Исследование диэлектрических тонкопленочных материалов, страница 2

Последний необходим для того,  чтобы гасить микроразряды в диэлектрической пленке,  которые не являются причиной пробоя, а, напротив, могут увеличивать электрическую прочность образца.  Кроме того, наличие в нагрузке  резистора R1 облегчает режим работы  потенциостата после пробоя конденсатора. В электрической схеме испытательного стенда предусмотрено прекращение  роста напряжения в момент пробоя.  Следовательно, напряжение пробоя может быть зафиксировано оператором. Момент пробоя регистрируется по скачку напряжения на R1 с помощью  высоковольтного вольтметра.  Более подробная информация о протекании пробоя, необходимая для выяснения его механизма, может быть получена с помощью осциллографа, включенного параллельно R1 и регистрирующего микропробои, а также с помощью самописца.                                         

Испытания  на пробой относятся  к разрушающим испытаниям.  Поэтому партия испытуемых конденсаторов  является выборкой  из партии изготовленных конденсаторов.  Результаты испытаний обрабатываются с помощью  статистических методов.

Конечной целью испытаний является определение величины  максимального рабочего напряжения партии конденсаторов, соответствующего заданной надежности.       

В настоящей лабораторной работе моделируется процесс измерения напряжения пробоя в четырех партиях  пленочных конденсаторов на основе монооксида кремния.

Каждая партия  отличается  от остальных  площадью рабочей поверхности S  и/или толщиной пленки диэлектрика h, как следует из таблицы:

N партии	S, мм кв	h, нм
1	0.8x0.8	20
2	2x2	20
3	0.8x0.8	80
4	2x2	80

Каждая партия содержит 25 конденсаторов. Напряжение на конденсаторах поднимается со скоростью 0,5 В/с.                                               

4. Построение гистограмм пробивного напряжения

          Для построения гистограммы весь диапазон напряжений DU на нагрузочном сопротивлении делится на нечетное число поддиапазонов. Чем больше измерений, тем больше число поддиапазонов. Но математическая статистика рекомендует число поддиапазонов ограничивать 5, 7 реже девятью. Поскольку партия конденсаторов не велика и содержит всего 25 штук, то число поддиапазонов лучше ограничивать пятью.

          Из результатов измерений напряжения находят U_max и U_min. Диапазон напряжений DU= U_max - U_min. Определяется величина поддиапазона DU/5. По оси абсцисс откладываются точки: U_min; U_min+DU/5; U_min+2DU/5; …; U_max. По оси ординат откладывается количество конденсаторов, имеющих напряжение, заключенное в каждом поддиапазоне. Количество конденсаторов лучше подсчитывать в процентах. Например, если напряжение, лежащие в пределах от U_min+DU/5, имеют 3 конденсатора, то по оси ординат откладывается число 3/(N – n_k) × 100%, где N – число конденсаторов в партии (для нашего случая N=25), n_k – число короткозамкнутых конденсаторов (U=0).

Порядок выполнения работы

          Изменение напряжения на конденсаторах моделируется с помощью ЭВМ. На экране монитора высвечиваются напряжения пробоя. Эти данные следует или распечатать, или переписать с экрана. Каждый запуск ЭВМ приводит к другим результатам.

          1. Оформить таблицу значений пробивного напряжения, включающую:

-  номер партии, характеристики партии (толщину пленочного материала, площадь рабочей поверхности);

-  номер измерений;

-  значение пробивного напряжения.

          2. Построить гистограммы пробивного напряжения для каждой партии конденсаторов.                                  

3. Рассчитать для каждой партии конденсаторов:                          

-  выход годных, т.е. отношение числа конденсаторов  не короткозамкнутых к полному количеству конденсаторов,   

-  среднее арифметическое значение напряжения пробоя  для всех конденсаторов исключая короткозамкнутые,  

-  рекомендуемое рабочее напряжение конденсаторов Uраб.  с надежностью 95%.                                                               

Uраб=U(95)/k ,

где U(95) - максимальное напряжение, которое выдержали не менее 95% конденсаторов в партии, k - коэффициент запаса, равный 2.

Содержание отчета

          В отчете сформулировать цель работы, описать объект исследования и его модель. Представить данные по пп. 1-3 порядка выполнения работы.

Вопросы для самопроверки и зачета

1.  Какую роль играет коэффициент запаса при вынесении решения о рабочем напряжении?

2.  Как влияет толщина диэлектрического пленочного материала на пробивное напряжение конденсатора?

3.  Поясните влияние площади рабочей поверхности конденсатора на пробивное напряжение.

4.  За счет чего происходит пробой диэлектрических тонкопленочных материалов?

5.  Что такое короткозамкнутый конденсатор?

6.  Что понимается под гистограммой пробивного напряжения?

Литература

1. Справочник по электротехническим материалам. Т.1. Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В.Пасынкова и Б.М.Тареева. - М.: Энергоатомиздат, 1986.              

2. Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков, Б.М.Тареев. Электротехнические материалы. - Л.: Энергия, 1977.                                                    

3. В.Франц. Пробой диэлектриков. - М.: ИЛ, 1961.                        

4. Б.П.Беленький, Н.П.Бондаренко  и др.  Расчет эксплуатационных характе-ристик и применение электрических конденсаторов. - М.: Радио и связь, 1988.