Электретные преобразователи энергии

                                           (1)

     где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, Е_а - энергия активации ловушки.

   Носители, попавшие на ловушки, останутся там  и после выключения электрического поля и внешнего воздействия, приводившего к генерации пар носителей  заряда. Получится электрет, у противоположных  поверхностей которого будет пространственный электрический заряд разного  знака. В образце будет существовать внутреннее электрическое поле, которое стремится соединить, вновь «смешать» разделенные внешним полем заряды. Но этому препятствуют ловушки, удерживающие носители. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис. 6. Электрет с объемно-зарядовой поляризацией- 1 - получение; 2 - готовый электрет

   Состояние электрета, как и в случае истинной поляризации, неравновесно. Отдельные  носители, случайно, в результате флуктуации получившие энергию, достаточную для  перехода в зону проводимости (или  валентную - для дырок), будут освобождаться, и двигаться во внутреннем поле электрета. В результате будет происходить  релаксация ОЗП. С ростом температуры релаксация ускоряется.

   3.1.2. Электреты с избыточным  неравновесным зарядом

  Электреты с избыточным внедренным зарядом наиболее широко применяются в практических целях. Их, получают в результате электризации нейтрального диэлектрика. Электризация сводится к внедрению в образец извне носителей заряда определенного знака (или обеих знаков), либо отрыву электронов от образца, в результате которого он приобретает нескомпенсированный отрицательный или положительный заряд.

   Электризация  диэлектриков может происходить  при трении (трибоэлектреты), при облучении потоком электронов, протонов, положительных или отрицательных ионов, воздействии электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего). Наиболее широко используется для электризации диэлектриков коронный разряд, в результате которого получаются короноэлектреты. Кроме того, избыточный электрический заряд может быть инжектирован из электродов, прилегающих к поверхности образца. Механизмы инжекции могут быть разными, но результат одинаковый - в приповерхностном слое диэлектрика на ловушках образуется пространственных заряд, совпадающий по знаку со знаком заряда электрода (гомозаряд).

   В технических целях чаще всего  применяются электреты, полученные из тонких неполярных фторполимерных пленок толщиной 10-25 мкм, которые могут  быть с одной стороны покрыты  тонким слоем металла, чаще всего  алюминия. Металлический слой наносят  методом вакуумного распыления. Он служит одним из электродов устройства, в котором используется электрет. Электрет электризуется, как правило, в коронном разряде со стороны  свободной поверхности полимера и имеет в диэлектрике избыточные заряды одного знака (моноэлектрет). 
 
 

   3.1.3. Комбинированные  электреты

   Комбинированные электреты содержат как истинную поляризацию, так и избыточный электрический заряд одного или разных знаков. Они получаются из полярных диэлектриков, в которых имеются дипольные группы и ловушки, способные захватывать неравновесные носители заряда.

   Неравновесные носители - носители заряда любой природы, концентрация которых превышает равновесное при данной температуре значение В полупроводниках и диэлектриках при температурах, отличных от О К, в состоянии термодинамического равновесия имеется некоторая концентрация собственных носителей заряда, пропорциональная ехр ,где Δ- ширина запрещенной зоны. В ионных диэлектриках также имеется некоторая равновесная концентрация положительных и отрицательных ионов. Попадание в диэлектрик носителей заряда извне в результате инжекции, электрического разряда, генерации дополнительных носителей в результате освещения или облучения увеличивают концентрацию носителей над равновесным значением.

   Образование поляризации и избыточного заряда может происходить при разных способах получения электретов. Например, при электризации коронным разрядом полимерных полярных диэлектриков при  температурах, лежащих в области  подвижности кинетических единиц, обладающих дипольным моментом, наряду с накоплением неравновесного заряда в диэлектрике произойдет ориентация диполей. После охлаждения и выключения коронного разряда поляризация «заморозится», а неравновесные носители, внедрившиеся в полимер, захватятся на ловушки.

     4. Электретные материалы и изделия в технике

     4.1. Преобразователи сигналов

     Преобразующие устройства или преобразователи  являются элементами систем автоматического  управления и обработки данных. Они  предназначены для трансформации  подаваемых на вход сигналов в выходные сигналы той же или другой физической природы, которые обеспечивают обработку, передачу, измерение или регистрацию информации.

     Электретные преобразователи классифицируют по природе входных сигналов:

• преобразователи механических сигналов
• преобразователи акустических сигналов
• преобразователи электрических сигналов
• преобразователи оптических сигналов

     Преобразование  механических сигналов осуществляют с помощью устройств, в которых использованы электретные датчики механических воздействий. Датчик – элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, регистрации и воздействия на управляемые процессы. Электретные датчики давления основаны на появлении тока в цепи, соединяющей электроды, при изменении зазора между электретом и электродами. Конструктивно их выполняют в виде микрофона с электретной мембраной или в виде клавиш, расположенных над электретной пленкой. На этом же принципе основаны датчики перемещений, деформаций и вибрации, основными элементами которых являются сопряженные, расположенные с зазором электрет и подвижный электрод. Близкие к описанным конструкции датчиков удара использовались для обнаружения утечек в космических станциях.

     Разработаны датчики перемещений и деформаций, содержащие электреты из резины. Выходной сигнал возрастает с увеличением  механической нагрузки и способностью материала электрета генерировать напряжение при деформации. Измеритель атмосферного давления на электретах основан на изменении заряда электрета в зависимости от давления окружающего его газа. Для целей защиты разработаны датчики давления в виде коаксиального кабеля с облицовкой из поляризованного тефлона, электродами которого служат центральная жила и экран. При деформировании последнего на выходе кабеля возникает электрический сигнал.

     Принцип действия электретных тахометров –  приборов для измерения механической скорости или частоты вращения деталей  машин – состоит в индуцировании  переменного тока при перемещении  электрода в поле электрета. Последний  закреплен на движущейся детали и, проходя  вблизи неподвижного электрода, индуцирует в нем заряд.

     В устройствах для ввода или  передачи буквенно-числовых данных используют электретные сенсорные переключатели, срабатывающие от прикосновения. Выходные сигналы с амплитудой 10 – 100 В возникают в них при незначительном отклонении электретной диафрагмы. Для переключения достаточно легкого прикосновения к кнопке сенсора без заметного осязательного ощущения.

     Преобразователи акустических сигналов позволяют трансформировать величины, характеризующие звуковое поле, в распределение электрического потенциала или тока. Чувствительным элементом электретных микрофонов служит заряженный твердый диэлектрик. Конденсаторный электретный микрофон состоит из диэлектрической диафрагмы, установленной с зазором на металлическом основании. Диафрагма выполнена в виде заряженной полимерной пленки, покрытой слоем металла. Неметализированная поверхность диафрагмы обращена к основанию, величина воздушного зазора контролируется выступами на поверхности основания. Для увеличения чувствительности микрофона в основании делают отверстия, соединяющие зазор с воздушным пространством. Полагают, что чувствительность электретных микрофонов может сохраняться практически постоянной до 10 – 100 лет.

     Принцип конденсаторного микрофона с  твердым диэлектриком, работающего  с внешним смещением, использован  в конструкциях наушников, громкоговорителей  и источников ультразвука.

     Гидрофоны – устройства для приема звуковых и ультразвуковых колебаний в  воде и преобразования их в электрические  колебания. Электретные гидрофоны  конструктивно выполняют в виде описанных выше акустических преобразователей или используют датчики в виде зажатых между внешними электродами  слоистых электретных структур. Они  могут работать на частотах до 500 МГц  при комнатной температуре. Электретные  гидрофоны находят применение в  гидроакустических устройствах: гидролокаторах, шумопеленгаторах, взрывателях акустических мин и т. д.

     Оклеивание  судов пьезоэлектрической пленкой, на которую подают сигнал 7 В частотой 19 кГц, предотвращает обрастание корпусов водорослями и моллюсками.

     Принцип действия преобразователей электрических сигналов основан на изменении напряженности электрического поля, емкости и других характеристик электретных чувствительных элементов при воздействии различных физических явлений. Простейшим преобразователем такого типа является датчик влажности.

     Электростатические  линзы применяют для отклонения электронного луча в электронно-лучевых  трубках и приборах на их основе. Это позволяет существенно уменьшить  массу и габариты приборов и устройств, что особенно важно в космической  технике, микроэлектронике и т. д.

     Для преобразования оптических сигналов в электрические разработана группа электронно-оптических приборов на электретах. Такие преобразователи находят применение при наблюдении слабо освещенных или слабо излучающих объектов, при изучении быстропротекающих процессов в ядерной физике, астрономии, медицине, при скоростной киносъемке, а также в системах обработки, хранения и передачи информации.

     Электреты нашли применение в приборах ночного  видения, которые представляют собой  электронно-оптические преобразователи  ИК-излучения. Они нашли применение при наблюдении за ИК сигнальными  огнями, вождении транспортных средств  в ночное время, при стрельбе и  т. д. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4.2.Регистраторы информации

     Электреты используют в качестве носителей  информации при записи наблюдаемых  явлений, результатов измерений  и вычислений, переданных по каналам  связи сообщений, и т. д. Тип регистрирующих устройств, способы записи и хранения информации зависят от ее назначения: чтение человеком, ввод в вычислительную машину, передача по каналам связи и др. Соответственно этим условиям разработаны следующие виды электретных регистраторов:

• запоминающие устройства
• электрофотография

     Запоминающее  устройство – блок вычислительной машины или самостоятельное устройство, предназначенное для записи, хранения и воспроизведения главным образом дискретной информации. Электретные запоминающие устройства основаны на локализации распределения зарядов в диэлектрике, которое зависит от формы и полярности заряжающих электродов. Для «прочтения» потенциального рельефа используют стандартные методы измерения заряда электретов.

     Электрофотография – фотографический процесс, основанный на проявлении скрытого электрического изображения, образующегося на фотопроводящем слое диэлектрика или высокоомного полупроводника. Различают следующие разновидности электрофотографии: на фотоэлектретах; ксерография; методы, основанные на остаточной проводимости диэлектрика.  
 
 
 
 
 

     4.3. Медицинская техника

     Огромное  применение электретный эффект нашел  в медицине. Отметим получившие распространение  в клинической практике разработки на основе электретов.

     Кровесовместимые  материалы. Совместимость с кровью (гемосовместимость)  -  емкое понятие, включающее широкий комплекс механических и физико-химических аспектов взаимодействия крови и инородных тел. Существует тем не менее главная проблема, которая должна быть решена с помощью кровесовместимых материалов, - предотвращение тромбообразования.