Configuration grille - électret
Avantages – difficultés
Des électrons sont émis à partir d’une cathode froide disposée sous la plaque fine, et s’implantent dans un matériau polarisable tel que PP, PTFE, ou SI02. En mettant la plaque épaisse sous tension positive et la plaque fine à la masse, on crée un champ électrique entre les deux plaques qui va attirer les électrons et provoquer leur implantation à une profondeur d’environ 10 nanomètres pour un potentiel de 100 Volts. La répartition uniforme des électrons implantés doit éviter une concentration beaucoup plus forte aux bords et un effet de pointe.
Contrairement à la configuration précédente, l’émission ionique à partir de l’anode, si elle a lieu, n’obligerait plus à stopper le fonctionnement du dispositif. Il suffit de faire fonctionner la cathode froide et de réimplanter des électrons.
La couche diélectrique devient trop mince pour claquer et la charge électronique implantée, qui est statique, contribue également à limiter le risque.
L’intérêt de cette configuration dépendra surtout de la difficulté à obtenir la charge voulue (0,01 Coulomb minimum / m²). Parmi les raisons de cette difficulté, une partie des électrons va tomber au bord de la grille et raser les flancs verticaux, ce qui risque d’ioniser le diélectrique et les électrons libérés seraient immédiatement aspirés dans le vide vers la surface de silicium en raison du champ électrique élevé dans cette zone.
Dans ce cas, il deviendrait impossible d’augmenter la charge de l’électret dès que le champ électrique dans les trous de la grille atteint un certain niveau. La solution la plus évidente consiste à réduire autant que possible l’énergie des électrons implantés, car d’elle dépend le pouvoir d’ionisation du diélectrique par les électrons. Une autre solution consisterait à implanter non pas des électrons, mais des ions négatifs à la surface d’un diélectrique microporeux. Le pouvoir d’ionisation par les ions est beaucoup plus faible, à basse énergie, que celui par les électrons.
Contrôle de la charge
On pourra contrôler le niveau de charge de l’électret grâce au variateur de tension et un nano ou picoampèremètre. Pendant l’opération de chargement de l’électret, on met la tension nécessaire pour accélérer les électrons (ou les ions) à implanter. On estime le niveau de charge par la mesure du temps écoulé. Si on veut connaître le niveau exact, on coupe l’alimentation de la cathode froide puis on fait baisser lentement la tension, jusqu’à ce que le potentiel au niveau de la zone implantée s’annule puis devienne négatif. A cet instant, la plaque métallique fine doit commencer à ce charger positivement et des électrons instables dans l’électret doivent remonter vers la plaque fine, ce que l’on doit détecter avec le nano ou picoampèremètre. Le niveau de tension à cet instant indiquera le niveau de tension dans l’électret, et par conséquent son niveau de charge et la valeur du champ électrique dans les trous de la grille.
Epaisseur des plaques – boîtier isolant – mesure du refroidissement : voir première possibilité.
Puissance électrique consommée
Elle dépendra essentiellement de la stabilité de la charge implantée. La durée de vie d’un électret conventionnel est de l’ordre du siècle, ce qui en gros revient à dire qu’il faudrait le recharger tous les siècles. Mais, dans le cas présent, le niveau de charge demandé serait au minimum 10 fois plus élevé que les électrets conventionnels les plus chargés, et en compensation on peut s’attendre à une diminution considérable de la stabilité. Imaginons le cas très défavorable où la durée de vie tombe à 10 secondes. Il faudrait donc recharger l’électret toutes les 10 secondes, ce qui induit un courant constant d’émission d’environ 10-3 Ampère/m². Avec un potentiel de 200 Volts, on aurait donc une puissance consommée de 0,2 Watts/m², ce qui est encore négligeable par rapport à la puissance de transfert thermique à attendre.