CN104813494B - 具有至少一个第一类型的电极、第二类型的电极和至少一个铁电驻极体的转换器 - Google Patents

具有至少一个第一类型的电极、第二类型的电极和至少一个铁电驻极体的转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个第一类型的电极(2)、至少一个第二类型的电极(3)和至少一个铁电驻极体(6)的转换器(1)。此外，所述转换器(1)具有至少一个驻极体(4)，其中所述第一类型的电极(2)与所述铁电驻极体(6)导电连接，所述驻极体(4)与所述第一类型的电极(2)通过至少一个气隙(5)间隔开并且所述驻极体(4)和所述铁电驻极体(6)与所述第二类型的电极(3)导电连接。具有这种转换器(1)的超声传感器和麦克风也是本发明的主题。

Description

具有至少一个第一类型的电极、第二类型的电极和至少一个 铁电驻极体的转换器
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个第一类型的电极、第二类型的电极和至少一个铁电驻极体的转换器。
背景技术
近十年来，在科研领域中加强地研究多孔聚合物薄膜、所谓的铁电驻极体，例如可得到Emfit有限公司的商品名称Emfi并且其用于不同的应用，也用于声学的应用。所述铁电驻极体是压电的并且具有压电常数，所述压电常数是可与锆钛酸铅压电材料(PZT)的压电常数比较的。从外部观察，铁电材料(Ferroelektrika)理想地与常规的压电材料的方式相同，然而外部压电效应通过无数多个内部驻极体效应产生。名称“铁电驻极体”也由此而来，其也可以称作压电驻极体。
DE10 2006 002 067 A1示出了一种超声传感器的接收器，其中接收电极与接地电极平行地布置并且其中压电复合体位于接收电极和接地电极之间。所述压电复合体例如可以具有多个由铁电物质(例如PZT)构成的压电元件和多个由有机聚合物构成的层。
EP 2 339 869 A1示出了一种用于制造具有限定的空腔的两层或多层铁电驻极体的方法。铁电驻极体例如应用于机电和声电领域中。
此外，如今在许多电子设备中发现转换器、即基于驻极体的传感器和执行器。在一些技术领域中，制造驻极体麦克风时的件数超过了制造硅麦克风时的件数。
在现有技术中，传感器和执行器或者基于驻极体效应或者基于压电效应、例如基于所说明的铁电驻极体的压电效应运行。在每一个转换器中，结构相关地存在没有利用的区域或者面，其没有对驻极体效应或者压电效应做贡献，这导致转换器的不最优的灵敏度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出具有至少一个第一类型的电极、至少一个第二类型的电极和至少一个铁电驻极体和至少一个驻极体的转换器，其中第一类型的电极与铁电驻极体导电连接，驻极体与第一类型的电极通过至少一个气隙间隔开并且驻极体和铁电驻极体与第二类型的电极导电连接。
根据本发明的布置具有以下优点：在一个转换器中组合驻极体效应和压电效应。由此，能够得到具有改善的特性的转换器，因为可以更有效地利用可供转换器使用的体积和可供使用的面积。在此，驻极体和压电材料在电方面或者串联或者并联。对于传感器而言，在第一种情形中使两种区域、即驻极体区域和压电区域的输出电压相加，而在第二种情形中使电荷或者电流相加。特别有利的是，由此能够提高传感器的灵敏度和信噪比。通过两种原理——驻极体效应和压电效应的组合，增强所探测的信号并且完全地充分利用转换器的潜力。
一个特别的优点是，提高转换器的可靠性。在驻极体的情形中，例如可能通过负电荷传输到上方电极上产生短路。对于通过例如由于气隙的桥接发生了第一类型的电极与驻极体的接触使驻极体损坏的情形，可以通过铁电驻极体上的振荡的分析处理来接受完全有意义的或者至少限制的有意义的信号。因此，当主动元件中的一个、例如铁电驻极体或者驻极体放电时，另一元件可以继续运行。
根据一种特别优选的实施方式，驻极体由多孔聚合物制造。当驻极体已充电时，其具有在温度变化和时间上提高的充电稳定性。如果驻极体位于电极之间，则理论上构成丝毫不需要偏压的电容器麦克风。如果声到达两个电极中的一个，则所述两个电极移位并且开始振荡，由此电极和相对电极之间的间距变化并且因此电容也变化，在平面平行的电极的情形中所述电容例如根据以下计算：
其中C表示电容器的电容，
ε表示介质常数(dielektrische Moment)，
A表示驻极体面积，
d表示电容器板相互的间距。利用通过可移动的膜片和相对电极之间的间距变化引起的电容变化来将声压或者声速(Schallschnelle)转换成电信号。在电容器麦克风中以及在充当传感器的转换器中，增强并且探测所述电容变化。
在本发明的范畴内，铁电驻极体充当已知的压电转换器元件。铁电驻极体也可以简称为压电元件，但具有相对于传统的压电元件略微不同的特性、例如不过强突出的平行于主面的压电主动性。铁电驻极体同样例如由多孔聚合物制造。通过例如借助电晕的充电，使空气充入气囊中。如果通过在电极和相对电极上施加电压使气囊高度变化，则电荷移位。随后，可以如在驻极体的情况下一样地增强并且检测所述移位。
通过在从属权利要求中所提及的措施能够实现在独立权利要求中所说明的装置的有利的扩展方案和改善。
根据本发明的一种实施方式，铁电驻极体布置在第一类型的电极的边缘区域中。所述边缘区域例如可以为电极或者转换器的主面积的约1％至50％、优选在5％和20％之间。在此，所述边缘区域可以通过从电极的周长等距向内测量的区域来限定。在所述布置中，可以通过铁电驻极体特别好地接收电极的边缘区域中的振荡。当铁电驻极体抵抗驻极体地支承第一类型的电极以便不需要通过其它部件、例如不是电激活的部件的边缘支承时，是特别有利的。
在所述实施方式中特别优选地，驻极体布置在第一类型的电极的中心。在此，铁电驻极体环形地包围驻极体，其中这可以适用于径向对称的转换器以及适用于具有椭圆的、矩形的、正方形的或者普遍具有通过多边形横切(Polygonzug)所限制的周长的转换器。对此替代地，在铁电驻极体中也能够实现凹部或者可以设置多个包围驻极体的铁电驻极体块。
根据一种替代的实施方式，铁电驻极体布置在第一类型的电极的中心。在所述实施方式中，铁电驻极体的耦合相对于主振荡模式是最优的。在所述情形中，驻极体例如环形地包围铁电驻极体。
根据本发明的另一个方面，提出具有以上所描述的转换器中的一个的超声转换器。由于并联的驻极体和铁电驻极体，所提出的超声转换器在信号质量和功能公差始终不变的情况下提供特别的机械稳定性。
所述超声转换器例如可以作为流量测量计在加工技术中或者在车辆领域中、尤其在内燃机的吸气道和排气道中用于体积流测量或质量流测量或者作为周围环境传感器、尤其在车辆的前保险杠和/或后保险杠中例如用于泊车辅助和/或碰撞避免。在运行状态中，这种超声转换器可以将超声波发射到流体的介质——例如空气、气体和/或液体中和/或接收超声波。在所述应用领域中，超声信号通常通过流体的介质从发射器传输到接收器或者从发射器传输到周围环境中并且检测由位于周围环境中的对象反射的超声信号以及接收并且测量传播时间和/或传播时间差和/或其它参量——例如超声信号的振幅或者相位。所述超声转换器的其它应用领域例如可以是机器人技术中的超声或者作为加速度接收器。
根据本发明的另一个方面，提出包括以上所描述的转换器中的一个的麦克风。所述麦克风优选是驻极体麦克风并且充当将声转换成相应的电信号的声电转换器。在所述麦克风中，铁电驻极体优选布置在第一类型的电极的边缘区域上而驻极体布置在第一类型的电极的中心。通过这种方式可有利地达到低频区域。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在随后的描述中进一步阐述。附图示出：
图1以剖面图示出根据第一实施方式的具有第一类型的电极、第二类型的电极、驻极体和铁电驻极体的布置；
图2以剖面图示出根据第二实施方式的具有第一类型的电极、第二类型的电极、驻极体和铁电驻极体的布置；
图3以剖面图示出根据第三实施方式的具有第一类型的电极、第二类型的电极、驻极体和铁电驻极体的布置。
具体实施方式
图1根据本发明的第一实施方式从侧面在剖视图中示出转换器1、例如传感器或者执行器，所述转换器通过具有第一类型的电极2、第二类型的电极3、驻极体4、铁电驻极体6和覆盖层7的布置限定，所述驻极体通过气隙5与第一类型的电极2分离。覆盖层7整个表面地放置在第一类型的电极2上。
电压源8与第一类型的电极2连接而另一方面与第二类型的电极3连接。在俯视图中，转换器1可以具有不同的几何学、例如径向对称地或者椭圆地围绕主轴线9，但也可以具有方形的、立方体的或者圆柱的几何学。在此，铁电驻极体6环形地或者椭圆地围绕驻极体4布置。
在俯视图中(未示出)，驻极体4的面积相对于铁电驻极体6的面积具有位于1:100和100:1之间的比例。最优的配合参考实际情况。宽的铁电驻极体具有高的刚性并且增大谐振频率。优选地，转换器1(在俯视图中)的边缘面积的约5％至50％由铁电驻极体6填充，剩余面积由驻极体4填充。
驻极体4中心地相对于主轴线9布置、即布置在电极的中心并且尤其在覆盖层7的中心，并且因此与转换器1的覆盖层7的厚度振荡的主振荡模式最优地耦合。得到不同的谐振振荡模式，它们根据几何学或多或少地呈现或者彼此不同地耦合或脱耦合。在简单的方形或圆柱的几何学的情况下，首先得到覆盖层7的厚度振荡、覆盖层圆柱体的纵向振荡(纵的)、剪切振荡(Scherschwingung)和纵向振荡(横的)，所述振荡都可以至少在理论上用于例如超声的转换。当覆盖层7可以在频率范围中假设为刚性时，则尤其出现覆盖层7的厚度振荡的单纯构型。
对于各个振荡形式分别存在不同的材料相关的频率常数，由此例如对于平的振荡的板能够计算与厚度成反比的谐振频率。与所描述的在转换器1中导致上述单纯的振荡形式的几何学关系不同地，在整体联合中其他的几何学可能是有利的。
在图1中所示出的实施方式可特别有利地用于麦克风，但也可以实现为例如用于检测车辆周围环境的超声转换器。
驻极体4作为薄片布置在第二类型的电极3的表面上并且与所述第二类型的电极具有共同的边界面11。驻极体4的另一主侧12与气隙5耦合，所述气隙使驻极体4与第一类型的电极2间隔开。此外，铁电驻极体6在内侧与驻极体4具有共同的边界面10。
铁电驻极体6与第一类型的电极2具有共同的边界面13并且与第二类型的电极3具有共同的边界面14。铁电驻极体6通过所述共同的边界面13、14导电连接到第一电极2和第二电极3之间。在所示出的实施例中，铁电驻极体6下沉到第二类型的电极3中并且因此不仅在侧面通过第一面14而且在底侧通过面15与第二类型的电极3连接。
驻极体4和铁电驻极体6优选由多孔聚合物材料组成、尤其由PP、FEP、PTFA、PFA或PTFE或者它们的组合组成。在驻极体的情形中，优选使用FEP、PTFA、PFA或PTFE或者它们的组合。
覆盖层7可以由任意的、为了应用目的匹配的材料组成、尤其由玻璃纤维合成材料、碳纤维合成材料、铝、陶瓷或者它们的组合制造。覆盖层7例如可以由从杜邦(Dupont)公司的商品名称Kapton可获得的聚酰亚胺、或者由从杜邦公司的商品名称Mylar可获得的双轴定向的聚酯薄膜(“boPET”)制造。
覆盖层7可以是不易弯曲或者易于弯曲的。优选如此硬地实施覆盖层7，使得其在作为超声转换器的应用中经受碎石或者高压。在转换器1作为麦克风的应用的情形中，足够易于弯曲地实施覆盖层7，使得与低频振荡模式的耦合显著。
图2示出具有第一类型的电极2、第二类型的电极3、驻极体4、铁电驻极体6和覆盖层7的转换器1的另一实施例，所述驻极体通过气隙5与第一类型的电极2间隔开。如根据图1所描述的那样，可以根据由示图面存在的度量来设置不同的几何学，其中优选径向对称的或者椭圆的，但也优选方形的。
在所述实施例中，铁电驻极体6布置在转换器1的中心、即中心地相对于转换器1的主轴线9布置。在所述实施例中，驻极体4环形地或者椭圆地包围铁电驻极体6。铁电驻极体6与驻极体4具有共同的边界面10，所述边界面广泛地围绕铁电驻极体6布置。此外，铁电驻极体6具有至第一类型的电极2的边界面13并且具有至第二类型的电极3的边界14、15。此外，示出支承环16，所述支承环尤其用于使驻极体4与第一类型的电极2间隔开。
根据图2描述优选的可相应转移到在图1中所示出的实施方式上的厚度比例和几何学。
驻极体4是具有厚度20的聚合物薄膜，所述厚度处于10至100μm范围中。
铁电驻极体6具有90±50μm的厚度21。铁电驻极体6部分嵌入到第二类型的电极3中。铁电驻极体6到第二类型的电极3中的嵌入深度22可以在1％和99％之间、优选在5％和50％之间、特别优选在10％和30％之间。根据规格确定所述嵌入深度22。铁电驻极体6的嵌入深度22如此设计，使得满足对使用寿命、即对连接的坚固性的要求以及对声探测的所期望的灵敏度的要求。
第一类型的电极2与第二型的电极3的间距24小于50μm、优选在5至30μm的范围中。所述间距24理想为10μm。
覆盖层7的厚度25与材料和所期望的谐振频率相关地约为400至500μm。在频率高于50kHz时，可以进一步例如以直至400μm增大覆盖层的厚度25。相反，在Kapton的情形中厚度25也可以更小，例如以25μm的厚度已经可以实现50kHz。对于将覆盖层7实施为碳纤维合成材料的情形，覆盖层7的厚度25优选为100μm和300μm之间并且优选200μm。
图3示出转换器1的另一种实施方式，其中驻极体4和铁电驻极体6彼此串联。在此，铁电驻极体6与第二类型的电极3借助绝缘层32绝缘地布置并且与第三电极30具有共同的边界面31。电压源8在一侧与第二类型的电极3连接而在另一侧与第三电极30连接。铁电驻极体6通过第一边界面13与第一类型的电极2连接并且相对于第二类型的电极3绝缘。部件的几何学、位置和间距可以如根据图1和图2所描述的实施方式的那样。
本发明不仅仅局限于在此所描述的实施例和在所述实施例中所突出的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的范围内能够实现本领域技术人员操作范畴内的修改。

Claims (16)

1.一种转换器(1)，其具有至少一个第一类型的电极(2)、至少一个第二类型的电极(3)、至少一个铁电驻极体(6)和至少一个驻极体(4)，其中，所述第一类型的电极(2)与所述铁电驻极体(6)导电连接，所述驻极体(4)与所述第一类型的电极(2)通过至少一个气隙间隔开并且所述驻极体(4)和所述铁电驻极体(6)与所述第二类型的电极(3)导电连接。
2.根据权利要求1所述的转换器(1)，其特征在于，所述电极(2、3)彼此的间距(24)小于50μm。
3.根据权利要求1所述的转换器(1)，其特征在于，所述转换器(1)径向对称地或者椭圆地围绕主轴线(9)。
4.根据权利要求2所述的转换器(1)，其特征在于，所述转换器(1)径向对称地或者椭圆地围绕主轴线(9)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器(1)，其特征在于，所述驻极体(4)布置在所述第一类型的电极(2)的中心。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器(1)，其特征在于，所述铁电驻极体(6)布置在所述第一类型的电极(2)的中心。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器(1)，所述转换器具有覆盖层(7)，所述覆盖层(7)放置在所述第一类型的电极(2)上。
8.根据权利要求7所述的转换器(1)，其特征在于，所述覆盖层(7)由玻璃纤维合成材料、碳纤维合成材料、铝、陶瓷或者它们的组合制造。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器(1)，其特征在于，所述铁电驻极体(6)由多孔聚合物材料制造。
10.根据权利要求9所述的转换器(1)，其特征在于，所述铁电驻极体(6)由PP、FEP、PTFA、PFA或PTFE或者它们的组合制造。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器(1)，其特征在于，所述驻极体(4)由多孔聚合物材料制造。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的转换器(1)，其特征在于，所述驻极体(4)由FEP、PTFA、PFA或PTFE或者它们的组合制造。
13.一种超声转换器，其特征在于根据权利要求1至12中任一项所述的转换器(1)。
14.根据权利要求13所述的超声转换器，其特征在于，所述超声转换器在车辆的超声系统中使用。
15.一种麦克风，其包括根据权利要求1至12中任一项所述的转换器(1)。
16.根据权利要求15所述的麦克风，其特征在于，所述转换器(1)是根据权利要求5所述的转换器。
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