CN101222187A - 直接作用容性换能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容性换能器及其制造方法。该换能器包括一组电极，在电极之间设置了介电材料。该电极和介电材料构成一电容，其中电容被设置成使得施加到电极的电能能至少部分地直接被换能器转换成驱动的机械功，即，没有释放存储能量。因此，施加的电能直接移动该换能器是源于介电材料的变形，而不是源于存储于预加载物体、一弹簧、或在其它的弹性可变形元件内的势能的释放。由于它允许换能器被设计成无需在驱动方向上施加给换能器一预应变，这是有益的，且也减少了换能器中的能量损耗。

Description

直接作用容性换能器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能够在电能和机械能之间转换的容性换能器及其制造方法。更具体地，本发明涉及具有一组波纹状电极的容性换能器，该波纹无需施加预应变到固定该电极的材料即可获得。有益地，本发明的容性换能器可通过卷绕固定该组电极的介电材料网而形成，该介电材料优选地具有类似于弹性体的电气和机械性能。

背景技术

能够响应一电压而执行一偏转的电活性聚合物是一种熟知的技术，如在US6376971中记载的一种柔顺电极，该柔顺电极通过以下方式与聚合物接触放置，使得当在电极间施加一电位差时，电极间产生的电场使电极相对彼此收缩，因此使聚合物偏转。由于电极实质上为刚性材料，它们必须制成为有结构的以使得它们柔顺。

该电极被描述成具有“平面内”或“平面外”柔性。在US6376971中，可通过在驱动期间以高于其正常能够拉伸的程度拉伸一聚合物，从而提供该平面外的柔顺电极，且刚性材料层沉积于被拉伸的聚合物表面上。例如，该刚性材料可为当该电活化聚合物被拉伸时被固化的聚合物。在固化后，该电活化聚合物被松弛，且该结构被弯曲以提供有结构的表面。该刚性材料的厚度可被改变以提供任何尺寸的结构，包括亚微米级。可选地，有结构的表面可通过反应离子蚀刻(RIE)来制造。例如，RIE可在包括硅的预应变的聚合物上采用RIE气体来进行，以形成具有波谷和波峰深达4-5微米的表面，该RIE气体包括90％的四氟化碳和10％的氧。作为又一可选的，该电极可粘接到聚合物的表面上。粘接到聚合物的电极优选为柔顺的并遵从聚合物的改变的形状。有结构的电极可提供多于一个方向上的柔性。有粗糙结构的电极可在正交的平面方向提供柔性。

同样在US6376971中公开了一被构造和提供一个方向柔性的平面柔顺电极，其中金属迹线在电荷分布层上被构图为平行线，两者覆盖了聚合物的有效区域。该金属迹线和电荷分布层被涂布到聚合物的相对面。该电荷分布层有助于金属迹线之间的电荷分布，并且是柔顺的。结果，该被构造的电极允许在垂直于平行的金属迹线的柔顺方向上偏转。一般地，该电荷分布层具有大于电活化聚合物但小于金属迹线的电导率。

该聚合物可在一个或多个方向上被预应变。预应变可通过在一个或多个方向上机械拉伸一聚合物并在应变时将该聚合物固定到一个或多个实心构件(例如刚性板)而实现。保持预应变的另一技术包括使用一个或多个加强材。该加强材为置于当其处于预应变状态例如其被拉伸时的聚合物上的长刚性结构。该加强材沿其轴线方向保持预应变。该加强材可排列为平行或根据其它配置以实现换能器的定向柔性。

在US6376971中公开的柔顺电极可以包括导电脂，如碳脂或银脂，提供多个方向上的柔性，或者该电极可包括碳原纤维，碳纳米管，离子化导电材料或胶体悬浮物的混合物。胶体悬浮物包含亚微米尺寸颗粒，如液体载体中的石墨、银和金。

该聚合物可为商业性可获得的产品，比如商业性可获得的丙烯酸弹性体膜。它可为通过浇铸、浸渍、旋涂或喷涂而得的膜。

可选地，现有技术中已知的有结构的电极可被光刻法构图。在该情形，光致抗蚀剂被沉积于预应变的聚合物上且采用掩膜来构图。等离子体蚀刻可以移除未被期望的图案的掩膜保护的电活化聚合物的部分。随后掩膜通过合适的湿蚀刻被移除。该聚合物的活性表面被例如通过溅射沉积的金薄层覆盖。

US6891317披露了一种卷绕的电活性聚合物，例如，具有或不具有电极的电活性聚合物，被缠绕或且绕到自身上(例如，像一张海报)或缠绕到其他物体(例如一弹簧)上。该聚合物可被重复卷绕，且最少包括重叠了至少聚合物的内层部分的聚合物的外层部分。对于单个电活性聚合物层结构，卷绕的电活性聚合物可包括大约2和200层之间。在该情形，一层指沿卷绕的聚合物的径向横截面上有的聚合物膜或片的数量。弹簧提供导致施加到聚合物周向和轴向预应变的力。

卷绕的电活性聚合物可采用多层结构，其中多个聚合物层在卷绕或缠绕前被相互布置其上。例如，其上不具有构图的电极的第二电活性聚合物层可被置于电活性聚合物上，该电活性聚合物在两个表面均具有构图的电极。直接在两聚合物之间的电极为直接接触的两聚合物表面服务。卷绕后，有电极的聚合物的底面上的电极则接触无电极的聚合物的顶表面。以该方式，在其上没有构图的电极的第二电活性聚合物使用第一电极化聚合物上的两个电极。

其它的多层结构也是可以的。例如，多层结构可包括任何偶数个聚合物层，其中奇数聚合物层有电极而偶数聚合物层没有电极。在卷绕后，顶部无电极的聚合物的上表面则依赖于叠层的底部上的电极。采用该技术，具有2、4、6、8等层的多层结构是可行的。某些情形下，多层结构中使用的层数可能受到卷的尺寸和聚合物层的厚度限制。随着卷半径减小，该允许的层数通常也减少。不管使用的层数如何，该卷绕的换能器被设置成使得给定极性的电极不接触相反极性的电极。多层也可被单独地给予电极，且每隔一层聚合物层可在卷绕前被翻转，使得在卷绕后相互接触的电极具有相似的电压或极性。

采用在US6376971和US6891317中记载的技术制造电活性聚合物，尤其卷绕的驱动器具有波纹状电极的柔顺方向非常难以控制的缺点。

进一步，期望通过卷绕一介电材料网获得该换能器，其中该介电材料网可为如具有电极设置于其上的聚合物网，因为装置的稳定性提高了，且当被卷绕结构的绕数增加时获得了一更大的驱动力。由此，欲获得大的驱动力，必须提供大量的绕数。然而，使用在US6376971和US6891317中所记载的现有技术时，由于所需要的聚合物膜的必要最小厚度，绕数被限制。

最后，为了使用现有技术获得需要的柔性，需要对电极使用具有相对高电阻的材料。由于具有大量绕数的卷绕驱动器将无疑具有很长的电极，电极的总电阻将非常高。这种类型的驱动器的响应时间由τ＝R·C给出，其中R为电极的总电阻，C为该复合物的电容。因此，高总电阻将导致该驱动器非常长的响应时间。因此，为了获得可接受的响应时间，绕数必须被限制，且因此，驱动力也被限制，即在设计驱动器时，必须权衡响应时间和驱动力。

由此，基于介电聚合物原则的电活性聚合物驱动器的传统设计至今有四种不同的配置，即有限尺寸的单驱动器片，有限尺寸和数量的单驱动器片的叠层，有限尺寸和非常有限的绕数的卷绕的单驱动器片，和有限尺寸和非常有限的绕数的单驱动器片的卷绕的片。

上述所有的驱动器配置具有一共同的工作原则，即它们都必须在预应变模式操作，或者通过采用一物质(恒定负载，典型用于垂直位移)的预应变或采用处于压缩或拉伸状态下的弹簧或类似弹簧的元件预加载。这两种预应变配置的目的在于补偿沿驱动方向上这些非常软的电活性材料结构的硬度的缺乏。实际上，当对它们施加电能后，正是该物质或弹簧输送了大部分机械功。由于存储在电活性材料内势能的恢复，该电活性材料仅当从其移除电能即放电后才输送功。如没有预加载，当对它们施加电能时，由于拉伸应力，该电活性驱动器易于弯曲或纵向弯曲，而不是施加任何实质的轴向驱动力。

发明内容

由此，本发明的一个目的在于相对于相似的现有技术容性换能器，提供一种具有显著增加的驱动力的容性换能器。

本发明的进一步的目的在于相对于相似的现有技术容性换能器，提供一种具有改善的响应时间的容性换能器。

本发明的更进一步的目的在于提供一种无需平衡响应时间和驱动力的容性换能器。

本发明的更进一步的目的在于提供一种无需在驱动方向上给换能器提供预应变的容性换能器。

本发明的更进一步的目的在于以简单的方式提供一种防止或至少实质上减少纵向弯曲的容性换能器。

根据本发明的第一方面，上述和其它目的通过提供一种容性换能器而实现，该换能器包括一组电极，在电极之间设置了介电材料，该电极和介电材料由此形成电容，其中该电容被设置成使得施加到电极的电能可以至少部分地直接被换能器转换成驱动的机械功。

本文中，术语“换能器”应被解释为一种能够在电能和机械能之间转换的装置。由此，该换能器可为一传感器，该传感器能例如将通过施加一力到换能器而提供的机械能转换为如以电信号的形式的电能，该电信号表明了施加到换能器的力的大小，且由此被传感器感测。可选地或附加地，该换能器可为一驱动器，该驱动器能将例如以施加于电极间的电势的形式的电能转换为例如沿一指定的方向换能器的收缩和/或沿一指定的方向换能器的延长的机械能。由此，在该情形，位于一介电材料的相对表面上的两个电极之间的电位差产生引起吸引力的电场。结果，电极间的距离产生变化，该变化导致介电材料的压缩，由此该介电材料变形。由于与肌肉的某种类似，弹性体驱动器有时也称作人造肌肉。

在本文中，术语“介电材料”应被解释成意味着具有大于等于2的相对介电常数ε_r的材料。

该电容被设置成使得施加到电极的电能可以至少部分直接地被换能器转换成驱动的机械功。本文中，术语“直接地”意味着施加的电能直接移动该换能器是源于介电材料的变形，而不是源于存储于预加载物质、弹簧、或在其它的弹性可变形元件中的势能的释放。由此，“直接地”应被解释成“没有释放存储能量”。另一方面，当电能被提供给电极时，介电材料的变形积累了势能，和当电极间电位差消失时，该势能被释放，同时介电材料被恢复原状。由此，根据本发明，该施加的电能被至少部分转换成机械功，该机械功直接移动换能器而没有从预加载物质、弹簧或其它装置释放存储的势能。换言之，该电能被立即转换成机械功，即，当电能被提供时被转换。由于它允许换能器被设计成无需在驱动方向上对换能器施加预应变，这是有益的。由此，根据本发明，电活性材料，即在其间设置有介电材料的电极为唯一的输送机械功的元件，无论是对其提供电能还是从其移除电能时。因此，以简单的方式可以防止或至少实质减少了纵向弯曲。

根据本发明，由此实现，为制造该换能器需要更少的组件，且设计换能器的更高的自由度成为可能，例如考虑其它参数。该制造成本也被减少。另外，在将电能转换成机械能之前无需存储被提供的电能，如以势能的形式，该事实显著地减少了换能器的能量损耗，由此提供一更为高效的换能器。最后，换能器上的磨损被减少，由此延长了换能器的使用寿命，和减小了换能器在操作过程中的噪声水平。

优选地，被提供的电能的至少一实质部分被直接转换成机械功。因此，当电能被供应到电极时，被提供的电能的至少一实质部分，如多于50％，或甚至多于80％或90％，在供应电能时被立即转换成机械功。

该电容被进一步设置成使得施加到电极的电能可以被至少部分地转换成势能，所述势能被存储于介电材料中，并使得存储的势能可以通过换能器在电容放电期间转换成驱动功。

根据该实施例，如上所述，部分的优选实质部分的被提供的电能被直接转换为机械功。然而，同时，部分的优选一小部分的被提供的电能类似于现有技术中换能器操作的方式被转换成势能。当电极间的电势差随后减少时，在供电期间被充电的电容将开始放电。电容放电过程中，存储的势能被释放并转换成机械功。由此，根据本发明的实施例，该换能器能够在电能提供给电极期间和没有电能提供给电极期间操作。根据该实施例，可以加载该换能器，且当载荷随后被移除时，该加载的换能器将能执行机械功。由于这样的换能器可变形的，在该情形，换能器能被认为是具有可变的弹性特征的弹簧。该换能器例如可被用于阻尼目的或作为一弹簧。

该介电材料可为聚合物，例如弹性体，比如硅酮弹性体，比如弱粘性硅酮。一种合适的弹性体为Elastosil RT 625，由Wacker-Chemie制造。可选地，同样由Wacker-Chemie制造的Elastosil RT 622或Elastosil RT 601也可被使用。作为替代，也可选择其它种类的聚合物。

在使用不为弹性体的介电材料的情形，应注意该介电材料应当具有类似弹性体的性能，例如就弹性而言。因此，该介电材料应当可变形到一定程度使得该复合物能偏转，和从而由于介电材料的变形而引起推和/或拉。

电极可被涂布到介电材料膜上，该情形下，可提供非常薄的电极。

该介电材料的至少一个表面可以提供有波纹状图案。根据本实施例，该介电材料的表面的波纹状图案可提供该电容的期望的柔性，特别在设置于介电材料的表面上的一电极提供有波纹状图案时。在薄电极被施加到波纹状表面的情形中，该电极将依照波纹图案，该波纹状表面的柔性将被电极所采用。

该波纹图案可包括沿一共同方向延伸的形成波峰和波谷的波形，该波形确定了有助于沿垂直于共同方向的方向上的移动的各向异性的特征。根据本实施例，该波峰和波谷类似于驻波，具有本质上平行的波前。然而，该波形不必要为正弦波，但可具有合适的形状，只要界定了波峰和波谷。根据本实施例，波峰(或波谷)确定实质上线性等高线，即，一般而言沿具有相对于复合物等高的波纹的部分的线。该至少实质上的线性线将至少实质上平行于由其它波峰和波谷所形成的相似的等高线，和该至少实质的线性线的方向确定了该共同方向。以该方式确定的共同方向导致了产生各向异性，且有助于在垂直于共同方向的方向上复合物的移动，即该复合物，或设置在该波纹状表面上至少一导电层在垂直于该共同方向的方向上是柔顺的。连同潜在无限的网，该波峰和波谷可例如沿长度方向或横向延伸。

优选地，在柔顺方向上复合物的柔性为其在共同方向垂直于柔顺方向上的至少50倍大。

该波形可以具有周期性重复的形状。在一个实施例中，这可能意味着每个波峰和波谷至少实质上是相同的。可选地，该周期性可在较大的尺度获得，即，该重复图案可为几个“波长”长。例如，波峰/波谷的波长、幅度、形状等可周期性的重复。作为替代，波形的形状可为非周期性的。

每个波形可定义为波峰和相邻的波谷之间的最短距离的一个高度。在该情形，每个波形可定义具有高度为最多110％的平均波形高度的最大的波形，和/或每个波形可定义具有高度为至少90％的平均波形高度的最小的波形。根据本实施例，波形高度的变化非常小，即，获得了非常均匀的图案。

根据一实施例，波形的平均波形高度可以为1/3微米到20微米之间，比如为1微米和15微米之间，比如2微米和10微米之间，比如4微米和8微米之间.

替代地，或附加地，该波形可以具有定义为两波峰之间最短距离的波长，且波形的平均高度和平均波长之间的比值可以为1/30和2之间，比如1/20和3/2之间，比如1/10和1之间。

该波形可以具有1微米到20微米的范围的平均波长，比如2微米到15微米的范围，5微米到10微米的范围。

介电材料具有一厚度，该厚度被定义为从介电材料的一表面的一点到处于介电材料的波纹表面的波峰和波谷之间中途的一中间点的最短距离，该厚度可在10微米和200微米之间，如在20微米和150微米之间，30微米和100微米之间，40微米和80微米之间。

波形的平均高度和介电材料的平均厚度之间的比值处于1/50和1/2之间，如1/40和1/3之间，1/30和1/4之间，1/20和1/5之间。

电极的平均厚度和波形的平均高度之间的比值处于1/1000和1/50之间，如1/800和1/100之间，1/700和1/200之间。

电极的至少之一可以提供有波纹状的表面图案。如上所述，这可以有利地得到，即通过将一电极施加介电材料的波纹状表面，因此电极采用了表面的波纹装图案。可选地，电极的波纹状的表面图案可通过其它合适的方式获得，如，通过预应变介电材料，将电极施加到预应变的介电材料的表面，而且移除预应变。所得的电极将具有波纹状的表面图案。该方式在现有技术中已有记载。

在本发明的优选实施例中，该复合物通过以这样的方式优化上述参数而被设计，即考虑了膜以及导电层材料的介电和机械性能，和获得了具有期望性能的复合物。因此，膜的平均厚度可以在一方面适当考虑膜的相对介电常数和击穿电场，且在另一方面考虑导电层之间的电位差而选择。相似地，波峰的高度可以相对于膜的厚度被优化，从而横跨设置在导电层之间的介电材料膜获得相对均匀的电场分布。另外，导电层厚度、平均波长、和波形高度可被优化以获得期望的柔性。这将参照附图在后进一步描述。

根据本发明的优选实施例，该电容已经被卷绕以形成介电材料和电极的盘绕图案，该卷绕的电容由此形成了换能器。本文中，术语“盘绕图案”应被解释成换能器的一横截面呈现电极和介电材料的平螺旋状图案。由此，该卷绕的电容相似于瑞士蛋糕卷或部分的瑞士蛋糕卷。

根据本实施例，该换能器优选地通过卷绕/缠绕潜在地无限长的电容而被设计为一厚壁的柱状自支撑结构。该自支撑结构足够强以防止在正常的操作中的纵向弯曲。

该电容可被围绕一轴向延伸的轴卷绕以形成沿轴向延伸的延长形状的换能器。

该卷绕的电容可形成管状构件。这可以理解成该卷绕的电容定义了外表面和面向卷绕的电容的中空内腔的内表面。由此，该情形的电容形成了一“管”，但“管”可具有各种合适的形状。

在该卷绕的电容形成一管状的构件的情形下，该卷绕的电容可形成一实质上柱状或类似柱状的构件。本文中，术语“柱状形状”应被解释为定义了一纵轴的形状，其中该构件的沿一至少垂直于纵轴的平面的横截面将具有至少实质上独立于沿纵轴位置的尺寸和形状。因此，根据本实施例，该横截面可以具有至少实质上的圆周，由此定义了一实质上柱形的管状构件。然而，优选横截面为非圆形状，如椭圆形、卵形、矩形、或甚至非对称形状。优选非圆形状，因为期望在操作中改变换能器的横截面面积，同时保持该横截面的至少基本上恒定的周长。在横截面为圆形的情形下，这是不可能的，因为具有恒定周长的圆形不能改变其面积，因此，优选非圆形状。

卷绕的电容可定义一横截面面积A，该面积为形成卷绕的电容的材料被定位的卷绕电容的部分横截面的面积，且A可以在10平方毫米到20000平方毫米的范围内，如50平方毫米到2000平方毫米的范围内，如75平方毫米到1500平方毫米的范围内，如100平方毫米到1000平方毫米的范围内，如200平方毫米到700平方毫米的范围内。由此，A可被当作卷绕的电容的总横截面面积的部分的尺寸，其为被电容“占据”的尺寸。换言之，A为在一侧被外表面划界而在另一侧被面对卷绕结构的中空腔的内表面所划界的横截面面积。

该卷绕的电容可定义回转半径r_g，定义为 $r_g=\sqrt{I/A},$ 其中I为卷绕的电容的面积转动惯量，r_g可在5毫米到100毫米的范围内，如在10毫米到75毫米的范围内，如在25毫米到50毫米的范围内。该回转半径r_g反映了距沿管状构件的纵轴延伸的中心轴的距离，如果卷绕电容的整个横截面位于距该中心轴的该距离处，则将得到同一转动惯量I。

进一步，该卷绕的电容可定义细长比λ，定义为λ＝L/r_g，其中L为卷绕的电容的轴向长度，λ可小于20，比如小于10。由此，细长比λ反映了卷绕的电容的轴向长度和上述定义的半径之间的比值。因此，如果λ高，则轴向长度相对于该半径大，且该卷绕的电容器将由此看上去为一“细长的”物体。另一方面，如果λ低，则长度相对于半径小，卷绕的电容器将由此看上去为一“肥胖的”物体。由此为“细长比”。具有低细长比的物体比具有高细长比的物体趋向于展现更为刚性。因此，在具有低细长比的卷绕的电容中，避免或至少显著减少了驱动时的纵向弯曲。

卷绕的电容定义了壁厚t，且比值t/r_g可在1/1000到2的范围，如1/500到1的范围，1/300到2/3的范围。该比值反映了由卷绕的电容定义的壁相对于卷绕的电容器的整个尺寸有多薄或多厚。如果该比值高，壁厚大，则由卷绕的电容定义的中空腔比较小。另一方面，如果该比值小，壁厚小，则由卷绕的电容定义的中空腔比较大。

替换地或附加地，被卷绕的电容具有壁厚t，和可包括绕数n，绕数n为每毫米壁厚5到100绕的范围，如每毫米壁厚具有10到50绕的范围。该数字越大，没有被卷绕的电容就越薄。相比于具有相同或相似的横截面积且具有较厚膜的较少绕数的相似的换能器，大量的薄膜绕数允许在电极间低电位差的情形获得一给定的驱动力。这是非常有利的。

上述设计参数可以根据由本发明人开发的设计原则优化。该设计原则允许基于驱动器性能规格确定卷绕的驱动器的最优尺寸。该设计原则将如下所述优选地被实施。

电活性网的机械和静电性能被用作估计每单位面积的驱动力和行程的基础。如上所述的卷绕的换能器通过卷绕/缠绕非常薄的如具有微米范围厚度的电活性网而制成。该类型的典型换能器可由成千绕构成。

当被激活时，直接/推进换能器转换电能为机械能。部分能量以势能的形式存储在换能器材料中，且当电容被放电时该能量再次可被使用。余下的部分机械能被有效的用于驱动。将该余下部分机械能完全转换成驱动能只有在该换能器结构抵抗机械不稳定性加强后才有可能，机械不稳定性比如公知的由于轴向压缩的引起的纵向弯曲。根据欧拉理论，这可以一方面加强该换能器的横截面面积，另一方面优化换能器的长度来实现。

该优化工艺起始于定义给定的应用所需要的力的水平。然后，基于每单元面积上驱动力，可以估计出为达到上述力水平所需要的横截面面积。

抵抗任何机械不稳定性的驱动器稳定化需要通过增加横截面的面积转动惯量I来设计其横截面尺寸。低I值导致不稳定的结构，高I值导致抵抗纵向弯曲的非常稳定的结构。设计结构尺寸的设计参数为与横截面A和面积转动惯量I相关的回转半径r_g。低r_g值导致不稳定的驱动器结构，高r_g值导致非常稳定的驱动器结构。在定义了面积A和回转半径r_g的最优范围后，可以定义以t/r_g形式相对于r_g的卷绕的驱动器壁厚t的最优范围。面积A、半径r_g和壁厚t是为最大稳定性而设计驱动器横截面尺寸的设计参数。低t/r_g导致非常稳定的驱动器结构，高t/r_g值表明不稳定的驱动器结构。

一旦横截面参数被确定，需要对于所需的力的水平，估计由轴向压缩引起的纵向弯曲不会出现的驱动器的最大长度。定义为长度L和回转半径r_g的比值的长细比是与欧拉理论相关的普遍使用的参数。低L/r_g导致抗纵向弯曲的非常稳定的驱动器结构，高L/r_g值导致不稳定的驱动器结构。

一旦确定该优化工作的直接驱动器的所有设计参数，对于具有特定的微米范围厚度的给定的电活性复合物，可以基于驱动器壁厚t和每毫米绕数n估计出建造该驱动器所需的总绕数。

卷绕的电容可包括一中心杆，该中心杆被设置成使得电容围绕该中心杆卷绕，该中心杆的弹性模量小于介电材料的弹性模量。根据本实施例，由管状构件定义的中空腔可被中心杆填充，或该中心杆也可为中空的，即，它具有管状结构。该中心杆可支撑卷绕的电容。然而，重要的是中心杆的弹性模量小于介电材料的弹性模量以防止中心杆抑制换能器的功能。

替换地或附加地，该卷绕的电容器可包括一中心杆，该中心杆被设置成使得电容围绕该中心杆卷绕，且中心杆可包括邻接该卷绕电容的外表面，所述的外表面具有允许卷绕电容在换能器的驱动期间沿所述外表面滑动的摩擦。如在该情形，该中心杆可以例如为一弹簧。由于卷绕的电容被允许沿中心杆的外表面滑动，中心杆的存在将不抑制换能器沿由中心杆定义的纵向的延长，且由于中心杆的低摩擦特征，换能器的操作将由此不受中心杆的存在的限制。

卷绕的电容可以具有一横截面的面积转动惯量，其至少为非卷绕的电容的横截面的面积转动惯量的50倍，如至少75倍，如至少100倍。根据本发明，优选地，该增加的面积转动惯量通过卷绕具有足够绕数的电容而获得，以达到卷绕的结构的期望的面积转动惯量。由此，即使没有卷绕的电容优选地非常薄，和因此可以预料具有非常低的面积转动惯量，但通过简单地卷绕具有足够绕数的电容，可以获得卷绕的电容的期望的面积转动惯量。优选地，在正常操作过程中，该卷绕的电容器的面积转动惯量应当足以防止换能器的纵向弯曲。

由此，卷绕的电容可以具有大量的绕数以足够实现卷绕的电容的一横截面的面积转动惯量，其至少为非卷绕的电容的横截面的平均面积转动惯量的50倍，如至少75倍，如至少100倍。

根据一实施例，正电极和负电极可在介电材料的同一表面上被设置为一图案，且该电容可通过卷绕具有设置于其上的电极的介电材料而形成，以致于卷绕的电容定义了层，其中，在每一层，正电极和负电极相对设置，介电材料设置于两者之间。根据该实施例，该电容可优选地通过提供长介电材料膜和沉积电极于膜的一表面上而制造。该电极可例如沿长膜的纵向以交替的方式被设置。则该长膜可被卷绕以致于具有位于其上的正电极的部分的膜将被设置成邻近属于一紧接的前一绕数和具有在其上的负电极的部分膜。由此，正电极和负电极将设置成相互面对，介电膜的部分位于其之间。因此，当膜被卷绕时形成了电容。

该电容具有一电容值，其作为施加到电极的电能的函数来变化。当电能被施加到电极时，横跨介电材料产生的电场将使得电极相对于彼此相互收缩，由此偏转该介电材料。由于这改变了电极间的距离，该电容的电容值也作为施加到电极的电能的函数来变化。在该情形，换能器作为一驱动器。

相似地，电容可具有一电容值，其作为施加到电容的机械能的函数来变化。当机械能被施加到电容时，例如通过沿一指定的方向推或拉该电容，由于介电材料优选电极的柔性，结果将使电极间的距离，和由电极定义的电容面积改变。因此，电容的电容作为施加到电容的机械能的函数来变化。电容值可由此用作施加的机械能的一测量值，且在该情形，该换能器由此被用作传感器。

该电极可以每个具有低于10^-4Ω·cm的电阻率。通过提供具有的极低电阻率的导电层，即使使用了很长的导电层，该导电层的整个电阻将不会过大。因此，当该复合物被用于一驱动器时，在机械能和电能之间转换的响应时间能够维持在可接受的水平，同时允许复合物的大表面面积，并由此获得大的驱动力。在现有技术中，不可能提供具有足够低电阻的波纹状的导电层，主要因为需要充分考虑材料的其它属性来为现有技术的导电层选择材料以提供柔性。通过本发明，因此可以由具有非常低电阻率的材料提供柔顺的导电层，因为这允许在维持换能器的可接受的响应时间时获得大的驱动力。

该介电材料可以具有大于10¹⁰Ω·cm的电阻率以防止电流横跨介电材料的厚度方向流动，由此导致电容器的损伤。优选地，该介电材料的电阻率远高于电极的电阻率。

该导电层可优选地由金属或导电合金制成，例如选自由银、金和镍组成组的一种金属。可选地，也可以选择其它的合适金属和导电合金。因为金属和导电合金通常具有非常低的电阻率，上述优点可通过由一金属或导电合金制造导电层而被获得。

该电极可以每个具有0.01微米到0.1微米的范围的厚度，如在0.02微米到0.09微米范围内，0.05微米到0.07微米范围内。由此，该电极优选地应用于在非常薄层的膜上。因此，在介电材料的表面提供有波纹状图案的情形，施加到该表面的薄电极将趋向依照表面的波纹状图案，和该电极将因此也为波纹状。这点在前已叙述。

该换能器可被设置成与电控制装置连接以在电能和机械能之间转换。该电控制装置优选地连接到电极。由此如上所述，提供给电极的电能将导致由换能器执行的机械功。相似地，提供给换能器的机械能导致提供给电控制装置的电信号。这也在前记载了。因此，换能器可用作驱动器、传感器、或驱动器以及传感器。另外，电能和机械能之间的转换能如上所述被直接执行。这是很有利的。

该换能器可被设置以通过使用静电场力产生一压力。如上所述，该压力优选地被直接产生。在该情形下，换能器被用作推力驱动器。

根据本发明的一实施例，该电极被置于介电材料膜的第一和第二表面上，该电极定义了：

换能器的活性部分，其中电极部分覆盖了介电材料的两表面；

第一钝性部分和第二钝性部分，在第一和第二钝性部分中，仅介电层的一个表面被导电层之一覆盖；

其中该第一钝性部分由第一表面上的导电层的接触部分所定义，且该第二钝性部分由第二表面上的导电层的接触部分所定义。

该换能器的活性区域在介电材料的两表面具有电极区域。由此，该活性区域形成了一电容，和将如上所述般被可偏转。因此，当选择电接触到换能器的位置时，活性区域不是合适的选择，因为位于相对柔性的换能器材料和一相对刚性的电连接构件如接触电极之间的活性区域内的连接将导致疲劳断裂，如果该换能器在接触点“工作”的话。

另一方面，该钝性部分仅在介电材料的一个表面上具有被电极覆盖的介电材料，且该钝性部分由此不工作为一电容，和它们由此在换能器的操作中不偏转，即，该介电材料在钝性部分不受静电场力。这使得当选择接触点的位置时，钝性部分为一合适的选择。

由此，本发明的该实施例的优点在于提供了钝性部分，钝性部分由电极的接触部分而定义。由此显著地减少了疲劳断裂的风险。

该接触部分可形成电极部分的一个延伸。这可例如通过相对于在材料的第二表面上的电极位移在介电材料的第一表面上的电极而获得，由此在换能器的周边形成了钝性部分。可选地，其也可以通过给每个电极提供电极材料的小突起来获得，该突起沿介电材料的纵轴等间距分开，且介电材料的第一表面的突起相对于介电材料的第二表面的突起而位移。在该情形，突起将定义钝性部分。

换能器可包括至少两层介电材料的多层合成物，介电材料的第一层可以包括第一电极，介电材料的第二层包括第二电极，且所有的层通过移位配置被结合在一起，在多层合成物的每个表面形成接触部分。这与上述情形相类似，在上述的情形介电材料的第一表面上的电极相对于介电材料的第二表面上的电极位移。然而，在该情形活性和钝性部分由叠置工艺形成。

当如上所述的包括接触部分的换能器被叠置以形成扁平或管状结构的多层合成物时，可以在多层合成物的一端或相对端获得钝性部分。在管状换能器的情形下，该钝性部分可在一端表面设置，或在相对的端表面设置，且接触部分可因此有利地定位于一或两端表面。

至少一电连接器被连接到介电材料的每个表面的接触部分。该电连接器可优选地为现有技术中已知的和被用于其它目的的标准连接器。由此，电连接器可包括金属带，金属元件，金属涂布的聚合物元件和/或导电聚合物带。可选的，该电连接器可包括导电粘接剂和/或导电聚合物。该情形下，导电粘接剂和/或导电聚合物优选地以液体形态被施加并随后允许固化以提供稳定的连接。

根据本发明的第二方面，上述和其它的目的通过提供制造容性换能器的方法而实现，该方法包括步骤：

提供一对电极，

提供设置于电极间的介电材料，该电极和介电材料由此构成电容，和

设置电容以致于形成一换能器，和以致于施加到电极的电能可以通过换能器至少部分直接转换为机械能以用于驱动。

必须注意，本领域技术人员容易意识到任何结合本发明的第一方面所记载的特征同样可与本发明的第二方面结合，且反之亦然。

根据本发明的第二方面的该方法非常适合于制造根据本发明第一方面的容性换能器，参考本发明第一方面的评述因此在此可同样应用。

该方法可还包括沿轴向延伸的轴卷绕电容的步骤以形成在轴向延伸的延长形状的换能器。根据本实施例，获得了上述的一卷绕的换能器，例如具有管状结构。

卷绕电容的步骤包括卷绕大量的绕数以足够让卷绕的电容的横截面的面积转动惯量至少为非卷绕的电容的横截面的平均面积转动惯量的50倍，如至少100倍。如上所述，优选地，在该情形，在正常操作过程中，得到的换能器优选地足够“刚性”以防止换能器的纵向弯曲。

提供一介电材料的步骤可包括步骤：

提供一形状定义元件，具有凸起和凹陷表面部分的表面图案，

提供一介电材料的液态成分到该表面图案上，和

固化该液态成分以形成具有凸起和凹陷表面部分的复制图案的表面的介电材料膜。

根据该实施例，介电膜的表面提供有一波纹状图案。该波纹状图案在制造工艺中被直接提供到表面上。

形状定义元件可为一模或类似模的物体，或它可为任何其它合适的结构或能够复制表面图案到如网的介电材料的膜上的物体。

介电材料的液态成分被提供到该表面图案上并随后被固化，由此形成介电材料的膜。由于介电材料位于形状定义元件上时被固化，形状定义元件的表面图案被复制到面对形状定义元件的介电膜的表面上。

考虑了被使用的特殊的介电材料和介电材料的所得膜的期望厚度，该介电材料的液态成分被通过一种合适的方式提供给表面图案。根据一优选实施例，介电材料的液态成分被涂布到表面图案上，由此提供一非常薄膜的介电材料。然而，该液态成分可在任何合适的工艺中被提供，如任何合适的涂布或成型工艺，包括但不限于，压模成型、注射成型，喷涂，常规刷涂等。

提供一组电极的步骤可包括沉积导电层到复制图案的至少一部分。根据本实施例，沉积到复制图案上的电极将优选地采用复制的表面图案，且波纹状电极由此如上所述被提供。

提供记载的波纹状电极是非常有利的，因为它能无需预应变介电材料而被提供。由此获得了包括最终的柔性方向的波纹状电极图案的高控制度。另外，如上所述的制造工艺允许使用具有极低电阻率的电极材料，例如金属，由此在该点上获得了上述优点。最后，可以提供非常薄的介电材料膜，在该介电材料膜上施加了甚至更薄的电极。这是非常有利的，因为提供了制造具有相对高的驱动力和相对少的响应时间的换能器的可能性。

该导电层能在物理气相沉积工艺中沉积到膜上。可选的，可采用任何合适的工艺，如采用一喷涂工艺，使用包含导电颗粒的溶液。

该导电层可被沉积到膜上，导电层具有0.01微米到0.1微米的厚度范围，如在0.02微米到0.09微米范围内，0.05微米到0.07微米范围内，即，优选地，导电层非常薄。该厚度被石英晶体微量天平控制。

石英晶体微量天平为在物理气相沉积中普遍采用的厚度测量技术。它允许以亚纳米范围的精度控制沉积涂层例如金属涂层等的厚度。

该导电层可在溅射工艺或一电子束工艺中、或任何其它合适种类的工艺制成。

该膜可用等离子体处理，以改善导电层的粘接力，且该等离子体处理通过已知可产生温和等离子体的辉光放电而执行，且该处理可以在氩等离子体中进行。另外，在等离子体处理的步骤后和在沉积导电层于膜的步骤之前，一粘接促进剂被施加到膜的至少所述部分上。该情形，该粘接促进剂可通过在该膜和导电层之间施加一层铬或钛而提供。优选地，该粘接促进剂可在物理气相沉积工艺中被施加到介电材料的膜上。可选地，粘接促进剂可使用任何其它合适类型的工艺被施加。

等离子体清洗为弹性体膜的金属化工艺中的关键步骤。它增强了被沉积材料的粘接力。然而，不是任何的等离子体都适用于处理弹性体膜，因此应当仔细选择该等离子体。如上所述，优选氩等离子体。已知等离子体在弹性体界面上形成薄而非常硬的硅酸盐“玻璃态”层。当随后施加了导电层时，所得的是具有有限柔性的波纹状的电极和由于刚性电极产生裂纹的危险而不能很大拉伸的复合物。我们选择非反应性的氩等离子体处理，因为氩为惰性气体。然而，在真空沉积室内氧气和其它反应气体的残留且与氩等离子体的结合可能对于小的反应性负责。我们优化了真空室中的氩的压强和温和辉光放电的参数，以及处理的时间，使得被沉积的金属涂层非常好地粘贴到弹性体膜上。根据在前述段落中所述的设计原则，所得的波纹状的电极非常柔顺且该复合物可以尽可能被拉伸而不损伤电极。

附图说明

现将参考附图进一步详细描述本发明，在附图中：

图1a和1b示出根据本发明的实施例示意了卷轴复合物的连续卷，

图1c是根据本发明的一个实施例的复合物的一部分的透视图，

图2a-2f是根据本发明的实施例的复合物的一部分的横截面图，

图2g为图2a/2b/2c/2d/2e/2f的放大截面，

图3a和3b显示了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性复合物，

图4a-4c示出了将图3a中的电活性复合物暴露于图3b中所示的高电位差的效果，

图5a和5b示出了根据本发明的实施例的复合物叠层的一个例子，由此形成了电活性多层复合物，

图5c和5d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性多层复合物，

图6a和6b示出了根据本发明的实施例的复合物叠层的另一例子，由此形成了电活性多层复合物，

图6c和6d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的另一电活性多层复合物，

图7a-9示出了根据本发明的实施例的复合物的叠层原理的例子，

图10a和10b示出了卷绕的电活性复合物的例子，

图11a示出了根据本发明的实施例示意了复合物的一部分的例子，该复合物特别适用于具有卷绕结构的复合物，

图11b根据本发明的实施例的复合物的一部分的例子，该复合物特别适用于具有折叠结构的复合物，

图12a-12c示出了图11的复合物的制造工艺和生产所需的一些工具，

图13a示出了被形成为卷绕的复合物的图11a的复合物，

图13b示出了被形成为折叠的复合物的图11b的复合物，

图14a和14b示出了通过复合物的折叠的图11所示的复合物的叠层，

图15a-15c为根据本发明的实施例的直接轴向驱动换能器的透视图，

图16a-16c为根据本发明的实施例的直接轴向换能器的力作为行程的函数的曲线图，

图17a和17b为根据本发明的实施例的直接径向驱动换能器的透视图，

图18a示出了形成平管状结构的复合物的叠层，

图18b示出了被预应变的图18a中的扁平管状结构，

图19a-19c示出了具有平结构的驱动换能器的透视图，

图20a-20e示出了提供有预载荷的驱动换能器，

图21a和21b示出了具有平管状结构的两个驱动换能器，所述换能器提供有机械连接，

图22示出了复合物的空间移位的层叠的层的原理，

图23示出了提供有电接触部分和电连接器的叠层的电活性多层复合物，

图24和25示出了提供有电接触部分的电活性多层复合物的两个例子，

图26-29示出了提供有电接触部分的换能器的例子，

图30示出了不同的电连接器，

图31-35示出了提供有接触电极的电活性复合物，和

图36a-36c为描述根据本发明的实施例的换能器的制造工艺的工艺简图。

具体实施方式

图1a和1b示出了根据本发明的实施例的卷轴的复合物1的连续卷，且图1c为复合物1的一部分的透视图。该复合物的比例失真以示出复合物1的不同的元件。复合物1包括由介电材料制成的膜2，该膜2具有设置有突起和凹陷的表面部分的图案的表面3，由此形成了表面3的设计的波纹状的轮廓。导电层4已经被施加到表面3，导电材料被沉积使得导电层根据突起和凹陷的表面部分的图案而被形成。就日常物件而言，膜2在某些方面相似于家用包装膜。它具有相似的厚度而且相对柔软。然而，它比这种膜更具有弹性，具有明显的机械各向异性，将如下所述。

介电材料可为一种弹性体或具有相似特征的其它材料。

由于突起和凹陷表面部分的图案，导电层4可以随着膜2扩展被平坦，且当膜2沿箭头5所定义的方向收缩时恢复其原始形状，而不导致导电层4的损伤，由此该方向定义了柔顺方向。因此，复合物1被适于形成能承受大应变的柔性结构的一部分。

如上所述，在沉积导电层之前，该波纹表面轮廓被直接压印或成型到介电膜2中。该波纹允许采用高弹性模量的电极材料制造柔顺的复合物，例如金属电极。这可以被获得而不需要当施加导电层4时对于介电膜2施加预拉伸或预应变，且形成的复合物1的波纹状的轮廓不依赖于介电膜2中的应变，也不依赖于导电层4的弹性或其它特征。因此，该波纹轮廓以一致的方式在实质上整个介电膜2的表面3上复制，并可以控制该复制。另外，该方法提供了采用标准复制和卷到卷(reel to reel)涂布的可能性，由此使该工艺适于大规模生产。例如，导电层4可采用标准商用的物理气相淀积(PVD)技术施加到介电膜2的表面3上。该方法的优点为各向异性通过设计被确定，实际的各向异性由于在介电膜2的表面3上提供的波纹轮廓和依照该波纹轮廓的导电层4的特性而被获得。

如图1c所示的复合物1被设计成具有在箭头5所定义的方向上在介电膜2的柔性范围内的柔性，和在箭头6所定义的方向上导电层4的刚性范围内的刚性。在图1a中，柔顺方向沿复合物1的长度方向，而图1b中的柔顺方向为横过复合物1。这在图1a中通过横过复合物1和图1b中沿复合物1的细线表示，细线代表了形成波纹轮廓的突起和凹陷的表面部分的图案。该复合物1可制成很长的长度，所谓的“无限长”复合物，其可作为图1a和1b所示的卷轴而被存储。这种半成品可被用于换能器等例如驱动器的制造。

图2a-2f示出了根据本发明的实施例的复合物1的截面图的一部分，为清楚起见省略了阴影线。如在每个部分底部的对称线10所示，每个部分仅示出了一半复合物1。另外，导电层4可被沉积于介电膜2的下表面上，下表面也可定义波纹表面，由此形成电活性复合物，即，至少两个导电层被介电膜所隔离。另外，每个部分仅仅示出了每个复合物长度方向的一小部分。为了图示的目的，图2a-2g的比例失真。图2g示出了图2a/2b/2c/2d/2e/2f的一个放大截面。图2a-2g中示出的复合物可以例如为图1a中的复合物1。由此，复合物1包括由介电材料制成的介电膜2，该介电膜2具有设置有突起和凹陷的表面部分的图案的表面3，由此形成了表面3的波纹状的轮廓。该表面3提供有形成如上所述的方向性柔顺复合物的导电层(如图2g所示)。如图2a-2f所示，突起和凹陷的表面部分的图案可被设计成具有各种形状。

该波纹轮廓可通过一系列定义好和周期性的正弦波状的三维微观结构所表示。可选地，该波纹轮廓可具有三角形或方形轮廓。该波纹电极的机械柔性因数Q由波纹的深度d和导电层4的厚度h(如图2g所示)之间的比例因数，和波纹的深度d和其周期P之间的比例因数来确定。最占主导的因素为波纹的深度d和导电层4的厚度h之间的比例因数。柔性因数越大，该结构柔性越大。本发明的发明人发现，如果假定理想的柔性，则对于波纹的深度d和其周期P之间的比例因数，与原始长度相比，理论上正弦轮廓可延长大约32％，三角形轮廓大约可延长28％，方形轮廓大约可延长80％。然而，事实上情况并不如此，因为方形轮廓包括将导致不同的柔性的垂直和水平梁，因为垂直梁将弯曲且由此在位移方向上产生非常柔顺的移动，而水平梁刚性大很多，因为它们在位移方向延伸。因此通常期望选择正弦轮廓。

在图2a-2f中所示的复合物1中，压印或成型到介电膜2上的波纹图案可通过一系列定义好和周期性的类似于正弦波的三维微观结构所表示。该波纹轮廓形成于膜2的上表面3，如图2a-2f中所示。如对称线10所示，第二波纹轮廓形成于膜的下表面(未显示)。图2a-2f内，该截面沿柔顺方向延伸。与柔顺方向垂直的平行直线表示了突起和凹陷表面部分的顶部和底部，即，正弦波状微观结构的波峰和波谷。这从图1a和1c看上去更清楚。沿这些平行直线，柔性非常低，即对于所有实际目的，复合物1沿该方向不柔顺。换言之，该设计代表了一维波纹，其在施加导电层后将介电膜2转换为具有各向异性的柔性的电活性复合物1，其中该膜可自由收缩或延长，而由于由导电层4的机械阻力给出的内在边界条件，垂直排列的的横剖面方向被“固化”。

在图2a-2g中，d表示平均或代表性波纹深度，即，该图案的突起部分和相邻的凹陷部分之间的平均或代表性距离。H表示介电膜2的平均厚度，且h表示导电层4的平均厚度。在优选实施例中，介电膜2的平均厚度H为10微米到100微米的范围。图2a-2c显示了具有不同波纹深度d的复合物1，然而，对所示的三种复合物而言，波纹周期P都是实质上相同的。与图2d和2e的复合物1相比，波纹深度d实质上是相同的，然而图2e中的复合物1的波纹周期P大于图2d中的复合物1的波纹周期P。与其比较，图2f的复合物1具有更小的波纹深度d和更大的波纹周期P。

具有根据本发明所述的以导电层4的形式的各向异性的波纹状的柔顺的金属电极的介电膜2的性能可通过根据由发明人开发的设计原则的设计来优化。该设计原则考虑了介电材料和导电层材料的介电和机械性能。

一方面，介电材料的相对介电常数和击穿电场，和另一方面电极之间的电位差为确定介电膜2的平均厚度H的范围的设计参数。该介电材料的特征性能典型地由介电材料生产商所提供，如Wacker-Chemie和Dow Corning。

波纹深度d，相对于介电膜的厚度H而优化，以获得横跨位于电极间的介电膜上相对均匀的电场分布。该优化步骤可通过有限元模拟进行。高d/H比值对应于不均匀的电场分布而低d/H比值对应于相对均匀的电场分布。

各向异性和柔性性能为一方面通过成型工艺而赋予介电膜例如弹性膜的表面形状和形貌，而另一方面采用波纹形状的导电层的共同结果。电极层厚度h和波纹周期P相对于波纹深度d被优化，从而获得具有金属电极的介电膜，该膜在一个“平面内”方向上柔顺，而在横跨“平面内”方向上几乎不柔顺。在一个方向上非常柔顺的膜为在该方向上通过施加相对低水平的力就能够在该方向很大地拉伸或延长而没有损坏电极的危险的膜，和在在横方向上施加力时在该横方向上将具有非常有限的延长的膜。为了优化电极柔性，比值d/P和h/d必须被优化。高d/p比值导致了非常柔顺的电极，而低d/P比值导致了较少柔顺的电极。高h/d比值导致了较少柔顺的电极，而低h/d比值导致了非常柔顺的电极。具有波纹电极的介电膜的各向异性程度由复合物柔顺的方向和复合物几乎不柔顺的横方向之间的柔性比值所确定。高柔性比值导致非常各向异性的结构而低比值导致了各向同性状的结构。

一旦设计参数(H、d、h和P)的范围根据上述说明被规定，就可以预测出具有导电层形式的金属电极的介电膜在柔顺程度以及其能承受的柔顺的方向上最大延长，和驱动力将如何的方面的性能。同样可以预测横方向上的刚性。如果需要，也能执行对这些参数的改进工艺。

应当注意对于给定的驱动力，根据本发明制造的驱动器，即由具有在其上沉积的电极的介电材料制成的驱动器，比能够提供相当的驱动力的常规驱动器，比如磁驱动器，具有低得多的重量，即至少为1/5小。这对于驱动器体积和重量是相关的应用而言是非常重要的。

一旦所有的设计参数被优化，根据波纹形貌的准确规格设计模具。

基于有限元静电模拟，本发明的发明人发现比值d/H应在1/30到1/2的范围内。例如，具有1/5的比值并且大约4微米的波纹深度，介电膜2的厚度将大约为20微米。另外，波纹深度d和波纹周期P之间的比值d/P，和导电层的厚度h和波纹深度d之间的比值h/d，为直接影响电极的柔性的重要的比值。在优选实施例中，比值d/P在1/50到2的范围内，而比值h/d在1/1000到1/50的范围内。

当定义介电膜2的平均厚度H时另一考虑因素为所谓的介电材料相关的击穿电场。当导电层4沉积于介电膜2的每个表面从而形成电活性复合物时，对于给定的材料厚度H，即相应于介电膜2的厚度H的距离，在这些导电层之间有一个最大的电压值V，从而不超过材料的击穿电场，V/H。当介电膜2在表面区域3上的厚度表现大的变化时，则对于导电层之间给定的电压，电场和厚度变化将为相同的数量级。因此，具有较高的局部电场的介电膜2的部分将比具有较小的局部电场的部分延长得更多。另外，在换能器中的复合物1在接近击穿电场工作的情形，这样变化可能损坏该换能器，因为介电膜2的部分将承受大于击穿电场的电场。因此，当处理介电膜2时，非常重要的是最大可能地减少平均厚度的变化。为了处理的缘故，10％的平均厚度变化被考虑为可接受的。当通过设计即根据本发明的处理具有波纹电极的换能器时，这些数值能以相对精确的方式控制。

图3a和3b示出了暴露于零电位差(图3a)和暴露于高电位差(图3b)的包括由介电膜2隔离的两导电层4的电活性复合物1。如图3b所示，当暴露于电位差时，介电膜2被扩展，而导电层4被平坦。这详细地显示于图4a-4c中，图4a-4c示出了随时间的不同步骤中电活性复合物1的剖面的部分，为清楚起见省略了阴影线。在每图的底部示出了对称线10，示出复合物1为具有沉积于每个表面上的导电层4的电活性复合物。图4a示出了暴露于零电压差的电活性复合物1，波纹深度为设计深度d，波纹周期为设计周期P。在图4b中示出，介电膜2沿柔顺方向扩展，导致了减小的膜厚度H’。另外，导电层4被平坦，导致更小的波纹深度d’和更大的波纹周期P’。图4c示出了后一时间步骤的电活性复合物1，膜2的厚度H”被更为减少，波纹深度d”更小，波纹周期P”更大。

应当注意，根据本发明制造的电容呈现“自恢复”机理。自恢复机理为具有非常薄电极的电容的特性。当电容的介电材料呈现缺陷，比如夹杂物、针孔等时其出现。对于具有给定厚度的这样的电容，当电极间施加的电位差达到上述界定的所谓的击穿电压时，平均电场接近临界击穿电场。然而，在具有缺陷的区域中，其将确实超过临界击穿电场，且由于在缺陷位置上横跨介电膜的厚度的加速和碰撞的电荷的级联效应将出现，因此引起横跨介电材料的高涌入瞬时电流。这导致了局部瞬时过热，其特征时间为微妙范围内或更低，这足够“耗尽/蒸发”在缺陷及其近邻附位置的非常薄的相对电极的材料。这导致环绕缺陷的区域不再有电极材料。另外，电极材料被耗尽的区域的尺寸随局部电场而增加。然而，电容本身并没有损坏，且继续工作。这就是“自恢复”。只要被耗尽的区域总共代表为电容的整个面积的非常可忽略的一小部分，这就将对电容的性能具有非常小的影响。当电容由厚电极制成时，自恢复不发生，因为局部过热的水平不足以耗尽缺陷处的厚电极材料。在该情形，当达到临界击穿电场时，随之发生的电容的瞬间损伤出现。实际上，本发明的发明人制作了厚度达0.2微米的金属电极，且经常观察到自恢复，即使当在高于击穿电场下操作该电容时。这并没有对电容产生实质性损害，且因此该电容继续工作。

图5-9示出了复合物1的叠层结构的例子，由此产生了多层复合物。如图5a和6a所示，电活性多层复合物15、16包括至少两个复合物1，每个复合物1包括具有前表面20和后表面21的介电膜2，后表面21与前表面20的相对。前表面20包括具有突起和凹陷部分的表面图案3和覆盖表面部分3的至少一部分的第一导电层(未显示)。图5a和6a仅显示了多层复合物15、16的一部分，为示出目的，上述部分的比例失真。

图5a和5b显示了具有第一复合物1的电活性多层复合物15，该第一复合物1的前表面20面对相邻的复合物1的后表面21，后文将一般称为前对背(Face-to-Back)多层复合物15。在该类型的叠层工艺中，第一复合物1的导电层直接与第二复合物1的后表面相接触。该复合物1或者采用制造介电膜2所用的同样类型的弹性体来叠层，或者可选的，两个复合物1叠层而不使用粘接剂。出于某些目的，优选该多层复合物由堆叠的复合物制成而不使用粘接剂。在某些场合，波谷仅用空气充满。

由于突起和凹陷的表面部分3的图案，每个复合物的导电层可随膜扩展而被平坦，并且随膜沿由箭头5(见图5b)所界定的方向收缩而恢复其原状，而不损坏导电层，该方向由此定义了柔顺方向。因此，如图5b所示的多层复合物15被设计为在箭头5所定义的方向上非常柔顺，在由箭头6所定义的横方向上设计非常刚性。

图5c和5d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性多层复合物15。如图5d所示，当暴露于电位差时，介电膜被扩展，而且导电层被平坦。可以进一步看到，当该多层复合物暴露于电位差时，波谷的深度(波纹深度d)减少。该复合物可以通过施加高电位差到堆叠的复合物而被结合，由此，一个复合物的膜和相邻复合物的导电层相互粘接而无需使用附加的粘接剂。因此，它们能通过静电力实现紧密接触。可选地，由于当介电膜由弹性体制成时具有稍许的粘性的特征，它们也可通过将它们压在一起而相互粘接，例如，通过使用滚筒。

作为对其的替代，图6a和6b示出了第一复合物1的电活性多层复合物16，第一复合物1设置为其后表面21面对相邻的第一复合物1的后表面21的，后文将一般称为背对背(Back-to-Back)多层复合物16。该复合物1或者通过使用具有类似于复合物1的介电膜2的特征的弹性体粘接剂被粘接结合。可选地，两个复合物1被叠层而不使用粘接剂。

在图6a中所示的电活性多层复合物16中，该波纹表面3在叠置复合物1之前或之后用导电层涂布。该背对背多层复合物16的优点在于若相邻层不具有紧邻的相似缺点时，介电膜2的缺陷，例如导电层的针孔等的影响将变得不那么重要。

若该单个复合物1在相同的生产步骤制成，在每个复合物1的同一位置上存在同样缺点的可能性将增大。为减少该缺点的影响，将复合物1相对于相邻复合物1移动位置将是有利的，或者相对彼此旋转复合物1。

该叠层工艺代表了制作工艺中的关键步骤。因此，将使用具有张力控制的精密叠层机器。

类似于多层复合物15，图6b中示出的多层复合物16在箭头5所定义的方向上被设计成非常柔顺，在由箭头6所定义的横方向上设计成非常刚性。

图6c和图6d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性多层复合物16。如图6d所示，当暴露于电位差时，介电膜被扩展，而且导电层被平坦。

图7a示出了，依据特别的需要，图5a中所示类型的电活性多层复合物15可还包含无穷个复合物1。图5a中的该多层复合物包含两个介电膜2中的一个介电膜2，其为非活性的，即，两介电膜2的仅一个位于两导电层(未显示)之间。图7a示出了，大量的复合物减少了电活性多层复合物15本身上非活性层的影响，因为除最低的复合物15外全部均被位于电极之间。

图7b示出了形成包含无穷数目的复合物1的电活性多层结构15的另一可选方式。复合物1通过排列在复合物1之间粘接剂层22被叠层，从而复合物1相互之间不直接接触。粘接剂层22的材料就拉伸能力而言具有和复合物1的介电材料相似的性能。这是为了允许当多层结构15工作时，粘接剂层22与介电材料一起拉伸。由此，粘接剂层22可有利地由弹性体制成，或由具有弹性体状性能的材料制成。

在图8中，该类型的两电活性多层复合物16也同样在图6a中示出，即，背对背复合物被堆叠在彼此顶部。在该电活性多层复合物中，导电层为成对相互接触。两介电膜2位于两个导电层的这样的组的两个之间。该叠层提供了单层中的产生缺陷的减少的影响。另外，示出了第三或甚至更多的电活性多层复合物16可被添加到该多层复合物中。

图9示出了类似于图8中所示的叠层的多层复合物16的叠层。然而，在图9所示的情形中，该背对背多层复合物16被成对堆叠，该成对堆叠的多层复合物16而后再堆叠到一起。在图9中所示的叠层中，确保了相互面对的相邻成对的叠层的导电层具有同样的极性。因此，该叠层能被卷绕而没有电极短路的危险，且因此该叠层也适于被卷绕，例如形成管状换能器。

图10a示出了被卷绕的图5a中所示的前对背电活性多层复合物15。由于复合物1可被制造成很长的长度，所谓的“无穷”复合物，该多层复合物15也可被制成很长的长度，由此允许生产包括多个绕数的卷绕的多层复合物。

图10b示出了围绕杆23卷绕多层复合物15。该杆23位于多层复合物15的一端，该复合物15则如所示围绕杆23卷绕。由此该多层复合物15获得了卷绕的管状。

图11a和11b示出了复合物24的一部分，其适于形成卷绕的或其它叠置的换能器。该复合物24包括由介电材料构成的膜2，该膜具有设置有突起和凹陷表面部分的图案的表面，由此形成设计的波纹的表面轮廓，即，该膜2类似于图1c中的复合物1的膜2。该情形下，膜2设置有导电层，该导电层包括以交叉图案模式排列的负电极部分25和正电极部分26，即负电极25和正电极26交替出现，在其之间有一间隙。在间隙中，导电层没有沉积于介电膜上。箭头27指示该复合物24可以非常长，如图13a中所示的“无穷长”复合物，和如图13b中所示的被折叠的复合物。

图12a-12c示出了制造图11的复合物24的一种可能方法。图12a示出了在两个卷30上的非常长的膜2。该导电层(未显示)利用不连续的气相沉积卷到卷方法沉积于膜2上。箭头31示出了工艺方向。该导电层通过阴影掩模32沉积，使得在电极部分25、26之间提供间隙。当导电层沉积于膜2的一区域上之后，该膜2沿箭头31的方向被卷绕且停止。闸门(未显示)被打开，且该导电层被沉积于膜2的下一区域上。该区域相邻于前述的区域，并确保在具有相同极性的电极之间的连续过渡接触。该闸门在达到所需要的导电层厚度后关闭。电极通过阴影掩模被沉积的电极沉积原则，出于实际原因，更适合于制造具有恒定宽度和间隙的电极。作为替换，该间隙也可通过激光烧蚀的方式制造。实际上，优选通过激光烧蚀的方式制造间隙，因为当使用该技术时非常易于提供每个间隙间的可变距离，且由此提供了导电层的每个部分的可变宽度。这将在后进一步详述。

图13a示出了形成为卷绕的复合物35的图11a和图12a-12b中的复合物24a。D和R表示了复合物24卷绕于其上的卷36的直径和半径。实线表明正电极，虚线表明负电极。应当注意，为清楚起见，该被卷绕的复合物通过同心圆的方式示出。然而，应当理解，实际上该卷绕的复合物形成螺旋图案。电极25和26的宽度w和这些电极部分之间的间隙宽度基于卷36的横截面而确定：2π(R)＝w+间隙，其中该间隙相对于w非常小。另外，优选的是复合物24a的厚度t小于该间隙。否则，由该卷绕工艺形成的换能器的效率将变低。当由卷绕复合物24a制成绕数n时，间隙被在切线方向上相对于前一绕数移动了膜厚的数量级，2π·n。由此如果间隙移动超过了间隙宽度，具有相同极性的电极将趋于重叠，且这使得电容的对应部分非活性。该方法对于制造具有有限绕数的驱动器且在预应变配置工作或平管状配置是优选的，该所述配置中电极部分和间隙在相应于平管状驱动器的平部分的介电网的部分中沉积。可替换的方法为采用激光烧蚀来设计具有可变宽度的电极，但恒定间隙宽度更适于卷绕的管状驱动器。该情形下，间隙和耗尽区的宽度由移动的激光光点尺寸所确定，且与驱动器的增长的圆周的给定绕数相关的给定电极的宽度使得宽度和间隙匹配缠绕周长。

相似地，图13b示出了为折叠复合物37的图11b的复合物24b。从图13b中可知该复合物24b被仔细地折叠从而确保相反极性的电极25、26不直接接触。

图14a和14b通过折叠复合物24示出了图11中所示的复合物的叠层。可选地，该复合物可为图1a和2中所示的类型。该复合物1、24被制成长结构，由此确定复合物1、24的长度和宽度，以及具有表面3，表面3具有突起和凹陷表面部分的图案。该图案定义了波峰和波谷，沿共同方向延伸，且该共同方向实质上沿该长结构的宽度排列。因此，复合物1、24在垂直于该共同方向的方向即沿该长结构的长度方向上是柔顺的。

图14a的该复合物1、24通过沿长度折叠该长结构而被层叠，使得所得的电活性多层复合物40的宽度与复合物1、24的宽度相同。由于复合物1、24的柔顺方向的取向，该电活性多层复合物40在箭头41所示的方向上是柔顺的。

图14b示出了根据本发明的另一实施例的复合物1、24的叠层。这非常类似于图14a中所示的实施例。然而，在该情形，该共同方向被实质上沿该长结构的长度排列，且复合物1、24因此在沿长结构的宽度方向上是柔顺的，如图1b的复合物。因此，所得的电活性叠层42将在由箭头43所示的方向上是柔顺的。

因此，图14a中所示的叠置的复合物沿叠置的复合物的长度方向上是柔顺的。这意味着图14a的结构能制成任意长度，以及由此的任意期望的行程长度。相似地，图14b的叠置的复合物沿叠置复合物的宽度是柔顺的。这意味着图14b的结构能制成任意宽度。由此，可以根据预定应用的几何要求设计具有任何合适尺寸的换能器。

图15a-15c为根据本发明的实施例的直接驱动换能器50的透视图。图15a-15c的该直接驱动换能器50已经通过卷绕例如图1a或图5中所示类型的多层复合物而被制造。图15a中的该换能器50a为实心，而图15b中的该换能器50b为空心。该换能器50可具有任意延长的形式，例如实质上具有实质上形成为圆，椭圆或如图15c所示的曲线的横截面的柱状。

在图15a-15c中，该复合物被卷绕形成柱状的换能器50，该复合物具有平行于由箭头51所指示的方向的柔顺方向。因此，当电能施加到直接驱动换能器50的电极时，该换能器50将沿箭头51的方向在轴向延长。现已经发现，如果换能器50根据本发明的某些方面被合理制造和设计尺寸，它们能够产生抵抗轴向负载的显著的力，该轴向负载趋于抵抗轴向延长。

如本说明书中在前所述，本发明的电活性复合物是非常柔顺的，在柔韧性上类型于普通的家用粘着膜或聚乙烯购物袋片材料。该复合物与这些材料的区别在于其高弹性和机械各向异性，如前所解释，其在某一方向上易延伸而在垂直方向上则远不易延伸。

发明人现已意识到尽管复合物的柔软，柔韧性和弹性，通过卷绕足够长度的复合物而形成的卷将是相当刚性的。如果该卷相对于膜的机械各向异性被合理的缠绕，它将具有由机械各向异性而产生的轴向柔性，且它也能在轴向负载下对于纵向弯曲(buckling)有相当的抵抗力。

因此，具有导电电极层的波纹状各向异性介电膜层的复合物可以被卷绕为具有足够的绕数的管状，使得该管状元件的所得结构足够刚性以避免纵向弯曲。前文中，术语“纵向弯曲”意味由于施加的轴向负载，延长的结构通过弯曲而变形的情形。已经发现，在延长的结构中无需任何比如加强杆或弹簧的附加组件，以获得足够的刚性以避免处于轴向负载的技术有用水平下的纵向弯曲。该所需的刚性仅通过卷绕足够绕数的复合物材料而获得。

图15a-15c中所示的卷绕的结构被设计以承受特定的最大水平的负载，此时上述刚性足以避免纵向弯曲。该特定的最大水平的负载可以例如为在某一延长水平的某一水平的力，或可以为最大水平的驱动力、阻挡力、或当换能器沿箭头51的反方向被压缩到更短的长度时所产生的更高水平的力。

如本申请中所述的直接驱动换能器的设计参数根据由本发明人开发的设计原则来优化。该设计原则允许基于驱动器性能规格确定卷绕的驱动器(换能器)的最优尺寸。

电活性复合物的机械和静电性能被用作估计每单位面积的驱动力和行程的基础。如根据本发明所记载的卷绕的驱动器通过卷绕/缠绕如图1a和1b所示的具有微米范围厚度的非常薄电活性复合物而制成。该类型的典型的驱动器可由成千个绕数制成，并且可以包含多至每微米100个绕数的驱动器壁厚。

当被激活时，直接/推进驱动器可以将电能转换为机械能。部分该能量以势能的形式存储于该驱动器材料中，且当驱动器被释放时该能量又被获得。机械能的剩余部分被有效地用于驱动。将该机械能的剩余部分完全转换成驱动能只有在该驱动器结构不为机械不稳定时才有可能，该不稳定类似于公知的由于轴向压缩的引起的失效的纵向弯曲模式。这可以通过恰当地设计驱动器横截面面积相对于驱动器长度的尺寸而实现。数学上这相应于柱稳定性的欧拉理论；根据本发明，该理论也适用于通过卷绕足够绕数的电活性多层复合物所形成的驱动器柱。

该优化工艺始于对于给定的应用所需要的力水平的定义。然后，基于每单元面积的驱动力，可以估计出需要的横截面面积以达到上述力的水平。

对于柱状结构，对于圆柱体的长度和半径之间的给定比值，该临界轴向负载压力Fc由以下给出：

$F_c=\frac{c\·{\mathrm{\π}}^2\·E\·A}{{(L/R)}^2}$

其中

c为取决于边界状态的常数，

E为弹性模量，

A为圆柱的横截面面积，

L为圆柱的长度，且

R为圆柱的半径。

现考虑通过对其电极施加电压V来驱动的柱状电活化聚合物换能器。在无载状态下，该换能器仅能延长。如果被轴向负载限制，则该换能器将对负载施加力，该力随着电压V增加。换能器所能被驱动的最大力F_max取决于换能器的结构。

对于给定的长度L和横截面A，这意味着电压需要被控制，以使得不允许高于F_max＜F_c的力。对于给定的横截面，这意味着圆柱的长度必须小于临界长度L_C，即L＜L_C，L_C定义如下。

对于具有给定横截面和选择的最大力水平的换能器50，该最大力水平与最大电压水平相关，临界长度L_C能从如下公式获得：

$L_c\≤\sqrt{\frac{c\·r^2\·{\mathrm{\π}}^2\·E}{F_{\max }/A}}$

且设计的标准为L＜L_C。

在0％延长下，对于选定的电压水平，具有给定横截面的换能器50采用给定的最大力驱动，即所谓的阻挡力F_bl。该情形下设计标准为：

$L_c=\sqrt{\frac{c\·r^2\·{\mathrm{\π}}^2\·E}{F_{\mathrm{bl}}/A}}$

对于由具有E＝1MPa，F_bl/2＝20N/cm²和c＝2的弹性体所制成的换能器50应用该设计标准，F_max＝F_bl的设计原则将为L_bl＝10·r，即所谓的长细比λ必须满足下述条件，以在负载等于阻挡力时获得非纵向弯曲结构：

λ≤L/r＝10

对于相同的换能器50的驱动力的所替换选择的低水平，即，对于具有相同半径r的柱状对称换能器50，长度L的设计标准可从以下公式获得：

$L\≤L_{\mathrm{bl}}\·\sqrt{F_{\mathrm{bl}}/F}$

这可以例如意味如果在10％延长时的驱动水平为1/4·F_bl，则该换能器在10％延长时的长度L为：

$L\≤L_{\mathrm{bl}}\·\sqrt{1/1/4}=L_{\mathrm{bl}}\·2$

欧拉理论可以应用于对于换能器行程和介电膜的延长的选择百分比有特殊需要的换能器50。因为增加的绕数，对于增加柱状对称换能器50a和50b的横截面面积A没有限制，且因为满足了源于欧拉理论的设计原则，可以仅仅提供需要的绕数以获得所需要的驱动力水平。因此，上述技术使得可以建造在给定力水平和给定行程下具有非纵向弯曲特征的介电换能器。

当设计直接作用容性换能器时，需要设计其机械结构的尺寸以抵抗纵向弯曲。这可通常通过增加已知为I的其横截面的面积转动惯量。例如，一张具有给定厚度(h)，宽度(w)和长度(L)的纸在平行于其长度方向上施加稍许的力时将弯曲。然而，通过在宽度方向卷绕它，则需要大得多的力使得其纵向弯曲。卷绕的对平的弯曲刚性比例由

这样的例子为取w＝40mm，h＝1mm，则比例为约245。

抵抗任何机械不稳定性的驱动器稳定化需要通过增加横截面的面积转动惯量I来设计其横截面尺寸。低I值导致不稳定的结构，高I值导致抵抗纵向弯曲的非常稳定的结构。设计结构尺寸的设计参数为与横截面A和面积转动惯量I相关的回转半径r_g。低r_g值导致不稳定的驱动器结构，高r_g值导致非常稳定的驱动器结构。在定义了面积A和回转半径r_g的最优范围后，可以定义以t/r_g形式相对于r_g的卷绕的驱动器壁厚t的最优范围。面积A、半径r_g和壁厚t是为最大稳定性而设计驱动器横截面尺寸的设计参数。低t/r_g导致非常稳定的驱动器结构，高t/r_g值表明不稳定的驱动器结构。

一旦横截面参数被确定，需要对于所需的力的水平，估计由轴向压缩引起的纵向弯曲不会出现的驱动器的最大长度。定义为长度L和回转半径r_g的比值的长细比是与欧拉理论相关的普遍使用的参数。低L/r_g导致抗纵向弯曲弯曲的非常稳定的驱动器结构，高L/r_g值导致不稳定的驱动器结构。

一旦确定该优化工作的直接驱动器的所有设计参数，对于具有特定的微米范围厚度的给定的电活性复合物，可以基于驱动器壁厚t和每毫米绕数n估计出建造该驱动器所需的总绕数。

在一优选实施例中，绕数n和换能器的壁厚t之间的比值n/t，应该在10绕/毫米到50绕/毫米的范围内。另外，换能器的长度L和换能器的回转半径r_g之间的长细比应当小于20。该回转半径r_g定义为 $r_g=\sqrt{I/A},$ 其中I为横截面的面积转动惯量，A为换能器的横截面面积。

由此，通过根据本发明仔细地设计换能器，可以获得大驱动力，即使使用非常软的介电材料。驱动力甚至可以到达相对于由更硬的材料制成的常规换能器例如磁换能器的水平。这是个很大的优点。

图16a为示出了在根据本发明的一个实施例的直接驱动换能器中力作为行程的函数的曲线图。当电压施加到换能器的各向异性的柔顺导电层时，电场引发的横跨膜厚的压缩被转换成沿换能器的柔顺方向上的延长/行程。相应的应力称作麦克斯维应力，P，且相应的驱动力被称作静电力F_{electrostatic}。如图16a所示，在延长时，介电材料施加了随换能器行程增加的反作用力F_elastomer。

因此，如图16b所示，直接驱动可获得的有效力F_act为所述两力的结果，且F_act＝F_{electrostatic}-F_elastomer。表示力相对于直接驱动换能器的行程的特征曲线对于力传感器而言是典型的，其中驱动力随行程增加而减少，直到达到行程的最大值，其对应于如图16b所示“零”驱动力。

图16c示出了对于直接作用的容性换能器即卷绕的换能器的不同外直径，作为换能器行程的函数的计算的直接驱动力的范围。可以产生几百到几千牛顿范围内的大驱动力。阻挡力典型地比10％换能器行程界定的额定驱动力大四个量级。对于3000伏的典型的驱动电压，由40微米厚的具有弹性模量范围为0.5-1Mpa的介电材料制成的直接作用容性换能器将产生0.1-0.2N/mm²范围中的每单位面积上的力。当考虑大换能器横截面时，这对应于如图16c所示的大驱动力。

图17a和17b为根据本发明的可选实施例的直接驱动换能器52的透视图。图17a和17b的换能器52具有沿圆柱切线方向的柔性。因此，换能器52的延长发生在管状结构的周边上，由箭头53所示，即该换能器52被导致在径向上扩展和收缩。

图18a示出了复合物1的叠层以形成平管状结构60。该复合物1可以有利地为图1a和图2中所示的类型。换能器60为足够高数量的粘接结合的复合物的叠层，以确保换能器的刚度，该刚度足以使得换能器无需被预应变即可作为驱动器工作。换能器60通过绕制例如图1a和2中所示类型的连续复合物为非常平的管状结构而制成。采用该设计，消除了与上述层数相关的限制。因此，换能器60可以被制成按需要的大功率，类似于参考图15a-15c的上述内容。

图18a中所示的换能器60的平管状结构可通过围绕两个分开的棒61卷绕复合物1以形成复合物1的线圈模式而获得。由于复合物1的柔顺方向的取向，该平管状结构60将在由箭头62所示的方向上柔顺。图18b示出了图18a中的换能器被两弹簧63预应变。

图19a-19c为具有平结构的换能器70的透视图。换能器70为足够高数量的粘接结合的复合物的多层复合物，以确保换能器的刚度，该刚度可足以使得换能器无需预应变即可作为驱动器工作。换能器70通过叠层图1a和2中所示类型的连续复合物为平结构而制成。采用该设计，消除了与上述层数相关的限制。因此，换能器70可以被制成按需要的大功率，类似于参考图15a-15c的上述内容。。换能器70a为足够高数量的粘接结合的复合物的多层复合物，以确保换能器的刚度，该刚度可足以使得换能器无需预应变即可作为驱动器工作。换能器70b通过堆叠许多的换能器70a而设计尺寸大小。可选地，换能器70c可被弹簧71或其它弹性可变形元件预应变。

换能器70a和70b提供有固定凸缘72以在应用中贴附换能器，例如为使换能器作为驱动器工作。箭头73表明了柔顺方向。

图20a-20e示出了提供有预负载的驱动换能器80。图20a为提供有固定凸缘81的平换能器80的透视图。图20a的平换能器80被弹簧82预应变。因此，平换能器80具有由箭头83所示的驱动方向。图20b示出了相似的平换能器80，其中弹簧被相似的第二平换能器80所代替。图20c示出了半个换能器，该换能器类似于图20b的换能器，通过使用许多相同的换能器(仅示出了它们的一半)来设计尺寸。图20d和20e示出了两个可选换能器84和85，每个包括许多平换能器80，其由类似于图18b的换能器的相邻换能器预应变。换能器84和85横向驱动，在图20d中为地毯状结构，图20e中为壁式结构。

应当注意图18-20的换能器仅要求沿一个方向即柔顺方向上预应变。因此，根据本发明，在换能器中不要求沿柔顺方向的横向上的预应变，这在现有技术的换能器中则需要。

图21a示出了具有平管状结构的两个预应变换能器90，该换能器90在长度方向上驱动，且由此旋转驱动轴91。

图21b示出了设置有机械连接94的两个被机械预应变平换能器92、93，机械连接94通过用于滑动目的的导向部件支撑。显示了三种状态下的换能器92、93。第一种状态下，换能器92、93都不是活性的。然而，它们都被机械预应变。第二种状态下，换能器93为活性的。由于换能器92为非活性，换能器93使得换能器92弛豫，从而释放了换能器92的一些机械预应变。在第三种状态下，换能器92为活性而换能器93为非活性。换能器92使得换能器93弛豫，从而释放了换能器93的一些机械预应变。由此，换能器92、93结合机械连接94形成了双重作用的换能器，其中换能器之一使另一换能器弛豫并释放了机械预应变。

图22中示出了一种电活性复合物，该电活性复合物包括具有第一表面100和与第一表面100相对的第二表面101的介电膜2。介电膜2的两个表面都部分用导电层覆盖。由于导电层的形状和位置，活性部分A存在，其中导电层的电极部分102、103覆盖了介电膜2的两表面100、101。该导电层还定义第一被动部分B，其中仅介电膜2的第二表面101被导电层之一的接触部分104覆盖，和第二被动部分C，其中仅介电膜2的第一表面100被另一导电层的接触部分105覆盖。似乎，通过将导体结合到接触部分104、105，电活性复合物可以被电连接到电源或连接到用于控制复合物的驱动的控制装置。即使该被示出的复合物被叠置、卷绕、或折叠以形成具有大量层的换能器，电极部分102、103可以容易地连接到电源，例如通过在每个接触部分104、105采用导电线或杆穿透这些层，并将所述线和杆连接到电源。介电膜2的厚度和导电层的厚度的比值仅仅为说明目的。图22中所示出的工艺被称作“偏移”，因为接触部分104、105通过在介电膜2的表面100、101上相对于彼此“偏移”地施加电极部分102、103而获得。

图23a-23c示出了空间移位形成换能器的多层复合物的两个复合物1的三种不同方法，其中每个复合物1包括在介电膜上的导电层。该示出的复合物1具有当换能器被激活时它们扩展或收缩的柔顺方向。在图23a中，该接触部分沿柔顺方向被空间移位，图23b中，该接触部分垂直于柔顺方向被空间移位，图23c中，该接触部分在柔顺方向和垂直于柔顺方向上均被空间移位。在任何设置中，均期望将多层复合物和连接线、杆或相似导体之间形成物理接触的区域保持远离任何应力源或移动部件。图23d示出了多层复合物的侧视图。

由此，图22和图23a-23c示出了提供接触部分104、105的两个不同原则，即图22中所示的“偏移”原则和图23a-23c中所示的“空间移位”原则。这些原则可与各种叠层工艺组合，并且可以相应地选择适于期望的应用的原则。

图24示出了接触部分104，105形成了部分的导电层部分且形成了在电极部分102和103的一侧的延伸岛。在多层复合物中的两个相邻复合物的岛置于不同位置，使得相邻复合物的接触部分104、105相互远离。

图25示出了两复合物，每个复合物提供有导电层。当复合物结合为多层结构时，它们相对于彼此偏移，使得每个复合物上的导电层的一部分形成接触部分104，该接触部分104与另一复合物上的相应接触部分105远离。

图26和27示出了如还在图15a和15b中示出的管状换能器50。该管状换能器在指定的接触部分104、105连接到电源。

图28示出了具有平管状结构的换能器110。该换能器包括在内表面上的接触部分104、105。该接触部分可例如经由具有导电接触部分的延长杆111而连接到电源。该杆111在图29中被放大显示，其中可以看出杆111包括两个接触部分112、113，当杆111插入到管状结构内时，两个接触部分112、113与平管状结构的接触部分104、105接触。杆111可形成换能器在其上操作的装置的一部分。空间移位原则和偏移原则都能用于接触上述换能器结构。

图30示出了三种不同的连接器，即，软连接器120、金属涂布的塑料连接器121、和金属或金属涂布的格带连接器122。软连接器120包括涂布有一层导电材料124的弹性体膜123。相似地，金属涂布塑料连接器121包括涂布有金属层126的塑料部分125。

图31-35示出了提供有电接触的复合物1。因为本发明的复合物1非常软，将复合物1接合到有些刚性的比如线、带、格等的普通电连接器具有挑战性。

图31示出了连接到复合物1的软连接器120，该复合物1包括具有波纹表面3的介电膜2，表面3设置有一层导电材料4。软连接器120和复合物1的各自的导电部分124、4经由导电粘接剂层127结合在一起，由此电连接复合物1和软连接器120。

图32示出了如上所述即经由导电连接剂层127已经被结合在一起的两个复合物1，且位于顶部上的复合物1被用作主电极而连接到电源。

图33示出了连接到复合物1的金属或金属涂布线或带128。该金属或金属涂布线或带128适于连接到主电源。与上述的内容相似，金属或金属涂布线或带128通过导电粘接剂127结合到复合物1的导电层4。然而，在该情形，导电粘接剂127被设置使得其环绕金属或金属涂布线或带128的周边，由此提供了金属或金属涂布线或带128和复合物1的导电层4之间的非常高效的电接触。

图34示出了经由导电粘接剂127连接到复合物1的金属或金属涂布的格带连接器122。如上所述，参考图33，导电粘接剂127被设置使得其完全环绕金属或金属涂布的格带连接器122的一部分，由此提供非常好的电接触。

图35示出了经由层导电粘接剂127连接到复合物1的金属涂布塑料连接器121。如上所述，参考图31，32，该导电粘接剂127层被设置于金属涂布塑料连接器121的金属层126和复合物1的导电层4之间，由此提供两者之间的电接触。

图36a示出了制造用于制造复合物例如图1中所示的复合物1的工具或模的工艺。图36b示出了采用该工具制造复合物的工艺，且图36c示出了由该复合物制造换能器的工艺。

由此，我们通过制造具有期望波纹轮廓的母模来开始所述工艺。我们可以通过光致抗蚀剂涂布的玻璃上的激光干涉蚀刻，或通过硅片上的标准的光刻法来制造该模。

对于硅片上的标准的光刻法，该曝光掩膜相对简单且可以优选呈现等间距和平行的线，例如具有5微米宽和5微米间距。标准的硅微机加工(micromachining)方法而后用于蚀刻硅以形成所谓的V槽，即具有类似于“V”的横截面形状的槽。一系列的氧化和氢氟酸的蚀刻步骤然后被执行以将该V槽结构转变成准正弦波纹，如果这是期望形状的话。

我们可以通过激光干涉蚀刻制造相对大尺寸的母模，比如达到32cm×32cm。在激光干涉蚀刻中，两激光束，每个具有以扩展的光斑直径和沿光束的剖面上具有均匀的能量分布，被用于在光致抗蚀剂涂布的玻璃衬底上导致干涉。该工艺不需要任何曝光掩膜，并依赖于光学领域所公知的干涉现象。曝光，显影和最终硬烤的结果就是被写入光致抗蚀剂中的直接正弦波形轮廓，其中轮廓周期和幅值由激光束波长、激光束照射到光致抗蚀剂上的入射角和光致抗蚀剂的厚度来决定。

在图36中所示的工艺的下一个步骤中，我们采用标准的无应力电镀工艺制造所需的足够数量的镍拷贝或模，以在塑料卷上获得波纹状的微结构复制品。这些镍复制品同样也被称作垫片(shim)，具有100微米范围的厚度。这些垫片以串联结构被机械地连接以形成具有总长度精确地匹配压印鼓的圆周的一条“带”。使用薄垫片有助于弯曲它们而无需建立太大的应力而，并随后围绕鼓的圆周卷绕该“带”。每个垫片相对于其邻居被放置，使得波纹线以微米精度被调整，从而减少相邻垫片的线之间的任何角度失准。然后，由镍模得到的该压印鼓的波纹状的微结构被精确的复制到塑料卷上。我们也可以通过卷到卷(roll-to-roll)的微压印(紫外线或热固化)来这样作。卷到卷压印允许生产具有几百米范围的长度的微压印的塑料材料的卷。我们使用以带或模的形式的该微压印的塑料卷作为载体网，用于生产具有单面或双面波纹的介电膜，例如具有几百米长度范围的弹性体膜。

我们可通过已知的旋涂制造有限尺寸的波纹弹性体膜或片。这是一个不连续的工艺，且膜或片的最大尺寸被模的尺寸所确定。生产工艺可选的类型为对于聚合物工业开发的类型，比如粘接带，喷涂等，一般称作“卷到卷涂布”或“网涂布”。这些生产工艺是大规模、大容量和连续的工艺。

下一步，我们使用被微压印的塑料辊，例如采用卷到卷、逆转辊、凹印、槽模(slot die)、珠(bead)或其它任何合适类型的涂布技术来制造弹性体膜。结果，获得弹性体涂布的塑料膜。为此，逆转辊和凹印辊涂布技术被认为在其它已知的技术中最有希望的，因为它们提供具有均匀和相对良好定义的厚度的涂层。我们选择被压印的塑料辊或模和压印树脂的表面性能以至于其允许被弹性体材料润湿。我们在洁净室环境中进行弹性体膜的生产工艺以制造高品质的无针孔的弹性体膜。

我们暴露如上所述形成模上的没有固化的弹性体膜于热、紫外光或任何其它能初始化交联的源，从而导致弹性体模固化。所选择的源将取决于所使用的弹性体材料的类型，特别是所使用材料的固化机制。

而后我们在分层工艺中从模脱模固化的膜。为此使用合适的脱模工具。优选地，我们可以选择模材料和弹性体材料以便于脱模工艺。固化的弹性体对于衬底模的非常弱的粘接力是优选的。如果粘接力非常好，该脱模工艺会失败并损坏该膜。单面波纹状的弹性体膜卷是该分层工艺的产品。

下一步，我们通过真空网金属化将金属电极沉积到弹性体膜的波纹表面上。因此，将例如银、镍、金等的涂层的金属涂层施加到该波纹状表面。由此，形成了复合物。

在具有数公里范围的长度的弹性体膜的大规模制造中的挑战不在于平膜的生产，而是在于具有精确的和非常良好界定的微结构的单面或双面波纹膜的生产。另一挑战是使用比聚合物工业上通常出现的控制张力小几个量级的受控张力来处理这些非常软的材料。当涂层的厚度仅为波纹图案的深度的1/100时，具有可靠涂层的波纹状弹性体膜的金属化是生产工艺中的另一挑战。

下一步，我们叠置涂布的弹性体膜即复合物，由此形成了如上所述的多层复合物。然后我们卷绕该多层复合物以形成最终的卷绕的换能器结构。该卷绕的换能器结构经过精加工和切割，并施加了电连接。

最后，我们可以将完成的换能器与控制电子装置一起集成到最终的产品中，且该换能器就可以用了。

Claims (68)

1.一种容性换能器，该换能器包括一组电极，在所述电极之间设置了介电材料，所述电极和该介电材料构成一电容，其中该电容被设置成使得施加到电极的电能至少部分地直接由换能器转换成驱动的机械功，且在未支撑状态的该换能器在换能器的通常操作范围内满足稳定性的欧拉准则。

2.如权利要求1所述的换能器，其中该电容被设置使得提供到所述电极的至少部分的电能能够被该换能器直接转换为驱动的机械功。

3.如权利要求1或2所述的换能器，其中该电容被进一步设置成使得施加到电极的电能至少部分地转换成势能，所述势能被存储于该介电材料中，和在该电容放电期间使得存储的势能被换能器转换成驱动功。

4.如权利要求1-3的任一所述的换能器，其中该介电材料为聚合物。

5.如权利要求1-4的任一所述的换能器，其中该介电材料为弹性体。

6.如权利要求1-5的任一所述的换能器，其中该电极被涂布到介电材料的膜上。

7.如权利要求1-6的任一所述的换能器，其中该介电材料的至少一个表面被提供有波纹图案。

8.如权利要求7所述的换能器，其中该波纹图案包括形成沿一共同方向延伸的波峰和波谷的波形，该波形确定了各向异性的特征，有助于沿垂直于该共同方向的方向上的运动。

9.如权利要求8所述的换能器，其中该波形具有周期性重复的形状。

10.如权利要求8或9所述的换能器，其中该波形具有沿实质垂直于该共同方向的方向周期地变化的形状和/或尺寸

11.如权利要求8-10的任一所述的换能器，其中每个波形定义了为波峰和相邻的波谷之间的最短距离的高度。

12.如权利要求11所述的换能器，其中每个波形定义了为具有平均波形高度的最多110％的高度的最大波形。

13.如权利要求11或12所述的换能器，其中每个波形定义了为具有平均波形高度的至少90％的高度的最小波形。

14.如权利要求11-13的任一所述的换能器，其中波形的平均波形高度为1/3微米和20微米之间。

15.如权利要求8-14的任一所述的换能器，其中该波形具有定义为两波峰之间最短距离的波长，和其中波形的平均高度和平均波长之间的比值为1/30和2之间。

16.如权利要求15所述的换能器，其中该波形具有1微米到20微米的范围内的平均波长。

17.如权利要求8-16的任一所述的换能器，其中介电材料具有一厚度，该厚度被定义为从介电材料的一表面上的一点到处于介电材料的波纹表面上的波峰和波谷之间中途的一中间点的最短距离，该厚度为10微米和200微米之间。

18.如权利要求17所述的换能器，其中波形的平均高度和介电材料的平均厚度之间的比值为1/50和1/2之间。

19.如权利要求8-18的任一所述的换能器，其中电极的平均厚度和波形的平均高度之间的比值为1/1000和1/50之间。

20.如权利要求1-19的任一所述的换能器，其中电极的至少之一被提供有波纹状的表面图案。

21.如权利要求1-20的任一所述的换能器，其中该电容已经被卷绕以形成介电材料和电极的盘绕图案，该卷绕的电容由此形成了换能器。

22.如权利要求21所述的换能器，其中该电容围绕轴向延伸轴卷绕以形成沿轴向延伸的延长形状的换能器。

23.如权利要求21或22所述的换能器，其中该卷绕的电容形成管状构件。

24.如权利要求23所述的换能器，其中该卷绕的电容形成实质柱状或类似柱状的构件。

25.如权利要求24所述的换能器，其中卷绕的电容定义了一横截面面积A，该面积A为卷绕电容的横截面的部分面积，在该部分中形成卷绕的电容的材料被定位，其中A在10平方毫米到20000平方毫米的范围内。

26.如权利要求25所述的换能器，其中该卷绕的电容定义了一回转半径r_g，定义为 $r_g=\sqrt{I/A},$ 其中I为该卷绕的电容的面积转动惯量，r_g在5毫米到100毫米的范围内。

27.如权利要求26所述的换能器，其中该卷绕的电容定义了一细长比λ，定义为λ＝L/r_g，其中L为卷绕的电容的轴向长度，其中λ小于20。

28.如权利要求26或27所述的换能器，其中卷绕的电容定义了壁厚t，且其中比值t/r_g处于1/1000到2的范围。

29.如权利要求21-28中任一所述的换能器，其中该卷绕的电容具有一壁厚度t，和包括绕数n，绕数n为每毫米壁厚5到100绕的范围内。

30.如权利要求21-29的任一所述的换能器，其中该卷绕的电容包括一中心杆，该中心杆被设置成使得该电容围绕该中心杆卷绕，该中心杆的弹性模量小于介电材料的弹性模量。

31.如权利要求21-30的任一所述的换能器，其中该卷绕的电容器包括一中心杆，该中心杆被设置成使得该电容围绕该中心杆卷绕，和该中心杆具有邻接卷绕的电容的外表面，所述外表面具有允许卷绕的电容在换能器的驱动期间沿外表面滑动的摩擦。

32.如权利要求21-31的任一所述的换能器，其中该卷绕的电容的横截面的面积转动惯量至少为非卷绕的电容的横截面的面积转动惯量的50倍。

33.如权利要求21-32的任一所述的换能器，其中该卷绕的电容具有大量的绕数以足够实现该卷绕的电容的横截面的面积转动惯量至少为非卷绕的电容的横截面的平均面积转动惯量的50倍。

34.如权利要求21-33的任一所述的换能器，其中正电极和负电极被设置在该介电材料的同一表面上，且其中该电容通过卷绕具有设置于其上的电极的介电材料而形成，以致于卷绕的电容定义了层，其中在每一层，正电极和负电极相对设置，介电材料设置于两者之间。

35.如权利要求1-34的任一所述的换能器，其中该电容具有一电容，其作为施加到电极的电能的函数变化。

36.如权利要求1-35的任一所述的换能器，其中该电容具有一电容，其作为施加到电容的机械能的函数变化。

37.如权利要求1-36的任一所述的换能器，其中该电极具有一低于10^-4Ω·cm的电阻率。

38.如权利要求1-37的任一所述的换能器，其中该介电材料具有大于10¹⁰Ω·cm的电阻率。

39.如权利要求1-38的任一所述的换能器，其中该电极由金属或导电合金制成。

40.如权利要求39所述的换能器，其中该电极由选自由银、金和镍组成的组的一种金属制成。

41.如权利要求1-40的任一所述的换能器，其中该每个电极具有0.01微米到0.1微米的厚度范围。

42.如权利要求1-41的任一所述的换能器，其中该换能器可被设置成连接到电控制装置以在电能和机械能之间转换。

43.如权利要求42所述的换能器，其中该换能器被设置以通过使用静电场力产生一压力。

44.如权利要求1-43的任一所述的换能器，其中该电极被置于该介电材料的第一和第二表面，该电极定义了：

换能器的一活性区域，其中电极部分覆盖了介电材料的两表面；

第一钝性部分和第二钝性部分，该钝性部分中，仅介电材料的一个表面被电极之一所覆盖；

其中该第一钝性部分由位于第一表面上的电极的接触部分所定义，该第二钝性部分由位于第二表面上的电极的接触部分所定义。

45.如权利要求44的所述的换能器，其中该接触部分形成电极部分的一个延伸。

46.如权利要求44或45所述的换能器，其中该换能器包括具有至少两层介电材料的多层合成物，且其中该介电材料的第一层包括第一电极，该介电材料的第二层包括第二电极，且所有的层通过移位配置被结合在一起，以在多层合成物的每个表面上形成接触部分。

47.如权利要求44-46的任一所述的换能器，其中至少一电连接器被连接到介电材料的每个表面上的接触部分。

48.如权利要求47所述的换能器，其中该电连接器包括金属带，金属元件，金属涂布的聚合物元件和/或导电聚合物带。

49.如权利要求47所述的换能器，其中该电连接器包括导电粘接剂和/或导电聚合物。

50.一种制造容性换能器的方法，该方法包括步骤：

提供一对电极，

提供设置于电极间的介电材料，该电极和介电材料构成一电容，和

设置电容以致于形成一换能器，且以致于施加到电极的电能通过换能器至少部分直接转换为机械能以用于驱动，且以致于在未支撑状态的该换能器在该换能器的通常操作范围内满足稳定性的欧拉准则。

51.如权利要求50所述的方法，其中该电容被设置的步骤被执行，使得提供到所述电极的至少部分的电能能够被该换能器直接转换为驱动的机械功。

52.如权利要求50或51所述的方法，还包括围绕轴向延伸的轴卷绕该电容的步骤以形成在轴向延伸的延长形状的换能器。

53.如权利要求52所述的方法，其中该卷绕电容的步骤包括卷绕大量的绕数以足够实现卷绕的电容的横截面的面积转动惯量至少为非卷绕的电容的横截面的平均面积转动惯量的50倍。

54.如权利要求50-53的任一所述的方法，其中提供一介电材料的步骤包括：

提供一形状定义元件，具有凸起和凹陷表面部分的表面图案，

提供一介电材料的液态成分到该表面图案上，和

固化该液态成分以形成具有凸起和凹陷表面部分的复制图案的表面的介电材料膜。

55.如权利要求54所述的方法，其中提供一组电极的步骤包括沉积一导电层到复制图案的至少一部分的步骤。

56.如权利要求55所述的方法，其中该导电层在物理气相沉积工艺中沉积到该膜上。

57.如权利要求55或56所述的方法，其中该导电层以0.01微米到0.1微米的厚度被沉积到该膜上。

58.如权利要求57所述的方法，其中该厚度被石英晶体微量天平控制。

59.如权利要求57或58所述的方法，其中该导电层在溅射工艺中制成。

60.如权利要求57或58所述的方法，其中该导电层在电子束工艺中制成。

61.如权利要求55-60的任一所述的方法，该沉积导电层的步骤包括沉积第一导电层和在该第一导电层的顶部上沉积第二导电层。

62.如权利要求61所述的方法，其中沉积该第一导电层的步骤和沉积第二导电层的步骤以不同的沉积速率来进行。

63.如权利要求61或62所述的方法，其中沉积第一导电层的步骤包括沉积第一材料，且沉积第二导电层的步骤包括沉积第二材料。

64.如权利要求55-63任一所述的方法，其中该膜用等离子体处理以提高导电层的粘接力。

65.如权利要求64所述的方法，其中该处理用已知产生温和等离子体的辉光放电而执行。

66.如权利要求64或65所述的方法，其中在等离子体处理的步骤后和在该膜上沉积导电层的步骤之前，将粘接促进剂施加到该膜的至少所述部分处。

67.如权利要求66所述的方法，其中该粘接促进剂通过在该膜和该导电层之间施加一层铬或钛而提供。

68.如权利要求66或67所述的方法，其中粘接促进剂在物理气相沉积工艺中施加到该介电材料的膜上。

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