Получение тонкопленочных электретов на основе фторопласта - 4 и изготовление приборов на их основе (стр. 1 из 13)

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 установки42

3.5.Методика измерения заряда электрета43

3.6.Исследование влияния режимов электретирования

на характеристики электретов47

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.