Исследование физических процессов при электретировании диэлектрических пленок в плазме газового разряда и разработка электретных датчиков Лабутин, Александр Валериевич

Введение к работе

Актуальность темы

Электреты нашли широкое применение в электронике, промышленности, биологии и медицине в качестве источшіков внешнего постоянного электрического поля для различных устройств. Потребность в создании электретов с заданными параметрами, необходимость прогнозирования и контроля этих параметров при изготовлении и эксплуатации делают важным исследование структуры заряда, условий его формирования и релаксации. Знание физических процессов, происходящих в электретах, позволяет прогнозировать стабильность заряда электрета, контролировать параметры элемента в процессе его изготовления и эксплуатации, обеспечивать оптимизацию приборов, выполненных на их основе.

Теории, существующие на данный момент, не дают описания всей совокупности процессов, протекающих в электретах, полученных различными методами и на базе различных материалов. Большинство из них разработано в предположении существования электрической) поля исключительно внутри электрета, что справедливо только для короткозамкнутых или заземленных образцов. Реально практически все устройства на основе электретов работают но принципу создания постоянного электрического поля в окружающем пространстве. Таким образом, существующие модели лишь частично применимы для реально эксплуатируемых структур. В ряде случаев для объяснения процессов в тонкопленочных электретах из неполярных диэлектриков использовалась барьерная физическая модель. Однако эта модель не рассматривала изменение постоянной времени релаксации заряда во времени и не учитывала экранировки гомозаряда положительными ионами атмосферы. Оставался открытым вопрос о природе и расположении положительного пространственного заряда, компенсирующего внедренный гомозаряд.

Основной вопрос, решаемый при разработке и эксплуатации электретных преобразователей, — вопрос их временной стабильности. Достичь улучшения

параметров получаемых электретов можно применением в качестве инжектирующего электрода плазмы тлеющего разряда. Соответственно, требуется исследование физических процессов, происходящих при электретировании на границе плазма—диэлектрик.

Все вышеперечисленное определяет актуальность настоящей работы, посвященной исследованию формирования и релаксации заряда электрета.

Цель работы

Развитие модели процессов накопления и релаксации электронного гомозаряда в тонких пленках политетрафторэтилена с учетом реальной структуры материала и определение путей повышения величины и стабильности гомозаряда пленочных электретов, получаемых в плазме тлеющего разряда.

Постановка задачи

1. Провести анализ механизмов образования и релаксации гомозаряда с позиций известных моделей электретного состояния в тонких пленках.

2. Рассмотреть процесс образования гомозаряда в тонких плешсах неполярных диэлектриков с позиций теории взаимодействия низкотемпературной плазмы газового разряда и поверхности твердого тела.

3. Разработать установку для экспрессного метода электретирования тонких диэлектрических пленок в низкотемпературной плазме газового разряда и исследовать влияние режимов обработки в плазме (величина разрядного тока, уровень вакуума, напряжение тянущего поля, время электретирования) на параметры заряда.

4. Экспериментально подтвердить активационно-дрейфовый характер релаксации гомозаряда сопоставлением результатов компьютерного моделирования с данными исследований изотермического спада заряда.

5. Разработать электретный датчик к устройству для исследования проходимости бронхов акустическим методом.

Научная новизна работы

6. Развита физическая модель тонкопленочного электрета из неполярного диэлектрика, построенная с учетом существования на поверхности политетрафторэтилена дипольных участков молекул. Модель позволяет объяснить отсутствие оЕ>іеірого спада гомозаряда и показывает природу и расположение положительного пространственного заряда, компенсирующего внедренный гомозаряд.

7. Экспериментально показано образование новых ловушек в процессе элек-третирования. Образование новых ловушек в процессе электретирования подтверждается ростом плотности поверхностного заряда на 60 % при увеличении напряжения тянущего поля с 500 до 2000 В.

8. Развита активациошю-дрейфовая модель релаксации гомозаряда. Предлагается рассматривать процесс релаксации как активацию электронов с ловушек и их последующий вынос через поверхность, в отличие от ранее предлагавшегося рассмотрения их дрейфа в объеме материала.

9. Впервые в активационно-дрейфопой модели предлагается рассматривать процесс выноса носителей в самосогласованном электрическом поле, величина которого определяется накошенным гомозарядом в каждый момент времени.

5 Проведено математическое моделирование процесса изотермического спада релаксации гомозаряда с учетом актинационно—дрейфового механизма его релаксации. Результаты моделирования согласуются с практическими результатами с погрешностью до 7 %.

Практическая ценность работы 1. Разработана установка для экспрессного изготовления электретных мембран в плазме тлеющего разряда. Установка позволяет одновременно электретировать до восьми образцов; напряжение на разрядном промежутке 1—10 кВ; давление в разрядном промежутке 10"²—10'¹ мм рт. ст.; диапазон разрядных токов 0,1 — 10 мА (в зависимости от напряжения на разрядном промежутке и уровня вакуума); потенциал на управляющем электроде относительно анода 0,2—3 кВ. Установка отличается от аналогов большей компактностью, возможностью исполь-

зовать набор кассет для электретирования мембран различной формы и размеров. Для круглых образцов диаметр мембран составляет 8 и 12 мм.

2. Исследовано влияние режимов формирования заряда при электретировании в плазме тлеющего разряда. Полученные данные позволили выбрать режим, обеспечивающий получение заряда с высокой величиной поверхностной плотности заряда до 1,2-10"³ Кл-м"². Достигнутое значение поверхностной плотности заряда выше на 30 % по сравнению с получаемым на кафедре ранее.

3. В рамках развития активационно-дрейфовой модели рассчитано «время жизни» электрета и проведено математическое моделирование релаксации заряда, что дает возможность оценивать и прогнозировать стабильность тонкопленочных электретов на основе неполярных диэлектриков в эксплуатируемых устройствах.

4. Разработано устройство для исследования вентиляционной функции легких акустическим методом с электретным датчиком в качестве активного элемента. Устройство позволяет проводить автоматизированную оценку состояния бронхов путем анализа амплитудно-временных и спектральных характеристик форсированного выдоха.

Реализация результатов работы

1. Разработанный макет прибора внедрен в лабораторный практикум для студентов специальности 190500.

2. Прибор проходит тестирование в пульмонологическом отделении областной клинической больницы г. Рязани.

Положения, выносимые на защиту 1. Заряд электрета, получаемого в тлеющем разряде, имеет многослойное строение. Электроны захватываются приповерхностным слоем диэлектрика на изначально существующие и созданные при электретировании ловушки. Гомо-заряд экранируется положительной областью пространственного заряда (ОПЗ) в объеме материала и положительными ионами внешней среды с образованием

динамически равновесной системы ОПЗ—гомозаряд—дипольный слой— ионный слой.

2. В процессе электретирования в плазме тлеющего разряда происходит образование диполей на поверхности политетрафторэтилена. Плотность поверхно-.. стного заряда зависит от режимов изготовления, что объясняется увеличением концентрации создаваемых при электретировании ловушек.

3. Релаксация гомозаряда в неполярных диэлектриках определяется термоактивацией электронов с ловушек, их последующим выносом на поверхность диэлектрика в самосогласованном поле электрета. Время ре;гаксации определяется произведением величин, обратных вероятностям процессов активации носигелей и их дрейфа.

4. Разработана установка для исследования вентиляционнной функции легких на базе электретного датчика. Установка позволяет оценить вентиляционную функцию легких путем анализа акустических характеристик форсироватюго выдоха. Рабочий частотный диапазон датчика 20—2000 Гц, чувствительность 5 мВ/Па, неравномерность частотной характеристики не более 5 дБ, время обработки сигнала устройством 3—10 с.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2-й научно-практической конференции «Человек—Экология—Здоровье» и Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» в 1997 г. Результаты, положенные в основу диссертации, опубликованы в восьми работах.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающего 109 наименований. Диссертация содержит 119 страниц печатного текста и 37 рисунков.