Твердотільні сенсори на основі тонко плівкових полімерних сегнетоелектриків з покращеними технічними характеристиками
Аналіз недоліків сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків. Знайомство з сучасними методами дослідження властивостей сенсорів. Розгляд закономірностей формування і релаксації поляризованого стану в сенсорах на основі полімерних сегнетоелектриків.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | автореферат |
Язык | украинский |
Дата добавления | 26.09.2015 |
Размер файла | 337,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Твердотільні сенсори на основі тонко плівкових полімерних сегнетоелектриків з покращеними технічними характеристиками
Важливим напрямком розвитку сучасної твердотільної електроніки є використання фізичного явища формування залишкової поляризації в полімерних сегнетоелектриках для створення п'єзо- і піроелектричних сенсорів і датчиків, в якості чутливих елементів яких використовуються полімерні сегнетоелектрики типу полівініліденфториду (ПВДФ) і його сополімерів, які проявляють після відповідної електрофізичної обробки сегнето-, п'єзо- і піроелектричні властивості. До числа основних достоїнств таких матеріалів належить висока величина п'єзо- і піроелектричних коефіцієнтів, що визначає широкі перспективи їх практичного застосування. Гнучкість плівок ПВДФ, можливість створення сенсорів великої площі, широкий діапазон робочих частот, досить прості способи виготовлення тонких плівок і їх акустичний імпеданс, близький до імпедансу біологічної тканини і води, зумовлюють переваги полімерних сегнетоелектриків в порівнянні з іншими матеріалами при розробці зокрема сенсорів медичного призначення і гідрофонів.
Актуальність теми. Істотними недоліками сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків у порівнянні із сенсорами на неорганічних кристалічних матеріалах є недостатньо висока величина залишкової поляризації, від якої безпосередньо залежать піро- і п'єзокоефіцієнти сенсорів, а також недостатньо висока часова та температурна стабільність залишкової поляризації. Ці недоліки обумовлені тим, що мало вивчені фізичні процеси формування поляризованого стану і електричної релаксації в ізотермічних і термостимульованих умовах, які визначають величину і стабільність залишкової поляризації і пов'язаних з нею піро- і п'єзоелектричних коефіцієнтів. Науково не обґрунтовані режими електризації, особливо із застосуванням коронного розряду, недостатньо вивчена кінетика формування профілю поляризації, відсутні моделі формування поляризації. Наявні в літературі дані із цих питань уривчасті і суперечливі.
Наведене вище показує, що вивчення і використання фізичного явища формування поляризованого стану для створення п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків з покращеними технічними характеристиками є актуальним як з наукової, так і з технічної точки зору.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження виконувалися відповідно до плану держбюджетних робіт кафедри фізики і матеріалознавства "Дослідження електрофізичних властивостей полімерних діелектриків, призначених для розробки нових приладів, елементів і систем" (номер державної реєстрації 0107V003474), а також у рамках двосторонніх угод про наукове співробітництво з Дармштадським технічним університетом (Німеччина).
Роль автора полягала в дослідженні механізмів поляризаційних і релаксаційних процесів у сенсорах на основі ПВДФ і його сополімерів, розробці моделей цих процесів, вивченні профілів поляризації в плівкових сенсорах, аналізі і оптимізації режимів їх коронно-розрядної електризації, розробці технології виготовлення сенсорів і в їх випробуванні.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є покращення технічних характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків за рахунок удосконалення режимів електризації на базі дослідження фізичних явищ формування і релаксації поляризованого стану в різних умовах.
Задачі, які необхідно розв'язати для реалізації поставленої мети:
1. Проаналізувати можливість покращення характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів за рахунок вивчення і використання фізичного явища формування поляризації в полімерних сегнетоелектриках.
2. Застосувати сучасні і розробити ряд нових методів дослідження властивостей сенсорів і фізичних процесів, які використовуються для їх створення.
3. Дослідити закономірності формування і релаксації поляризованого стану в сенсорах на основі полімерних сегнетоелектриків в різних умовах.
4. Провести моделювання процесів формування і релаксації поляризованого стану в сенсорах для покращення їх технічних характеристик.
5. Розробити і науково обґрунтувати основні операції створення сенсорів з покращеними характеристиками на основі полімерних сегнетоелектриків, виготовити зразки сенсорів і провести вимірювання їх технічних характеристик.
Об'єкт дослідження. П'єзоелектричні і піроелектричні сенсори, в якості активних елементів яких використовуються електризовані плівки полімерних сегнетоелектриків.
Предмет дослідження. Використання виявлених закономірностей процесів формування і релаксації поляризованого стану для покращення технічних характеристик п'єзоелектричних і піроелектричних сенсорів, в якості активних елементів яких використовуються електризовані плівки полімерних сегнетоелектриків.
Методи дослідження. Використані найбільш сучасні методи дослідження формування поляризації і властивостей полімерних сегнетоелектриків, такі як електризація плівок коронно-розрядним методом і методом сильного поля, вимірювання ізотермічних і термостимульованих струмів поляризації і деполяризації, метод вольт-амперних характеристик, метод п'єзоелектрично генеруємої сходинки тиску (ПГСТ), вивчення піроактивності квазістатичним і динамічним методом. Крім того, розроблені й застосовані нові методи, такі як зондування параметрів релаксаційних процесів шляхом фракційної електризації, метод розділення гомо- і гетерозаряда, методика розрахунку діелектричної проникності фаз. Розроблені також методи моделювання процесу формування поляризації в різних умовах.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в роботі:
1. Вперше встановлено, що при формуванні поляризованого стану в полімерних сегнетоелектриках утворюється квазістаціонарна система, яка складається із сегнетоелектричної поляризації і компенсуючих зарядів, взаємний вплив яких проявляється в уповільненні процесів електричної релаксації і появі таких аномальних явищ, як підвищена стабільність електретного потенціалу, а також N-подібний вигляд вольт-амперних характеристик і кривих термостимульованої поляризації.
2. Вперше показано, що просторова неоднорідність поляризації обумовлена впливом інжектованих зарядів, внаслідок чого при електризації в середніх полях, близьких до коерцитивного, поляризація суттєво неоднорідна. за допомогою удосконаленої моделі формування поляризованого стану вперше виявлена необхідність істотного перевищення поляризуючим полем його коерцитивного значення для отримання однорідної поляризації.
3. Вперше встановлено, що завдяки впливу повільних процесів захоплення зарядів на міжфазних границях фактичний час перемикання поляризації в полімерних сегнетоелектриках на кілька порядків більше, ніж очікуваний теоретично, що дозволило встановити і обґрунтувати таку тривалість електризації, яка забезпечує підвищені значення п'єзо- і піроелектричних коефіцієнтів сенсорів.
4. Розроблені і застосовані нові методи експериментального дослідження, а саме метод зарядно-розрядного зондування релаксаційних параметрів шляхом фракційної електризації в коронному розряді і метод розділення гомо- і гетерозаряду по кривих струмів термостимульованої і ізотермічної деполяризації.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що - на базі проведених наукових досліджень встановлені і обґрунтовані співвідношення основних параметрів електризації, таких як напруженість поля, температура і час електризації, яких треба дотримуватись для одержання підвищених значень п'єзо- і піроелектричних коефіцієнтів. Доведено, що поляризуюче поле повинне перевищувати коерцитивне значення принаймні в 3 рази, а тривалість електризації становити не менше 200 секунд;
- розроблені і науково обґрунтовані практичні рекомендації про необхідність проведення декількох перемикань поляризації в сильному полі після первинної електризації (формовки) для забезпечення високої і стабільної залишкової поляризації;
- обґрунтована необхідність проведення температурного відпалу після електризації з метою усунення нестабільної складової залишкової поляризації і забезпечення необхідної температурної і часової стабільності при експлуатації сенсорів;
- застосування розроблених практичних рекомендацій при виготовленні лабораторних зразків сенсорів на основі полімерного сегнетоелектрика ПВДФ забезпечило підвищення п'єзокоефіцієнта на 12%, піроелектричного коефіцієнта на 14% і коефіцієнта електромеханічного зв'язку на 15%.
Результати роботи можуть бути використані при викладанні курсів загальної фізики, фізики діелектриків і конструювання різного роду датчиків.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані особисто здобувачем. Постановка задач, інтерпретація і узагальнення результатів, формулювання основних положень і висновків проведені разом з науковим керівником. Зі спільних публікацій здобувачу належить наступне: в [1] запропонована методика розділення гомо- і гетерозаряда в струмах ТСД, в [2] проаналізовані фізичні процеси в полімерному сегнетоелектрику при підвищенні температури, в [3] показано, що формування сегнетоелектричної поляризації в ПВДФ супроводжується захопленням зарядів на міжфазних границях і зменшенням провідності, в [4] запропонований і випробуваний метод фракційної електризації в коронному розряді, в [5] доведено, що при формуванні поляризації в полімерних сегнетоелектриках відбувається захоплення компенсуючих зарядів, в [6] встановлено, що в полімерних сегнетоелектриках є нестабільна поляризація, обумовлена орієнтацією диполів в аморфній фазі, в [7] проаналізовані існуючі методи електризації полярних полімерів і показані істотні переваги коронно-розрядного тріодного методу, в [8] на підставі теорії полярних електретів проаналізовані компоненти струму деполяризації, обумовлені релаксацією гомо- і гетерозаряда, в [9] запропонована методика дослідження релаксації в полімерно-керамічному сегнетоелектрику і проведені відповідні вимірювання, в [10] на підставі проведених здобувачем дослідів встановлено, що формування поляризації носить трьохстадійний характер, в [11] встановлено, що легування полімеру сильно полярною добавкою призводить до істотної зміни комплексної діелектричної проникності, в [12] запропонована і застосована методика вимірювання струмів термостимульованої деполяризації з діелектричною вставкою.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на 2-й Міжнародній науково-технічній конференції "Сенсорна електроніка і мікросистемні технології" (Одеса, 2006 р.), Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2005, 2007 р.р.), на щорічних наукових конференціях ОНАХТ (Одеса, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 і 2008 р.р.), Міжнародних науково-практичних конференціях "Сучасні інформаційні і електронні технології" (Одеса, 2006, 2007 р.р.), 15-й Міжнародній конференції "Сучасні методи і засоби неруйнуючого контролю і технічної діагностики" (Ялта, 2007 р.), ІІ Всеукраїнській конференції студентів, аспірантів і молодих вчених з хімії і хімічної технології (Київ, 2007 р.), 27-й Міжнародній конференції "Композиційні матеріали в промисловості", (Ялта, 2007р.), 5-й Міжнародній конференції "Ставайки съвременна наука" (Софія, Болгарія, 2007 р.), 4-й Міжнародній конференції "Strategіczne Pytanіa Swіatowej Naukі", (Пшемишль, Польща, 2008 р.), 18-й Всеросійській конференції з фізики сегнетоелектриків (Санкт-Петербург, Росія, 2008 р.).
Публікації. За матеріалами дисертації є 25 публікацій, у тому числі 8 статей у наукових спеціалізованих виданнях, 4 статті в міжнародній базі електронних публікацій arХіv.org, 13 тез доповідей на міжнародних наукових конференціях.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 210 найменувань і додатків. Робота викладена на 163 сторінках і включає 74 малюнка і 10 таблиць.
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, висвітлено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, подано загальну характеристику роботи.
У першому розділі проведено порівняння властивостей полімерних сегнетоелектриків з іншими матеріалами, які використовуються для створення сенсорів. проаналізовані їх переваги і недоліки. розглянуті фізичні основи п'єзо- і піроелектрики в полімерних сегнетоелектриках, формування і розподіл поляризації по товщині плівок, електричні релаксаційні процеси в ізотермічних і термостимульованих умовах. Систематизовані дані по застосуванню сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків.
Аналіз літературних джерел показав, що до цього часу відсутнє розуміння принципово важливих механізмів взаємодії поляризації і об'ємного заряду, а також їх релаксації в різних умовах, що є дуже важливим для створення сенсорів з покращеними технічними характеристиками.
На основі аналізу літературних даних сформульована мета дисертаційної роботи як покращення технічних характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків за рахунок удосконалення режимів електризації на базі дослідження фізичних явищ формування і релаксації поляризованого стану в різних умовах, а також перераховані задачі, які необхідно розв'язати для реалізації поставленої мети.
В другому розділі наведена коротка характеристика матеріалів, застосованих для створення сенсорів, а також методи дослідження фізичних процесів в полімерних сегнетоелектриках, які використані в роботі. Дослідження проведені на одноосно і двохосно орієнтованих плівках ПВДФ і сополімеру з тетрафторетиленом П(ВДФ-ТФЕ). Виготовлені і досліджені також композити ПВДФ-ЦТС і ПВДФ-ВаТіО3. Розглянута методика електризації зразків для створення поляризованого стану і доведені суттєві переваги метода коронно-розрядного тріоду з вібруючою керуючою сіткою, перелічені сучасні методики проведення експериментів, використані в даній роботі.
Розроблені два нові методи дослідження, такі як зарядно-розрядне зондування релаксаційних параметрів шляхом фракційної електризації в коронному розряді і розділення процесів релаксації гомо- і гетерозаряду в електризованих плівках ПВДФ, а також методика розрахунку діелектричної проникності аморфної і кристалічної фази ПВДФ. Дослідження кінетики формування профілю поляризації методом сходинки тиску, яка генерується п'єзоелектрично, виконані в Штутгартському університеті в рамках угоди про співдружність.
У третьому розділі експериментально виявлені важливі особливості і закономірності фізичних процесів формування і релаксації поляризованого стану в полімерних сегнетоелектриках і композитах. які в подальшому використані при розробці технології створення сенсорів. Так, застосування розробленого нами методу зондування параметрів релаксаційних процесів шляхом фракційної електризації в коронному розряді дозволило виявити трьохстадійний характер формування поляризації і вперше встановити аномальне збільшення стабільності електретного потенціалу з ростом його величини, що пояснено зменшенням ефективної провідності внаслідок локалізації зарядів, які компенсують поляризацію. Виявлена нами аномалія ніколи не спостерігається в звичайних полярних електретах.
N-подібний вигляд первинних вольт-амперних характеристик плівок ПВДФ і їх порівняння з результатами повторних вимірювань (рис. 1) виявило наявність необоротного зменшення провідності, що пов'язано з формуванням сегнетоелектричної поляризації. Вперше була виявлена наявність ділянки негативного температурного коефіцієнта провідності на кривих термостимульованої поляризації плівок ПВДФ, що свідчить про існування поряд з термоактиваційним збільшенням числа рухливих носіїв також і захоплення зарядів на глибокі пастки, що забезпечує компенсацію локальних деполяризуючих полів і стабілізує залишкову поляризацію.
Рис. 1 Вольт-амперні характеристики в процесі первинної (1), повторної (2) і третьої електризації плівок ПВДФ в негативному коронному розряді при 20 С.
полімерний сегнетоелектрики релаксація поляризований
При вимірюванні динаміки профілю поляризації в ПВДФ методом ПГСТ було встановлено, що сформовану в середніх полях неоднорідність поляризації (рис. 2) не можна покращити навіть прикладаючи згодом дуже сильні поля, у той час як при первинній електризації в сильних полях формується однорідна поляризація, рівномірність якої зберігається при будь-яких перемиканнях поляризації. Розроблена і вперше застосована методика розділення складових струму деполяризації, обумовлених релаксацією гомозаряду і гетерозаряду (поляризації) в електризованих плівках ПВДФ, дозволила встановити самоузгодженість і взаємну залежність режимів релаксації цих двох компонентів при трохи більш високій термостабільності заряду в порівнянні з поляризацією. Розроблений нами метод дозволив знайти такі важливі параметри процесів релаксації, як енергія активації (Q = 0,76 еВ і W = 0,54 еВ), характеристичні частоти (f2 =1/o= 7,4 МГц і f1 = (go/o) = 1,7 ГГц), і постійні часу при 20 °C (1 =31000 с і 2 =2800 с). Вперше було виявлене перетворення широкого піка ТСД, який спостерігається в свіжих електризованих плівках ПВДФ, у два цілком розділені вузькі піки через 16 місяців (рис. 3), що пояснено більш швидкою релаксацією термодинамічно нестабільної електретної складової поляризації у порівнянні із сегнетоелектричною компонентою, причому виявилося, що обидві складові поляризації знаходяться в рівновазі із зарядами, що їх компенсують.
Рис. 2 Еволюція розподілу поляризації в плівках ПВДФ при первісній електризації в полі напруженістю 60 МВ/м. Номер стадії відповідає проміжку часу від початку електризації: 1 - 8 с, 2 - 70 с, 3 - 100 с, 4 - 150 с, 5 - 250 с, 6 - 350 с, 7 - 450 с, 8 - 750 с, 9 - 1000 с, 10 - 1510 с, 11 - 2000 с.
Рис. 3 Струми ТСД, виміряні в короткозамкненому режимі на свіжополяризованих (1) і зістарених протягом 16 місяців (2) зразках.
Детальний аналіз кривих повного електричного зміщення дозволив розробити і застосувати методику розділення його складових і виділення поляризаційної компоненти, а також виміряти ефективну провідність плівок ПВДФ, яка істотно впливає на формування сегнетоелектричної поляризації. При електризації спостерігається режим струму, обмеженого об'ємним зарядом. Це дозволило оцінити густину заряду і рухливість ( =8 мКл см-3, µ=(3…8)10-12 см2 В-1 с-1).
Експериментальне вивчення перемикання поляризації в ПВДФ вперше показало, що очікуваний теоретично і фактичний час перемикання значно відрізняються, що пояснено впливом повільних процесів, пов'язаних із накопиченням зарядів на міжфазних границях. Про правильність зроблених висновків свідчать більш високі значення перемикаємої поляризації і більш швидке перемикання в сополімері П(ВДФ-ТФЕ), який має більш високу кристалічність і майже 100%-ний вміст полярної в-фази.
Проведені паралельно вимірювання піроелектричної активності ПВДФ і перемикання поляризації (рис. 4) показали, що існує взаємозв'язок між цими явищами, тому піроелектричний метод можна використовувати для визначення величини і напрямку залишкової сегнетоелектричної поляризації. Крім того, отримані дані мають велике практичне значення, тому що дозволяють вибрати режим перемикання поляризації в залежності від необхідних умов. Наприклад, однакова величина залишкової поляризації може бути отримана при різних комбінаціях напруженості поля і часу.
Рис. 4 Еволюція піроелектричної активності та сегнетоелектричної поляризації, які отримані при послідовній дії перемикаючих імпульсів напруги із зростаючою тривалістю від 0,5 мкс до 50 с при різних напруженостях поля. Напруженість (в МВ/м) відповідає числам біля кривих.
Була виміряна температурна залежність енергії активації релаксаційних процесів Q в композитах, які містять 40, 50 і 70% ВаТiО3. Встановлено, що Q злегка зменшується в діапазоні 20...80 С від 1,17 еВ до 1,09 еВ, а потім різко збільшується, досягаючи 1,23...1,55 еВ при 105…110С. Величина Q корелює з концентрацією наповнювача і дорівнює 1,23 еВ при 40%, 1,4 еВ при 50% і 1,55 еВ при 70% ВаТiО3 у композиті. Крім того, температура піка дуже близька до точки Кюрі для ВаТiО3, вказуючи на те, що релаксаційна поведінка композита поблизу цієї температури визначається саме керамікою.
Шляхом порівняння поведінки полімерних сегнетоелектриків і композитів в ізотермічних і термостимульованих умовах була доведена спільність і подібність електрофізичних і поляризаційних процесів в цих двох видах матеріалів, що обумовлено їх двофазною структурою і необхідністю нейтралізації деполяризуючого поля захопленими на міжфазних границях зарядами.
Виявлені закономірності формування і релаксації поляризованого стану використані при розробці технології виготовлення сенсорів на основі сегнетоелектричних полімерів, особливо режимів і параметрів їх електризації.
У четвертому розділі наведені три розроблені моделі формування поляризованого стану в полімерному сегнетоелектрику при постійному зарядному струмі, перемиканні поляризації у режимі постійної напруги і формування профілю поляризації в середніх і сильних полях. В усіх трьох моделях врахована взаємодія поляризації і об'ємного заряду, що дозволило прояснити фізичну картину процесів, які відбуваються, і намітити шляхи підвищення залишкової поляризації і її стабільності з тим, щоб покращити технічні характеристики сенсорів, а саме п'єзо- і пірокоефіцієнти, коефіцієнт електромеханічного зв'язку і піроелектричну добротність.
У моделі електризації постійним струмом важлива роль відводиться інжектованим носіям заряду, які, будучи захопленими на глибокі пастки, створюють неоднорідний розподіл об'ємного заряду і поля. З урахуванням прийнятих припущень показано, що процес електризації розпадається на три стадії (рис. 5). У першій фазі поле усюди менше коерцитивного Еc, тому сегнетоелектрична поляризація дорівнює нулю. В другій фазі поблизу позитивного електрода зароджується сильна поляризація і утворюється зона II, яка з часом розширюється. У третій фазі в тій частині плівки, де поле більше критичного значення Еs, формується зона Ш.
Рис. 5 Діапазон зміни експериментальної залежності електретного потенціалу плівок ПВДФ від наданого їм заряду при електризації в режимі постійного струму iо=100 мкА/м2 та розрахункова теоретична крива
Докладно розглянуті особливості кожної фази і отримані вирази для кінетики електретного потенціалу U(t) при сталій густині струму iо Адекватність моделі доведена порівнянням теоретичної і експериментальної кінетики при зарядці ПВДФ у коронному розряді. На рис. 5 чітко видно три фази зарядки, крім того, в першій фазі виконується залежність , яка відповідає теоретично одержаній формулі
З порівняння теоретичних і експериментальних даних був знайдений добуток рухливості на час захоплення o =1,310-11м2/В, коерцитивне поле Eс=42 МВ/м і поляризація насичення Ps= 0,061 Кл/м2. Ці параметри є важливими для розробки технології виготовлення сенсорів на основі ПВДФ. Модель перемикання поляризації прямокутними імпульсами напруги з урахуванням наявності аморфної і кристалічної фази показала, що при відсутності провідності ріст поляризації Р в кристалітах супроводжується зменшенням поля Е2, і максимальна величина поляризації має порядок Рмах=1,44 мкКл/см2, що складає всього 11% від величини Рs=13,1 мкКл/см2, яка може бути отримана у випадку кінцевої провідності і акумулювання зарядів на границях кристалітів.
Експериментально встановлено, що перемикання поляризації відбувається значно швидше, ніж її початкове формування. Це пояснено тим, що захоплені заряди звільняються при перемиканні і роблять внесок у провідність, яка збільшується
З урахуванням можливої рекомбінації динаміка вільних зарядів описана як
Система диференціальних рівнянь, які описують процес перемикання поляризації, складається з рівняння повного струму
модифікованого рівняння Дебая з часом релаксації, який залежить від напруженості поля в кристалічній фазі
, і
умови неперервності вектора електричного зміщення на границях між сусідніми аморфними і кристалічними шарами
і кінетики заряду (t) на границях фаз завдяки різниці полів Е1 і Е2
Рівняння (2) - (8) були розв'язані чисельними методами для одержання залежності напруженостей E1(t) і E2(t), сегнетоелектричної поляризації P(t), екрануючого заряду (t) і провідності g у процесі перемикання. З порівняння експериментальної і теоретичної кривої перемикання поляризації (рис. 6) були знайдені величини ефективної рухливості зарядів =10-13 м2/(Вс), характеристичного часу перемикання o=20 нс і напруженості поля активації EA=1,2 ГВ/м.
Рис. 7 Схема процесів, які відбуваються в ПВДФ, електризованому в середніх полях: (а) в момент закорочування, (б) розподіл напруженості поля в момент закорочування і (в) після витримки в закороченому стані.
В моделі формування профілю поляризації у режимі постійної напруги, яка створює в об'ємі поле, близьке до коерцитивного, врахована монополярна інжекція негативних зарядів, нелінійна залежність квазістаціонарної сегнетоелектричної поляризації від напруженості поля, рівняння Пуассона про взаємозв'язок заряду із градієнтами напруженості поля і поляризації. Розрахунки показали, що з часом формується неоднорідна поляризація, яка обумовлена утворенням на границі поляризованої області шару глибоко захопленого заряду, який зберігається як при закорочуванні (рис. 7), так і при перемиканні поляризації. Наявність захоплених зарядів пояснює встановлену експериментально неможливість покращення рівномірності поляризації шляхом застосування навіть дуже сильних полів.
На основі проведеного моделювання отримані і науково обґрунтовані ключові позиції для розробки технології виготовлення сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків.
П'ятий розділ присвячено розробці основних технологічних операцій створення сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків та особливостям їх конструкції. Перелічені основні етапи створення сенсорів від вибору конструкції з урахуванням призначення до зборки сенсора і вимірювання його основних характеристик. Детально розглянута активація поверхні полімерних сегнетоелектриків перед нанесенням електродів. Встановлено, що найменший кут змочування і найкраща адгезія спостерігається якщо після хімічного знежирення проводиться обробка в тліючому розряді при тиску 0,5 мм рт. ст., напрузі 300...400 В і тривалості обробки 2 хв.
До електродів, які наносять на поверхню полімерних сегнетоелектриків, пред'являються суперечливі вимоги - вони повинні бути міцними, пластичними, мати поверхневий опір менше ніж 1...2 Ом/кв, високу адгезію, бути корозійностійкими і не погіршувати фізичних і електромеханічних властивостей плівок в сенсорах. Аналіз можливих способів показав, що найбільш прийнятними є нанесення електродів методом термічного випаровування і конденсації у вакуумі, або методом іонного розпилення. При цьому товщина електродів повинна бути не менше 500...1000 А.
Рис. 8 Еквівалентна схема сенсора з вхідним опором схеми узгодження
Найпростіша еквівалентна схема п'єзо або піроелектричного сенсора, яка може застосовуватися в багатьох випадках за винятком ультразвукових частот - це залежне від деформації або зміни температури джерело струму, послідовно з'єднане з конденсатором C. Тому будь-який опір навантаження R створює дільник напруги з характеристиками простого RC фільтра високих частот (рис. 8), гранична частота fo і постійна часу ф якого визначаються формулами
і
На виході сенсорів може виникати велика напруга. Наприклад в піроелектричному сенсорі на основі плівки ПВДФ товщиною 20 мкм. яка має діелектричну проникність е =12 та пірокоефіцієнт р=30 мкКл/(м2К) при зміні температури на один градус виникає напруга V=5,3 В.
У ряді випадків електроди сенсора можна прямо підключити до електричної схеми, не застосовуючи спеціальних схем узгодження. Коли ж узгодження необхідне, то варто враховувати, що через наявність певного значення постійної часу, сенсори на основі полімерних сегнетоелектриків підходять тільки для динамічних, а не статичних вимірювань (мінімальна робоча частота складає 1 мГц).
Ємність плівки може розглядатися як еквівалентний імпеданс джерела, який утворює із вхідним опором дільник напруги. Зі зменшенням відношення вхідного опору до імпедансу джерела вихідна корисна напруга зменшується. Тому правильний вибір вхідного опору для схеми узгодження є критичним для мінімізації ефекту навантаження.
Якщо вихідний імпеданс сенсора великий, тоді необхідний буферний каскад, який конвертує високий вихідний імпеданс сенсора в низький вихідний імпеданс і в такий спосіб мінімізує втрати сигналу. Так, інфрачервоний сенсор руху людини вимагає, щоб вхідний опір був порядку 50 Гом для забезпечення низькочастотного відгуку. У цьому випадку вхідний імпеданс буфера повинний бути значно вище вихідного опору сенсора для підтримки низькочастотного сигналу. У цих випадках в якості буфера можуть бути використані, наприклад, польовий транзистор або операційний підсилювач. Застосувати буферний каскад необхідно, якщо рівень сигналу малий, а опір навантаження більше 20 МОм.
Технічні характеристики сенсорів залежать від температури навколишнього середовища. Встановлено, що для досягнення довгострокової стабільності при підвищених температурах необхідно проводити попередній відпал, причому температура відпалу повинна бути трохи вище передбачуваної температури експлуатації. Тоді властивості сенсора залишаються незмінними протягом тривалого часу (рис. 9). На основі досліджень зроблено висновок про те, що максимальна температура експлуатації розроблених нами піро- і п'єзоелектричних сенсорів не повинна перевищувати 80°с. Що стосується нижньої границі діапазону робочих температур, вважаємо за доцільне встановити її на рівні -20...-25°с, враховуючи зменшення коефіцієнтів а також те, що температура склування аморфної фази ПВДФ складає -40...-50 ос.
Рис. 9 Залежність відносної зміни п'єзоелектричного коефіцієнта d33 від часу при різних температурах експлуатації
Застосування науково обґрунтованої напруженості поляризуючого поля Ер=160 МВ/м, яке значно перевищує коерцитивне поле (Ес=50 МВ/м) і забезпечує рівномірний розподіл сильної залишкової поляризації; збільшення тривалості зарядки до 200 сек з метою більш повного використання другої повільної стадії формування поляризованого стану і застосування 4...6 циклів перемикання поляризації перед початком зборки й експлуатації сенсорів дозволило підвищити величину і стабільність залишкової поляризації, що проявилося в покращенні технічних характеристик сенсорів, а саме в підвищенні на 12% п'єзокоефіцієнта d31, на 14% величини піроелектричного коефіцієнта, покращенні електромеханічного коефіцієнта зв'язку (13,5 проти 12%) і піроелектричної добротності (3,1 проти 2,7 мкКл/(м2К)) (табл. 1).
На підставі аналізу сенсорів, що випускаються в закордонних країнах, була обрана прямокутна форма з величиною активної зони 3,6 см2 на заготовці розміром 4,0х1,6 см2 з одноосно орієнтованої плівки ПВДФ товщиною 28 мкм. Після нанесення електродів сенсор закріплюють на друкованій платі (рис. 10), забезпечуючи електричний контакт міжвиводами електродіві провідних смужок на платі за допомогою твердого кріплення. Після електризації проводився відпал при температурі 70 ос протягом 2 годин для стабілізації технічних характеристик.
Рис.10 Конструкція кріплення сенсора до друкованої плати
Рис. 11 Залежність поверхневого заряду п'єзосенсора від навантаження
Рис. 12 Залежність діелектричної проникності від частоти при різних температурах (1 - 80С; 2- 60 С; 3 - 40 С; 5 - 0 С; 6 - (-20 С))
Після виготовлення сенсорів були проведені комплексні вимірювання їх основних характеристик. П'єзоелектричний коефіцієнт склав d31=28±3 пКл/Н, що на 3 пКл/Н більше, ніж у аналогічних сенсорів фірми Куреха (Японія). Встановлено пропорційну залежність індукованого заряду від прикладеного навантаження (рис. 11), що свідчить про сталість п'єзоелектричного коефіцієнта в діапазоні досліджених навантажень.
Таблиця 1. Порівняння параметрів і характеристик сенсорів на основі полімерного сегнетоелектрика
Властивість |
Одиниця вимірювання |
Випускається серійно |
Розроблений |
|
Матеріал сенсора |
- |
ПВДФ |
ПВДФ |
|
Виробник плівки |
- |
Куреха (Японія) |
Пластполімер (Росія) |
|
Товщина плівки, d |
мкм |
28 |
25 |
|
Тип плівки |
- |
двохосно орієнтована |
одноосно орієнтована |
|
Питома електроємність, Cп |
пФ/см2 |
380 |
410 |
|
Питома провідність,g |
См/м |
1·10-12 |
3·10-12 |
|
Діелектрична проникність е |
- |
13 |
12,5 |
|
Електрична міцність, Еmax |
МВ/м |
180 |
180 |
|
Коерцитивне поле, Ec |
МВ/м |
50 |
50 |
|
Тангенс кута діелектричних втрат, tgд |
- |
0,02 |
0,018 |
|
П'єзокоефіцієнти, d33 d31 g31 g33 |
пКл/Н пКл/Н Вм/Н Вм/Н |
30 25 0,18 0,32 |
32 28 0,17 0,36 |
|
Пірокоефіцієнт, p |
мкКл/м2К |
30 |
34 |
|
Електромеханічний коефіцієнт зв'язку, k31 |
% |
12 |
13,5 |
|
Піроелектрична добротність,Q |
мкКл/(м2К) |
2,7 |
3,1 |
Пірокоефіцієнт, який виміряний квазістатичним методом дорівнював р = 34±4 мКл/(м2К), що на 4 мКл/(м2К) більше, ніж в аналогічного сенсора фірми Куреха. Частотна залежність діелектричної проникності в діапазоні температур від -20 до +80 ос (рис. 12) показує, що спостерігається характерне для полімерних сегнетоелектриків збільшення при низьких частотах і високих температурах. При -20 ос значення знижені, і цю температуру можна прийняти за найнижчу в робочому діапазоні температур розроблених сенсорів.
Дослідження впливу навколишнього середовища на основні характеристики сенсорів показало, що незначні зміни показників, що спостерігаються, є припустимими, тому що вони, по-перше, оборотні, і, по-друге, при підвищенні температури зміни відбуваються вбік покращення основних параметрів. Виготовлені нами зразки сенсорів успішно пройшли випробування в різних умовах і показали підвищену стабільність технічних характеристик.
Висновки
1. В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукової задачі, яка полягає в покращенні технічних характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків за рахунок удосконалення режимів електризації на базі дослідження фізичних явищ формування і релаксації поляризованого стану в різних умовах.
2. Поставлена в дисертації мета була досягнута завдяки всебічному експериментальному вивченню фізичних явищ формування і релаксації залишкової поляризації із застосуванням як сучасних методів дослідження, так і розроблених нових методів, таких як зарядно-розрядне зондування релаксаційних параметрів шляхом фракційної електризації в коронному розряді і метод розділення гомо- і гетерозаряду по кривих струмів термостимульованої і ізотермічної деполяризації.
3. Дослідження формування і релаксації поляризованого стану показало, що поляризація і компенсуючий заряд утворюють квазістаціонарну самоузгоджену систему, що веде до зменшення провідності від 1,3·10-12 до 0,14·10-12 Ом-1м-1, причому вольт-амперні характеристики і струми ТСП мають N-подібний вигляд з мінімумом при напруженості близько 50 МВ/м і температурі ~70 оС. Вперше встановлено, що сформовану при 40...50 МВ/м неоднорідність поляризації не можна усунути, прикладаючи навіть дуже сильні поля до 200 МВ/м. Показано, що при теоретичній тривалості перемикання поляризації в 5...10 мкс фактичне повне перемикання відбувається тільки за 100...200 с і контролюється повільним накопиченням зарядів на міжфазних границях. Виявлені закономірності використані при розробці рекомендацій по режимах і параметрах електризації плівок.
4. Проведено моделювання процесів формування і релаксації поляризації в сенсорах для покращення їх технічних характеристик. На основі модельних розрахунків доведена доцільність включення до технології електризації 4...6 повних циклів перемикання в полі напруженістю 160 МВ/м. Шляхом моделювання виявлені причини формування рівномірної поляризації в сильних полях, що дозволило науково обґрунтувати рекомендоване значення напруженості при розробці технологічного режиму електризації сенсорів.
5. Розроблені і науково обґрунтовані основні операції створення сенсорів з покращеними характеристиками для роботи в діапазоні від -20 до +80°С. Застосування напруженості поляризуючого поля порядку Ер=160 МВ/м, яке значно перевищує коерцитивне поле (Ес=50 МВ/м) і забезпечує при первинній електризації плівок рівномірний розподіл залишкової поляризації; збільшення тривалості первинної зарядки до 200 сек і застосування 4...6 циклів перемикання поляризації перед початком зборки і експлуатації сенсорів дозволяє підвищити п'єзокоефіцієнт d31 на 12%, піроелектричний коефіцієнт на 14%, електромеханічний коефіцієнт зв'язку до 13,5% (проти 12% у сенсорах, що серійно випускаються,) і піроелектричну добротність до 3,1 мкКл/(м2К) проти 2,7 мкКл/(м2К). Встановлено, що термічний відпал при температурі 70°с перед початком експлуатації сенсорів підвищує термостабільність технічних характеристик.
При випробуванні в різних модельних умовах експлуатації виготовлених в лабораторії зразків п'єзо- і піроелектричних сенсорів їх покращені технічні характеристики знаходились в межах припустимих відхилень.
Список опублікованих праць
1. Butenko A. F. Components of depolarization currents in polyvinylidene fluoride caused by relaxation of homo- and heterocharge / A. F. Butenko, S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva // Fotoelectronics. - 2008. - № 17. - P. 108-112.
2 Бутенко А. Ф. Термостимульована деполяризація сегнетоелектричних плівок сополімеру П(ВДФ-ТФЕ), електризованих в коронному розряді / А. Ф. Бутенко, С. Н. Федосов, О. Є. Сергєєва // Фізика і хімія твердого тіла. - 2007. - Т.8, № 1. - С. 67-70.
3. Бутенко А. Ф. Поляризаційні і релаксаційні процеси в коронно заряджених сегнетоелектричних полімерах / А. Ф. Бутенко, С. Н. Федосов, О. Є. Сергєєва // Фізика конденсованих високомолекулярних систем : наукові записки Рівненського державного університету. - 2007. - № 12. - С. 27-31.
4. Butenko A. F. Fractional corona poling and electrical relaxation in electret films / A. F. Butenko, A. E. Sergeeva, S. N. Fedosov // Фізика і хімія твердого тіла. - 2007. - Т.8, № 3. - С. 634-637.
5. Butenko A. F. Trapping of Compensating Charges in Corona Poled PVDF Films [Електронний ресурс] / A. F. Butenko, S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva // Materials Science, arXiv:0704.3449v1. - 2007. - Режим доступу: http://arxiv.org/abs/0704.3449. - Назва з екрану.
6. Fedosov S. N. Depolarization Currents in Fresh and Aged Corona Poled P(VDF-TFE) Films [Електронний ресурс] / S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva, A. F. Butenko // Materials Science, arXiv:0704.3993v1. - 2007. - Режим доступу: http://arxiv.org/abs/0704.3993. - Назва з екрану.
7. Fedosov S. N. Application of Corona Discharge for Poling Ferroelectric and Nonlinear Optical Polymers [Електронний ресурс] / S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva, T. A. Revenyuk, A. F. Butenko // Materials Science, arXiv:0705.0177v1. - 2007. - Режим доступу: http://arxiv.org/abs/0705.0177. - Назва з екрану.
8. Fedosov S. N. Two components of depolarization currents in PVDF caused by relaxation of homo- and heterocharge [Електронний ресурс] / S. N. Fedosov, A. F. Butenko, A. E. Sergeeva // Materials Science, arXiv:0705.0149v1. - 2007. - Режим доступу: http://arxiv.org/abs/0705.0149. - Назва з екрану.
9. Butenko A. F. Processes of Electrical relaxation in PVDF-BaTiO3 Composites / A. F. Butenko, A. E. Sergeeva, V. I. Soloshenko, S. N. Fedosov // Fotoelectronics. - 2006. - № 15. - P. 77-80.
10. Сергеева А. Е. Формирование поляризации и релаксационные явления в сегнетоэлектрических полимерах, электризованных в коронном разряде / А. Е. Сергеева, С. Н. Федосов, В. И. Солошенко, А. Ф. Бутенко, В. В. Вальдман // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2005. - № 3. - C. 4-11.
11. Fedosov S. N. Dielectric Relaxation of polystyrene doped with Polar DR1 molecules / S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva, V. I. Soloshenko, A. F. Butenko // Fotoelectronics. - 2004. - № 13. - P. 35-41.
12. Федосов С.Н. Токи термостимулируемой деполяризации в пленках, электризованных в коронном разряде / С. Н. Федосов, А. Е. Сергеева, В. И. Солошенко, А. Ф. Бутенко // Вісник Одеського державного університету. - 2003. - Т.8, вип. 2. - С. 220-228. - (Фіз.- мат. науки).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Розгляд сегнетоелектриків як діелектриків, що відрізняються нелінійною залежністю поляризації від напруженості поля; їх лінійні і нелінійні властивості. Характеристика основних груп сегнетоелектриків і антисегнетоелектриків: киснево-октаедричні і водневі.
курсовая работа [6,5 M], добавлен 12.09.2012Електрофізичні властивості гранульованих плівкових сплавів в умовах дії магнітного поля. Дослідження електрофізичних властивостей двошарових систем на основі плівок Ag і Co, фазового складу та кристалічної структури. Контроль товщини отриманих зразків.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 08.07.2014Експериментальне дослідження й оцінка термо- і тензорезистивних властивостей двошарових плівкових систем на основі Co і Cu, Ag або Au та Fe і Cr та апробація теоретичних моделей. Феноменологічна модель проміжного шару твердого розчину біля інтерфейсу.
научная работа [914,9 K], добавлен 19.04.2016Методи створення селективних сенсорів. Ефект залежності провідності плівки напівпровідникових оксидів металів від зміни навколишньої атмосфери. Види адсорбції. Природа адсорбційних сил. Установка для вимірювання вольт-амперних характеристик сенсора.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 27.05.2013Види магнітооптичних ефектів Керра. Особливості структурно-фазового стану одношарових плівок. Розмірні залежності магнітоопіру від товщини немагнітного прошарку. Дослідження кристалічної структури методом електронної мікроскопії та дифузійних процесів.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 19.04.2016Структура і фізичні властивості кристалів Sn2P2S6: кристалічна структура, симетрійний аналіз, густина фононних станів і термодинамічні функції. Теорія функціоналу густини, наближення теорії псевдо потенціалів. Рівноважна геометрична структура кристалів.
дипломная работа [848,2 K], добавлен 25.10.2011Вплив умов одержання, хімічного складу і зовнішніх чинників на формування мікроструктури, фазовий склад, фізико-хімічні параметри та електрофізичні властивості склокерамічних матеріалів на основі компонента з фазовим переходом метал-напівпровідник.
автореферат [108,5 K], добавлен 11.04.2009Електропровідні полімери, їх синтез та здатність набувати високу провідність у результаті введення незначних концентрацій допанта в матрицю вихідних поліспряжених полімерів. Електрокаталітичні властивості й види металонаповнених полімерних композитів.
презентация [2,3 M], добавлен 09.11.2015Природа і спектральний склад сонячного світла, характер його прямого та непрямого енергетичного перетворення. Типи сонячних елементів на основі напівпровідникових матеріалів. Моделювання електричних характеристик сонячного елемента на основі кремнію.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 17.06.2014Температурна залежність опору плівкових матеріалів: методика і техніка проведення відповідного експерименту, аналіз результатів. Розрахунок та аналіз структурно-фазового стану гранульованої системи Ag/Co. Аналіз небезпечних та шкідливих факторів.
дипломная работа [5,7 M], добавлен 28.07.2014Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів. Спектральні характеристики кремнієвих ФЕП. Відображення в інфрачервоній області спектру ФЕП на основі кремнію. Вимір коефіцієнта відбиття абсолютним методом. Характеристика фотометра відбиття ФО-1.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 17.11.2015Магнітні властивості композиційних матеріалів. Вплив модифікаторів на електропровідність композитів, наповнених дисперсним нікелем і отверджених в магнітному полі. Методи розрахунку діелектричної проникності. Співвідношення Вінера, рівняння Ліхтенекера.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 18.06.2013Коливання ребристих оболонок на пружній основі з використанням геометрично нелінійної теорії стержнів і оболонок типу Тимошенка. Взаємодія циліндричних та сферичних оболонок з ґрунтовим середовищем. Чисельні алгоритми розв'язування динамічних задач.
автореферат [103,4 K], добавлен 10.04.2009Система Pb-S. Константи рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів Френзеля у кристалах Pb-S. Константи рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів у халькогенідах свинцю на основі експериментальних даних.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 09.06.2008Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.
методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009Вивчення закономірностей тліючого розряду, термоелектронної емісії. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту, впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів.
учебное пособие [452,1 K], добавлен 30.03.2009Рух електрона в однорідному, неоднорідному аксіально-симетричному магнітному полі. Визначення індукції магнітного поля на основі закону Біо-Савара-Лапласа. Траєкторія електрона у полі соленоїда при зміні струму котушки, величини прискорюючого напруження.
курсовая работа [922,3 K], добавлен 10.05.2013Принцип роботи, конструкція та галузі використання просвітлюючих електронних мікроскопів. Дослідження мікроструктурних характеристик плівкових матеріалів в світлопольному режимі роботи ПЕМ та фазового складу металевих зразків в дифракційному режимі.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 25.01.2013Дослідження функцій гіроскопу. Ефект Саньяка. Гіроскопія на ефекті Саньяка. Волоконна гіроскопія на основі кільцевих інтерферометрів. Методи отримання максимально чутливих волоконних гіроскопів. Джерела додаткових невзаємностей волоконних гіроскопів.
презентация [890,4 K], добавлен 07.08.2013Переваги та недоліки сонячних електростанцій різних типів, перспективні технології для покращення роботи як сонячних елементів, так і сонячних електростанцій. Аналіз розвитку малої енергетики у світі та в Україні на основі відновлюваних джерел енергії.
статья [635,5 K], добавлен 22.02.2018