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

Рязанская Государственная  

Радиотехническая академия.

Дипломный проект.

На тему:

 "Получение тонкопленочных

 электретов на основе фторопласта - 4,

и изготовление приборов на их основе." 

Выполнил студент

Гр 555

Боронтов С.П.

Рязань 2000 г.

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.                                                                                   5

1.1.Электреты. Общие сведения.                                                               5

1.2.Методы получения электретов.                                                           5

1.3.Обзор существующих моделей электретного эффекта                   17

1.3.1.Модель заряда электрета на основе неполярного диэлектрика.  22

2.Технико-экономическое обоснование проекта                                    33

3.Экспериментальная часть                                                                      34

3.1.Методика получения электретов в плазме газового разряда          34

3.2.Установка для импульсного электретирования                                37

3.3.Конструкция ячейки для электретирования                                      40

3.4.Работа установки                                                                                  42

3.5.Методика измерения заряда электрета                                               43

3.6.Исследование влияния режимов электретирования

 на характеристики электретов                                                                  47

3.7.Оптические исследования электретированых пленок

фторопласта - 4                                                                                           62

3.8.Области применения электретного микрофона                                65

3.9. Проектирование электретного датчика                                             67

3.9.1.Расчет чувствительности микрофона                                              67

3.9.2.Разработка конструкции датчика                                                     13

3.10.Выводы по экспериментальной части                                              77

4.Экономическая часть                                                                               78

5.Безопасность и экологичность проекта                                                 87

6.Заключение                                                                                               95

7.Библиографический список                                                                    96

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7