--PAGE_BREAK--МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОЛЯРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА
В настоящее время существует несколько подходов к объяснению образования гомозаряда в электрете. На кафедре микроэлектроники РГРТА разработана и продолжает развиваться теория обобразовании заряда электрета на основе неполярного диэлектрика. Феноменологическая теория, основанная на преимущественной роли гетерозаряда, рассматривает гомозаряд как свободный, что не может объяснить длительности сохранения электретного состояния в незакороченных электретах. Более точным считается предположение, что инжектированные заряды захватываются на уровнях захвата локализованных внутри запрещенной зоны. В общем случае в материале имеются как электронные, так и дырочные ловушки. Электронные ловушки нейтральны в свободном состоянии и отрицательно заряжены в заполненном. Наоборот, дырочные ловушки нейтральны в заполненном состоянии и при освобождении с них электронов становятся заряженными положительно. Если в диэлектрике существует периодическое потенциальное поле, что наиболее просто реализуется в кристаллических материалах, валентная зона и зона проводимости во всем объеме диэлектрика непрерывны. В таких материалах предполагается существование дискретных уровней захвата.
В аморфных, поликристаллических и полукристаллических веществах, к которым относится ПТФЭ, локальные уровни энергии формируются под влиянием молекулярного окружения, а образующиеся зонные структуры оказываются перерезанными потенциальными барьерами. В результате каждый атом или группа атомов приобретают наборы своих собственных уровней энергии. Даже при наличии дискретных по энергии уровней захвата такое разупорядочение вызывает случайное смещение этих уровней по глубине, отсчитываемой, например, от самого верхнего уровня зоны проводимости.
На рис.1.2 показано одно из возможных распределений плотности состояний. Вместо границ зон проводимости и валентной появляются края подвижности и , на которых происходит резкое изменение подвижности носителей заряда.
В нашем случае для получения электретов использовался метод электретирования в положительном столбе плазмы тлеющего разряда с приложением тянущего напряжения.. Отрицательные носители заряда, увлеченные полем катод—анод в направлении электретируемых образцов, оседают и накапливаются на их поверхности.
Поскольку электроны обладают большими скоростями по сравнению с ионами, то они первыми попадают на поверхность образца и заряжают ее отрицательно по отношению к газу. В поле адсорбированных отрицательных частиц происходит разворот поверхностных диполей, способствующий дальнейшему накоплению и удержанию заряда.
На некотором расстоянии от диэлектрической пленки в газе образуется слой положительного заряда (положительные ионы) нейтрализующий накопленный отрицательный потенциал стенки (рис.1.2). Величина отрицательного пристеночного потенциала определяется параметрами разряда, а именно кинетической энергией электронов.
На поверхности диэлектрика существуют оборванные связи, цепочки, которые можно рассматривать как диполи. Под воздействием поля дипольные участки молекул на поверхности образца разворачиваются. Упругая деформации связей в молекулярных цепочках в приповерхностном объеме.
Одно из возможных распределений плотности состояний в ПТФЭ
Рисунок 1.2.
диэлектрика под действием внешнего поля, вызывает появление новых приповерхностных ловушек способных захватывать носители заряда. Кроме того, в процессе электретирования происходит постоянная бомбардировка поверхности образца электронами и ионами, что приводит к образованию новых ловушек, что видно по изменению спектров политетрафторэтилена.
При повышенной температуре в сильном электрическом поле в результате действия микроразрядов воздуха в пленках ПТФЭ идет процесс окисления полимерных цепей. При электретировании в воздушной плазме газового разряда окисление пленок незначительно, что вызвано низкой концентрацией молекул и ионов кислорода в рабочем объеме, хотя согласно донорно–акцепторному механизму адсорбция кислородосодержащих молекул приводит к увеличению концентрации глубоких электронных ловушек. Осевшие на поверхность электроны под действием управляющего поля затягиваются в приповерхностный объем диэлектрика и закрепляются на изначально существующих и вновь образованных в процессе электретирования ловушках, освобождая поверхность для дальнейшей адсорбции частиц.
После выключения управляющего потенциала в объеме диэлектрика и на его поверхности начинаются процессы релаксации заряда. Причинами релаксации реальных зарядов в электрете могут быть как внутренние явления (омическая проводимость, диффузия и дрейф избыточных зарядов), так и внешние процессы (осаждение на поверхность электрета ионов). Процесс проводимости сводится к движению собственных свободных положительных и отрицательных носителей заряда в поле электрета. Заряды инжектированные внутрь материала, испытывают дрейф в созданном ими же поле. В большинстве случаев при описании внутренней релаксации приходится учитывать и токи проводимости и токи избыточного заряда. Внешние процессы вызваны действием существующего вне электрета электрического поля, притягивающего из окружающей среды компенсационные заряды в виде ионов. Внешнее электрическое поле притягивает также и полярные частицы, например, молекулы воды. Эти молекулы не вызывают внешней релаксации, но способствуют ускорению процессов внутренней релаксации. Кроме того, в отсутствие экранировки образцов может оказаться весьма значительной внешняя релаксация заряда, обусловленная осаждением ионов.
Под действием внутреннего поля начинают переориентироваться дипольные участки. Молекулярное движение диполей и их новое расположение способствуют выталкиванию с поверхности слабо закрепленных отрицательно заряженных частиц. Переориентация диполей под влиянием инжектированного гомозаряда приводит также к тому, что к поверхности притягиваются положительные ионы внешней среды. Происходит рекомбинация части ионов с электронами оставшимися непосредственно на ней, что приводит к быстрому начальному спаду заряда. Другая часть ионов удерживается вблизи поверхности диэлектрической пленки ориентированными диполями, экранируя поле внедренного заряда.
Поскольку в окружающем пространстве существуют и отрицательные носители заряда они притягиваются к слою положительных ионов и рекомбинируют с ними, что вновь вызывает появление внешнего электрического поля наводимого диполями и приток новых ионов из окружающего пространства. С одной стороны диполи удерживают положительные ионы вблизи поверхности диэлектрика, а с другой — препятствуют их проникновению в приповерхностный объем, следовательно, образуется динамически равновесная система ОПЗ—гомозаряд—“дипольный слой”—“положительный экран”.
Согласно барьерной физической модели спад гомозаряда при отсутствии подвижного положительного заряда в образце происходит следующим образом: сначала электроны термически активируются с уровней захвата, а затем дрейфуют во внутреннем поле электрета через барьерный слой по всей толщине пленки. Время релаксации такого активационно–дрейфового процесса для тонких диэлектриков можно определить из выражения:
(1.5)
где L — толщина диэлектрической пленки, m — подвижность носителей участвующих в дрейфе, E — средняя напряженность поля в пленке, — энергия активации электрона с ловушки.
Предэкспоненциальный множитель определяет время пролета электрона через барьер, второй обратно пропорционален вероятности термической активации носителя. Кривые токов ТСД полученные в работах обнаруживают наличие трех максимумов, соответствующих релаксации инжектированного заряда, поэтому суммарное изменение величины гомозаряда во времени представляется суперпозицией релаксационных процессов разрядки всех центров захвата и выражается как
. (1.6)
Здесьt, — величина заряда и время его релаксации для i–го центра захвата (фиксированной по значению энергии ловушки).Один из недостатков такого подхода в утверждении, что все электрическое поле заряда сосредоточено в объеме пленки. Эта модель внутренней релаксации была бы справедлива для мембран с гомозарядом в случае металлизированных короткозамкнутых образцов. В противном случае расчеты приводят к завышенным значениям времени пролета. При храненении или эксплуатации мембран в свободном, т.е. в незакороченном и незаземленном состоянии, в соответствии с расположением в пленке внедренного заряда, создаваемое им электрическое поле сосредоточено преимущественно в приповерхностной области образца. При хранении образцов в замкнутом сосуде малого объема, т.е. при невозможности компенсации гомозаряда ионами внешней среды время его жизни возрастает на несколько порядков и приблизительно совпадает с рассчитываемым по формуле. В этом случае потеря заряда определяется исключительно процессами в объеме диэлектрика. Уменьшение объема сосуда, в котором хранился электрет, т. е. снижение концентрации ионов, позволяло повысить его стабильность значительной степени, что еще раз подтверждает предположение о выносе заряда на поверхность электрета в реальных условиях. При несоблюдении вышеуказанных режимов хранения процесс релаксации вызван взаимодействием внедренного заряда и положительных ионов на поверхности образца.
Изменение конфигурации напряженности электрического поля отмечалось и в работе. Исследовались электреты, полученных облучением пучком ускоренных электронов в условиях их эксплуатации, т. е. при наличии плоскости нулевого поля в образце, и в режиме хранения с заземленным элетктродом. В роли плоскости нулевого поля могли выступать положительные ионы на поверхности диэлектрика или металлический электрод помещенный вблизи поверхности. В этом случае происходило изменение конфигурации напряженности электрического поля, как указано выше, и перемещение гомозаряда к поверхности, через которую производилась инжекция. В образце с заземленным электродом подобного перемещения не наблюдалось.
Тогда предлагаемое строение накопленного заряда подразумевает несколько иной изгиб зон чем при барьерной модели. В этом случае, согласно модифицированной барьерной модели, электрон, после его выброса с ловушки, будет испытывать дрейф в сильном поле электрета и выноситься или на ближайшую поверхность или через объем. Исследования показали, что в образцах из пленок ПТФЭ с отрицательным гомозарядом процесс разрядки диэлектрика действительно определяется эмиссией неравновесного заряда с поверхности и его дрейфом. Кроме того, исследования указали на образование в образце неоднородно распределенного объемного заряда.
В силу малого изгиба зон в объеме материала по сравнению с изгибом зон на поверхности основной дрейф активированных носителей заряда будет происходить в направлении ближайшей поверхности диэлектрика, и, в этом случае, толщину пленки (L) в выражении следует заменить на значение пространственной глубины залегания заряда (DL). Тогда мы получаем следующее выражение
. (1.7)
Другая неточность барьерной модели, в том то что она рассматривает дрейф носителей в электрическом поле с постоянной напряженностью E. В действительности дрейф электронов происходит в самосогласованном электрическом поле, величина которого уменьшается по мере релаксации гомозаряда.
В этом случае постоянная релаксации гомозаряда t является функцией времени, что должно приводить к более сложному виду экспоненциальной зависимости . Учет этого обстоятельства позволяет объяснить замедленный начальный спад гомозаряда по сравнению с рассчитываемым. Связать величину гомозаряда и время его релаксации можно на основе следующей системы
(1.8)
Согласно развитию модели стабильность гомозаряда также должна сильно зависеть от ориентации поверхностных диполей и степени деформации цепочек молекул. Уже проводились исследования релаксации гомозаряда в пленках неполярных диэлектриков, которые показали снижение временной стабильности заряда под действием переменных электрических полей. Также о влиянии дипольного строения поверхности фторопласта на процессы старения электрета можно судить по ряду методов ускоренной стабилизации внедренного заряда.
Так предлагалось стабилизировать гомозаряд импульсной формовкой при электретировании в низкотемпературной плазме. Суть метода состоит в следующем. Во время электретирования (3 мин.) на управляющий электрод подаются импульсы чередующейся полярности со скважностью 1200 Гц. По объяснению высказанному в , во время отрицательного полупериода импульса слабозакрепленные электроны выбрасываются из ловушек сильным электрическим полем с напряжением 100—500 В. Однако в таком случае аналогичный эффект стабилизации заряда было бы достигнут трехминутной выдержкой образцов в поле 100—500 В после электретирования. Кроме того вырывание слабосвязанных электронов с ловушек под действием внешнего поля обязательно проявилось бы при измерении поверхностной плотности заряда компенсационным методом. Поскольку такие явления не наблюдались стабилизация гомозаряда имеет другую природу.
Подобный механизм ускоренного старения заряда в пленках ПТФЭ уже предлагался. Заряженные образцы политетрафторэтилена предлагалось выдерживать в переменном поле небольшой напряженности (5—10 В, 1000 Гц) в течении нескольких часов. Энергии таких полей явно недостаточно для активации электронов из ловушек и объяснение стабилизирующего действия слабых переменных полей не было дано.
Указанные процессы находят логическое объяснение в соответствии с положением о существовании на поверхности политетрафторэтилена ориентированных диполей. Прикладываемое к образцам переменное электрическое поле увеличивает амплитуду колебаний дипольных участков молекул на поверхности диэлектрика, а подобное интенсивное молекулярное движение ведет к выталкиванию захваченных электронов с ловушек и, после их рекомбинации, к снижению величины гомозаряда. Также в литературе упоминается изменение свойств электретных пленочных мембран при увеличении степени их натяжения, то есть при изменении деформации молекулярных цепочек, приводящее к ускоренному спаду заряда. Аналогичное явление быстрого спада гомозаряда в мембранах наблюдалось при попытке изготовления головных телефонов на базе заряженных пленок политетрафторэтилена. Создание в пленках политетрафторэтилена ультразвуковых механических упругих деформаций приводило к выбросу электронов с ловушек 0,5—0,6 эВ и ускоренному спаду эффективной поверхностной плотности заряда. Причем увеличение интенсивности ультразвукового воздействия приводило к нелинейному снижению уровня стабильного заряда. Суммируя наблюдаемые экспериментальные данные можно сказать, что любые воздействия, приводящие к увеличению амплитуды колебаний молекулярных цепочек или их фрагментов (повышение температуры, механическая деформация, электрические или магнитные поля и т. п.), будут способствовать освобождению захваченных этими молекулами электронов и ускоренному спаду гомозаряда. Следует отметить, что уже предпринимались попытки связать характерные особенности электретного эффекта в пленках фторопласт–4 и фторопласт–10 со структурой и дефектами структуры материала. При этом также предполагалось существование дипольных структур вблизи поверхности пленок. Предполагалось, что внедренные при электретировании электроны захватываются глубокими ловушками, а с более мелких локальных уровней за счет флуктуаций теплового движения освобождаются дырки. Пара электрон—дырка образует квазидиполь и в целом электрет нейтрален. При поляризации диэлектрика квазидиполь направлен противоположно внешнему полю и ничем не отличается от обычных дипольных молекул. Под действием сильных флуктуаций теплового движения электрон высвобождается из ловушки и диполь разрушается. Разрушение квазидиполей электрон—дырка происходит также при изменении надмолекулярной структуры фторопластов и при фазовых переходах. Однако модель основывается на предположении, что в материале изначально на ловушках находятся дырки в концентрации достаточной для нейтрализации внедренных электронов. Кроме того, накопление свободных дырок вблизи поверхности, где сосредоточен гомозаряд, при образовании квазидиполей должно приводить к резкому падению поверхностного сопротивления материала, что не отмечалось в практических исследованиях.
Согласно этой модели электрет представляет собой многослойную структуру. Инжектированный в приповерхностный объем электронный заряд компенсируется положительным пространственным зарядом в объеме диэлектрика и экранирующим слоем ионов. Рекомбинации внедренных электронов с ионами экранирующего слоя препятствует приповерхностный буферный слой из дипольных участков молекул ориентированных инжектированным зарядом. Для подтверждения развития модели и определения структуры внедряемого гомозаряда целесообразно исследовать спектр энергетических ловушек в политетрафторэтилене. Это позволит связать структурные особенности полимера с процессами накопления и релаксации в нем электронного гомозаряда. Необходимость получения полной информации об энергетических спектрах требует проводить исследования в режиме максимального заполнения ловушек. В связи с этим в следующей главе производится поиск оптимального режима электретировани пленок ПТФЭ в плазме газового разряда для получения максимальной поверхностной плотности гомозаряда.
2.Технико — экономическое обоснование проекта.
Важнейшей задачей электронной техники в настоящее время является миниатюризация приборов и элементов, обеспечение минимального веса, высокой чувствительности и экономичности. Это возможно с помощью применения новых материалов и физических явлений. В частности в качестве постоянных магнитов используются пленочные электреты, что позволяет решить многие проблемы.
Но несмотря на все достоинства их применение до сих пор ограничено, в следствии нестабильности заряда, изменения характеристик под действием окружающей среды, плохой воспроизводимости результатов электретирования.
Целью данной дипломной работы является подтверждение модели образования заряда электрета на основе неполярного диэлектрика, проведение оптических исследований, и исследования влияния внешних факторов на величину заряда электрета. Производилась разработка новой ячейки для электретирования мембран диаметром 10 мм., с последующим их применением в электретном микрофоне, который является составной частью диагностического комплекса по измерению проходимости бронхов.
Применение датчиков на основе электретов нашло широкое применение в повседневной жизни, что делает тему данной работы весьма актуальной.
3.Экспериментальная часть.
3.1.Методика получения электретов в плазме.
В данном разделе мы должны рассмотреть способы получения электретированных мембран, проверить воспроизводимость результатов электретирования, рассмотреть влияние окружающей среды на величину и стабильность заряда электрета. Провести оптические исследования электретированных пленок фторопласта, которые должны подтвердить теорию образования гомозаряда. Конечной целью является получение электретированных мембран, для создания электретного микрофона необходимого для диагностической установки по тестированию проходимости бронхов.
Для исследований мы выбрали фторопласт — 4, который является одним из лучших высокополимеров, созданных на основе химического синтеза. Пленки ПТФЭ обладают наиболее стабильными во времени электретными свойствами,
способностью к холодному течению и высокая пластичность материала при низких температурах.
ПТФЭ обладает высокой степенью кристалличности (количество кристаллической фазы доходит до 40—85 %). Кристаллизация ПТФЭ начинается при охлаждении ниже 327 °C, причем наибольшая скорость кристаллизации наблюдается при 310 °C.
В идеальном случае ПТФЭ является неполярным полимером. Диэлектрическая проницаемость пленок ПТФЭ составляет 1,8—2,2 на частоте 1 кГц, а тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 Мгц.
Пленки ПТФЭ прозрачны для видимого света и ультрафиолетового излучения. ПТФЭ мало устойчив к g– и b–облучению. При этом его механические свойства резко ухудшаются.
Таким образом несмотря на то, что ПТФЭ является в целом неполярным полимером, на его поверхности и в приповерхностном объеме существуют дипольные участки молекул, что должно учитываться при рассмотрении динамики процессов инжекции и релаксации гомозаряда. В процессе электретирования при взаимодействии плазмы с поверхностью ПТФЭ может происходить изменение концентрации дипольных частей молекул.
Многочисленные данные по исследованию зависимости поверхностного плотности заряда от времени хранения показывают, что наиболее стабильным в заполяризованном диэлектрике является гомозаряд.
Согласно представлениям о природе гомозаряда, его образование в случае термоэлектретирования связано с инжекцией в поверхностные слои диэлектрика свободных зарядов из электродов и из воздушного зазора в случае его ионизации. В работе [12] отмечается увеличение гомозаряда примерно в 15 раз при поляризации с прокладками по сравнению с контактными методами электретирования. Локальный характер микропробоев в зазоре при термоэлектретировании является причиной неравномерного распределения зарядов по поверхности образца и недостаточной повторяемости зарядов.
Анализ физической модели образования гомозаряда приводит к предположению о возможности успешного использования в качестве инжектирующего электрода высоко ионизированной внешней среды – плазмы газового разряда. Действительно, высокая концентрация зарядов в плазме, возможность ее регулирования путем изменения тока в разрядном промежутке, создают реальные предпосылки для получения в диэлектрике высокого по величине и равномерного по поверхности гомозаряда. Более подробно мы рассмотрим явления на границе диэлектрик – плазма.
При зажигании заряда в замкнутом объеме на его стенки течет электрический ток, обусловленный движением электронов и ионов. В стационарном состоянии нормальная составляющая тока на диэлектрическую стенку должна равняться нулю, то есть:
Jn=Sjкн =0 (2.1)
Суммирование проводится по электронному и всем компонентам ионного тока.
В момент зажигания разряда основные носители отрицательного заряда являются – электроны, обладая большими скоростями, чем положительно заряженные ионы, попадают на стенку в большом количестве и заряжают ее отрицательно по отношению к газу. На некотором расстоянии от диэлектрической пленки в газе образуется нейтрализующий этот отрицательный заряд слой положительного заряда. Таким образом, если вдали от стенки концентрация носителей обеих знаков могут быть одинаковы и в целом ионизированный газ нейтрален (плазма), то вблизи стенки эта нейтральность нарушается. Электрическое поле в этом слое направлено от газа к стенке, а электроны тормозятся и часть из них, обладающая меньшими скоростями возвращается обратно в газ. Несмотря на большое различие в подвижностях в установившемся состоянии электронный ток на стенку равен ионному току, в следствии чего сохраняется равенство. Если в качестве стенки использовать исходный материал электрета, то совершенно очевидно, что его поверхность, обращенная к газовому разряду будет заряжаться отрицательно до величины пристеночного потенциала, определяемого параметрами заряда, и на поверхности образуется небольшой по величине электронный заряд, препятствующий дальнейшему проникновению электронов из плазмы. Этот заряд нестабилен и быстро исчезает после прекращения заряда. Созданием в пленке внутреннего электрического поля, направленного в сторону плазмы, можно реализовать условия для дрейфа электронов в объем диэлектрика. Учитывая высокую концентрацию электронов в плазме можно ожидать при этом можно ожидать достаточно высокого по величине и равномерно распределенного по поверхности заряда. Необходимо заметить, что в данной системе вряд ли удастся получить в образце устойчивый положительный заряд со стороны плазмы, поскольку эта поверхность диэлектрика заряжена отрицательно, а управлять процессами в разряде через диэлектрическую пленку приложением к ней относительно плазмы разности потенциалов весьма трудно, так как в следствии резкого различия в значениях электропроводности ионизированного газа и диэлектрической пленки почти все напряжение оказывается приложенным к диэлектрику и внутри у него образуется сильное электрическое поле. В силу этого условия основное воздействие со стороны внешнего электрического поля испытывают заряды, попавшие на диэлектрическую стенку за счет кинетической энергии, которыми в данном случае являются электроны.
3.2.Установка для получения электретов в плазме газового разряда.
Функциональная схема установки представлена на рисунке 3.1. Электронная часть включает в себя генератор задающих импульсов, импульсный усилитель, блок питания импульсного усилителя и источник высокого напряжения (для питания импульсного усилителя и зажигания плазмы). Ячейка для электретирования помещается в рабочий объем вакуумного поста, сунок конструкции установки для электретирования обеспечивающего необходимое разряжение в процессе получения электрета. Регулирование величины давления в разрядном промежутке регулируется с помощью натекателя. Система позволяет производить электретирование в среде различных газов.
ррррррр
оравлоирлдваоит
Оркпжзвпилвоит
В качестве генератора используется генератор прямоугольных импульсов Г5-56, позволяющий получить импульсы с амплитудой до 10 В в широком диапазоне частот и длительностей импульсов. Получение высокоионизированной среды в непосредственной близости от поверхности образца, необходимой для равномерной инжекции заряда в пленку, обеспечивается подачей на вспомогательный разрядный промежуток анод —
катод постоянного напряжения от второго блока высоковольтного источника питания ВС–23. Напряжение на разрядном промежутке регулируется в пределах от 1 кВ до 10 кВ с помощью регулятора напряжения блока ВС–23, ток разряда ограничивается балластным сопротивлением и может изменятся в зависимости от приложенного напряжения и разряжения в рабочем объеме от 0.1 до 30 мА.
Дальнейшее увеличение разрядного тока приводит к разрушению образца; а при уменьшении разрядного тока ниже 0.1 мА возможен спонтанный срыв разряда ( при P
Часть импульсного напряжения, прикладываемого к образцу, с делителя 1:10 подается на осциллограф С1 — 64. Соответствующая калибровка позволяет измерять на экране осциллографа напряженность электрического поля в пленке, положение уровня нулевого потенциала при элекретировании образцов импульсами с чередующейся полярностью, а также вести контроль дефектности пленки в процессе изготовления электрета. Последнее обстоятельство, в отличие от других методов, обеспечивает в какой — то мере гарантии надежной работы полученных пленочных электретов в различного рода устройствах.
3.3.Конструкция ячейки для электретирования.
Для конструирования электретного микрофона требуется электретная мембрана диаметром 10 мм. Для этого была разработана новая кассета для ячейки электретированиярис.4. Она состоит из 2 пластин оргстекла круглой формы, между ними расположена пленка фторопласта толщиной 0,5 мм в которой имеются отверстия для расположения электретируемых мембран. Для подвода тянущего напряжения используется алюминиевый электрод круглой формы, надежное соприкосновение мембраны и электрода обеспечивается с помощью затяжного винта, который со стороны катода надежно заизолирован во избежание пробоя рис. 3.2.
Ячейка состоит из стеклянной трубы 3, кассеты. Внутрь трубы введен анод и катод. Катод 4 выполнен в виде плоского диска из алюминия и закреплен на подвижном держателе 5, что позволяет менять ширину разрядного промежутка. Подключение катода к источнику питания осуществляется проводником через специальное отверстие в нижней пластине. Анод 5 представляет собой шайбу из алюминия прикрепленную к верхней пластине тремя винтами. Катодная шина за пределами колбы изолирована от корпуса. Анод через измерительный прибор, позволяющий контролировать ток разряда, соединен с корпусом. Ограничение разрядного промежутка стеклянной трубой необходимо для предотвращения разряда по длинному пути, так как необходимо работать по левой ветви кривой Пашена. В диапазоне разряжения 10-2 — 10-3 торр удается в этом случае исключить возникновение дуговогоразряда и получить наиболее равномерноераспределение плазмы в замкнутом объеме. Электретируемые мембраны помещаются в кассету, сделанную из фторопласта и зажатой между двумя пластинами оргстекла, металлизацией вверх. Мембранные кольца 10 накрывают стальным контактом круглой формы, который осуществляет электрический контакт металлизированного слоя мембраны с выводом импульсного напряжения. Электрод прижимается к
Конструкция ячейки.
продолжение
--PAGE_BREAK--
Рисунок 3.2.
1 – держатель катода; 2 – фторопластовая пластина; 3 – стеклянная труба; 4 – катод; 5 – анод; 6 – фторопластовая пленка; 7, 11 – пластины оргстекла; 8 – управляющий электрод; 9 – отверстие для затяжного винта; 10 – мембрана.
мембранам с помощью затяжного винта, и к нему подводится импульсноенапряжение. Подачей на электрод импульсного напряжения в мембранах создается электрическое поле, необходимое для образования устойчивого гомозаряда.
3.4.Работа установки.
После сборки установки, функциональная схема которой показана на рисунке 5, ячейка для электретирования с закрепленной в ней мембранами вводится в рабочий объем вакуумного поста. Мембрана устанавливается на некотором расстоянии от анода в области, где превалирует хаотическое движение электронов, обеспечивающих зарядку диэлектрика. При достижении в области разрядного промежутка необходимого рабочего давления, подачей высокого напряжения от источника питания в разрядном промежутке зажигается плазма. Ток разряда контролируется миллиамперметром, включенным в цепь, соединяющую цепь разрядника с землей. После достижения необходимой для протекания процесса величины тока, на рабочий электрод подается импульсное напряжение, создающее в диэлектрике электрическое поле. В поле импульсов происходит накопление заряда, и его закрепление на глубоких ловушках в приповерхностном слое образца, обращенной к плазме. Важным преимуществом данного метода является контроль качества в процессе получения. Для этого производится осциллографирование импульсного напряжения, подаваемого на рабочий электрод. Наличие в пленке слабых мест (сквозных пор), количество которых существенно растет с уменьшением толщины пленки, вызывает локальные микропробои образца, это видно на экране осциллографа (на вершине импульса появляются характерные всплески), хотя при визуальном осмотре дефекты могут быть не обнаружены. Наличие микропробоев пленок приводит к ухудшению стабильности накопленного заряда образца. Применение режимов осциллографирования позволяет выбрать режим способный свести количество микропробоев к минимуму
3.5.Методика измерения заряда электрета.
Изучение свойств электретов производится главным образом с помощью измерения поверхностной плотности заряда, а в последнее время получили распространение методы токов термической деполяризации. Тем не менее основные данные по целесообразности использования электрета несет в себе поверхностная плотность заряда. Соответственно возникает необходимость разработки метода для ее определения, но с тем условием, что этот процесс не окажет влияния на заряд электрета.
За всю историю изучения электретного эффекта было разработано множество методик измерения заряда электрета, но наиболее широкое применение нашли две разновидности конденсаторного метода, основанного на принципе электростатической индукции, а именно с подъемным электродом – контактный и с вибрирующим электродом – бесконтактный метод [1,5].
Метод с подвижным электродом впервые был применен Егучи, позднее этот метод использовал Гросс и другие ученые. Суть этого метода заключается
том, что в поле электрета, расположенного на нижнем плоском, неподвижном электроде, подводится верхний металлический электрод. При приближении электрода к поверхности электрета, индуцируемый на нем заряд стекает во внешнюю цепь, состоящую из эталонного конденсатора с присоединенным параллельно электростатическим вольтметром. По величине разности потенциалов на эталонном конденсаторе определяется поверхностная плотность заряда.
Контактный метод имеет ряд существенных недостатков и главный из них низкая точность измерения поверхностной плотности заряда (из-за
Схема измерения заряда пронвеновек
еншлнг
енглкнгнг
Еклшенглкналкна
воздушных промежутков между металлическими электродами и электретом, в индуцируемый заряд всегда меньше, чем настоящий поверхностный заряд, и в это же время происходит частичный разряд электрета, что вносит произвольную ошибку в процесс измерения). Исходя из этих соображений в измерениях используется бесконтактный метод с вибрирующим электродом.
Этот метод получил особое развитие в последние годы в связи с тем, что он очень прост, не разрушает электрета и дает достоверные результаты, совпадающие с результатами других измерений. Кроме того этот метод удобен
еще тем, что позволяет измерить непосредственно на электретных мембранах, что и определило его использование в данной дипломной работе.
На рисунке 6 представлена функциональная схема для измерения заряда электрета данным методом. Схема состоит из измерительного прибора, звукового генератора Г3-34, источника постоянного напряжения УИП-2 и осциллографа С1-65. Компенсирующее напряжение измеряется цифровым электронным вольтметром В7-21 А. Верхний, вибрирующий (с частотой 70 Гц) электрод (1) жестко соединен с диффузором динамического громкоговорителя 1ГД-40 и находится на расстоянии 1,0-1,5 мм. От поверхности мембраны (2).
Для создания необходимых колебаний на звуковую катушку громкоговорителя подается переменное напряжение 0,5 В от генератора Г3-34.
Нижний подвижный электрод (3) служит предметным столиком для закрепления образца. Вибрирующий во внешнем поле электрета электрод согласно закона электростатической индукции генерирует переменное синусоидальное напряжение, которое отмечается на экране осциллографа С1-65 А рис. 7.
U=A*R*dI*s*w*соsw*t (2.2)
, где А=(e*S/L)*1/(e*I0/L+1) (2.3)
Синусоида
аповеншлвео
впрьлванг
певьрнлв
впоьвпненве
коэффициент зависящий только от диэлектрической проницаемости электрета, его размеров (L,S) и зазора I0; — круговая частота колебаний электрода; dI — амплитуда колебаний верхнего электрода относительно среднего положения;R — сопротивление цепи.
Компенсирующее напряжение внешнему полю электрета, подается от внешнего источника УИП-2. В момент компенсации напряжения на экране осциллографа наблюдаются линии развертки рисунок 6. Зная величину компенсирующего напряжения Uк, можно рассчитать поверхностную плотность заряда пленочного электрета, по формуле:
s=e*e0*U/L (2.4)
Знак электрета определяется по полярности компенсирующего напряжения.
Высокая точность измерения зарядов с помощью приведенной установки достигается использованием в качестве чувствительного нуль индикатора – осциллографа С1-65 А и для отсчета компенсирующего напряжения цифрового электронного вольтметра В7-21 А.
3.6.Исследование влияния режимов электретирования на характеристики электретов.
При получении электретов из пленок фторопласта – 4, как показали измерения, возникает гомозаряд, отрицательный по своему знаку на измеряемой стороне. При зажигании заряда в рабочем объеме электроны более подвижны, чем отрицательные ионы, осаждаются на поверхности получаемого образца. При подаче на электрод положительного импульса в диэлектрической пленке создается сильное диэлектрическое поле, под действием которого электроны инжектируются в тонкий приповерхностный слой и закрепляются на ловушках. В течении отрицательного полу периода адсорбированные на поверхности и слабо закрепленные носители выбрасываются обратно в плазму. Таким образом создаются условия для дальнейшего захвата зарядов глубокими ловушками и формирования стабильного гомозаряда. Следовательно, величина начальной и установившейся плотности поверхностных зарядов пленочных электретов определяется параметрами режима электретирования.
Основными параметрами являются:
Р – рабочее давление;
Iр – разрядный ток;
Ер — напряжение электрического поля в образце;
tэ – время электретирования.
В разработаной конструкции ячейки для электретирования в плазме разрядник служит для создания высокоионизированной газовой среды, используемой в качестве инжектирующего электрода. Равномерное распределение плазмы над пленочным образцом достигается при разряжении в рабочем объеме 10-1 – 10-2 мм рт. ст. Увеличение давления приводит к контрагированию разряда и, следовательно, к неравномерному распределению гомозаряда по поверхности образца.
Уменьшение давления ниже 10-2 мм рт.ст. сопровождается резким возрастанием напряжения горения разряда и уменьшением концентрации зарядов в плазме, так же возможна деструкция поверхности диэлектрической пленки. Поэтому в целях создания технологически выгодных режимов и предотвращения пробоя образцов выбрана величина разряжения в рабочей камере, получаемая обычными форвакуумными установками, то есть 10-1 – 10-2 мм рт.ст. При таких условиях исследовалось влияние параметров процесса электретирования в плазме на заряд полимерных пленок. Зависимость плотности заряда от давления показана на рисунке 9.
По каждому режиму было получено три партии по 5 образцов электретных мембран, таким образом приведенные ниже кривые представляют собой усредненные характеристики.
3.6.1.Влияние разрядного тока на плотность заряда электрета.
Расчеты показывают, что для обеспечения процесса электретирования достаточно создавать в разрядном промежутке разрядные токи Ip порядка десятков микроампер. В предложенной трехэлектродной системе нижним пределом, обеспечивающим стабильное горение разряда, является Ip=100 мкА. При уменьшении Ip ниже 100 мкА возможен спонтанный срыв разряда в рабочем объеме (из — за понижения давления, напряжения на электродах и пр.). В силу этих условий при проведении экспериментов удалось получить небольшой участок кривой предшествующий насыщению.
Из рис. 3.5 видно, что при увеличении разрядного тока от 0.5 до 3 мА s растет ( более низкое значение Ip получить не удалось, так как возможен спонтанный срыв разряда в рабочем объеме, из-за понижения напряжения на электродах, давления и так далее ).
Увеличение поверхностной плотности заряда при увеличении тока подтверждает принятую теорию о образовании заряда электрета.
Влияние разрядного токаIр мА на плотность заряда электрета s*105 Кл*м2.
Рисунок 3.5.
3.6.2.Влияние напряженность электрического поля на плотность заряда электрета.
Зависимости поверхностной плотности заряда в пленке фторопласта — 4 толщиной 10 мкм от напряжения и влияние напряженности импульсного поля в образце на величину и стабильность заряда приведены на рис. 3.56. Амплитуда импульсов, подаваемых на рабочий электрод изменялась в широких пределах от 400 В до значений, соответствующим предпробивным полям в пленке. Электрическая схема импульсного усилителя, кроме того позволяет изменять полярность импульсов относительно потенциала плазмы. Следует заметить, что повторяемость результатов при поляризации в плазме гораздо лучше, чем при использовании других методов, и ограничена только идентичностью параметров образцов.
В отсутствии электрического поля в пленке измеренная величина заряда соответствует энергии хаотического движения электронов в плазме ( пристеночный потенциал ) и составляет примерно 3×10-5 Кл×м-2. Из рис. 3.6 видно, что при увеличение амплитуды импульсов положительной полярности до 1000 В приводит к увеличению значений начального и стабильного заряда, причем его максимальная величина соответствует напряжению примерно 1000 В. Дальнейший рост напряжения вызывает спад начального и в особенности стабильного (Рис. 3.6) заряда за счет увеличения сквозных токов и разрушения поверхности образца ( пробой ).
Влияние напряженноси Е*107 В/м на плотность заряда электрета s*105 Кл/м-2.
Рисунок 3.6.
3.6.3.Влияние продолжительности процесса электретирования на плотность заряда электрета.
Влияние времени электретирования исследовалось в интервале от 1 мин до 20 мин, график зависимости представлен на рис. 3.7. Из графика видно, что максимальное значение начального заряда наблюдается при tэ= 1 мин.
При изменении времени выдержки с 1 мин до 5 мин, как видно из графика, заряд электретной мембраны растет и достигает насыщения при t’=5 мин. Превышение указанного времени электретирования вызывает спад заряда. Такой характер зависимости объясняется сильным разогревом пленки под действием плазмы, что приводит к значительным структурным изменениям. Визуальный осмотр показывает, что изменение цвета пленки придлительности выдержки превышающей 5 мин, а при tэ более 20 мин наступает полное разрушение образца.
Влияние времени электретирования Т мин. на плотность заряда электрета s*105 Кл*м2.
Рисунок 3.7.
3.6.4.Влияние повторного электретирования на плотность заряда электрета.
Для выяснения возможности возникновения ловушек при обработке мембран в плазме газового разряда был произведен опыт по повторному электретированию. На рис. 3.8 приводятся зависимости для нескольких повторов электретирования.
Значительное увеличение плотности поверхностного заряда наблюдалось при двукратном и трехкратном электретировании образца. При дальнейших обработках плотность поверхностного заряда электрета практически не менялась. Также из рис. 3.8 видно, что прирост плотности поверхностного заряда снижается с увеличением времени электретирования и практически отсутствует при повторных обработках в течение 5 минут.
Отжиг после электретирования приводит к определенному уменьшению заряда электрета, который становится более стабильным по сравнению с зарядом в неотожженнном образце. Путем повторений операций электретирования и отжига удается превысить первоначальную плотность заряда и повысить его стабильность. Влияние подогрева образцов как в процессе электретирования, так и после него сводится к повторному захвату носителей более глубоко расположенными уровнями.
Влияние повторного электретирования на плотность заряда электрета.
Рисунок 3.8.
n электретировали в течении 5 минут, — электретировали в течении 3 минут, — электретировали в течении 1 минуты.
3.6.5.Влияния деформации пленки ПТФЭ на плотность заряда электрета.
Было проведено исследование влияния деформации пленки ПТФЭ на величину заряда. Для этого заряженные мембраны закреплялись на специальном электроде в установке для измерения заряда. И с помощью подачи электрического переменного сигнала заставили мембрану совершать механические колебания представленные на рис… при увеличении времени колебания наблюдалось уменьшение эффективной поверхностной плотности заряда. Измерение заряда производилость бесконтактным методом.
Уменьшение заряда электрета можно объяснить тем, что при больших механических деформациях пленки происходит изменение поверхностной ориентации диполей, и уменьшение поля диполей. Поэтому часть электронов может освобождаться из ловушек, релаксируя тем самым уменьшая заряд электрета рис. 3.9 и 3.10.
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.).
продолжение
--PAGE_BREAK--
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].
В случае гармонических колебаний величина переменного тока на выходе емкостного преобразователя может быть представлена следующим образом
. (2.5)
Здесь l — амплитуда смещения мембраны относительно нулевого положения, L — толщина пленки электрета, — диэлектрическая проницаемость материала пленки электрета, ? — частота колебаний подвижного электрода, ? — поверхностная плотность заряда электрета, S — площадь электрода, l — толщина диэлектрического зазора между электретной мембраной и неподвижным электродом, — диэлектрическая проницаемость материала в зазоре.
Для оценки чувствительности электретного микрофона может быть применена методика расчета конденсаторных микрофонов, в основе которой лежит принцип электромеханической аналогии. Чувствительность электретного микрофона в общем виде с учетом влияния цепи предварительного усилителя выражается следующей формулой
. (2.6)
Здесь — напряжение поляризации, S — площадь мембраны, ? — круговая частота, — модуль полного акустико–механического сопротивления капсюля, h — рабочий зазор между мембраной и электродом, D — поправка на влияние защитной крышки, G — коэффициент передачи предварительного усилителя, — фактор нагрузки, где — входная емкость предварительного усилителя, — емкость капсюля.
Абсолютное значение сопротивления Z и его зависимость от частоты будет определять чувствительность и форму частотной характеристики микрофона. Чувствительность микрофона частотно независима, если Z изменяется обратно пропорционально частоте во всем рабочем диапазоне, т. е. носит упругий характер. Это условие выполняется, когда резонансная частота акустико–механической системы микрофона лежит за пределами рабочего диапазона частот. Однако такая возможность ограничена пределом упругости материала мембраны. Поэтому практически мембране придается такое натяжение, при котором ее резонанстная частота располагается внутри частотного диапазона, а упругость увеличивается за счет воздушного слоя, создаваемого между мембраной и неподвижным электродом. Активное сопротивление этого слоя демпфирует колебания мембраны на резонансной частоте. При этом сопротивление и масса воздуха в отверстиях неподвижного электрода должны быть незначительными по сравнению с массой воздуха и сопротивлением в зазоре.
Обобщенная конструкция приемника звукового давления представлена на рис. 3.13.
Чувствительность микрофона представляющая собой передаточную функцию сигнального графа, определяется по общей формуле Мэзона (2.7)
где — коэффициент передачи прямого пути от истока сигнальногографа к стоку; — коэффициент, учитывающий частотную и пространственную зависимости звукового давления; — коэффициент, учитывающий частотную зависимость звукового давления, обусловленную резонансными полостями перед мембраной микрофона; — сумма коэффициентов передач всех замкнутых контуров сигнального графа; — сумма попарно перемноженных коэффициентов передач замкнутых контуров,
Схематическая конструкция приемника звукового давления емкостного типа.
Рисунок 3.13.
не касающихся друг друга; — сумма перемноженных по трое коэффициентов передач замкнутых контуров, не касающихся друг друга.
Величина чувствительности в области средних частот будет
. (3.8)
Расшифровывая выражение в соответствии с известными значениями параметров для конденсаторного микрофона:
; ; ;.; ; ; ,
где d — диаметр активной части мембраны (или неподвижного электрода); — напряжение поляризации; h — высота зазора; — частота механического резонанса; L — толщина мембраны; — емкость активной части преобразователя; , — механические жесткость и масса подвижной системы; T — напряжение в материале мембраны; — плотность материала мембраны, и учитывая, что для малогабаритных приемников , получим
(2.9).
Форма амплитудно–частотной характеристики в области низких частот определяется режимом электрического согласования приемника звука с нагрузкой и влиянием каналов выравнивания статического давления внутри замкнутого объема приемника и в окружающем его пространстве. С уменьшением натяжения мембраны увеличивается чувствительность микрофона на низких частотах. Однако это приводит к понижению частот механического резонанса и, следовательно, к спаду чувствительности на высоких частотах. При неизменном поляризующем напряжении чувствительность микрофона на низких частотах растет с уменьшением расстояния между электродами. В то же время уменьшение величины зазора приводит к возрастанию активной составляющей сопротивления зазора и, следовательно, к большему спаду чувствительности в области средних частот. Повышение чувствительности микрофона за счет увеличения эффективной плотности заряда в мембране ограничено условием, согласно которому напряженность поля между мембраной и неподвижным электродом должна быть в несколько раз меньше пробивной величины, поэтому при выборе зазора приходится принимать компромиссное решение. На высоких частотах для повышения чувствительности микрофона уменьшают толщину мембраны. Однако с точки зрения стабильности заряда выбор электретных мембран с толщиной пленки менее 6 мкм не желателен. К тому же уменьшение толщины мембраны ограничено силой электростатического притяжения, эквивалентной некоторой “отрицательной упругости”. Если сила электростатического притяжения превысит упругую реакцию мембраны и воздушного объема под ней, тогда происходит прилипание мембраны к преобразователю.
Величина смещения мембраны в электростатическом поле выводится из уравнения движения мембраны и в отсутствие звукового поля может быть определена из равенства
. (2.10)
Здесь y — величина смещения мембраны, — гибкость мембраны, q — заряд на обкладках емкостного преобразователя.
При воздействии звукового поля величина гибкости подвижной системы определяется упругой реакцией воздушного зазора под мембраной, благодаря чему собственная частота механических колебаний сдвигается в область более низких частот и обеспечивается достаточная чувствительность в верхней части частотного диапазона.
2.9.2.Разработка конструкции датчика.
В соответствии с целевым назначением разрабатываемый электретный микрофон должен обеспечивать высокую чувствительность мВ×Па-1 в частотном диапазоне 20—2000 Гц при работе в режиме ненаправленного приемника звукового давления, малые габариты и вес, малую потребляемую мощность.
Учитывая изложенное выше выбираем следующие параметры капсюля. Диаметр мембраны и неподвижного электрода 12 мм, расстояние между мембраной и неподвижным электродом 30 мкм, толщина мембраны 10 мкм. Значение последнего параметра выбрано с учетом стабильности электретного заряда и упругости мембраны.
При создании конструкции корпуса микрофона пришлось решать инженерную задачу по созданию помехозащищенного датчика. Основные пути передачи помех к чувствительному элементу следующие:
– передача звука (переизлучение) непосредственно через стенку корпуса во внутреннюю полость датчика к чувствительному элементу;
– улавливание акустических помех поверхностью кабеля датчика с последующей передачей поверхностными волнами во внутреннюю полость датчика;
– улавливание звука поверхностью тела больного с последующим переизлучением.
Основными являются два первых способа передачи помех. По результатам исследований была разработана конструкция датчика с плотным обжатием кабеля в месте крепления в корпусе, причем корпус выполнен из материала со скоростью распространения колебаний в нем выше, чем в материале оболочки кабеля, а масса датчика выбирается из условия
, (2.11)
где m — масса датчика, k — упругость тканей человека, — нижняя граница рабочего диапазона частот.
В результате удалось снизить воспринимаемые датчиком посторонние звуковые помехи (шумы помещения). Также было принято решение делать датчик по типу стетоскопической головки, без применения фонендоскопической мембраны, поскольку мембрана вносит нелинейности, проявляющиеся в виде обертонов не имеющихся в исходном звуковом сигнале.
Конструкция электретного датчика показана на рисунке 13.
Для избежания механическим повреждений электретной мембраны со стороны акустического входа в корпусе (1) капсюля микрофона установлены защитная сетка (2) и металлическая решетка (3). Электретная мембрана (4) с неподвижным электродом, выполненным в виде металлизированного слоя на поверхности преобразователя (7), составляют динамический конденсатор, преобразующий звуковые колебания в электрические сигналы. Необходимая величина емкости задается величиной воздушного зазора (6) и подбирается установкой между электродами калибровочного диэлектрического кольца (5). В корпусе преобразователя имеется 28 сквозных отверстий диаметром 0,5 мм каждое, которые соединяют под мембранный объем с объемом преобразователя. Это позволяет увеличить объем воздуха под электретной мембраной, благодаря чему обеспечивается выравнивание частотной характеристики в рабочем диапазоне частот и повышается чувствительность микрофона. Для согласования высокого импеданса емкостного датчика с последующей схемой усиления в корпусе микрофона на печатной плате (8) устанавливается полевой транзистор КП308А (11), включенный по схеме с общим истоком. Полевой транзистор распаен на нижней стороне печатной платы (8). Электрический контакт металлизации на преобразователе с затвором транзистора осуществляется с помощью электрода 10. Жесткое закрепление электретной мембраны и фиксация зазора между электродами достигается ввинчиванием затяжной гайки (9) в корпус капсюля.
Датчик обладает следующими техническими характеристиками:
– рабочая полоса частот 20—2000 Гц;
– чувствительность на частоте 1000 Гц не хуже 5 мВ×Па-1;
– характеристика направленности — ненаправленный;
– мощность потребления согласующим каскадом 5 мВт;
Схематический поперечный разрез конструкции датчика.
продолжение
--PAGE_BREAK--