Исследование физических процессов при электретировании диэлектрических пленок в плазме газового разряда и разработка электретных датчиков

• Автор: Лабутин, Александр Валериевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 169 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I ЭЛЕКТРЕТНЫЙ ЭФФЕКТ В ДИЭЛЕКТРИКАХ
1.1. Электреты. Общие сведения
1.2. Анализ существующих моделей электретного эффекта
1.3. Строение и физико-химические свойства политетрафторэтилена
1.4. Основы взаимодействия низкотемпературной плазмы с поверхностью полимеров
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ
ГЛАВА П. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЛЕНОЧНОГО ЭЛЕКТРЕТА
НА ОСНОВЕ НЕПОЛЯРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II
ГЛАВА III. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРЕТОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ
ПЛАЗМЕ
3.1. Подготовка диэлектрических образцов к электретированию
3.2. Установка для электретирования в плазме
3.3. Методика измерения зарядов
3.4. Исследование влияния режимов электретирования на параметры получаемых электретов
3.5. Токи деполяризации пленок ПТФЭ
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III
ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ ЛЕГКИХ
4.1. Области применения электретных преобразователей
4.2. Разработка устройства для анализа проходимости бронхов
4.3. Разработка информационно-диагностического комплекса
4.4. Разработка конструкции электретного датчика
4.5. Разработка подсистемы ввода информации
4.6. Разработка программы для обслуживания устройства
и обработки данных
4.7. Экспериментальные исследования
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Электреты нашли широкое применение в электронике, промышленности, биологии и медицине в качестве источников 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 физики процессов позволяет проводить расчеты стабильности заряда электретов, улучшить технологию производства и оптимизировать приборы, выполненные 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 электрического поля исключительно внутри электрета, что справедливо только для короткозамкнутых или заземленных образцов. Реально практически все устройства на основе электретов работают по принципу создания постоянного электрического поля в окружающем пространстве. Таким образом, существующие модели лишь частично применимы для реально эксплуатируемых структур. Для объяснения процессов в тонкопленочных электретах из неполярных диэлектриков в ряде случаев 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. Таким образом, создание физической модели, наиболее полно отражающей процессы накопления и релаксации гомозаряда в неполярном диэлектрике, является актуальной задачей.
Целью диссертации является развитие модели процессов накопления и релаксации электронного гомозаряда в тонких пленках политетрафторэтилена

(ПТФЭ) с учетом физической структуры материала и определение путей повышения величины и стабильности гомозаряда пленочных электретов, получаемых в плазме тлеющего разряда.
Научная новизна работы.
1. Развита физическая модель тонкопленочного электрета из неполярного диэлектрика, построенная с учетом существования на поверхности политетрафторэтилена дипольных участков молекул. Модель позволяет объяснить отсутствие быстрого спада гомозаряда и показывает природу и расположение положительного пространственного заряда, компенсирующего внедренный гомозаряд.
2. Экспериментально показано образование новых ловушек в процессе электретирования. Образование новых ловушек в процессе электретирования подтверждается увеличением плотности поверхностного заряда на 60% при увеличении напряжения тянущего поля с 500 до 2000 В.
3. Развита активационно-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.
4. Впервые в активационно-дрейфовой модели предлагается рассматривать процесс выноса носителей в самосогласованном электрическом поле, величина которого определяется накопленным гомозарядом в каждый момент времени.
5. Проведено математическое моделирование процесса изотермического спада релаксации гомозаряда с учетом активационно-дрейфового механизма его релаксации. Результаты моделирования согласуются с практическими результатами с погрешностью до 7%.
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.

Данные механических испытаний Мак-Крама и Эби и Синота вместе с данными испытаний ядерного магнитного резонанса (ЯМР) Мак-Колла с сотр. дают полную картину релаксационных процессов в ПТФЭ [54]. Релаксация происходит как в кристаллической, так и в аморфной фазах. В соответствии с этим на частоте 1 кГц были найдены три основные области релаксации: -80 °С, 71°С и 157 °С. Релаксацию при 71 °С объясняют переходами первого рода в кристаллической фазе в области температур 19—30 °С и называют релаксацией кристаллической области при комнатной температуре. Релаксации при -80 °С и 157 °С наблюдал Мак-Крам. Интенсивность тангенса механических потерь для этих пиков пропорциональна содержанию аморфной фазы в ПТФЭ. Согласно используемой номенклатуре Хофмана с сотр. пики при -80 °С и 157 °С есть, соответственно, у- и р-релаксации в ПТФЭ. у-Релаксация представляет собой «низкотемпературный пик», а Р-релаксация — потери, происходящие выше температуры классического перехода в стеклообразное состояние.
Из диэлектрических данных и данных ЯМР можно заключить, что у-релаксация определяется потерями в аморфных областях полимера. Работы Реддиша с сотр., а также Михайлова показывают, что у-максимум диэлектрических потерь падает с ростом степени кристалличности, или, что диэлектрические потери пропорциональны содержанию аморфной части. Хорошее соответствие данных различных авторов в вопросе об этом максимуме потерь говорит о том, что дипольный момент и концентрация диполей в каждом отдельном случае были одинаковыми. Считалось, что концевые группы не являются причинами образования дипольного момента ПТФЭ, так как в таком случае образцы с разным молекулярным весом имели бы различное содержание концевых групп; это привело бы к различным взглядам на величину интенсивности потерь. Но Эби показал, что величина релаксирующих моментов, участвующих в у-процессе, составляет 5—13 мономерных единиц. Такой малый движущийся сегмент может иметь малый дипольный момент из-за спиральной структуры основной цепи ПТФЭ. Любой сегмент, длина которого