяют сканирующие пучки. В частности, в качестве источника электронного пучка часто применяют сканирующий микроскоп. Из-за высокой однородности его пучка по поперечному сечению, такие приборы можно применять как в статическом, так и сканирующем режимах. В камере, куда в качестве мишени помещают образцы диэлектрика, имеется механическая диафрагма. Выдержка приоткрытой диафрагме изменяется от 1 мс до нескольких секунд. В течение облучения контролируют ток в нижний (обычно металлизированный электрод), соответствующий по своей величине полному току инжекции, таким образом, диэлектрик удается зарядить до заранее установленной величины заряда. Этот метод удается также приспособить для электретирования длинных полос диэлектрика с использованием лентопротяжного механизма. Преимуществом метода электризации электронными пучками является то, что он позволяет полностью контролировать глубину проникновения зарядов, их распределение по поверхности и плотности заряда. Эти качества позволяют широко применять этот метод для производства мембран для электретных микрофонов, а также при исследовании свойств электретов.

1.2.6 Методы электризации, использующие проникающее излучение

Электризация диэлектрика может быть достигнута действием полностью проникающей радиации различных видов. Роль излучения в этом случае сводится к генерации носителей заряда, а ответственное за результирующую электризацию внутреннее смещение возникает при включении внешнего поля и в самом внутреннем поле диэлектрика.

В классической схеме электризации этого типа диэлектрический образец, между поверхностями которого приложено напряжение, подвергается действию проникающей радиации, источником которой может быть ускоритель частиц. Рентгеновская установка или просто радиоактивный источник. После получения образцом дозы 1-106 рад действие облучения прекращается и напряжение снимают. Электризация объясняется молекулярной ионизацией с последующим дрейфом и захватом носителей. Излучения производят генерацию электронно-дырочных пар, которые в присутствии приложенного поля дрейфуют к электродам, что и приводит к разделению заряда. Постепенно носители захватываются, и диэлектрик приобретает гетерозаряд.

Электризация диэлектриков с помощью проникающей радиации возможна также и в отсутствии приложенного электрического поля. Этот метод основан на использовании гамма и рентгеновских лучей высокой энергии для создания комптоновских электронов. Рассеивание этих электронов с преимущественным направлением вперед приводи к пространственному распределению зарядов, и, следовательно, к поляризации диэлектрика. С уменьшением энергии первичных фотонов распределении электронов быстро становится изотропным, поэтому этот эффект сильнее проявляется при больших значениях падающих фотонов (примерно 1 МэВ), таким образом, очевидно, что для получения оптимальной поляризации необходимо использовать толстые образцы.

1.2.7 Фотоэлектретный процесс

Фотоэлектретный процесс во многих отношениях весьма похож на обсуждавшиеся выше способы изготовления электретов, только здесь вместо радиационного облучения используется свет. Материалы обычно фотопроводники, покрывают с одной или с обеих сторон прозрачными электродами и облучают ультрафиолетовым или видимым светом в присутствии приложенного электрического поля. После выключения света и снятия напряжения у диэлектрика обнаруживается сохраняющаяся с течением времени поляризация. Такой диэлектрик называют фотоэлектретом.

Эту поляризацию приписывают генерации носителей светом с последующим смещением их в приложенном поле, заканчивающимся захватом. Генерация носителей светом легко осуществляется, если длинны волн последнего короче границы поглощения данного фотопроводника. Смещение носителей, вызванное действием приложенного поля, определяется как их подвижностями в объеме материала, так и высотой потенциального барьера на границе диэлектрик - электрод. Если объемные подвижности носителей обоих типов велики, а указанные барьеры высоки для носителей хотя бы одного типа, заряды будут накапливаться на одной или обоих границах раздела диэлектрик-электрод. Так мы получим “барьерную поляризацию”. Если, однако, подвижности таковы, что заметно смещаются лишь носители одного типа, или излучение неоднородно по толщине образца, то мы придем к “объемной поляризации”. Этот процесс, очевидно, происходит вне зависимости от величины потенциального барьера. В течение действия света возможны процессы захвата носителей, их уход с ловушек и повторного захвата. После прекращения облучения распределение зарядов в основном “замораживается” хотя некоторая темновая релаксация все же остается.

Фотоэлектретный процесс как метод изготовления электретов практически не используется, что связано с малой стабильностью и величиной получаемого заряда, зато обратный процесс - снятие поляризации фотопроводников путем облучения светом имеет огромное значение в ксерографии и при исследовании других электретов.

1.3 Обзор существующих моделей электретного эффекта

фторопластат электрет заряд металлизация

Первое объяснение электретного эффекта было предложено Егучи в 1920--1925 г. Основываясь на экспериментально доказанном факте объемности электретного заряда, Егучи сделал вывод, что при нагревании диэлектрика полярные молекулы в нем получают возможность ориентироваться под действием поля, а при остывании материала в присутствии электрического поля молекулы теряют способность к вращению и остаются в ориентированном состоянии. Упорядоченное расположение дипольных молекул может сохраняться достаточно долго, поэтому после выключения внешнего поля в диэлектрике сохраняется остаточная поляризация, а на поверхности располагаются связанные заряды.

Другой японский физик Сато пытался объяснить электретный эффект “замораживанием” ионов. В расплавленной смеси положительные ионы под действием электрического поля смещаются к катоду, а отрицательные -- к аноду. После застывания смеси при наличии внешнего электрического поля ионы остаются смещенными, так как электропроводность воска в твердом состоянии значительно уменьшается.

Недостатком недостаток этих теорий в том, что они не рассматривали возможность образования гомозаряда. Впервые объяснить его существование попытался Наката в 1927 г., связывая появление гомозаряда с контактными явлениями на границе металл--диэлектрик [2].

Адамс в 1927 г. впервые высказал идею двойственности зарядов в электрете. Он предположил, что гетерозаряд электрета вызван остаточной поляризацией, возникающей в диэлектрике вследствие ориентации дипольных молекул в сильном электрическом поле, с большим временем релаксации. Гомозаряд обусловлен свободными зарядами, которые стремятся компенсировать связанные, вследствие омической проводимости материала электрета. Причем в начальный момент времени после электретизации гетерозаряд полностью нейтрализован свободным зарядом, так что полный заряд электрета равен нулю. Затем остаточная поляризация начинает уменьшаться, и на поверхности электрета появляется свободный заряд, совпадающий по знаку с гомозарядом. Этот свободный заряд возрастает, а затем начинает спадать в появившемся внутреннем поле электрета. Присутствие двух зарядов различной природы, изменяющихся со временем по различным законам, дает возможность объяснить основные свойства электретов.

Согласно Адамсу гетерозаряд спадает в следствие тепловой разориентации по закону:

(1.1 )

где - величина, обратная периоду релаксации остаточной поляризации.

Релаксация гомозаряда по Адамсу определяется электропроводностью вещества

. (1.2)

Здесь -- поле незакороченного электрета, -- электропроводность вещества, -- относительная диэлектрическая проницаемость, -- диэлектрическая постоянная.

Измеряемая поверхностная плотность заряда равна разности величин реального заряда (гомозаряда) и остаточной поляризации , так что в любой момент времени справедливо выражение

. (1.3)

Решение уравнения (1.3) с учетом выражений (1.1) и (1.2) имеет вид

(1.4)

где -- величина, обратная времени релаксации гомозаряда.

Из последнего выражения легко находится время, при котором заряд достигает максимального значения, а также определяется величина этого заряда

Недостаток теории Адамса указал Гемант [3]. Он подчеркнул, что наблюдаемая величина и устойчивость гомозаряда объяснимы лишь при такой величине начальной поляризации, которая не может быть достигнута в диэлектрике даже при полной ориентации всех диполей. Поэтому Гемант предположил, что гетерозаряд термоэлектретов обусловлен смещением слабосвязанных ионов и “замораживанием” их в потенциальных ямах при охлаждении диэлектрика в электрическом поле. Возникновение гомозаряда Гемант связывал с пьезоэлектрическим эффектом, вызванным деформацией диэлектрика в направлении, перпендикулярном поляризующему полю.

В 1953 г. Гемант предпринял попытку создать молекулярную теорию электретного эффекта. Согласно новой теории гетерозаряд образуется путем смещения ионов и ориентации диполей при поляризации, а гомозаряд возникает вследствие ионизации воздушного промежутка между диэлектриком и электродом и инжекции зарядов в диэлектрик, если поляризующее поле имеет достаточную напряженность.

Переход гетерозаряда в гомозаряд происходит путем нейтрализации смещенных к электродам ионов ионами проводимости. Часть гетерозаряда при этом исчезает, и число инжектированных ионов, противоположных по знаку смещенным ионам, начинает превышать число связанных диполей. Результирующий заряд электрета соответствует по знаку гомозаряду, т. е.

Временные зависимости поверхностной плотности заряда электрета

Рисунок 1.1 Заряд 1 -- гетерозаряд; 2 -- гомозаряд; 3 -- суммарный заряд

Происходит обращение знака заряда. Длительное сохранение электретного состояния объясняется тем, что инжектированные ионы притягиваются к диполям, а последние образуют устойчивую доменную структуру. Таким образом длительное существование как гетеро- так и гомозаряда в электрете объясняется устойчивой остаточной дипольной поляризацией. Характер изменения заряда электрета во времени при этом определяется суперпозицией релаксации гомо- и гетерозарядов.

В 1944 г. Гросс, основываясь представлениях Адамса, выдвинул новую теорию электретного эффекта, отказавшись от молекулярного рассмотрения механизма образования гетеро- и гомозарядов электретов. Согласно предложенной теории гетерозаряд может быть образован по одному из трех механизмов: “вмерзание” ориентированных диполей после остывания диэлектрика, “вмерзание” сместившихся в электрическом поле ионов, “застывание” зарядов образованных на макронеоднородностях диэлектрика.

Гомозаряд, по Гроссу, образуется благодаря переходу зарядов из электродов в диэлектрик в процессе поляризации. Основную роль здесь играют локальные пробои воздуха в промежутке электрод--диэлектрик. При каждом таком пробое образуется лавина электронов и ионов, которые осаждаются на поверхности электрета и затем втягиваются электрическим полем внутрь.

Поскольку механизмы образования гетеро- и гомозарядов различны, может быть различной и природа этих зарядов. Гомозаряд всегда образуется за счет “внешних” электронов и ионов, а гетерозаряд -- за счет ориентации или смещения внутренних дипольных молекул и ионов диэлектрика с последующей их фиксацией. Теория Гросса объясняет двойственную природу заряда электретов и связанное с ней обращение заряда.

Теория Геманта-Гросса не является универсальной при объяснении природы гетерозаряда. А. Н. Губкин и Г. И. Сканави создали устойчивые электреты на поликристаллических неорганических диэлектриках, поляризационнные процессы в которых связаны с электронным и ионным смещением.

1.3 Модель образования заряда электрета на основе неполярного диэлектрика

В настоящее время существует несколько подходов к объяснению образования гомозаряда в электрете. На кафедре микроэлектроники РГРТА разработана и продолжает развиваться теория об образовании заряда электрета на основе неполярного диэлектрика. Феноменологическая теория, основанная на преимущественной роли гетерозаряда, рассматривает гомозаряд как свободный, что не может объяснить длительности сохранения электретного состояния в незакороченных электретах. Более точным считается предположение, что инжектированные заряды захватываются на уровнях захвата локализованных внутри запрещенной зоны. В общем случае в материале имеются как электронные, так и дырочные ловушки. Электронные ловушки нейтральны в свободном состоянии и отрицательно заряжены в заполненном. Наоборот, дырочные ловушки нейтральны в заполненном состоянии и при освобождении с них электронов становятся заряженными положительно. Если в диэлектрике существует периодическое потенциальное поле, что наиболее просто реализуется в кристаллических материалах, валентная зона и зона проводимости во всем объеме диэлектрика непрерывны. В таких материалах предполагается существование дискретных уровней захвата.

В аморфных, поликристаллических и полукристаллических веществах, к которым относится ПТФЭ, локальные уровни энергии формируются под влиянием молекулярного окружения, а образующиеся зонные структуры оказываются перерезанными потенциальными барьерами. В результате каждый атом или группа атомов приобретают наборы своих собственных уровней энергии. Даже при наличии дискретных по энергии уровней захвата такое разупорядочение вызывает случайное смещение этих уровней по глубине, отсчитываемой, например, от самого верхнего уровня зоны проводимости.

На рис. 1.2 показано одно из возможных распределений плотности состояний. Вместо границ зон проводимости и валентной появляются края подвижности и , на которых происходит резкое изменение подвижности носителей заряда.

В нашем случае для получения электретов использовался метод электретирования в положительном столбе плазмы тлеющего разряда с приложением тянущего напряжения. Отрицательные носители заряда, увлеченные полем катод--анод в направлении электретируемых образцов, оседают и накапливаются на их поверхности.

Поскольку электроны обладают большими скоростями по сравнению с ионами, то они первыми попадают на поверхность образца и заряжают ее отрицательно по отношению к газу. В поле адсорбированных отрицательных частиц происходит разворот поверхностных диполей, способствующий дальнейшему накоплению и удержанию заряда.

На некотором расстоянии от диэлектрической пленки в газе образуется слой положительного заряда (положительные ионы) нейтрализующий накопленный отрицательный потенциал стенки (рис.1.2). Величина отрицательного пристеночного потенциала определяется параметрами разряда, а именно кинетической энергией электронов.

На поверхности диэлектрика существуют оборванные связи, цепочки, которые можно рассматривать как диполи. Под воздействием поля дипольные участки молекул на поверхности образца разворачиваются. Упругая деформации связей в молекулярных цепочках в приповерхностном объеме.

Одно из возможных распределений плотности состояний в ПТФЭ



Рисунок 1.2

Диэлектрика под действием внешнего поля, вызывает появление новых приповерхностных ловушек способных захватывать носители заряда. Кроме того, в процессе электретирования происходит постоянная бомбардировка поверхности образца электронами и ионами, что приводит к образованию новых ловушек, что видно по изменению спектров политетрафторэтилена.

При повышенной температуре в сильном электрическом поле в результате действия микроразрядов воздуха в пленках ПТФЭ идет процесс окисления полимерных цепей. При электретировании в воздушной плазме газового разряда окисление пленок незначительно, что вызвано низкой концентрацией молекул и ионов кислорода в рабочем объеме, хотя согласно донорно-акцепторному механизму адсорбция кислородосодержащих молекул приводит к увеличению концентрации глубоких электронных ловушек. Осевшие на поверхность электроны под действием управляющего поля затягиваются в приповерхностный объем диэлектрика и закрепляются на изначально существующих и вновь образованных в процессе электретирования ловушках, освобождая поверхность для дальнейшей адсорбции частиц.

После выключения управляющего потенциала в объеме диэлектрика и на его поверхности начинаются процессы релаксации заряда. Причинами релаксации реальных зарядов в электрете могут быть как внутренние явления (омическая проводимость, диффузия и дрейф избыточных зарядов), так и внешние процессы (осаждение на поверхность электрета ионов). Процесс проводимости сводится к движению собственных свободных положительных и отрицательных носителей заряда в поле электрета. Заряды инжектированные внутрь материала, испытывают дрейф в созданном ими же поле. В большинстве случаев при описании внутренней релаксации приходится учитывать и токи проводимости и токи избыточного заряда. Внешние процессы вызваны действием существующего вне электрета электрического поля, притягивающего из окружающей среды компенсационные заряды в виде ионов. Внешнее электрическое поле притягивает также и полярные частицы, например, молекулы воды. Эти молекулы не вызывают внешней релаксации, но способствуют ускорению процессов внутренней релаксации. Кроме того, в отсутствие экранировки образцов может оказаться весьма значительной внешняя релаксация заряда, обусловленная осаждением ионов.

Под действием внутреннего поля начинают переориентироваться дипольные участки. Молекулярное движение диполей и их новое расположение способствуют выталкиванию с поверхности слабо закрепленных отрицательно заряженных частиц. Переориентация диполей под влиянием инжектированного гомозаряда приводит также к тому, что к поверхности притягиваются положительные ионы внешней среды. Происходит рекомбинация части ионов с электронами оставшимися непосредственно на ней, что приводит к быстрому начальному спаду заряда. Другая часть ионов удерживается вблизи поверхности диэлектрической пленки ориентированными диполями, экранируя поле внедренного заряда.

Поскольку в окружающем пространстве существуют и отрицательные носители заряда они притягиваются к слою положительных ионов и рекомбинируют с ними, что вновь вызывает появление внешнего электрического поля наводимого диполями и приток новых ионов из окружающего пространства. С одной стороны диполи удерживают положительные ионы вблизи поверхности диэлектрика, а с другой -- препятствуют их проникновению в приповерхностный объем, следовательно, образуется динамически равновесная система ОПЗ--гомозаряд--“дипольный слой”--“положительный экран”.

Согласно барьерной физической модели спад гомозаряда при отсутствии подвижного положительного заряда в образце происходит следующим образом: сначала электроны термически активируются с уровней захвата, а затем дрейфуют во внутреннем поле электрета через барьерный слой по всей толщине пленки. Время релаксации такого активационно-дрейфового процесса для тонких диэлектриков можно определить из выражения:

(1.5)

где L -- толщина диэлектрической пленки, -- подвижность носителей участвующих в дрейфе, E -- средняя напряженность поля в пленке, -- энергия активации электрона с ловушки.

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 (L). 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 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.

...