CN105659627A - 驻极体结构 - Google Patents

Abstract

根据本发明提出一种驻极体结构(1)，其包括导电载体(10)、第一驻极体层(30)和多孔介质层(20)，该多孔介质层布置在载体(10)和第一驻极体层(30)之间。在此，导电载体(10)优选构成根据本发明的驻极体结构(1)的电极。本发明基于以下构想：利用多孔介质层(20)将已充电的驻极体层(30)与电极(10)分离。由此，防止电荷(50)从驻极体层(30)到背电极(10)的运动。同样，防止相反地充电的电荷载体(55)从背电极(10)到驻极体层(30)中的运动。由此，显著提高根据本发明的驻极体结构(10)相对于传统的不具有驻极体层(30)和背电极(10)之间的多孔介质层(20)的构造的电荷稳定性。

Description

驻极体结构

背景技术

驻极体是可以在较长的时间段上存储电荷的材料。驻极体(例如以聚合物薄膜形式的，以及无机驻极体、如SiO₂)可以通过多种方法(电晕方法(Koronaverfahren)、电子射束、接触充电……)被充电。在充电时，电荷载体被注入到驻极体的部分区域中或者引起驻极体中的电荷分离，由此驻极体变成电场的载体。已充电的驻极体可以在多个电子部件中使用，例如在麦克风、扬声器或空气过滤器中使用。为此，驻极体在至少一侧上与电极接通并且被充电，从而构成驻极体结构。例如，在G.M.Sessler(作者)的《Electrets》(卷1，第三版，Laplacian出版社，MorganHili，CA，1999年)中或者在G.M.Sessler的《Electrets：recentdevelopments》(JournalofElectrostatics，卷51-52，第137-145页，2001年)中存在对至今了解的全面描述。

对于在技术上使用的驻极体结构的挑战是，对于长的、理想数年或数十年的时间段在应用重要的环境条件下(例如增大的直至85℃的温度)保证驻极体中的电荷分离的稳定性，因为在高的温度时电荷载体尤其可以运动经过驻极体。由此，当电荷从驻极体运动到接通的电极中并且在那里进行抵消时，电荷载体可能随着时间的推移消失。

在文献中描述了用于改善已充电驻极体的电荷稳定性的大量方法，例如借助等离子体的预处理，参见Chen,Q.的《Investigationofcoronachargestabilitymechanismsinpolytetrafluorethylene(PTFE)teflonfilmsafterplasmatreatment》(2003年，JournalofElectrostatics59(2003)3-13)，借助化学剂的预处理，参见Haridoss,S.,Perlman,M.M.的《ChemicalModificationofNear-SurfaceChargeTrappinginPolymers》(1984年，J.Appl.Phys.55(5)，1984年3月1日)，或者借助增大的温度的预处理，参见vanTurnhout,J.的《TheUseofPolymersforElectrets》(1975年，JournalofElectrostatics，1，第147-163页。

近数十年以来，研究出了在内部在孔表面上存储电荷的多孔驻极体薄膜作为压电材料(“压电驻极体”)，例如在M.Paajanen、J.Lekkala、K.Kirjavainen的《ElectroMechanicalFilm(EMFi)-“Anewmultipurposeelectretsmaterial”》中记载。只要两个电极已经施加到材料上，这种材料就已经可以被用作机电换能器并且通过其柔性能够实现不同的应用可能性。在此，已充电的多孔驻极体(压电驻极体)的表面主动地振动。对于作为多孔压电驻极体的应用而言特别感兴趣的是，提供卓越的电荷存储的驻极体材料、例如特氟龙FEP、PTFE和PFA并且由此也可以在更高的温度时在更长的时间上使用。在已充电的多孔驻极体中(压电驻极体)，在每一个孔中在孔的相对的侧上存在正电荷载体和负电荷载体。由此产生以下不利：驻极体的放电在更长的时间段上发生，因为电荷载体仅仅必须运动经过相对短的路程，以便使相反充电的电荷载体相遇并且与其重新组合。

对于驻极体在要求跨越数年地也在恶劣的环境条件下保持不变的性能(例如对于在车辆中的应用)的部件中的应用而言，需要具有非常高的电荷稳定性的驻极体。通过适合的材料和预处理方法的选择，可以得到以下驻极体：其在室温和增大的温度时具有好的电荷稳定性并且其可以潜在地用于上述应用。然而，对于为了在所述恶劣的环境条件下的使用所考虑的驻极体的选择存在仅仅少的选择。

因此，期望相对于现有技术的、用于制造具有非常高的电荷稳定性的驻极体的新方法以及电荷稳定性的进一步改善并且对于驻极体开发新的应用领域。

DE4421859C2示出一种用于借助驻极体清洁气体的过滤器以及至少部分包围驻极体的由多孔介质构成的层。所述多孔介质由泡沫材料、尤其由开孔的或开孔蜂窝状(offenporzellig)的泡沫材料制造。驻极体构造为由聚合物、例如由聚四氟乙烯构成的薄的层或板并且通过热处理极化。

DE2232264示出一种驻极体结构，其由两个薄的介质薄膜组成，在所述两个薄的介质薄膜之间置入电离空气层。这种驻极体结构可以用作超声换能器。

发明内容

本发明描述驻极体结构的一种新型构造以及用于制造这种驻极体结构的方法，在所述方法中避免现有技术的不利。通过根据本发明的构造妨碍在充电之后电荷载体的运动并且因此保证高的电荷稳定性。

根据本发明提出一种驻极体结构，其包括导电载体、第一驻极体层和多孔介质层，所述多孔介质层布置在载体和驻极体层之间。在此，所述导电载体优选构成根据本发明的驻极体结构的电极。

本发明基于以下构想：利用多孔介质层使已充电的第一驻极体层与背电极分离。由此，防止电荷从第一驻极体层到电极的运动，因为电荷平均上必须经过更长的至电极的路径。同样，防止相反地充电的电荷载体从电极到第一驻极体层的可能出现的运动。由此，显著提高根据本发明的驻极体结构相对于传统的不具有驻极体和电极之间的多孔介质层的构造的电荷稳定性。

相对于由现有技术已知的多孔驻极体(所谓的压电驻极体，在其中在驻极体的所有孔中分别存在正电荷和负电荷)，根据本发明的构造提供正电荷和负电荷的更强烈的空间分离，因为多孔层自身不被充电。由此，显著降低通过已充电的驻极体层内的电荷载体的重新组合引起的电荷损失的危险。

使用根据本发明的驻极体结构的电声换能器优选如此构造，使得驻极体结构自身不振动，而是构造电场，从而根据静电换能器的已知原理实现声波的产生或探测。

根据本发明，在构成电极的导电载体上施加多孔介质。为此，例如可以使用多孔聚合物、如多孔特氟龙(例如PTFE、PFA、FEP、AF等)，但也可以使用具有介质特性的其他材料、例如多孔陶瓷。

如此构造的多孔介质层优选可以在其面向载体或电极的一侧上金属化。由此，有利地实现好的电连接和/或产生对于电荷载体的跨界的电势壁垒(Potentialbarriere)。尤其当多孔介质层具有多孔特氟龙时，对于多孔介质层的金属化有利的是使用铝，铝不仅改善多孔介质层与载体的电连接，而且妨碍电荷从背电极跨界到特氟龙材料中。

根据本发明，在多孔介质层上施加驻极体材料，例如通过由特氟龙(例如PTFE、PFA、FEP、AF等)构成的薄膜的层压，所述薄膜构成第一驻极体层，电荷载体通过薄膜的充电引入所述第一驻极体层中。替代地，可以滴上作为湿性溶液的驻极体材料(例如特氟龙)，然后进行干燥。

为了防止空气潮湿进入多孔介质层的孔中，优选设置：整个驻极体结构朝一侧密封。这例如可以通过以下实现：上驻极体层在该构造的边缘处伸展到载体上并且与载体连接(例如粘接或层压)。替代的密封是可能的，例如通过施加粘接剂在驻极体结构侧面的密封或者环状地围绕驻极体结构的密封。

在本发明的一种优选实施中设置，在背电极与多孔介质之间置入一个另外的第二驻极体层。多孔介质层的金属化在这种情形中被取消。替代地，可以金属化第二驻极体层的面向载体或背电极的一侧。如果多孔介质的金属化和/或多孔介质与载体的连接由于材料特性引起问题，则可以有利地选择这种可选择的构造。

在根据本发明的驻极体结构的寿命持续时间期间，电荷载体缓慢地从上驻极体层的表面(或者从体积中)朝电极方向运动。在由现有技术已知的、具有直接施加在电极上的驻极体的构造中，电荷载体在一段时间之后到达电极并且通过运走或者重新组合被抵消。

相反，在根据本发明构造的驻极体结构中，如果驻极体已经到达了已充电的驻极体层的下侧，则电荷载体从驻极体到达多孔介质。在驻极体和介质接触的位置处可以实现电荷载体的跨界并且发生电荷载体的另外的运动。但是，在大多位置处由于多孔介质层的多孔性所以驻极体与孔、即与填充空气的空腔邻接。不发生电荷载体从驻极体材料到孔的空气中的跨界，由此使电荷固定在驻极体和空气(介质中的孔)之间的边界处。如此固定的电荷在长的时间段上、例如在数年上在适宜的环境条件(室温和低的空气湿度)下甚至在数十年上稳定地绑定在根据本发明的驻极体结构中，由此根据本发明的构造具有非常高的电荷稳定性。

因此，根据本发明的用于制造这种驻极体结构的方法包括以下步骤：

a)设置导电载体、尤其金属载体，其构成电极，

b)将多孔介质层施加到所述载体上，

c)将尤其非多孔的驻极体材料、例如特氟龙施加到多孔介质层上，

d)充电非多孔的驻极体，由此构造第一驻极体层。

方法步骤b)和c)的顺序在本发明的范畴内不固定。根据本发明同样可能的是，首先将多孔介质层例如通过层压施加到驻极体材料上(步骤c))，然后将多孔介质层与驻极体材料的结合施加到所述载体上(步骤b))。

在步骤d)中薄膜的充电例如可以通过光晕方法、电子射束或接触充电来实现。

可选择地，在另一个方法步骤f)中，在将已充电的三明治构造置入部件中之前附加地预先老化(voraltern)该三明治构造，例如在一个温度时的时效处理(Auslagerung)，其中给出驻极体中的电荷载体的高的运动性。所述温度与所选择的材料相关。运动的电荷载体在所述条件下快速运动，直至所述电荷载体到达驻极体内的位置，在所述位置处电荷载体具有高的能量稳定性(所谓的捕获)，或者直至电荷载体到达驻极体与多孔介质的过渡处的边界面，在那里所述电荷载体被固定，如以上所描述的那样。通过所述预先老化实现以下系统：在所述系统中在置入部件中之前电荷载体已经以非常稳定且固定的形态存在。相应地，防止或最小化驻极体结构的电荷特性在置入的较早阶段中的可能的变化。

根据本发明的驻极体结构例如适于在用于环境传感器机构的声换能器(例如驾驶员辅助系统中的基于超声的、机器人技术或超声空间监视中的周围环境识别)中使用。其他可能的应用领域是由现有技术已知的驻极体应用——例如麦克风、扬声器或空气过滤器，尤其当这种系统要求驻极体的在长的时间段上也在恶劣的环境条件下的非常保持不变的电荷时。

附图说明

图1：根据本发明的第一实施例的驻极体结构；

图2：根据本发明的第二实施例的驻极体结构。

具体实施方式

图1示意性示出根据本发明的第一实施例的驻极体结构1的剖面。驻极体结构1包括金属载体10，所述金属载体构成驻极体结构1的电极。已充电的特氟龙薄膜构成第一驻极体层30。在载体10和驻极体层30之间布置有由多孔介质材料、例如陶瓷、聚合物或多孔特氟龙构成的层20，从而得到根据本发明的三明治构造。多孔介质层20因此包括固定的介质22，所述介质具有例如不同大小的孔24。在本实施例中，在多孔介质层20和载体10之间设置有第二驻极体层40，所述第二驻极体层在其面向载体的表面42上设置有金属涂层45。

在本示例中，第一驻极体层具有电荷载体50，所述电荷载体具有负电荷。具有相反极性的抵消电荷55位于载体10中。通过所述电荷分离实现已知的驻极体效应，该驻极体结构1例如可以用于声换能器。

仅仅在第一驻极体层30和介质22接触的位置处可以实现电荷载体的跨界并且可以发生电荷载体的另外的运动。但是，在沿着第一驻极体层30和多孔介质层20之间的边界面60的大多位置处，由于层20的极性所以驻极体30与孔24、即与填充空气的空腔邻接。不发生电荷载体50跨界到孔24的空气中。因此，电荷载体50固定在驻极体30和介质22中的孔24的空气之间的边界处并且在长的时间段上稳定地保持绑定在驻极体层30中。

为了防止空气潮湿、水或污物侵入多孔介质层20的孔24中，驻极体层30在侧面伸展到载体10上并且在那里粘接或层压。由此，实现围绕驻极体结构1的环绕的密封部35，所述环绕的密封部改善在艰难的环境条件下的寿命持续时间。

在图2中示意性示出根据本发明的第二实施例的驻极体结构1的剖面。功能方式基本上与在结合图1所描述的实施例中的功能方式相同。

与图1不同地，在该实施例中在多孔介质层20和载体10之间不设置第二驻极体层。替代地，多孔介质层20的面向载体10的表面25具有金属化层45，所述金属化层45直接用于将多孔介质层20与载体10连接。

在根据图2的实施例中，为了密封多孔介质层20设置有由粘结剂材料构成的环绕的环36，其防止潮湿和污物侵入多孔介质层20中。

综上所述，通过根据本发明的驻极体结构1实现高的电荷稳定性，因为电荷载体有效地固定在驻极体层和多孔介质层20的孔之间的边界面处并且防止具有相反地极化的电荷载体的重新组合。通过另外的、例如驻极体层40和/或金属化层45的中间层，可以构成多孔介质层20与优选构成驻极体结构1的背电极的载体10的连接，以便附加地优化分别所选择的材料。

Claims (11)

1.一种驻极体结构(1)，其包括：

-导电载体(10)；

-第一驻极体层(30)；

-多孔介质层(20)，所述多孔介质层布置在所述载体(10)和所述驻极体层(30)之间。

2.根据权利要求1所述的驻极体结构(1)，其特征在于，所述导电载体(10)构造用于构成所述驻极体结构(1)的电极。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的驻极体结构(1)，其特征在于，所述多孔介质层(20)具有以下材料中的至少一种：多孔聚合物、尤其多孔特氟龙、多孔陶瓷。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的驻极体结构(1)，其特征在于，电荷载体(50)所置入的所述第一驻极体层(30)构造为聚合物薄膜、尤其构造为特氟龙薄膜。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的驻极体结构(1)，其特征在于，电荷载体(50)所置入的所述第一驻极体层(30)通过具有聚合物溶液的涂层构成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的驻极体结构(1)，其特征在于，所述驻极体结构(1)具有密封结构(35)，所述密封结构(35)抵抗污物和/或潮湿地密封所述多孔介质层(20)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的驻极体结构(1)，其特征在于，所述多孔介质层(20)在其面向所述导电载体的面(25)上具有金属涂层(45)、尤其铝涂层。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的驻极体结构(1)，其特征在于，所述驻极体结构(1)具有第二驻极体层(40)，所述第二驻极体层(40)布置在所述多孔介质层(20)和所述导电载体(10)之间，其中，所述第二驻极体层(40)尤其在其面向所述导电载体的面(42)上具有金属涂层(45)。

9.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的驻极体结构(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

a)设置导电载体(10)、尤其金属载体，

b)将多孔介质层(20)施加到所述载体层上，

c)将驻极体材料、尤其特氟龙施加到所述多孔介质层(20)上，

d)给所述薄膜充电，由此所述薄膜构成所述第一驻极体层(30)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还设置有预先老化步骤f)，其中，在实施步骤d)之后在预给定的温度的情况下对于预给定的时间存放所述驻极体结构(1)。

11.一种声换能器装置，其具有根据权利要求1至8中任一项所述的驻极体结构(1)。