Ưu điểm lớn nhất của tụ điện màng hữu cơ kim loại là khả năng tự phục hồi, điều này khiến chúng trở thành một trong những loại tụ điện có tốc độ phát triển nhanh nhất hiện nay.

Có hai cơ chế tự phục hồi khác nhau cho tụ điện màng kim loại hóa: một là tự phục hồi bằng phóng điện; cơ chế còn lại là tự phục hồi điện hóa. Cơ chế thứ nhất xảy ra ở điện áp cao hơn, vì vậy nó cũng được gọi là tự phục hồi điện áp cao; vì cơ chế thứ hai cũng xảy ra ở điện áp rất thấp, nên nó thường được gọi là tự phục hồi điện áp thấp.

Xả tự phục hồi

Để minh họa cơ chế tự phục hồi phóng điện, giả sử có một khuyết tật trong lớp màng hữu cơ giữa hai điện cực kim loại có điện trở R. Tùy thuộc vào bản chất của khuyết tật, đó có thể là khuyết tật kim loại, bán dẫn hoặc khuyết tật cách điện kém. Rõ ràng, khi khuyết tật thuộc một trong những trường hợp đầu tiên, tụ điện sẽ tự phóng điện ở điện áp thấp. Chỉ trong trường hợp sau cùng thì hiện tượng phóng điện ở điện áp cao mới tự phục hồi.

Quá trình tự phục hồi phóng điện diễn ra như sau: ngay sau khi đặt điện áp V vào tụ điện màng kim loại hóa, dòng điện ohmic I = V/R chạy qua khuyết tật. Do đó, mật độ dòng điện J = V/Rπr² chảy qua điện cực kim loại hóa, tức là vùng càng gần khuyết tật (r càng nhỏ) thì mật độ dòng điện trong điện cực kim loại hóa càng cao. Do nhiệt Joule sinh ra từ công suất tiêu thụ của khuyết tật W = (V²/R)r, điện trở R của chất bán dẫn hoặc khuyết tật cách điện giảm theo cấp số mũ. Vì vậy, dòng điện I và công suất tiêu thụ W tăng nhanh, kết quả là mật độ dòng điện J1 = J = V/πr¹² tăng mạnh trong vùng điện cực kim loại hóa rất gần khuyết tật, và nhiệt Joule của nó có thể làm tan chảy lớp kim loại hóa trong vùng đó, gây ra hiện tượng phóng điện hồ quang giữa các điện cực. Hồ quang nhanh chóng bay hơi và đẩy kim loại nóng chảy ra ngoài, tạo thành vùng cách ly không có lớp kim loại. Hồ quang tắt và quá trình tự phục hồi được hoàn thành.

Do nhiệt Joule và hồ quang sinh ra trong quá trình tự phục hồi phóng điện, chất điện môi xung quanh khuyết tật và vùng cách điện của bề mặt chất điện môi chắc chắn bị hư hại do nhiệt và điện, dẫn đến phân hủy hóa học, khí hóa và cacbon hóa, thậm chí cả hư hại cơ học.

Từ những điều trên, để đạt được khả năng tự phục hồi phóng điện hoàn hảo, cần đảm bảo môi trường cục bộ phù hợp xung quanh khuyết tật. Do đó, thiết kế tụ điện màng hữu cơ mạ kim loại cần được tối ưu hóa để đạt được môi trường hợp lý xung quanh khuyết tật, độ dày lớp mạ kim loại phù hợp, môi trường kín khí, và điện áp lõi cũng như dung lượng phù hợp. Khả năng tự phục hồi phóng điện hoàn hảo được gọi là: thời gian tự phục hồi rất ngắn, năng lượng tự phục hồi nhỏ, khả năng cách ly khuyết tật tuyệt vời, không gây hư hại cho chất điện môi xung quanh. Để đạt được khả năng tự phục hồi tốt, các phân tử của màng hữu cơ nên chứa tỷ lệ nguyên tử carbon so với hydro thấp và một lượng oxy vừa phải, sao cho khi sự phân hủy các phân tử màng xảy ra trong quá trình phóng điện tự phục hồi, không tạo ra carbon và không xảy ra sự lắng đọng carbon để tránh hình thành các đường dẫn điện mới, mà thay vào đó tạo ra CO2, CO, CH4, C2H2 và các khí khác để dập tắt hồ quang với sự gia tăng đột ngột của khí.
Để đảm bảo môi trường xung quanh vùng lỗi không bị hư hại trong quá trình tự phục hồi, năng lượng tự phục hồi không nên quá lớn, nhưng cũng không nên quá nhỏ, nhằm loại bỏ lớp mạ kim loại xung quanh vùng lỗi, tạo thành vùng cách điện (điện trở cao), từ đó cô lập vùng lỗi và đạt được khả năng tự phục hồi. Rõ ràng, năng lượng tự phục hồi cần thiết có liên quan mật thiết đến kim loại của lớp mạ kim loại, độ dày và môi trường. Do đó, để giảm năng lượng tự phục hồi và đạt được khả năng tự phục hồi tốt, người ta sử dụng lớp mạ kim loại hữu cơ với các kim loại có điểm nóng chảy thấp. Ngoài ra, lớp mạ kim loại không nên có độ dày và độ mỏng không đều, đặc biệt là tránh các vết xước, nếu không, vùng cách điện sẽ trở nên phân nhánh và không đạt được khả năng tự phục hồi tốt. Tất cả các tụ điện CRE đều sử dụng màng phim tiêu chuẩn, đồng thời quản lý kiểm tra nguyên vật liệu đầu vào nghiêm ngặt, loại bỏ các màng phim bị lỗi ngay từ đầu, đảm bảo chất lượng màng phim của tụ điện.

Ngoài khả năng tự phục hồi bằng phóng điện, còn có một khả năng khác nữa, đó là tự phục hồi điện hóa. Chúng ta sẽ thảo luận về cơ chế này trong bài viết tiếp theo.