CN104058364B - 一种图形化薄膜驻极体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图形化薄膜驻极体的制备方法。本发明首先在驻极体基材的一面蒸镀第一金属电极。其次在驻极体基材的另一面蒸镀第二金属电极；所述第二金属电极由若干个金属膜间隔设置而成，相邻的两个金属膜间距1mm以上。然后施加交流高压电场进行电晕极化，电场强度为20～40KV/cm，交流电的频率为30～1000HZ，极化温度为20～200℃，极化时间为5～60min。最后在维持电压不变的情况下降至室温，撤去电场。本发明制备的驻极体法向尺度为微米量级、切向尺度为毫米量级、稳定性好。

Description

一种图形化薄膜驻极体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种驻极体的制备方法，尤其是涉及一种图形化薄膜驻极体的制备方法。
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。驻极体由于可产生持久稳定的静电场而引起了人们的广泛关注。近年来随着微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)的发展，MEMS器件中越来越多地融入了驻极体基材，例如小功率驻极体发电机及驻极体马达、传感器和换能器、非线性器件、驻极体麦克风、磁强计等。
MEMS器件中驻极体基材微尺寸体现在两个方面：一是薄膜厚度(法向尺度)；二是平面内电场的图形化分布(如驻极体电场的栅型分布)。这不仅要求驻极体基材在有限的体积元内保持非常高的电荷密度，以维持足够的电场强度(高表面电位)；而且要求在其相邻的间隔中要不存在静电场。这就需要要求材料本身具有非常好的电荷存储性能，而且，对材料结构、尤其是驻极体的充电方法也提出了新的要求。然而，人们发现宏观驻极体基材所具有的优异性能随着材料尺寸的减小将变差，传统的驻极体充电技术已不适用。寻找新型驻极体基材，发展新的驻极体形成方法，已经成为该领域的研究热点。
现有的薄膜驻极体最近的技术的专利申请日为2009-09-11，专利号为200980135383.0。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种操作简单、可形成具有稳定电场、法向尺度在微米量级、切向尺度为毫米量级的图形化薄膜驻极体的制备方法。
一种图形化薄膜驻极体的制备方法，包括下述步骤：
(1)在驻极体基材的一面蒸镀第一金属电极。
(2)在驻极体基材的另一面蒸镀第二金属电极；所述第二金属电极由若干个金属膜间隔设置而成，相邻的两个金属膜间距1mm以上。
(3)施加交流高压电场进行电晕极化，电场强度为20～40KV/cm，交流电的频率为30～1000HZ，极化温度为20～200℃，极化时间为5～60min。
(4)在维持电压不变的情况下降至室温，撤去电场。
本发明中所指的第一金属电极通常是由一个连续无间隔的金属膜组成。
作为优选，所述的第二金属电极中，金属膜呈等间距阵列式分布。可使电场更好的实现图形化分布。
作为优选，所述第二金属电极中，各金属膜为同心设置的环，相邻的两个环半径之差大于1mm。
作为优选，相邻的两个金属膜间距为毫米量级。相邻的两个金属膜间距大小对于是否能形成明显的图形化电场分布具有很大的影响。
作为优选，所述第二金属电极厚度为100nm。
作为优选，两个相邻金属膜之间的间距为2mm或3mm。
作为优选，所述驻极体基材采用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯。
作为优选，所述第一金属电极厚度与第二金属电极厚度相同。
作为优选，所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，包括下述步骤：
(1)在聚全氟乙丙烯薄膜样品的下表面蒸镀厚度为100nm的铝电极。
(2)在聚全氟乙丙烯薄膜样品的上表面蒸镀厚度为100nm的栅型铝电极。所述栅型铝电极由若干个铝膜间隔设置而成，所述铝膜在聚全氟乙丙烯薄膜上呈等间距阵列式分布，相邻的两个铝膜间距为2mm。
(3)施加交流高压电场，电场强度为20KV/cm，交流电的频率500HZ。
(4)在维持电压不变的情况下，升高温度至150℃，并在该温度下极化5min。
(5)在维持电压不变的情况下降至室温，撤去电场。
为了赋予FEP薄膜以驻极体特性，需要采用一定的手段将电荷注入到薄膜体内，这一过程称为注极(也称充电)。本发明采用电晕极化方法注极，电晕极化方法是利用高压电场引起气体的局部击穿产生电晕放电，使气体电离，由此产生的空间电荷或离子束在电场作用下轰击电介质表面，空间电荷可直接沉积于电介质表面或体内，离子束则与材料表面基团作用，将电荷转移至电介质表面或体内。
本发明采用交流(AC)电晕注极方法，采用该方法可形成图形化电场分布原理：当在电极之间施加AC电晕时，由于电场周期性地改变方向，正离子和电子(或负离子)也周期性地到达样品(FEP)表面，因而样品(FEP)表面难以形成空间电荷层；此时，样品表面电荷的捕获主要取决于载流子迁移速度和表面原子对载流子亲和力；根据第二金属电极的结构，其由若干个金属膜间隔设置而成，相邻的两个金属膜间距1mm以上，由于电子的迁移速度比正离子更快，更易到达FEP表面，再加上氟原子极强的电负性，使得到达FEP表面的电子不能随电场周期性地改变，而被捕获；而在FEP上镀有的金属膜处，金属电极材料对电子不具有亲和力，电子不能被捕获。因而，交流(AC)电晕注极可形成图形化表面电场。
本发明通过研究不同的驻极体基材结构、不同的注极法、以及不同的驻极体基材尺寸等对具有图形化电场分布微器件的电荷存储性能的影响，成功制备了法向尺度为微米量级、切向尺度为毫米量级、稳定性好的图形化薄膜驻极体。本发明为寻找新型驻极体基材，发展新的驻极体形成方法提供了一定的研究基础。
附图说明
图1是本发明实施例1第二金属电极的结构示意图；
图2是本发明电晕极化的装置示意图；
图3是本发明实施例2第二金属电极的结构示意图；
图4是实施例1图形化FEP薄膜表面电位分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
参照图1，聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜用超声波清洗处理后，采用热蒸发镀膜方法在聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜1下表面蒸镀厚度为100nm的铝电极(第一金属电极)；上表面蒸镀厚度为100nm的栅型铝电极(第二金属电极)，栅型铝电极由五个铝膜2间隔设置而成，相邻的两个铝膜间距2mm；铝膜在FEP表面呈等间距阵列式分布。
为了赋予FEP薄膜以驻极体特性，需要采用一定的手段将电荷注入到薄膜体内，这一过程称为注极(也称充电或极化)。参照图2，本发明采用电晕极化方法注极，采用交流高压电源4产生电晕放电，电场控制在20KV/cm，交流电的频率为500HZ.。然后，在维持电场强度20KV/cm的条件下，通过温度控制器5给样品升温，当温度升至150℃后，恒温极化5min，最后在维持电场强度不变的条件下冷却至室温，撤去电场。
聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜(样品)的表面电位采用补偿法非接触式测量，所用仪器为Monroe244A型静电计，为了精确测量样品表面上各个点的表面电位，将聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜1上表面的栅型铝电极正对静电计探头，且静电计探头距离样品表面距离为3mm。
本发明采用的聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜厚度为5μm，第一金属电极厚度与第二金属电极厚度相同，第二金属电极的相邻两个铝膜间距2mm。在充电完成后，使用静电计测量样品表面电位的横向分布，FEP薄膜表面形成的图形化电位分布如图4所示，测得的的结果如下：-445V，-16V，-550V，-8V，-538V，-22V，-380V，-63V，-347V，-56V，-367V。从测量结果及图4可以看出，图形化FEP薄膜驻极体的表面电位在X方向是高低电位交替分布的，其中高电位点是裸露的FEP薄膜，低电位点是金属电极。
实施例2
参照图3，所述第二金属电极中，各金属膜2为同心设置的环，相邻的两个环半径之差大于1mm。其极化方法与实施例1相同。
实施例3
1、注极条件对栅型驻极体电荷存储性能的影响
本发明比较研究了交流(AC)电晕注极和直流(DC)电晕注极、热极化等方法对电荷存储性能的影响。发现只有交流(AC)电晕注极可形成理想的图形化电场分布驻极体。直流(DC)电晕注极虽然形成的驻极体电场很高，但不能显示图形化电场分布。相邻两个铝膜间距分别为2mm、3mm，注极温度分别为室温、100℃、200℃时，电晕注极的图形化FEP驻极体初始表面电位值如表1所示。另外，从表1中还可以看出交流(AC)电晕注极时，随着温度的升高，其电位值稳定性有所提高；说明在高温注极时其稳定性明显能得到提高。
表1电晕注极的图形化FEP驻极体初始表面电位值
RT 100℃ 200℃
2mm AC -54 -180 -280
3mm AC -150 -280 -299
2mm DC- -940 -1381 -827
3mm DC- -546 -1110 -1400
当在电极之间施加AC电晕时，由于电场周期性地改变方向，正离子和电子也周期性地到达FEP表面，因而FEP表面难以形成空间电荷层；根据第二金属电极的结构，其由若干个铝膜间隔设置而成，且相邻的两个铝膜间距1mm以上，相邻的两个铝膜之间的FEP上，由于电子的迁移速度比正离子更快，更易到达FEP表面，再加上氟原子极强的电负性，使得到达FEP表面的电子不能随电场周期性地改变，从而很容易被捕获；而在FEP上镀有的铝膜处，铝膜对电子不具有亲和力，从而使得电子不易被捕获。因而，交流(AC)电晕注极可形成理想的图形化电场分布驻极体。
2、相邻金属膜间距的影响
制备了相邻金属膜间距分别0.5、1、2和3mm的栅型FEP薄膜。实验结果显示当尺寸小于1mm时，图形化分布不明显，说明相邻金属膜间距大小对于是否能形成明显的图形化电场分布具有很大的影响。
本发明采用在高温条件下的电晕极化方法，成功制备了法向尺度在微米量级、切向尺度为毫米量级的栅形驻极体。

Claims (9)

1.一种图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）在驻极体基材的一面蒸镀第一金属电极；
（2）在驻极体基材的另一面蒸镀第二金属电极；所述第二金属电极由若干个金属膜间隔设置而成，相邻的两个金属膜间距1mm以上；
（3）施加交流高压电场进行电晕极化，电场强度为20～40KV/cm，交流电的频率为30～1000HZ，极化温度为20～200℃，极化时间为5～60min；
（4）在维持电压不变的情况下降至室温，撤去电场，即得到图形化薄膜驻极体。
2.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：所述第二金属电极中，金属膜呈等间距阵列式分布。
3.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：所述第二金属电极中，各金属膜为同心设置的环，相邻的两个环半径之差大于1mm。
4.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：相邻的两个金属膜间距为毫米量级。
5.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：所述第二金属电极厚度为100nm。
6.根据权利要求3所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：两个相邻金属膜之间的间距为2mm或3mm。
7.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：所述驻极体基材采用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯。
8.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于：所述第一金属电极厚度与第二金属电极厚度相同。
9.根据权利要求1所述的图形化薄膜驻极体的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）在聚全氟乙丙烯薄膜样品的下表面蒸镀厚度为100nm的铝电极；
（2）在聚全氟乙丙烯薄膜样品的上表面蒸镀厚度为100nm的栅型铝电极；所述栅型铝电极由若干个铝片间隔设置而成，所述铝片在聚全氟乙丙烯薄膜上呈等间距阵列式分布，相邻的两个铝片间距为2mm；
（3）施加交流高压电场，电场强度为20KV/cm，交流电的频率500HZ；
（4）在维持电压不变的情况下，升高温度至150℃，并在该温度下极化5min；
（5）在维持电压不变的情况下降至室温，撤去电场。
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