Электризация рельефных диэлектрических поверхностей в поле коронного разряда

УДК 53.08

В.П. Пронин, И.С. Панова

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ РЕЛЬЕФНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА

Представлены отклики зондовой системы на распределение заряда при базовых видах одномерного рельефа поверхности, а также зависимость отклика от глубины впадин и длины поверхностных неоднородностей. Установлена связь распределения заряда на слое, получающегося в результате его электризации, в поле коронного разряда от параметров рельефа, играющая основополагающую роль при разработке приборов и устройств различного назначения.

Электризация, распределение заряда, рельефные поверхности, установка, зондовая система.

V.P. Pronin, I.S. Panova

ELECTRIZATION OF RELIEF DIELECTRIC SURFACES IN A FLOOR CROWN CATEGORY

The given work presents probe systems on distribution of a charge at four kinds of a one-dimensional relief of a surface, and also dependence of the response on depth of hollows of a relief and lengths superficial non-homogeneity. It analyses communication of distribution of a charge on a layer, turning out as a result its electrization on a layer, turning out as a result its electrization and the sizes of a superficial relief.

Electrization, distribution of a charge, relief surfaces, installation, probe system.

Каким образом электризуется в поле коронного разряда поверхность диэлектрического слоя с произвольным рельефом и как распределяется на ней заряд после электризации, можно выяснить экспериментально с помощью разработанных нами приборов [1]. Эти процессы практически не исследованы, однако, имеют важное значение в различных областях физики и техники и, в частности, при изучении рельефа различного рода носителей информации [2]. Аналитическое решение задач электризации слоя и считывания зарядового рельефа в этом случае затруднительно, так как пространственный заряд в короне является неизвестной функцией времени при соответствующих граничных условиях на поверхности слоя. Аппаратная функция Ф, определяющая преобразования зарядового рельефа в электрический сигнал и ее изменения аналитически также пока не определена в силу особенностей и сложностей решения краевой задачи. Тем не менее, проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать выводы относительно отклика зондовой системы на зарядовые распределения, получающиеся в результате электризации в поле коронного разряда диэлектрических поверхностей с заданным рельефом [3, 4]. Упрощенная схема разработанной и созданной нами экспериментальной установки и ее общий вид представлены на рис. 1.

\”т_Т

-ІПУ- ч

СС * * 4

Ос

У

ГПН 5 „

Н

БПО

БРТ

Рис. 1. Общий вид и функциональная схема установки: 1 - считывающий зонд;

2 - коронирующий зонд; 3 - исследуемый слой; 4 - проводящая подложка;

5 - основа слоя; ПрУ - предварительный усилитель; ДУ - дифференцирующий усилитель;

ПУ - полосовой усилитель; Ос - осциллограф; СС - система синхронизации развертки осциллографа; Н - нагреватель образца, тест и датчик температуры направляющей; БПО - блок перемещений образца; ИН - управляемый источник высокого напряжения; ДЗ - дозатор зарядки

Рис. 2. Виды рельефов и откликов в зарядовом и градиентном режимах при электризации в поле отрицательного коронного разряда

і

4

Ее функциональные возможности гораздо шире, поскольку реализуется возможность многофункционального исследования диэлектрических, полупроводниковых и композиционных гетерогенных структур с достаточно высоким линейным разрешением. В данной работе частично раскрыты применение установки при исследовании процессов электризации диэлектрических поверхностей слоя одномерного рельефа диэлектрической поверхности в поле коронного разряда, имеющих определяющее значение в нетрадиционных системах записи и преобразования информации.

Ниже приведены осциллограммы откликов зондовой системы с диаметром сигнального электрода 0,3 мм на распределения заряда в некоторых из этих четырех случаев, полученные при электризации слоев в поле короны (и = 6 кВ) с острия в процессе относительного вращения образца и зонда. Исследовалась электризация слоя при изменении расстояния между коронирующим электродом и основной поверхностью в пределах 2 мм < кк < 10 мм. При малых кк на углах рельефной поверхности не обнаружено увеличения сигнала, как это имеет место на границе однородного слоя, находящегося на проводящей подложке [4]. Отношение сигналов при нахождении зонда над плоской вершиной и над впадиной заряженного рельефа равно 2,4. Поскольку плотность заряда на слое зависит от толщины слоя обратно пропорцио-

нально, то, с учетом параметров исследуемого образца, оВ/оН « 1,3, в предположении изменения коэффициента передачи зондовой системы при ее нахождении над вершиной (КВ) и соответственно впадиной (КН) рельефа, так что КВ/КН« 1,6, получим (св/сН)(Кв/КН) « 2,1. Это, с погрешностью порядка 15%, подтверждает общие представления о распределении заряда при различных расстояниях до коронирующего электрода, напряжении и времени электризации на основе интерпретации результатов в приближении плоскопараллельного поля в зазоре зонд - исследуемая поверхность.

Осциллограмма отклика зондовой системы в режиме измерения индуцированного заряда при сканировании заряженного слоя с поверхностным рельефом переменной глубины приведена на рис. 2. Обращает на себя внимание зависимость величины максимального индуцированного заряда на зонде от глубины рельефа, которая в пределах изменения

0,2 Аё < 5 < 1,4Аё практически линейна (рис. 3 а, кривая 1).

При электризации однородных слоев установлено, что заряд на поверхности обратно пропорционален толщине слоя. Следовательно, при нахождении зонда над участками, лежащими в одной плоскости, параллельной плоскости сканирования, он должен быть одинаковым и, казалось бы, полученное экспериментально поведение отклика можно объяснить за счет изменения коэффициента передачи зондовой системы. Коэффициент передачи изменяется вследствие вариации объема диэлектрического слоя, находящегося непосредственно под сигнальным электродом зонда и при увеличении глубины впадин, при прочих равных условиях, он должен увеличиваться, что не согласуется с полученными экспериментальными результатами. Остается констатировать факт более сложных закономерностей накопления заряда на рельефной поверхности в поле коронного разряда, нежели в случае кусочнооднородных слоев различной толщины.

075

0,5

035

1

уг

5

0.4

¥

б

а

Рис. 3. Зависимость отклика зондовой системы: а - от глубины впадин рельефа; б - от длины поверхностных неоднородностей при постоянной глубине впадин;

1 - величина дн над выступами

Отклик системы с линейными размерами области зондирования равными 0,5 периода неоднородностей, при нахождении ее над впадинами зависит от глубины последних и существенно нелинеен (кривая 2 на рис. 3 а). При малых 5 он наиболее чувствителен к вариациям глубины, но уже для 5 > 0,5Аё это влияние несколько нивелируется (кривая 3 на рис. 3 а).

То обстоятельство, что отклик зондовой системы при сканировании заряженного в поле короны периодического рельефного слоя над выступами зависит квазилинейно от соседних впадин в сравнительно широких пределах, может быть использовано в соответствующих параметрических электроемкостных преобразователях рельефа поверхности в про-

порциональный электрический сигнал. При меньших вариациях 5 ожидается более высокая степень линейности преобразования.

Совсем иначе выглядит отклик зондовой системы на изменение размеров неоднородностей в направлении сканирования (рис. 2 в), однако и в этом случае, при изменении длины неоднородности примерно до размеров апертуры зонда наблюдается линейная зависимость величины заряда на зонде при его нахождении над выступами (кривая 1 на рис. 3 б). Зависимость величины индуцированного заряда при прохождении зондом впадин квазилинейна во всем диапазоне реализованных в эксперименте размеров неоднородностей (кривая 2 на рис. 3 б). Разность индуцированных зарядов на зонде при прохождении им выступов и впадин нелинейна (кривая 3 на рис. 3 б). Такой характер отклика системы можно объяснить изменением коэффициента передачи системы вследствие изменения объема диэлектрика, находящегося в непосредственной близости от сигнального электрода зонда.

Следовательно, в обоих рассмотренных случаях распределение заряда на слое, получающееся в результате его электризации в поле коронного разряда, нелинейно зависит от размеров поверхностного рельефа (заряд увеличивается на впадинах и при увеличении продольных размеров выступов). Нелинеен и процесс преобразования этого зарядового распределения на неровной поверхности в электрический сигнал с помощью электрической индукционной микрозондовой системы (индуцированный на зонде заряд уменьшается с увеличением размеров неоднородности рельефа вследствие уменьшения коэффициента передачи). Однако индуцированный на зонде заряд отражает вариации размеров поверхностных неоднородностей - глубины и длины - квазилинейно, по крайней мере, если они не превышают апертуры зонда. Таким образом, с помощью электризации рельефной поверхности диэлектрика в поле коронного разряда можно получить удовлетворительное соответствие между рельефом поверхности и сигналом в цепи зонда. Это подтверждается экспериментально.

1. Пронин В.П. Определение плотности термостимулированного заряда и его релаксация в пьезоэлектрических материалах / В.П. Пронин // Перспективные материалы. 2008. № 3.

2. Гущо Ю.П. Фазовая рельефография / Ю.П. Гущо. М.: Энергия, 1974. 137 с.

3. Мамин Д.В. Неразрушающие исследования однородности электрических свойств низкоомных композиционных материалов / Д.В. Мамин, В.П. Пронин // Перспективные материалы. 2001. № 2. С. 93-98.

4. Пронин В.П. Электроемкостные системы в электрофизике / В.П. Пронин. Саратов: СГСХА, 1996. 310 с.

ЛИТЕРАТУРА

С.98-104.

Пронин Виталий Петрович -

доктор технических наук, заведующий кафедрой «Физика» Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова

Pronin Vitaliy Petrovich -

Doctor of Technical Sciences,

Head of the Department of «Physics» of Saratov State Agrarian University in the name of N.I. Vavilov

Панова Ирина Сергеевна -

аспирант кафедры «Физика»

Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова

Panova Irina Sergeevna -

Post-graduate student of the Department of «Physics» of Saratov State Agrarian University in the name of N.I. Vavilov

Статья поступила в редакцию 30.03.09, принята к опубликованию 29.06.09