第十三章驻极体

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1、第十章第十章 驻极体及其应用驻极体及其应用Date1内内 容容一、驻极体简介二、驻极体的基本特性 三、驻极体的形成方法 四、杭州电子科技大学驻极体课题组简介Date2根据材料的导电性分类：根据材料的导电性分类：uu 导电材料导电材料uu 半导体材料半导体材料uu 绝缘材料（电介质材料）绝缘材料（电介质材料）在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。 Date3一、 驻极体简介 驻极体（Electret）是一类含有取向偶极 子（冻结或铁电）或准永久空间电荷（表面或 体内）的功能电介质材料。通过对某些介电材料（如聚合物等）施加 强电场，并采用一定的物理、化学方法使电荷 或电极化

2、状态长久地留驻在电介质上，可制成 长寿命的驻极体。 Date42.电介质极化电介质无极分子电介质：分子中的等效正电、负电荷中心重合有极分子电介质：分子中的等效正、负电荷中心不重合正负电荷中心原子核电子云正电荷中心负电荷中心Date53）电介质的极化无极分子的电子位移极化在外场作用下正负电荷中心被拉开形成 一个电偶极子，具有一定电矩（感应电矩 ），电矩方向与外场方向相同，介质两侧 出现极化电荷。 感应电矩几乎完全是电子在外场作用下 发生位移引起的。故称为电子位移极化。 有极分子的取向极化 无外场的虽然每个分子具有一定的固有 电矩，但由于分子的不规则热运动，各电 矩方向无规则，总电矩为零，宏观上不

3、产 生极化电荷在外场作用下，各分子因有电矩都有转 向电场方向的趋势，但由于分子热运动的 影响，取向不能完全一致，总电矩不为零 ，介质两侧出现极化电荷。总电矩是由分子固有电矩趋向外场方向 引起的，故称取向极化。Date6驻极体研究的发展史：1892年 英国科学家Heaviside最早提出驻极体概念1919年 日本的Eguchi研制成了世界上第一块人工驻极体1928年 Seleny利用电子束注入技术，发明了粉末静电记录1929年 Carlson的光电导成像研究导致静电复印技术的诞生。1962年 德国的Sessler和West发明薄膜驻极体话筒1968年 日本Sony公司将聚合物薄膜驻极体话筒投放市

4、场，开创了驻极体在传感器领域中应用的先河。1970年以后，驻极体空气过滤材料开始出现Date7驻极体中的电荷 ：空间电荷是由被捕获在电介质表面（也称表面电荷 ）、或体内（也称体电荷）的带电粒子，如电子、空穴或离子所产生，也称为驻极体的捕获电荷。偶极电荷通常是指被冻结的取向偶极子。这种电荷 是被束缚在所属的分子之内，不能脱离分子转移到 其他部位，故被称为束缚电荷。对含电极的驻极体，电极上还会产生补偿电荷。 Date8负电荷驻极的单面镀金属驻极体的 电荷分布示意图 Date9v 一是电荷从介质外面经极化电场的作用，沉积到 介质的表面或注入到介质表层一定深度，被那里的陷 阱所捕获；v 二是介质内部杂

5、质离子在极化电场的作用下作宏观 位移，移至异号电极近旁的介质层内，被那里的陷阱 所捕获；v 第三，由于电介质，特别是高聚物内部结构的不均 匀，结晶区和非结晶区交错在一起。结晶区通常是一 些微小的晶粒。当电流通过介质时，在晶粒两个端面 积聚的相反电荷（Maxwell-Wagner效应）。 捕获电荷的来源Date10电荷在晶粒界面的积聚Date11驻极体带电状态的描述：用表面电位VS表征VS等于驻极体两个表面之间的电位差。其与电荷的面密度的关系可用下式表示：其中L为样品厚度，s为面电荷密度 。Date12v 根据驻极体所带的电荷性质不同可分为：空间电荷驻极体一般为非极性材料，、聚四氟乙烯 、六氟丙

6、烯-聚四氟乙烯共聚物等。分子偶极驻极体一般为极性或弱极性材料，如聚偏氟 乙烯、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚酯等。v 根据驻极体材料性质不同可分为：有机材料，如聚丙烯等无机材料，有二氧化硅、氮化硅、云母、三氧化二 铝和五氧化二氮等。 驻极体的分类：Date13驻极体的基本物理效应：静电效应 压电效应 热释电效应 非线性光学效应Date14驻极体的静电效应是指两面裸露的驻极体的外部存在着静电场。当导体和介质进入这个电场后，将分别发生静电感应和介质的 极化而受到吸引。驻极体电容传声器、驻极 体静电式耳机、驻极体静电扬声器，以及驻 极体空气过滤器等，都是依靠驻极体的静电 效应而工作的。 驻极体的

7、静电效应Date15声传感器的应用-话筒动圈式话筒工作原理：电磁感应现象声信号电流信号NSNDate162、电容式话筒声电容变化电压工作原理：利用电容器充放电形成的充放电电流 Date173、驻极体话筒 工作原理：由内部的驻极体塑料膜感受声波， 原理与电容式话筒类似Date18驻极体声-电传感器截面示意图 驻极体声-电传感器 驻极体电-声传感器 Date19驻极体的压电效应驻极体在一定方向受到外力作用时，相应地 在驻极体的两个表面产生符号相反的电荷；当外 力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力 方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象 称为压电效应。Date20驻极体受压力或拉力时，电荷

8、的极性如下图所示。a) b) c) d)Date21空间电荷驻极体材料的压电效应具有闭合型空洞结构的空间电荷聚合物材料 Date22具有开放型空洞结构的空间电荷聚合物材料 Date23典型的三明治结构压电器件模型Date24“软”“硬” 聚合物复合 材料 由机械性能为“软” 和“硬”（杨氏模量相对 高低）的聚合物复合而成 压电效应是由于两种材料的粘弹性不同，捕获 在两种材料界面上的空间电荷在机械应力的作用下非对称性地向电极移动所致 Date25“软”“硬” 聚合物压电膜的结构 模型 Date26压电系数计算公式1和2分别为组成膜的厚度， 1，1和2，2分别 为介电常数和弹性模量。 qs为界面上

9、的电荷密度， qse为上电极表面的感应电荷。Date27驻极体的热释电效应驻极体的热电效应是指两面蒸有金属电极 的驻极体，在热应力作用下发生形变时，电极上的感应电荷发生相应的变化，而将电流释放 于外电路的现象。 T0Date28传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。 物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。Date29传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件 的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出 。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大 、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。

10、dVDate30热释电的构成及特性热释电外形和内部结构如图所示实用的热 释电由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤 波片等组成。敏感元件用红外热释电材料制 成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极。Date31Date32热释电的应用热释电信息转换器件用途广泛，主要用于防盗 报警和安全报警装置（防止人们误入危险区）、自 动门、自动照明装置、火灾报警等一些自动控制系 统中。 热电成象器件目前，热释电也可制成探测器阵列，已有 320240像敏元的热释电热成象系统上市，主要用 于红外摄像机。已成功的应用在我国风云一号和风 云二号卫星上。Date33v 医用传感器 利用极化的驻极体薄膜与人体接触来监控心脏搏动、

11、呼吸系统及低声频和次声频 下的血液循环规律； v 超声和水下换能器； v 压电换能器 应用于电话拨盘、打字机键盘和电子计算机输入端的外接触式开关；而驻极体碰 撞灵敏传感器能测量出车辆撞击时界面间的瞬时 压力；Date34生物驻极体材料对生物实体的宏观研究表明，种子、树叶、皮肤、鱼鳞、 血管和骨骼都具有驻极体性能。蛋白质、酶和纤维素等也存在 着明显的驻极体效应。临床实验指出，利用人工驻极体产生的 电场对人体相关器官的作用产生特殊的生物或生化效果，使某 些疾病得以治疗。已见报道的有脑血栓、慢性肝炎、骨折愈合 、关节炎和冻疮等。用于治疗骨刺的驻极体骨刺膏已在市场上 有售。在国外，科学家们试图通过测量

12、癌变器官和健康器官间 在施加同样电磁场后分子偶极矩的变化、松弛时间和分子自旋 磁矩等的差别，寻找它们间的内在联系规律，探求根治的途径。 Date35不同股骨的驻极体行为。 R（老鼠）；B（牛）；D（狗）；H （人）；M（矿化的骰骨）Date36血液和血管血液由血浆和血细胞组成。血浆由蛋白质， 糖类和脂类等近10种成份组成。而血液中无论是血细胞或血浆，其主要的组分之一是蛋白质。由 于蛋白质呈现强驻极态，因此血液和血管应该都 是生物驻极体材料。事实上，血液和血管都带负 电，由于心脏的迫动，和血管壁及血液间的同性 库仑力的推斥作用，导致了血液的畅通不凝效应 。Date37皮 肤 1967年，Sham

13、os等直接观观察到干态态皮肤的压压 电电效应应。20世纪纪80年代中期，在对对真皮，表皮 和角质质的压电压电 效应应研究后，人们们了解到上述皮 肤的各组组分中都存在着剪应应力的压电压电 性。真皮 的压电压电 性归归因于它的胶原蛋白的结结构网络络；表 皮的压电压电 性来源于局部取向的螺旋类角蛋白的张力原纤维。而皮肤中的角质具有最高压电系数 。这种状态的皮肤的压电和热释电性的主要贡献 是由于组织中捕获的过剩空间电荷。 Date38干化的尿素养酶的TSD电流谱Date39胰蛋白质酶的TSD电流谱 （：水合的；：在真空中部分变性的）Date40静电复印成象工艺是：首先将光导绝缘板进 行表面充电，并以光

14、学图象照光，从而引起表面 光导放电，使得在含有调色粉末的光导绝缘板上 产生一个隐形的静电图象。此后这样的静电图象 被转移，并最终定型在复印纸上。 静电复印 Date41静电复印机“卡尔逊法”静电复印的全过程进入下一复印过 程充电曝光显影转印定影清洁复印品输 出从充电、曝光、显影、转印、定影到清洁，组 成了静电复印的全过程Date42静电复印机复印过程分步示意图 Date43静电复印机四大系统的组成框图 Date44Date45驻极体空气过滤材料的作用机理 驻极体过滤器中的滤材，在与气流垂直的方向上 存在着高达几百至上千伏电压的静电场，从而形成了 无数个无源集尘电极。当气流中的带电微粒通过这些

15、孔隙时，就在电场力的作用下被捕获。气流中的中性 微粒因感应或极化而成为偶极子，从而也可有效地被 捕获；由驻极体产生的强静电场和微电流刺激细菌使 蛋白质变异，损伤细菌的细胞质及细胞膜，破坏细菌 的表面结构，导致细菌死亡。另外由于电场力是长程 力，在同样的过滤效率时，滤材空隙的几何尺寸可以 比普通纤维或多孔材料的几何尺寸大，使过滤器的压 差比传统的过滤器降低2040倍，明显地减少了流阻 。 Date46二、聚丙烯材料的驻极体特性二、聚丙烯材料的驻极体特性Date471、聚丙烯材料的合成及其结构 聚丙烯无纺布具有纤维超细、比表面积大、孔隙率高、低空气阻力、良好 的加工性能、以及具有高效的深层过滤 性

16、能，是现代过滤器的首选材料。 Date48聚丙烯是由丙烯单体在催化剂的引发下聚合而成，重复单元由三个碳原子组成。根据甲基支链的位置， 可分为等规立构、间规立构和无规立构。v 等规立构聚丙烯有最高的熔点（168171）和高结晶度（60%左右）及良好的力学性能。 v 间规(间同立构)聚丙烯，其熔点为130150，低于等规立构聚丙烯，但具有较好的透明性、透气性 和耐辐射性等。 v 无规立构聚丙烯无力学强度，往往是生产等规聚丙烯时的副产物。 Date49Date502、聚丙烯驻极体电荷特性研究概况 在驻极体研究的诸多方法中，热刺激放电（TSD）是研究驻极体材料电荷储存稳定性的基本方法。 它是将驻极体样品线性升温，在开路或短路条件下 ，测量出不同温度下热激发导致捕获在驻极体不同 能级陷阱内的空间