Patent HU-176484-B (HU)
Inventor: BAJCOV VIKTOR G
IPC: H01G7/02
Filed: 1978-05-30
Abstract: A találmány tárgya eljárás és berendezés elektrétek előállítására, elsősorban eljárás és berendezés rétegelektrétek előállítására. A találmány elektrétek előállításánál alkalmazható elektroakusztikus átalakítók számára, valamint mikrofonok és hangszórók rétegelekt- rétmembránjainak előállítására. A hangfrekvenciás elektroakusztikai átalakítóknál a dielektromoe rétegekből előállított elektrét-membránokat széles körben alkalmazzák. A rétegelektrét felületén a stabil töltést általában úgy hozzák létre, hogy a dielektrikumot a lágyulási hőmérsékletre melegítik fel homogén és igen erős külső elektromos térben, majd a felhevített dielektromos rétegeket ugyanebben az erőtérben lehűtik.
Az előállított rétegelektrét belső elektromos tere mind a külső erőtérrel ellentétesen, mind annak megfelelően irányítható. Az első eset heterogén töltésnek felel meg, a második pedig a rétegelektrét felületén kialakuló homogén töltésnek. A heterogén töltés keletkezéséhez a dielektromos rétegekben végbemenő folyamatok szükségesek, míg a homogén töltés úgy keletkezik, hogy töltésátvitel megy végbe a dielektromos réteg felületére a dielektromos közeg számára külső villamos erőteret előállító elektródáról. Szabad töltéshordozók az említett dielektromos közegben csak igen erős villamos erőtérben
2
keletkezhetnek. Ezért a dielektromos rétegek felületén, ha a külső erőtér erőssége nem elég nagy, általában csak heterogén töltés keletkezik. 5 Ismeretes továbbá eljárás rétegelektrétek előállítására, amelynek lényege a dielektromos rétegek polarizációja (például Μ. M. Efrussi „Mikrofonok és azok alkalmazása”, 41. oldal „Energia” Kiadó, 1974). A dielektromos rétegek pola10 rizációja a következőképpen történik: A dielektromos rétegeket homogén elektromos erőtérben helyezik el, felmelegítik a dielektrikum lágyulási hőmérsékletére, majd az elektromos erőtérben szobahőmérsékletre hűtik le. A dielektromos 15 rétegek teljes polarizációs ideje néhány óra. Az ezen a módon előállított rétegelektréteknél a felületi töltéssűrűség jelentős mértékben változik az idő függvényében, és csak néhány hónapig stabil. A töltéssűrűség a külöbnöző ré20 tegelektrét mintáknál nagymértékben szór, míg a stabil töltéssűrűség középértéke nem éri el az 1X10-8 C ’cm2 értéket. Ezt a hátrányt az okozza, hogy a dielektromos rétegek tartós polarizációjánál a dielektrikum 25 lágyulási hőmérsékletén a dielektromos rétegek belső polarizációja megy végbe, heterogén töltés keletkezése mellett a rétegelektród egy nem fémezett felületén. Egyidejűleg a rétegelektrét ugyanezen felületén homogén töltés is keletke30 zik. Ha ekkor a polarizáló elektromos erőtér ér
176484
3
176484
4
téke nem éri el a 10~4 V/cm2 értéket, akkor már közvetlenül a polarizáció után heterogén töltés van jelen, A polarizáló erőtér nagyobb értékénél túlnyomórészt homogén töltés keletkezik. A kisebb stabilitás, valamint a stabil töltéssűrűség nagyobb szóródása és kisebb értéke a réteg- elektréteknél összefügg a heterogén töltés kisebb stabilitásával, és a homogén töltés nem kielégítő stabilitásával, ha ez utóbbi sűrűsége nagyobb egy kritikus stabil értéknél. A rétegelektréteket előállító eljárás foganatosítására ismert egy olyan berendezés, amely a dielektromos rétegek felmelegítéséhez és pola- rizálásához egy kamrát és egy nagyfeszültségű egyenáramforrást tartalmaz. A kamra egy fémes földelőelektródával, amelyen dielektromos rétegek vannak elhelyezve, és nagyfeszültségű egyenáramforrásra csatlakozó polarizációs elektródával van ellátva (például Μ. M, Efrussi „Mikrofonok és azok alkalmazása”. 41. oldal „Energia” kiadó, 1974.). Ezeknek a berendezéseknek a hátránya a kis teljesítmény, a kis stabilitás, a töltéssűrűség nagy szórása és az előállított dielektromos rétegek töltéssürűségének csekély stabilitása. Ismeretes továbbá olyan eljárás rétegelektré- tek előállítására, amely szerint a dielektromos rétegeket homogén villamos térben felmelegítik és polarizálják, majd a dielektromos rétegek felületére még járulékosan töltést visznek fel (például az 1 789 091 számú német szövetségi köztársaságbeli szabadalmi leírás). Az ily módon előállított rétegelektréteknél a töltéssűrűség egy hónapig stabilizál, és ezzel 2X 10~8 CW átlagos stabil töltéssűrűséget érnek el. Ennek az eljárásnak az a hátránya, hogy meglehetősen bonyolult, kis teljesítőképességű, a töltéssűrűség csekély homogenitású és stabilitású, továbbá a stabil töltéssűrűség alacsony értékű a dielektromos rétegek segítségével előállított ré- tegelektréteken. A nem kielégítő homogenitást, stabilitást, és a stabil töltéssűrűség alacsony értékét az okozza, hogy a dielektromos rétegek felületén az eredő töltéssűrűséget a meglehetősen instabil heterogén töltés és egy nem kielégítően stabil homogén töltés algebrai összege adja, amelynek sűrűsége közvetlenül a töltés után nagyobb, mint a kritikus stabil érték. Ismeretes továbbá olyan berendezés réteg- elektrétek előállítására, amely nagyfeszültségű egyenáramforrást, egy földelőelektródát, polarizáló elektródákat és egy nagyfeszültségű váltakozó áramforrásra csatlakozó töltőelektródát tartalmaz, amelynek segítségével ionizált plazmát állítanak elő, és a dielektromos rétegek felületét töltéssel látják el (például az 1 789 091 számú német szövetségi köztársaságbeli szabadalmi leírás). Ennek a berendezésnek az a hátránya, hogy bonyolult, kicsi a teljesítőképessége, és az előállított dielektromos rétegek töltéssűrűsége nem eléggé stabil. Célunk a találmánnyal olyan eljárás és berendezés létrehozása rétegelektrétek előállításához,
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
amelyek lehetővé teszik, hogy egyszerűsített technológiával és nagyobb termelékenységgel jobb minőségű rétegelektréteket állítsunk elő. A feladatot úgy oldjuk meg, hogy rétegelekt- réteknek dielektromos rétegek felületének feltöltésével való előállításánál a dielektromos rétegek felületének feltöltése előtt a felületet a találmány szerint null-potenciálra hozzuk, ezzel kiküszöböljük a véletlenszerűen fellépő töltéseket, és így a dielektromos rétegek felületére ezt követően felhordott töltés stabil sűrűségű lesz. A rétegelektrétek előállítására szolgáló találmány szerinti eljárást megvalósító berendezés egy eltolhatóan elhelyezett alátétként kialakított földelő elektródát, amelynek felületén a dielektromos rétegek felfekszenek, egy egyenfeszültségű áramforrás, az egyenfeszültségű áramforrással csatolt és a földelő elektróda fölött elhelyezett töltőelektródát tartalmaz, a találmány szerint még egymás mögött felállított készülékekkel rendelkezik, mégpedig a dielektromos rétegeket semlegesítő készülékkel, a felvitt töltést stabilizáló készülékkel és a stabil töltéssűrűséget ellenőrző készülékkel, amelyek a dielektromos rétegek fölött ezek közvetlen közelében vannak elhelyezve. Célszerűen a dielektromos rétegek semlegesítésére szolgáló készülék egy váltakozó feszültségű áramforrást, egy ezzel összekötött és a földelő elektróda síkjára merőlegesen, ennek közvetlen közelében elhelyezett semlegesítő elektródát, és egy földelt, a semlegesítő elektródát tengely irányban körülvevő hengerköpenyt tartalmaz. Előnyös továbbá, hogy a dielektromos rétegek felületének közelében az ionkoncentráció homogenitásának fokozására a dielektromos rétegek semlegesítésére szolgáló készülékben a köpeny homlokoldalán a dielektromos rétegek felülete és a semlegesítő elektróda homlokoldala között egy fémrács van rögzítve.
Célszerűen a töltéssűrűséget stabilizáló készülék a földelő elektróda síkjával párhuzamosan, a dielektromos rétegek és a töltőelektróda között elhelyezett rácsot, a töltőelektródát axiáli- san körülvevő hengerköpenyt, amelynek homlokoldalán a rács rögzítve van, és még egy, a ráccsal összekötött egyenfeszültségforrást tartalmaz.
Előnyös továbbá, hogy a stabil töltéssűrűséget ellenőrző készülék a földelőelektróda síkjára merőlegesen, a dielektromos rétegek közvetlen közelében elhelyezkedő, nem mozgatható mérőelektródát, a mérőelektródával csatolt illesztőerősítőt, és egy földelt kerek lemezt tartalmaz, amely a földelő elektróda síkjával párhuzamosan forgathatóan úgy van elhelyezve, hogy egyik része a dielektromos rétegek és a mérőelektróda között helyezkedik el, és kerülete mentén lyukakkal van ellátva, amelyek a földelt kerek lemez forgásakor váltakozva egybeesnek a mérőelektróda vízszintes vetületével a földelt elektródán.
2
5
176484
6
A találmányt a továbbiakban kiviteli példa és rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon az 1. ábra a rétegelektrétek előállítására szolgáló találmány szerinti berendezés vázlata, és a 2. ábra a dielektromos rétegek töltéssűrűségének időfüggvénye a találmány szerint. A rétegelektrétek előállítására szolgáló találmány szerinti eljárást a következőképpen hajtjuk végre: A 2 dielektromos rétegek 1 felületét (1. ábra) először null-potenciálra sütjük ki. Ez a munkafolyamat azért szükséges, mert a dielektromos réteg felületén véletlenszerűen mindig fellépő (triboelektromos) töltések vannak, amelyek a ré- tegelektrét stabil töltéssűrűségének alacsony értékét okozzák. A 2 dielektromos rétegek 1 felületének kisütése különböző módszerekkel történhet, például ezek elektromos érintkezésével egy villamosán vezető tiszta folyadékkal (desztillált vízzel). Igen előnyös módon a 2 dielektromos rétegek 1 felületét mindkét előjelű töltéseket tartalmazó ionizált gáz-(levegő-) atmoszférában sütjük ki. Ezután a 2 dielektromos rétegek kisütött 1 felületeire homogén és stabil sűrűségű töltéseket vezetünk. A 2 dielektromos rétegek 1 felületére vezetett töltés mennyisége meghatározott érték alatt marad. Így a 2 dielektromos rétegek 1 felületére 10 mikrométer vastagságú politetra- fluoretilén alapon olyan töltést vezetünk, amelynek sűrűsége nem éri el a 4X10-8 C/cm2 értéket. Ha azonban a 2 dielektromos rétegek töltéssűrűsége az említett értéknél nagyobb, akkor az instabillá válik, és az idő függvényében csökken. A töltések felvitele a 2 dielektromos rétegek 1 felületének természetes szőrmével való dörzsölésével vagy a 2 dielektromos rétegek 1 felületének egy elektromosan vezető folyadékkal való érintkezésével is történhet. A töltések igen előnyös módon azonos előjelű ionokat tartalmazó gázatmoszférában vihetők fel. A 2 dielektromos rétegek 1 felületére felvitt töltések sűrűsége az idő folyamán stabil, amint az a 2. ábrán látható. Az abszcissza tengelyen az idő hónapokban, az ordináta tengelyen pedig a 2 dielektromos rétegek 1 felületén kialakult töltéssűrűség C/cm2-ben van felmérve. A 2 dielektromos rétegek 1 felületén kialakult töltéssűrűség függésének grafikus ábrázolásából látható, hogy nincs meg az az instabil szakasz, amelyben a töltéssűrűség a kezdeti időszakban csökken. A rétegelektrétek előállítására szolgáló találmány szerinti eljárást megvalósító berendezés egy 3 földelő elektródát tartalmaz (1. ábra), amely egy eltolhatóan elhelyezett alátét alakjában, egy kerek, forgó lemezként van kialakítva. A 3 földelő elektróda szállítószalag alakjában is kivitelezhető. A 3 földelő elektróda felületén vannak elhelyezve a 2 dielektromos rétegek. A 2 dielektromos rétegeknek a 3 földelő elektróda felületével közvetlenül érintkező felülete a 4 alumí
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
niumréteggel van bevonva. A 2 dielektromos rétegek körülbelül 10 mikrométer vastag kerek lemezek. A találmány szerinti berendezés tartalmazza továbbá a nagyfeszültségű 5 egyenfeszült- ségforrást is. A 3 földelő elektróda fölött nagy- feszültségű 5 egyenfeszültségforrással összekötött 6 töltőelektróda van elhelyezve. A 6 töltőelektróda fémből készült, hengeralakú, átmérője 4 mm, magassága 25 mm és a 3 földelő elektróda felőli vége hegyes. A 2 dielektromos rétegek fölött, ezek közvetlen közelében (néhány milliméteres távolságban) egymás mögött van elhelyezve a dielektromos rétegeket semlegesítő 7 készülék, a hozzávezetett töltéseket stabilizáló 8 készülék, és a stabil töltéssűrűséget ellenőrző 9 készülék. A 7, 8 és 9 készülékek sorban egymás után elvégzik a 2 dielektromos rétegek semlegesítését, a 2 dielektromos rétegek 1 felületéhez hozzávezetett töltések stabilizálását és a stabil töltéssűrűség ellenőrzését. A 2 dielektromos rétegeket semlegesítő 7 készülék a nagyfeszültségű 10 váltakozó feszültségforrást tartalmazza. A nagyfeszültségű 10 váltakozó feszültségforrás all semlegesítő elektródával van összekötve. All semlegesítő elektróda a 3 földelő elektróda síkjára merőlegesen ennek közvetlen közelében van elhelyezve, és a 6 töltőelektródához hasonló felépítésű. All semlegesítő elektródát axiálisan egy földelt 12 fémköpeny veszi körül, amely egy 30 mm átmérőjű henger, amelynek átmérője valamivel nagyobb a 2 dielektromos rétegek átmérőjénél. A kétféle előjelű ionkoncentráció homogenitásának javítására a 2 dielektromos rétegek 1 felületének közelében, a földelt 12 fémköpeny homlokoldalán a 2 dielektromos rétegek 1 felülete és a semlegesítő 11 elektróda vége között a földelt 13 fémrács van rögzítve. A földelt 13 fémrács 0.1 átmérőjű huzalból készült. A 2 dielektromos rétegek semlegesítésére szolgáló 7 készülék ilyen felépítése biztosítja mindkét előjelű ionok elegendően nagy koncentrációját homogén ioneloszlás mellett, a 2 dielektromos rétegek kisülő 1 felülete közelében. Ennek következtében a tetszőleges előjelű véletlenszerű töltések teljes semlegesítéséhez szükséges idő a 2 dielektromos rétegek 1 felületén nem éri el az egy másodpercet. A töltéssűrűség stabilizálására szolgáló 8 készülék a 3 földelő elektróda síkjával párhuzamosan, a 2 dielektromos rétegek és a 6 töltőelektróda között elhelyezett 13 fémrácsot tartalmazza. A 8 készülék tartalmazza továbbá a 6 töltőelektródát axiálisan körülvevő hengeres 15 fémköpenyt, amelynek átmérője körülbelül 30 mm és amelynek homlokoldalán a 14 fémrács van elhelyezve, A 14 fémrács és a 15 fémköpeny egy kisfeszültségű 16 egyenfeszültségforrással van összekötve. A stabil töltéssűrűséget ellenőrző 9 készülék a 2 dielektromos rétegek közvetlen közelében a 3 földelő elektróda síkjára merőlegesen elhelyezett nem mozgatható hengeres 17 mérőelektródával van ellátva. A 17 mérőelektródával a 18
3
7
176484
8
illesztőerösitő van csatolva, amelyre a 19 szelektív erősítő csatlakozik. A 19 szelektív erősítő a 20 kijelző készülékkel van összekötve. A 9 készülék egy földelt, kerek 21 lemezzel is el van látva, amely forgathatóan van elhelyezve a 3 földelő elektróda síkjával párhuzamosan. A földelt, kerek 21 lemez egy része a 2 dielektro- mos rétegek és a 17 mérőelektróda között helyezkedik el (ezektől körülbelül 2 milliméter távolságban). A földelt, kerek 21 lemez a kerülete mentén a 22 lyukakkal van ellátva, amelyek a földelt, kerek lemez forgásakor váltakozva egybeesnek a 17 mérőelektróda homlokoldalának vízszintes vetületével a 3 földelő elektródán. A kerek 21 lemez a 2 dielektromos rétegek 1 felületén jelenlevő töltés által a 17 mérőelektróda homlokfelületén indukált töltés modulálására szolgál. A rétegelektrétek előállítására szolgáló berendezés a következőképpen működik: Először bekapcsoljuk a stabil töltéssűrűség ellenőrzésére szolgáló 9 készüléket. Az (1. ábrán fel nem tüntetett) szinkronmotor ekkor 1000 for- dulat/perc egyenletes fordulatszámmal forgásba hozza a 22 lyukakkal ellátott földelt, kerek 21 lemezt. A kerek 21 lemez forgásakor a 22 lyukak egyenlő időközökben egybeesnek a 17 mérőelektróda homlokoldalának vetületével a kerek 21 lemez felületén. Ha töltések vannak jelen a közvetlenül a kerek 21 lemez alatt elhelyezkedő 2 dielektromos rétegek 1 felületén, akkor a 18 illesztőerősítő bemenetén az 1 felületen fennálló töltéssűrűséggel arányos váltakozó feszültség (körülbelül 1000 Hz frekvenciával) keletkezik. Bekapcsoljuk (az 1. ábrán fel nem tüntetett) villamos motort, amely a földelt 3 elektródát egyenletesen forgatja (például 0,3 fordulat/perc sebességgel). Ezután a dielektromos rétegeket semlegesítő 7 készüléket és a stabilizáló 8 készüléket kapcsoljuk be, a nagyfeszültségű 5 egyenfeszült- ségforrás segítségével. A 11 semlegesítő elektróda csúcsának közelében a váltakozó áramú koronakisülés miatt pozitív és negatív ionok keletkeznek (a koronakisülés effektív feszültsége körülbelül 5000 Volt. Az ionok áthaladnak a 7 készülék földelt 13 fémrácsán, és teljes mértékben semlegesítik a 2 dielektromos rétegek 1 felületén a töltéssel rendelkező részeket, az alatt az idő alatt (körülbelül 1 másodperc), amelynek folyamán a 2 dielektromos rétegek egyike áthalad a 13 fémrács alatt. Ezután a kisütött 2 dielektromos rétegek a hozzávezetett töltéseket stabilizáló 8 készülék 14 fémrácsa alatt haladnak át. Ennek folyamán a 2 dielektromos rétegek 1 felületén stabil sűrűségű homogén töltés keletkezik. A 14 fémrács potenciálja egyenlő a szükséges stabil töltéssűrűséggel rendelkező 2 dielektromos rétegek 1 felületének potenciáljával. A feltöltött 2 dielektromos rétegek 1 felületének és a 8 készülék 14 fémrácsának potenciál egyenlőségét a teljes berendezés előzetes beállításával érjük el, amikoris a 6 töltőelektróda potenciálértékét megválasztjuk (5000 és 7000 Volt között) és a 20 kijelző készüléken kijelezzük. A fentiek eredményeként a 2 dielektromos ré
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
tegek 1 felülete egy stabil sűrűségű negatív töltéssel 1,8X10“8—3,6X10“s C/cm2 tartományba töltődik fel. A 2 dielektromos rétegek említett vastagságánál a megfelelően stabil potenciálok 100—200 Volt-ig terjednek.