Релаксационные процессы в электретных пленках политетрафторэтилена и стабилизация параметров приборов на их основе Шемонаев, Николай Викторович

Введение к работе

Актуальность темы Широкое использование электрето'в в электронной промышленности в качестве активных злементоз различных устройств, потребность в создании злеетретов с конкретными заранее заданными параметрами, еозмозкность прогнозирования и контроля этих параметров в процессе изготовления и эксплуатации делают важным исследование структуры заряда и условий его формирования и релаксации* Зная физику процессов, можно проводить расчеты стабильности заряда электретов и оптимизацию приборов, выполненных на электретах.

Существующие теории не дают описания всей совокупности процессов в электретах в различных материалах. Они с успехом применяются для количественного описати! процессов образования и релаксации злеетрётиого заряда з полярных диэлектриках, но только качественно приемлемы з случае неполярных диэлектриков. Поэтому важным яаляется создание физических моделей, адекватно отражающих процессы, происходящие в диэлектрике.

Центральным при разработке и эксплуатации электромехашгческда и электроакустических преобразователей на основе электретов является вопрос об их стабильности. Получаемые в настоящее время электреты обладают большим разбросом величин заряда и нестабильностью его во времени. Улучшить параметры, получаемых электретов можно усовершенствованием технологии электретов за счет применения в качестве инжектирующего электрода плазмы газового разряда и использования импульсной формовки заряда.

'Перечисленное; выше определяет актуальность, настоящей работы, которая посвящена исследованию формирования и релаксации заряда электрета.

Цель работы Развитие модельных представлений о природе гомозаряда и его релаксации в электретах на основе тонких пленок неполярных диэлектриков для повы-

шения стабильности заряда пленочных электретов, полученных в плазме газового разряда.

Постановка, задачи 1. Провести анализ известных моделей электретиого состояния с точки зрения механизма образования и релаксации гомозаряда.'

1. Рассмотреть процесс образования гомозаряда в тонких пленках непо-лярных диэлектриков, полученных в плазме газового разряда с позиции теорий взаимодействия ускоренных внешним нолем заряженных частиц с твердым телом.

2. Развить моділь релаксации электретнаго состояния в тонкопленочных неполярных диэлектриках. Сравнением экспериментальных данных по спаду заряда электретов при повышенных фиксированных температурах с результатами машинного расчета подтвердить ахтнаашюнно-дрейфовый характер релаксации гомозаряда.

3. Разработать установку и методику исследования изотермического разрушения заряда при повышенных температурах. Сопоставлением с модельными представлениями о релаксации заряда рассчитать основные параметры, позволяющие сделать прогноз по временной стабильности заряда электретов в нормальных условиях.

4. Исследовать влияние режимов формирования' заряда на параметры электрета для решения задачи получения электрета с заданными параметрами.

5. Использовать полученные элгктреты в качестве активных элементов устройств.

Наупная новизна работы 1. Развита физическая модель тонкопленочного электрета и і неполярного диэлектрика,, основанная на преимущественной роли гомозаряда и позволяющая объяснить процесс формирования юмоіаряла закреплением носителей за-ряла не только на уже существующих дефектах материала, но и на ловушках.

образованных в результате взаимодействия ускоренных электронов с диэлектриком.

6. Показано, что процесс релаксации пжоззряда в тонкоиленочиых электретах иа основе неполярных диэлектриков хорошо описывается скчивациошю дрейфовым механизмом разрядки центров захвата, а изменение суммарного заряда электрета во времени представляется, соответственно, суперпозицией релаксационных процессов разрядки всех центров захвата.

7. Показана принципиальная возможность образования центров захвата зарядов в процессе электретнрования на основе теории взаимодействия ускоренных электронов с диэлектриком и формирования необходимой структуры гомоззряда. Экспериментально подтверждено влияние энергии ускоренных частиц на'структуру заряді.

8. Разработана установка для изотермического разрушения заряда пленочных электретов при повышенных фиксированных температурах. Экстраполяцией результатов в область нормальных температур определено "время жизни" электретов н дан прогноз по надежности устройств с использованием элек-третных датчиков.

9. Проведено математическое моделирование изотермического ₄аспадз заряда при повышенных температурах с учетом активациейио~дрейфового механизма релаксации заряда . Результаты, полученные на ЭВМ, находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными по изотермическому распаду заряда, что подтверждает развитые модельные представления о релаксации го-мозаряда.

Практически ценность работы 1. Разработан и изюговлен макет установки-для исследования изотермической релаксации заряда электретов при повышенных температурах, позволяющий рассмотреть кинешху разрушения заряда; Экстраполяция результатов в область нормальной температуры даст возможность прогнозировать срок работы электретов в качестве активного элемента.

10. В рамках предложенной модели рассчитано "время жизни" заряда электрета и проведено математическое моделкровакие на ЭВМ релаксации заряда при различных -температурах , что дает возможность оценивать и прогнозировать стабильность тонкопленочных электретов на основе неполярных диэлектриков.

11. Исследовано влияние режимов формирования заряда при импульсном электретироаанин в плазме газового разряда. Полученные данные позволили выбрать режим, обеспечивающий получение стабильного гомозаряда с высокой величиной поверхностной плотности заряда.

5, Разработано устройство для определения проходимости бронхов с использованием в качестве акустического преобразователя электрстного датчика. Оно позволяет определить состояние дыхательной системы путем анализа акустических характеристик форсированного выдоха пациента. Разработанное устройство упрощает процесс днагиостикв состояния дыхательных путей и может применяться для проведения массового диагностического обследования.

Реализация результатов работы

1. Результаты работы по исследовании} электретов вкл»очены в учебное пособие для студентов специальностей 200200 и 190500.

2. Использованы в лабораторном практикуме для специальностей 200200 и 190500 разработанные электретные датчики.

Положения, выносимые На защиту .

1. Образование гомозаряда тонкопленочного" электрета на основе неполярных диэлектриков, полученного в плазме газового разряда, происходит в результате инжекции электронов из плазмы в образец и закрепления их на центрах захвата. Ловушки могут как существовать в исходном диэлектрике из-за дефектности его структуры, так-и создаваться в результате взаимодействия ускоренных электронов с поверхностью твердого тела. Величина заряда электрета

и его стабильность определяются концентрацией носителей заряда, захваченных на ловушки и энергией активации уровней захвата.

. 2. Релаксация заряда электретов из неполярных диэлектриков определяется термической активацией электронов с уровней захвата и дрейфом их через слой диэлектрика в сильном электрической поле электрета. Общая аероятность этих процессов равна произведению вероятностей отдельных событий активации и дрейфа. Изменение заряда электрета во времени, в рамках этих представлений, является суммой процессов разрядки всех центров захвата.

3. Разработаны принципы построения и изготовлен макет устройства для определения проходимости бронхов, использующего электретный датчик в качестве активного элемента и позволяющего определить состояние дыхательной системы путем спектрального анализа акустических характеристик форсированного выдоха пациента. Применение электретного датчиха позволили получить чувствительность устройства 4 мВ/Па, а использование ЭВМ уменьшить время анализа акустического сигнала до 5-8 с.

Апробация работы . Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: _к спуб-лнканской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы", проходившей в Рязани в 1995; международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков ДИЭЛЕКТРИКИ-97, проходившей в Санкт-Петербурге в 1997. Результаты, положенные в основу диссертации, опубликованы в 6 научных работах.

'.' Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 9! наименование. Диссертация содержит 124 страницы печатного текста, 21 рисунок.