CN100562954C - 一种驻极体的极化方法 - Google Patents

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本发明涉及一种驻极体的极化方法，包括下述步骤：(1)在驻极体材料的至少一面覆盖一层极性高分子薄膜；所述极性高分子薄膜的介电常数大于驻极体材料的介电常数；(2)升温至所述极性高分子薄膜熔化，对驻极体材料施加外电场进行注极；(3)降温，撤去电场即得所述驻极体。本发明利用极性高分子薄膜和驻极体材料之间的界面极化，将载流子注入到距被注极材料表面一定深度的陷阱中，从而形成稳定的驻极体；方法简单、操作方便。

Description

一种驻极体的极化方法
(一)技术领域
本发明涉及一种用于制备特殊材料驻极体和微器件结构用驻极体的极化方法。
(二)背景技术
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，静电、压电和热释电效应是其具有的基本物理效应。
最早提出驻极体概念的是英国科学家Heaviside，他在1892年定义：当外电场减小至零后，体内仍能保持一定的剩余电矩的电介质材料(驻极体材料)为驻极体。1919年Eguchi利用天然蜡、树脂和牛黄的共混体通过极化方法研制成了世界上第一块人工驻极体。1962年由德国的Sessler和West在美国Bell实验室发明，并由日本Sony公司于1968年首先投放市场的第一个聚合物薄膜驻极体话筒，开创了驻极体在传感器领域中应用的先河。20世纪60年代以来，以非晶态SiO2、Si3N4为代表的无机驻极体材料、和通过掺杂或化学键合的方式将极性生色团分子引进到聚合物材料中去，在外电场作用下，使极性生色团分子沿电场方向取向并被冻结下来而形成的具有非线性光学活性的极化聚合物材料的研究极大地推动了驻极体领域的发展。目前用于制备驻极体的材料主要是以高聚物为主的有机化合物，如非极性材料有聚丙烯、聚四氟乙烯、六氟丙烯-聚四氟乙烯共聚物等；极性或弱极性材料有聚三氟氯乙烯、聚丙烯PP(共混)及聚酯等，其中聚四氟乙烯是目前驻极体商品化器件中应用得最为广泛的材料。无机驻极体材料有二氧化硅、氮化硅、云母、氧化铝和五氧化二氮等。
现有制备驻极体方法分为：电晕极化、热极化、电子束极化、光极化、光诱导极化、全光学极化、气体辅助极化等。其中电晕极化和热极化方法是应用最为广泛的两种方法。
电晕极化方法是在常压大气中，利用一个非均匀电场引起空气的局部击穿的电晕放电产生的离子束轰击电介质，并使离子电荷沉积于电介质内。然而，由于电晕场对气隙离子激发十分有限的束能，因此电晕充电的电荷仅能沉积于样品的表面与近表面。而且，在现有的微器件结构中，驻极体膜和电极的宽度在毫米量级以下时，材料面积的微型化所产生的尺度效应使得电晕极化方法产生的电荷更易通过驻极体材料间隙之间的电极而流失，很难注入到驻极体膜中，因而驻极体膜不容易捕获电荷。另外对于某些具有吸水性的驻极体材料，如SiO2等，采用电晕极化方法虽能获得初始电位较高的驻极体，但由于表面电导较高，电荷稳定性很差。
现有的热极化法是在一定的高温下对电介质材料施加一外电场，使空间电荷注入到电介质材料中或使热活化的分子偶极子沿电场方向取向，并在维持电场的情况下，冷却到一低温值，以冻结被电介质材料捕获的空间或取向的偶极子。外电场一般通过在样品表面蒸镀的金属电极作用于充电介质上。其缺点是易造成被极化材料的电场击穿，难于施加高的电场，而使极化效率下降。由于在样品表面需蒸镀金属电极，而使其在微器件结构驻极体膜的极化中的应用受到了限制。
(三)发明内容
本发明所要解决的技术问题就是针对现有的电晕极化和热极化方法在特殊材料驻极体和微器件结构用驻极体的制备时所存在的缺陷和困难而提出来的，目的在于提供一种操作简单、可形成具有稳定电场、可实现产业化应用的驻极体极化方法。
本发明的驻极体的极化方法，包括下述步骤：
(1)在驻极体材料的至少一面覆盖一层极性高分子薄膜；所述极性高分子薄膜的介电常数大于驻极体材料的介电常数；
(2)升温至所述极性高分子薄膜融化，对驻极体材料施加外电场进行注极；
(3)降温，撤去电场即得所述驻极体。
本发明的极性高分子薄膜可选自下列之一：聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯。
优选地，所述极性高分子薄膜为聚偏氟乙烯。
优选地，所述的驻极体材料为二氧化硅，所述极性高分子薄膜为聚偏氟乙烯。
优选地，所述的驻极体材料为Si3N4/SiO2双层膜，所述极性高分子薄膜为聚偏氟乙烯。
优选地，所述的极化方法包括下述顺序步骤：
①、先在驻极体材料的一面蒸镀金属电极；
②、在驻极体材料的另一面覆盖一层极性高分子薄膜；
③、升高温度，使极性高分子薄膜熔化；
④、在熔化的极性高分子薄膜上附加另一金属电极；
⑤、在保持极性高分子薄膜熔化的条件下，在两电极间施加一极化电场进行注极，极化电场电压保持在500～5000V之间，电压控制在材料不发生击穿；
⑥、降温，撤去电场。
再优选地，步骤⑤中的注极时间在5～60分钟。
再优选地，步骤⑥中降温至室温。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用极性高分子薄膜和驻极体材料之间的界面极化，将载流子注入到距被注极材料表面一定深度的陷阱中，从而形成稳定的驻极体。本发明的极化方法特别适应于微型器件和表面具有亲水性的电介质材料。制备得到的驻极体具有稳定的电场，可用于驻极体话筒、驻极体微型电机和其它驻极体微型传感器中。
2、方法简单、操作方便。
(四)附图说明
图1是本发明所述极化方法的示意图。
(五)具体实施方式
下面结合实施例对本发明作优选地说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1参照图1，本实施例的驻极体材料采用SiO2薄膜，极性高分子薄膜采用聚偏氟乙烯。
①、先在驻极体材料3的背面蒸镀金属电极4；
②、在驻极体材料3的正面覆盖一层极性高分子薄膜2；
③、升高温度，使极性高分子薄膜2熔化；
④、在熔化的极性高分子薄膜2上附加另一金属电极1；
⑤、在保持极性高分子薄膜2熔化的条件下，在两电极间施加一极化电场进行注极，极化电场电压控制在材料不发生电击穿；
⑥、降至室温，撤去电场。
本实施例得到的驻极体具有稳定电场。
实施例2参照图1，本实施例的驻极体材料为SiO2/Si3N4双层膜，极性高分子薄膜采用聚偏氟乙烯。
①、先在驻极体材料3的背面蒸镀金属电极4；
②、在驻极体材料3的正面覆盖一层极性高分子薄膜2；
③、升高温度，使极性高分子薄膜2熔化；
④、在熔化的极性高分子薄膜2上附加另一金属电极1；
⑤、在保持极性高分子薄膜2熔化的条件下，在两电极间施加一极化电场进行注极，极化电场电压控制在材料不发生击穿；
⑥、降至室温，撤去电场。
本实施例得到的驻极体同样具有稳定电场。
实施例3参照图1，本实施例的驻极体材料为聚四氟乙烯膜，极性高分子薄膜采用聚偏氟乙烯。
①、先在驻极体材料3的背面蒸镀金属电极4；
②、在驻极体材料3的正面覆盖一层极性高分子薄膜2；
③、升高温度，使极性高分子薄膜2熔化；
④、在熔化的极性高分子薄膜2上附加另一金属电极1；
⑤、在保持极性高分子薄膜2熔化的条件下，在两电极间施加一极化电场进行注极，极化电场电压控制在材料不发生击穿；
⑥、降至室温，撤去电场。
本实施例得到的驻极体同样具有稳定电场。

Claims (8)

1、一种驻极体的极化方法，包括下述步骤：
(1)在驻极体材料的至少一面覆盖一层极性高分子薄膜；所述极性高分子薄膜的介电常数大于驻极体材料的介电常数；
(2)升温至所述极性高分子薄膜融化，对驻极体材料施加外电场进行注极；
(3)降温，撤去电场即得所述驻极体。
2、如权利要求1所述驻极体的极化方法，其特征在于所述极性高分子薄膜选自下列之一：聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯。
3、如权利要求2所述驻极体的极化方法，其特征在于：所述极性高分子薄膜为聚偏氟乙烯。
4、如权利要求1所述驻极体的极化方法，其特征在于：所述的驻极体材料为二氧化硅，所述极性高分子薄膜为聚偏氟乙烯。
5、如权利要求1所述驻极体的极化方法，其特征在于：所述的驻极体材料为SiO2/Si3N4双层膜，所述极性高分子薄膜为聚偏氟乙烯。
6、如权利要求1～5之一所述驻极体的极化方法，其特征在于包括下述顺序步骤：
①、先在驻极体材料的一面蒸镀金属电极；
②、在驻极体材料的另一面覆盖极性高分子薄膜；
③、升高温度，使极性高分子薄膜熔化；
④、在熔化的极性高分子薄膜上附加另一金属电极；
⑤、在保持极性高分子薄膜熔化的条件下，在两电极间施加一极化电场进行注极，极化电场电压保持在500～5000V之间，电压控制在材料不发生击穿的范围；
⑥、降温，撤去电场。
7、根据权利要求6所述的驻极体的极化方法，其特征是：步骤⑤中的注极时间在5～60分钟。
8、根据权利要求6所述的驻极体的极化方法，其特征是：步骤⑥中降温至室温。
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