Твердотільні сенсори на основі тонкоплівкових полімерних сегнетоелектриків з покращеними технічними характеристиками
Вантажиться...
Дата
2009
Автори
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Одес. нац. політехн. ун-т
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – Твердотільна електроніка.
В роботі проаналізовані особливості використання фізичного явища формування залишкової поляризації для покращення технічних характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків. В якості метода електризації використано коронно-розрядний тріод з вібруючою керуючою сіткою.
Досліджені закономірності формування і релаксації поляризованого стану в різних умовах експлуатації. Виявлені трьохстадійний характер формування поляризації і аномальне зменшення провідності. Доведено, що сформовану в середніх полях неоднорідність поляризації не можна усунути, прикладаючи навіть дуже сильні поля. Показано, що очікуваний теоретично і фактичний час перемикання поляризації розрізняються в 106 разів. Проведено моделювання процесів формування і релаксації поляризації в сенсорах, на підставі якого розроблена технологія електризації і зроблений вибір режимів зарядки сенсорів.
Внаслідок проведеної роботи покращені технічні характеристики сенсорів, а саме п'єзокоефіцієнт d31 підвищено на 12%, піроелектричний коефіцієнт р на 14%, електромеханічний коефіцієнт зв'язку k31 доведено до 13,5% і піродобротність до 3,1 мкКл/(м2К). Термічний відпал при температурі 70°С перед початком експлуатації сенсорів істотно підвищив термостабільність технічних характеристик.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – Твердотельная электроника. В работе проанализированы особенности использования физического явления формирования остаточной поляризации в полимерных сегнетоэлектриках для создания пьезо- и пироэлектрических сенсоров с улучшенными техническими характеристиками. Разработаны новые методы исследования, такие как метод зарядно-разрядного зондирования релаксационных параметров путем фракционной электризации и метод разделения гомо- и гетерозаряда по кривым токов деполяризации. В качестве метода электризации исследован и использован коронно- разрядный триод с вибрирующей управляющей сеткой, которая дает важные преимущества перед традиционными методами электризации. Исследованы закономерности формирования и релаксации поляризованного состояния в разных условиях эксплуатации. Выявлены трехстадийный характер формирования поляризации и аномальное увеличение стабильности потенциала. Установлено, что сформированную в средних полях неоднородность поляризации нельзя улучшить, прикладывая даже очень сильные поля. Впервые выявлено наличие сегнетоэлектрической и электретной компонент поляризации, из которых первая, будучи термодинамически неустойчивой, релаксирует быстрее, чем вторая. Показано, что ожидаемое теоретически и фактическое время переключения поляризации различаются в 106 раз, что объяснено накоплением зарядов на межфазных границах. Выявленные закономерности формирования и релаксации поляризованного состояния использованы при разработке технологии изготовления сенсоров на основе полимерных сегнетоэлектриков, особенно режимов и параметров их электризации. Проведено моделирование процессов формирования и релаксации поляризации в сенсорах для улучшения их рабочих характеристик. На основе модельных расчетов доказана целесообразность дополнить первичную зарядку сенсора в сильном поле несколькими переключениями поляризации. Путем моделирования выявлены причины формирования равномерной поляризации в сильных полях, что позволило обосновать использование сильных полей при электризации сенсоров. Изготовленные образцы пьезо- и пироэлектрических сенсоров успешно прошли испытания в разных модельных условиях эксплуатации и показали высокую стабильность рабочих характеристик.
The dissertation for obtaining the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences, specialty 05.27.01 – Solid-state electronics. The physical phenomenon of the residual polarization formating has been analyzed for improving performance of piezo and pyroelectric sensors based on polymer ferroelectrics like PVDF, copolymer P(VDF-TFE), composites PVDF-PZT and PVDF-BaTiO3. As a method of electrization, the corona discharge triode with a vibrating grid has been used. Formation of the polarized state and its relaxation under different conditions have been investigated. For the first time, appearance of three stages and decrease of the apparent conductivity have been revealed. It has been the proved that heterogeneity formed in the middle polarization field can not be corrected even if very strong field are applied. It was shown that the theoretically expected and the actual switching time differ in 106 times. Modeling of the polarization formation and the relaxation in sensors has been used for developing the electrization technology and selection of charging regimes for the sensors. As a result of the study, performance of the sensors has been improved, namely piezocoefficient d31 increased by 12%, the pyroelectric coefficient by 14%, the mechanical to electric conversion factor k31 reached 13.5% and the pyroelectric Q-factor 3.1 мC/(m2К). Thermal annealing at temperature of 70 oC before starting the operation of the sensors significantly increases the thermal stability performance.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – Твердотельная электроника. В работе проанализированы особенности использования физического явления формирования остаточной поляризации в полимерных сегнетоэлектриках для создания пьезо- и пироэлектрических сенсоров с улучшенными техническими характеристиками. Разработаны новые методы исследования, такие как метод зарядно-разрядного зондирования релаксационных параметров путем фракционной электризации и метод разделения гомо- и гетерозаряда по кривым токов деполяризации. В качестве метода электризации исследован и использован коронно- разрядный триод с вибрирующей управляющей сеткой, которая дает важные преимущества перед традиционными методами электризации. Исследованы закономерности формирования и релаксации поляризованного состояния в разных условиях эксплуатации. Выявлены трехстадийный характер формирования поляризации и аномальное увеличение стабильности потенциала. Установлено, что сформированную в средних полях неоднородность поляризации нельзя улучшить, прикладывая даже очень сильные поля. Впервые выявлено наличие сегнетоэлектрической и электретной компонент поляризации, из которых первая, будучи термодинамически неустойчивой, релаксирует быстрее, чем вторая. Показано, что ожидаемое теоретически и фактическое время переключения поляризации различаются в 106 раз, что объяснено накоплением зарядов на межфазных границах. Выявленные закономерности формирования и релаксации поляризованного состояния использованы при разработке технологии изготовления сенсоров на основе полимерных сегнетоэлектриков, особенно режимов и параметров их электризации. Проведено моделирование процессов формирования и релаксации поляризации в сенсорах для улучшения их рабочих характеристик. На основе модельных расчетов доказана целесообразность дополнить первичную зарядку сенсора в сильном поле несколькими переключениями поляризации. Путем моделирования выявлены причины формирования равномерной поляризации в сильных полях, что позволило обосновать использование сильных полей при электризации сенсоров. Изготовленные образцы пьезо- и пироэлектрических сенсоров успешно прошли испытания в разных модельных условиях эксплуатации и показали высокую стабильность рабочих характеристик.
The dissertation for obtaining the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences, specialty 05.27.01 – Solid-state electronics. The physical phenomenon of the residual polarization formating has been analyzed for improving performance of piezo and pyroelectric sensors based on polymer ferroelectrics like PVDF, copolymer P(VDF-TFE), composites PVDF-PZT and PVDF-BaTiO3. As a method of electrization, the corona discharge triode with a vibrating grid has been used. Formation of the polarized state and its relaxation under different conditions have been investigated. For the first time, appearance of three stages and decrease of the apparent conductivity have been revealed. It has been the proved that heterogeneity formed in the middle polarization field can not be corrected even if very strong field are applied. It was shown that the theoretically expected and the actual switching time differ in 106 times. Modeling of the polarization formation and the relaxation in sensors has been used for developing the electrization technology and selection of charging regimes for the sensors. As a result of the study, performance of the sensors has been improved, namely piezocoefficient d31 increased by 12%, the pyroelectric coefficient by 14%, the mechanical to electric conversion factor k31 reached 13.5% and the pyroelectric Q-factor 3.1 мC/(m2К). Thermal annealing at temperature of 70 oC before starting the operation of the sensors significantly increases the thermal stability performance.
Опис
Бутенко, А. Ф.
Твердотільні сенсори на основі тонкоплівкових полімерних сегнетоелектриків з покращенними технічними характеристиками : автореф. дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.27.01 "Твердотільна електроніка" / Бутенко Альона Федорівна ; наук. кер. С. Н. Федосов ; Одес. нац. політехн. ун-т, [Одес. нац. акад. харч. технологій]. - Одеса, 2009. - 23 с.
Ключові слова
сенсори, полімерні сегнетоелектрики, п'єзокоефіцієнти, пірокоефіцієнти, ПВДФ, П(ВДФ-ТФЕ), ПВДФ-ЦТС, ПВДФ-BaTiO3, полимерные сегнетоэлектрики, поляризация, пироэлектричество, ПВДФ, П(ВДФ-ТФЭ), ПВДФ-ЦТС, ПВДФ -BaTiO3, sensors, polymer ferroelectric, piezoelectric coefficient, pyroelectric coefficient, PVDF, P(VDF-TFE), PVDF-PZT, PVDF-BaTiO3