Влияние времени деформации на плотность заряда электрета.
Рисунок 3.9.
Влияние амплитуды колебаний на величину заряда электрета.
Рисунок 3.10.
3.6.6.Влияние давления на плотность заряда электрета.
На рис. 3.11 показана зависимость поверхностной плотности заряда от давления в разрядном промежутке. Снятие зависимости проводилось для интервала давлений от 10-2 до 10-1 мм рт. ст. Данный выбор диапазона объясняется тем, что равномерное распределение плазмы над пленочным образцом достигается при разрежении в рабочем объеме 10-2—10-1 мм рт. ст. Увеличение давления выше 10-1 мм рт. ст. приводит к возникновению явления контракции разряда и, как следствие, к неравномерному распределению гомозаряда по поверхности образца. Уменьшение давления ниже 10-2 мм рт. ст. сопровождается резким возрастанием напряжения возникновения тлеющего разряда. Кроме того, снижение давления до 10-2 мм рт. ст. приводит к уменьшению концентрации носителей заряда в плазме, что требует увеличения времени электретирования.
. ст. изменения поверхностной плотности гомозаряда будут незначительны.
Влияние давления Р ,мм. рт.ст. на плотность заряда электрета s*105 Кл*м2 (давление изменяется в пределах от 10-1 до 7*10-2 мм рт. ст.).
Рисунок 3.11.
3.7.Оптические исследования электретированных пленок фторопласта.
Cтабильный электретный заряд в неполярных диэлектриках создается благодаря инжекции электронов из плазмы в приповерхностные слои и локализации их в центрах захвата. Следовательно, процесс электретирования должен приводить к изменению энергетического спектра электронов.
В связи с этим в энергетическом интервале соответствующем видимой области спектра, проведены исследования оптических спектров пропускания электретов на основе пленок ПТФЭ. Оптический метод дает обширную информацию о веществе. Наряду с этим он ценен тем, что обладает рядом преимуществ по сравнению с электрическими методами. Среди них следует выделить возможность исследования без нарушения электретного эффекта, а следовательно, без искажения его характеристик.
Для определения параметров зарядов, снимались спектры пропускания в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В этих целях использовался прибор CФ - 26. Спектрометр предназначен для измерения коэффициента пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 186 до 1100 нм. Спектрофотометр рассчитан для измерения коэффициента пропускания исследуемого образца Т, равного отношению интенсивности потока излучения, прошедшего через измеряемый образец , к интенсивности потока излучения падающего на образец или прошедшего через контрольный образец, коэффициент которого принимается за единицу.
Измерение производится по методу электрической автокомпенсиции. В монохроматический поток поочередно вводят контрольный и измеряемый образцы. При введение контрольного образца стрелка измерительного прибора устанавливается на отметке “100” регулировкой ширины щели, и установившееся значение принимают за 100% пропускания. При введении в поток измеряемого образца стрелка измерительного прибора отклоняется пропорционально изменению потока, величина коэффициента пропускания отсчитывается по шкале в процентах пропускания.
Для исследования были выбраны пленочные электреты из фторопласта–4, полученные в импульсном режиме в плазме. Электретирование производили при токе = 2,5 мА, напряжении = 5кВ, время электретирования 2 минуты.
Обнаружено, что спектры исследованных образцов имеют сложную структуру. Они отличаются величиной пропускания в области полос поглощения, которые ярко выражены в видимой области (рис. 3.12).
На рис. 14 представлен спектр пропускания в относительных единицах Тэл / Тн.эл. электретированных фторопласта – 4 толщиной 10 мкм в широком диапазоне длин волн.
Приведенные данные отображают положение спектров пропускания для (поглощения) для большого количества образцов фторопласта, электретированных в плазме.
Наличие локальных полос поглощения в области прозрачности свидетельствует о том, что в исследованных областях под действием светового облучения происходят электронные переходы в зону проводимости с энергией активации, меньшей ширины запрещенной зоны.
В результате исследований получено, что спектры электретированных пленок отличаются от спектров неэлектретированных пленок ПТФЭ. В спектрах поглощения электретированных пленок возникают новые максимумы, что соответствует появлению новых ловушек. Следовательно, в процессе электретирования в плазме газового разряда в пленках политетрафторэтилена происходит образование новых, вероятно в следствии поворота диполей.. Таким образом, оптические исследования пленочных электретов , полученных в плазме, подтверждают существующую модель образования заряда электрета.
Спектр пропускания в относительных единицах Тэл/Тн.эл для пленок фторопласта толщиной 10 микрон.
Рисунок 3.12.
3.8.Области применения электретных преобразователей
Способность диэлектриков длительно сохранять наэлектризованное состояние широко используется в целом ряде отраслей народного хозяйства. В настоящее время эффекты, связанные с удержанием зарядов, уже вышли за рамки технических применений и идет изучение возможностей их применения в биологии и медицине. Состояния этих исследований, разработка приборов, в основе действия которых лежат электретные явления, находятся на разных уровнях своего развития. Расширяющееся применение электретов в различных областях обусловлено как техническими преимуществами устройств на основе этого эффекта, так и экономическими соображениями использования диэлектриков.
В целом можно выделить следующие области применения электризованных диэлектриков:
– звуковая акустика (микрофоны, телефоны, вызывные устройства телефонии и сигнализация);
– ультразвуковая акустика (гидроакустика, медицина, дефектоскопия);
– функциональная электроника самого различного назначения (реле, приводные устройства робототехники, электромоторы и т.п.);
– устройства, в которых используется взаимодействие внешнего поля электретов с электрическими зарядами окружающей среды (электретные фильтры для очистки газовых потоков, ионизационные камеры для дозиметрии, электретные элементы для медико–биологического воздействия).
Особое место занимает применение электретов в электроакустике. Практически все микрофоны для телефонии, бытовой электронной аппаратуры, сурдотехники в настоящее время являются электретными.
Электретные микрофоны обладают рядом достоинств. Они имеют широкий частотный диапазон, который распространяется на интервал от нескольких мГц до сотен МГц. Кроме этого, они обладают равномерной частотной характеристикой, низким уровнем нелинейных искажений, низкой вибрационной чувствительностью, хорошими импульсными характеристиками, не подвержены действию электрического поля и просты в изготовлении. Электретно–пленочные микрофоны имеют еще три дополнительных преимущества по сравнению с обычными конденсаторными микрофонами:
– они не требуют для работы постоянного смещения;
– имеют более высокую емкость на единицу площади благодаря использованию пленочных диэлектриков и очень узких воздушных зазоров;
– нечувствительны к закорачиваниям, вызываемым присутствием водяного конденсата.
Хорошие характеристики, простота и дешевизна предопределили широкое использование электретных микрофонов в различных сферах.
3.9.Проектирование электретного датчика.
3.9.1.Расчет чувствительности емкостного микрофона
Вентиляционная функция легких (ВФЛ) — одна из важнейших в обеспечении газообмена в организме человека. Исходом любой хронической легочной патологии являются вентиляторные нарушения, которые на заключительных этапах проявляются в виде одышки, а на ранних этапах вызывают снижение функциональных показателей. В настоящее время существует тенденция к росту хронических заболеваний легких (хронический бронхит, астма и эмфизема легких), не связанных с профессиональной деятельностью.
В настоящее время актуальной является разработка методов исследования бронхиальной проходимости, в данной работе мы рассмотрели один, а именно метод трахеофонии.
Один из основных узлов устройства — акустический преобразователь. Высокую чувствительность в качестве ларингофонов показывают электретные микрофоны.. На основе полученных мембран был изготовлен макет электретного микрофона, который обладает необходимыми характеристиками высокой чувствительностью и помехозащищенностью. Разработка микрофона произведена совместно с Лабутиным А.В. Использование его для исследования вибраций позволяет определить интенсивность колебаний и осциллографировать их частотный спектр. Электретные преобразователи имеют следующие преимущества. Информативные параметры сигнала, регистрируемые прибором, лежат в диапазоне от 20 до 2000 Гц, то есть в диапазоне работы электретного микрофона. Датчик имеет малые вес и габариты, обладают хорошей чувствительностью, гладкой частотной характеристикой в требуемом диапазоне частот и имеет низкое напряжение питания, безопасное для человека. Принцип работы электретного микрофона не отличается от принципов работы конденсаторного микрофона. Если в обычном конденсаторном микрофоне заменить мембрану электретной пленкой, то она создает в зазоре мембрана—неподвижный электрод электрическое поле, сравнимое с полем внешнего напряжения, используемого в обычных конденсаторных микрофонах. В соответствии с изменнием зазора между электродами при движении электретной мембраны происходит изменение емкости преобразователя и на неподвижном электроде индуцируется переменный сигнал [24].
