CN106463262B - 用于制造多层驻极体部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造一种多层驻极体结构(10)的方法，包括以下的方法步骤：提供具有由导电材料构成的电极(14)的载体(12)；将第一驻极体层(16)施加到所述电极(14)上；将第二驻极体层(18)施加到所述第一驻极体层(16)上以构造所述多层驻极体结构(10)；用载流子(22)给所述第二驻极体层(18)的表面(20)或表面附近的体积区域充电；使所述多层驻极体结构(10)经受处理，其中，使所述载流子(22)流动到所述第二驻极体层(18)的体积中并且保持在所述第一驻极体层(16)与所述第二驻极体层(18)之间的边界区域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造多层驻极体部件的方法及一种驻极体结构。
背景技术
如下材料被称为驻极体：电荷可在内部或表面上存储较长时间，使得在所述材料中构造在很大程度上持久的电场。“驻极体”的概念例如也被用于如下材料：所述材料在其表面上具有相反的电荷，如在被充电的聚合物膜的情况下那样。用于驻极体充电(极化)的方法此外包括热学过程、气体放电及借助电子射束的照射。驻极体的技术应用是多方面的，例如用在麦克风、扬声器中用作辐射检测器及用在空气过滤器中。然而驻极体的技术应用可能性在很大程度上与以下相关：在与应用相关的环境条件下在可接受的寿命上在多大程度上可保证足够稳定的极化。
驻极体可根据材料来划分。因此，驻极体可由有机材料制造，该有机材料具有差的至中等的电荷稳定性并且以有利的方式可构造为薄膜。由现有技术公知了多种可作为介电材料使用的聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯及聚对苯二甲酸乙二酯及尤其特氟龙变形产品(Teflon-Variaten)、例如聚四氟乙烯。然而驻极体的特性取决于所使用的聚合物的自然特性，其中，尤其这种驻极体的表面电势在较高温度时不是很稳定。尤其在较高温度时载流子漂移穿过驻极体，其中，载流子由驻极体漂移到接通电极中并且被导出或被补偿，由此载流子丢失。
此外公知了一种由无机材料构成的驻极体，所述无机材料表现出对热放电过程的高稳定性并且可以应用于高温，但对通过表面接触或污染的放电具有高的敏感性。
然而始终对驻极体存在如下需求：在与应用相关的环境条件下、例如在较高温度时及关注湿度的情况下在长时期上保证驻极体的驻极体特性、尤其电荷分离的稳定性。尤其在高温时载流子可从驻极体漂移出来，其中，例如载流子穿过驻极体通过接通电极被导出或被补偿，由此载流子丢失。尤其载流子主要存储在表面上的驻极体在制造期间或在工作中的接触时以及通过其表面受到导电的或带相反电荷的材料、例如灰尘的污染陷入电荷损失的危险。
由US 7 706 554 B2公知了一种具有驻极体元件的用于小型化麦克风的驻极体电容器，该驻极体元件包括由二氧化硅构成的层，该层通过电镀方法成为驻极体；该驻极体元件还包括由氮化硅构成的覆盖该层的的保护层，以用于抵御湿度。在此，载流子在层结构表面以下束缚在硅氧化物与氮化硅之间的边界面上，使得驻极体相对于例如空气湿度及其它环境条件的影响的敏感性下降。
由DE 42 15 983 A1公知了一种驻极体结构，其中，电荷存储层构造成不均匀的材料组合物。该电荷存储层构造成具有至少三层的层序列，其中，中间层具有用于载流子的大的捕获横截面并且两个外层起势垒的作用。不同层的功能通过相应的材料来提供，例如Si3N4适用于中间层并且SiO2适用于外层。
在驻极体材料中存储下降状态中的表面电荷和/或空间电荷，所述下降状态也被称为势盆势槽(Potentialmulden)或陷阱(Traps)，所述下降状态处于导带与价带之间，其中，多层次的驻极体元件使用不同介电材料的导带的差别。
对于驻极体在汽车领域中的应用要求在长时期上、跨越多年地并在强烈变化的条件下保持不变的表现，使得始终存在对适合的材料、结构及制造方法的需求。
发明内容
根据本发明提出一种用于制造驻极体结构的方法及一种驻极体结构。该驻极体结构包括具有介电材料组合物的电荷存储层，该电荷存储层构造成介电材料的层序列，这些电荷存储层在载流子热稳定性方面不同。
多层结构中的驻极体结构尤其包括由无机驻极体材料、例如SiO2构成的第一驻极体层，该第一驻极体层被施加在衬底的表面上或施加到电极的表面上。驻极体材料SiO2、Si3N4或Al2O3的特征在于高温时的高载流子稳定性，它们能够以小厚度实现并且适合于简单地固定在衬底表面上。此外可通过植入局部杂质借助外来原子改变驻极体材料。
适用于第一驻极体层的其他合适的驻极体材料是玻璃或陶瓷材料，在所述驻极体材料中，载流子在较高温度时、尤其在大于100℃的温度时才示出显著的迁移率，因此使得玻璃或陶瓷材料的特征在于长时间的载流子稳定性。此外，除了无机材料外，有机材料——如特氟龙也适合于所提出的多层驻极体结构的第一驻极体层，特氟龙的特点是相应良好的载流子稳定性及温度稳定性。合适的驻极体材料示出低的体导电性，起绝缘体的作用，构成势垒，但对于载流子提供大的捕获横截面。
可通过物理的和/或化学的沉积过程将第一驻极体层的驻极体材料直接施加到电极表面上，或替代地，可通过合适的沉积过程将电极材料施加到驻极体材料上。物理的或化学的沉积过程例如是物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、蒸发、热喷射法及喷涂作为悬浮液(Suspension)或前体溶液存在的组合物以及印刷。
借助公知的方法，第一驻极体层的驻极体材料可制造成薄的膜片(Folie)或膜(Flim)，所述薄的膜片或膜以合适的方式与电极材料连接，例如粘接。为了避免电极材料与第一驻极体层的驻极体材料之间的边界层上的电压降以及为了改善连接或电接通，可借助导电材料——例如金属来涂覆、例如蒸镀电极的向着第一驻极体层的一侧。
在下一方法步骤中，在第一驻极体层的与电极表面对置的一侧上施加合适的驻极体材料的第二层，其中，该第二驻极体层的材料与已施加的第一驻极体层的驻极体材料不同。第二驻极体层的介电材料示出不同的驻极体特性、尤其低的导电性及相比于第一驻极体层的驻极体材料更低的载流子热稳定性，所述载流子热稳定性也被称为电荷储存性能。因此，适用于第二驻极体层的驻极体材料在较低温度时就已经示出明显的载流子迁移率，尤其显著的体导电性。引入到第二驻极体层中的电荷——所述电荷可作为表面电荷或体电荷被施加或引入——尤其在温度升高时基于驻极体材料的载流子迁移率及显著的体导电性穿过第二驻极体层的体积直至漂移到相对于第一驻极体层的驻极体材料的边界区域中。在该边界区域中载流子基于低的载流子迁移率被捕获在第一驻极体层中并且被局部化地存储在该边界区域中。因此第一驻极体层的驻极体材料构成势垒。
多层驻极体结构中的第二驻极体层的合适的驻极体材料可为有机材料，例如在这方面所公知的聚合物，如氟聚合物。可加工成驻极体的、可被用作介电材料的聚合物已由现有技术公知，其中，不足够稳定的电荷稳定性迄今被认为是不利于转换成具有可接受的工作寿命的驻极体的。替代地也可使用具有相应的驻极体特性的无机驻极体材料，尤其同样具有低电荷稳定性的那些无机驻极体材料。
可在相应合适的第二驻极体材料的情况下，例如在Teflon-AF(无定形氟聚物)的情况下借助压印过程将第二驻极体层施加到第一驻极体层上。替代地，但也可使用公知的结构及连接技术，例如可借助与第一驻极体层的层压、旋涂或粘接来施加第二层。
根据本发明现在给该驻极体结构充电。对于驻极体材料的静电式充电公知了不同的物理机制，以便产生过剩电荷并且必要时将这些过剩电荷转移到介电材料中。所述物理机制包括热学过程，该热学过程同时使热量及电场起作用，但也包括气体放电、借助电子射束照射或接触起电。优选地借助电晕放电(Koronaentladung)进行充电。
在下一步骤中，使被充电的驻极体结构经受处理，其中，使所产生的载流子——这些载流子在很大程度上施加在表面上或引入在第二驻极体层的表面附近的体积区域中——侵入到第二驻极体层的体积中并且在其中被继续转移。在此，载流子漂移穿过第二驻极体层的体积并且被保持在第二驻极体层与第一驻极体层之间的边界区域中。
在一种实施变型方案中，在该下一步骤中使被充电的多层驻极体结构经受热处理。将该驻极体结构加热到如下温度上：在该温度时引入在第二驻极体层的表面上或引入在表面附近的体积区域中的载流子基于其迁移率快速地侵入到第二驻极体材料中并且基于该材料的良好体导电性直至漂移到相对于第一驻极体层的驻极体材料的边界区域中。因为在第一驻极体层中载流子的迁移率较低，所以载流子被保持在第一驻极体材料与第二驻极体材料之间的边界区域中，使得通过接触或表面污染的放电是不可能的。驻极体结构被加热到的温度处于如下范围中：该温度范围基于这些驻极体材料的不同的载流子热迁移率得到。优选地，对于合适的驻极体材料对，该温度处于50℃至150℃的范围中。
集中在第一与第二驻极体材料之间的边界区域中的载流子在那里被保持或稳定地束缚，因为第一驻极体层的优选无机的驻极体材料具有高的载流子稳定性。载流子从边界区域向着电极方向穿过第一驻极体层的体积的漂移基于该材料的低体导电性在更高温度时、例如在SiO2的情况下在200℃以上的温度时才实现。
在用于第二驻极体层的驻极体材料的情况下——该驻极体材料的特征在于在室温时载流子的稳定性已经是低的，也就是说在存在足够高的载流子迁移率的情况下——可通过被充电的多层驻极体结构在室温时进行的长期存放来代替热处理。
本发明的优点
根据本发明提出的用于制造多层驻极体结构的解决方案一方面使用尤其无机驻极体材料的良好的载流子稳定性——也就是说低的载流子迁移率及低的体导电性而另一方面使用覆盖第一驻极体层的第二驻极体层的驻极体材料的低的载流子稳定性。
构造成层结构的根据本发明的驻极体结构的特征总体来说在于高的载流子稳定性、良好的电荷稳定性，相对于湿度的不敏感性以及在接触或污染时小的电荷损失。
根据本发明的驻极体结构将第一驻极体层的长期载流子稳定性与通过充当保护层的第二驻极体层得到的稳健性相结合。防御空气湿度及污染的驻极体结构相对于放电过程表现稳定，尤其因为载流子的主要部分集中在两个驻极体层的边界区域中，并且因此受保护地集中在多层驻极体结构的表面的下面。
通过巧妙地选择驻极体结构的材料可使特性适配于对驻极体提出的要求并且降低成本。因此不需要由以下方式来改善驻极体材料的载流子稳定性：即通过用确定的、可能成本较高的材料的涂覆来实现处于无机驻极体材料的表面上的载流子的温度稳定的能级。相反地，根据本发明的方法巧妙地使用通过无机驻极体材料已给定的非常好的载流子稳定性并将所述载流子稳定性与其他有利的特性相组合。
根据本发明的方法基于成本有利的方法步骤，例如可通过丝网印刷(Siebdruck)、层压及类似方法来施加两个驻极体层。这与迄今使用的气相涂覆法相比表明是显著有利的。
根据本发明的方法的特征在于：可成本有利地借助公知的方法给多层结构进行表面充电，使所述多层结构经受有针对性的热处理，其中，载流子基于其迁移率穿过第二驻极体层但不穿过第一驻极体层漂移到第一与第二驻极体层之间的边界区域中并且在那里受保护地处于整个多层结构的表面之下。因此很大程度上不再有可运动的载流子处于驻极体结构的表面区域中，也就是说处于第二驻极体结构的表面上，这些可运动的载流子在接触或污染的情况下可能流出。
附图说明
根据本发明的主题的其他优点及实施方式通过附图来说明并且在以下的描述中更详细地加以解释。
附图示出：
图1：以横截面示出的具有多层结构的原理性的驻极体结构；
图2：多层驻极体结构的充电；
图3：在载流子充电和漂移后在充电及热处理时的根据本发明的驻极体结构。
具体实施方式
由图1的示图得知驻极体结构10，该驻极体结构包括载体12。在载体12的表面上存在由导电材料——例如金属、尤其铝或导电粘接剂构成的电极14。在电极14的与载体12对置的一侧上布置有由第一驻极体材料构成的驻极体层16。第一驻极体层16包括介电材料，该介电材料起绝缘体的作用并且优选地是一种无机材料。合适的材料是SiO2或以下其他介电材料：这些其他介电材料具有良好的载流子存储能力，也就是说高的温度稳定性、低的体导电性及低的载流子迁移率第一驻极体层16的厚度为10至50μm，优选地为10至20μm。尤其要列举无机材料，例如玻璃或陶瓷，或者也列举具有非常好的载流子稳定性的有机材料，如PTFE(聚四氟乙烯)或Teflon-FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)。
在第一驻极体层16上存在第二驻极体层18，该第二驻极体层也由介电材料构成，但与第一驻极体层16的介电材料不同。第二驻极体层18的特征尤其在于相比于第一驻极体层16好的体导电性。第二驻极体层18优选由具有相比于第一驻极体层16低的载流子热稳定性的有机材料——例如Teflon-AF(无定形氟聚物)构成。可成本有利地借助压印工艺将第二驻极体层18施加到第一驻极体层16上，该第一驻极体层包括无机材料或替代地包括相应特性的有机材料。替代的结构或连接方法是层压(Auflaminieren)、粘接、旋涂(SpinCoating)等。
图2中示出驻极体结构10，在层结构形成后使该驻极体结构经受充电过程。在表面20上通过由现有技术公知的方法给驻极体结构10充电。尤其借助电晕放电使载流子22在表面20上——即第二驻极体层18的表面20上沉积。或在借助高能的电子射束给第二驻极体层18充电的情况下将载流子22引入到第二驻极体层18的表面附近的体积区域中。
在一种实施方式中，紧接着充电过程或在充电过程期间使驻极体结构10经受热处理，其中，将驻极体结构10加热到更高的温度上。该温度处于如下区域中：在该区域中第二驻极体层18的优选有机的材料表现出显著的载流子迁移率，使得在表面20上放电的载流子22漂移到第二驻极体层的体积中，或这些载流子继续穿过第二驻极体层18的体积漂移到第二驻极体层18与第一驻极体层16之间的边界区域中，如图3中所表明的那样。同时这样地选择温度，使得第一驻极体层16的材料不表现显著的电荷迁移率。不期望的是：被充电的载流子22存在于边界区域中的单个的清晰限界的前沿中，也就是说尤其直接地在第一驻极体层16与第二驻极体层18之间的的边界面24上。相反地，载流子22将集中在或多或少较宽的边界区域中并且一些、优选少量的载流子22已通过能量上有利的陷阱(Fangstellen，英文：Traps)捕获并稳定地被束缚在第二驻极体层18的体积中。对于第二驻极体层18的优选有机的驻极体材料，合适的温度处于50℃至150℃的范围中。
因此，漂移到边界区域中的载流子22处于驻极体结构10的表面20之下并且尤其被稳定地束缚在边界面24上，因为第一驻极体层的尤其无机的材料在高温时、尤其在>200℃的温度时才具有显著的载流子迁移率。因为载流子22集中在表面20之下，所以对于驻极体结构10得到相对于环境影响——例如湿度和/或污染的更高的不敏感性及相对于接触的更高的不敏感性。
本发明不受限于这里所述的实施例及实施例中的突出方面上。而在通过权利要求书给出的范围内可以有许多变型，这些变型在专业人员可处理的范围内。
Claims (8)
1.一种用于制造多层驻极体结构（10）的方法，该方法包括以下的方法步骤：
a）提供具有由导电材料构成的电极（14）的载体（12）；
b）将第一驻极体层（16）施加到所述电极（14）上；
c）将第二驻极体层（18）施加到所述第一驻极体层（16）上以构造所述多层驻极体结构（10）；
d）借助载流子（22）给所述第二驻极体层（18）的表面（20）或表面附近的体积区域充电；
e）使所述多层驻极体结构（10）经受处理，其中，使所述载流子（22）流动到所述第二驻极体层（18）的体积中并且保持在所述第一驻极体层（16）与所述第二驻极体层（18）之间的边界区域中，
其特征在于，由具有高的载流子热稳定性的无机介电材料构造所述第一驻极体层（16）及由具有低的载流子热稳定性的有机介电材料构造所述第二驻极体层（18），使得所述第一驻极体层（16）的载流子热稳定性比所述第二驻极体层（18）的载流子热稳定性高，其中，步骤e）为温度处理，其中，所述温度这样地选择，使得被充电的载流子（22）在所述第二驻极体层（18）的体积中具有显著的迁移率并且在所述第一驻极体层（16）中具有不显著的迁移率，使得所述被充电的载流子（22）在第二驻极体层（18）中的迁移率比在第一驻极体层（16）中的迁移率高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助压印方法，将所述第二驻极体层（18）施加到所述第一驻极体层（16）上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤d）中的充电包括电晕放电、气体放电、用电子射束照射或接触起电。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过层压、旋涂或粘接将所述第二驻极体层（18）施加到所述第一驻极体层（16）上。
5.一种驻极体结构（10），其根据以上权利要求中任一项所述的方法制造，其中，所述驻极体结构（10）是具有至少一个第一驻极体层（16）及至少一个第二驻极体层（18）的多层结构，所述至少一个第一驻极体层及所述至少一个第二驻极体层在载流子热稳定性方面不同。
6.根据权利要求5所述的驻极体结构（10），其特征在于，被施加的和/或被引入的载流子（22）在所述驻极体结构（10）的表面（20）之下稳定地束缚在第一驻极体层（16）与第二驻极体层（18）之间的边界区域中。
7.根据权利要求5或6所述的驻极体结构（10），其特征在于，所述第一驻极体层（16）的介电材料从SiO2、Si3N4、Al2O3、玻璃、陶瓷或特氟龙中来选择。
8.根据权利要求5或6所述的驻极体结构（10），其特征在于，所述第二驻极体层（18）的介电材料为聚合物。
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