CN107104179B - 高分子薄膜极化方法、极化膜及电子器件 - Google Patents
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Abstract
一种高分子薄膜极化方法，在第一电场的作用下电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，该环境气体穿过所述第二电场而聚集在高分子薄膜第二表面，使高分子薄膜内形成沿薄膜厚度方向的膜内电场，对所述高分子薄膜进行极化。该高分子薄膜极化方法能避免高分子薄膜被击穿，有效提高极化膜的生产合格率，可以实现大规模生产；且制得的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。本发明还提供一种极化膜，采用上述高分子薄膜极化方法制备得到，该极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。本发明还提供一种电子器件，其包括基底以及上述的极化膜。
Description
【技术领域】
本发明涉及薄膜技术领域，具体涉及一种高分子薄膜极化方法、极化膜及电子器件。
【背景技术】
极化是薄膜材料处理中的一个重要环节，主要目的是使薄膜材料中杂乱取向的分子偶极矩沿着特定方向(如极化电场方向)一致取向，从而使该薄膜材料具有压电性能。
薄膜极化通常直接将薄膜材料置于电极之间，利用电极产生的高压电场完成极化，这种方法非常容易将薄膜材料击穿。特别有些高分子薄膜材料是直接形成在电子器件表面，在高压电场直接极化还容易因为薄膜材料击穿而导致整个电子器件的损坏，所以成本昂贵。而且由于整个极化方法生产合格率较低，基本不能大规模生产。
【发明内容】
为克服现有薄膜极化生产合格率较低的技术问题，本发明提供一种高分子薄膜极化方法、极化膜及电子器件。
本发明为解决上述技术问题的一技术方案是提供一种高分子薄膜极化方法，包括：提供待极化高分子薄膜，其包括相对的第一表面和第二表面，使该薄膜第一表面电势为零，在所述待极化高分子薄膜第二表面的上方提供第一电场以及第二电场，所述第一电场电势高于所述第二电场的电势，在所述第一电场的作用下电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，该环境气体穿过所述第二电场而聚集在所述高分子薄膜第二表面，使所述高分子薄膜内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，对所述高分子薄膜进行极化。
优选地，所述高分子薄膜极化方法进一步包括通过监测所述高分子薄膜的薄膜电流确定极化终点。
优选地，所述高分子薄膜为铁电聚合物薄膜，所述薄膜电流在极化过程中表现出巴克豪森噪声的振荡行为特性，通过监测巴克豪森噪声对薄膜电流的影响，从而确定极化终点。
优选地，利用监测的薄膜电流获得薄膜电流与极化时间之间的斜率，从而确定极化终点。
优选地，当所述斜率出现振荡后，且变化量小于1-5％时，即可确定为极化终点。
优选地，在极化过程中控制所述高分子薄膜、第一电场和第二电场三者之间进行相对运动。
一种极化膜，采用上述高分子薄膜极化方法制备得到。
优选地，所述极化膜为铁电聚合物薄膜，薄膜厚度小于9μm，所述极化膜的介电常数为25-29pC/N。
本发明还提供一种电子器件，其包括基底以及上述的极化膜。
相对于现有技术，本发明所提供的一种高分子薄膜极化方法，在所述第一电场的作用下电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，该环境气体穿过所述第二电场而聚集在所述高分子薄膜的第二表面，使所述高分子薄膜内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，对所述高分子薄膜进行极化。相较于直接在高分子薄膜的上下表面设置电极，不会使高分子薄膜直接承受所施加的高压电场，因此能避免高分子薄膜被击穿，有效提高极化膜的生产合格率，可以实现大规模生产；且制得的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
进一步的是，通过监测所述高分子薄膜的薄膜电流确定极化终点，能更好的保证得到压电效应强且使用寿命长的极化膜，且当确定同一极化终点时，每次极化后获得的极化膜性能一致性好。
进一步的是，根据所需要的极化程度确定极化终点，从而能得到不同性能的极化膜，实现极化膜制备的可控性。
本发明还提供一种极化膜，采用上述高分子薄膜极化方法制备得到，该极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
本发明还提供一种电子器件，其包括基底以及上述的极化膜。由于所述极化膜具有较强的压电效应，有效拓宽该电子器件的应用并增强其竞争力。
【附图说明】
图1是本发明实施例一中高分子薄膜极化方法的流程示意图。
图2是本发明实施例一中高分子薄膜极化方法的原理示意图。
图3是本发明实施例一中高分子薄膜极化方法的薄膜电流的测试曲线图。
图4中(A)为本发明实施例一中铁电聚合物薄膜极化前的微观结构示意图；(B)为本发明实施例一中铁电聚合物薄膜极化后的微观结构示意图。
图5中(A)为本发明实施例一高分子薄膜极化方法中，极化过程下的铁电聚合物薄膜的电滞回线(极性-膜内电场)的示意图；(B)为极化过程下的巴克豪森噪声信号与膜内电场之间的关系示意图；(C)为极化过程下的极化微晶密度与膜内电场之间的关系示意图；(D)为极化过程下的薄膜电流与膜内电场之间的关系示意图。
图6是本发明实施例二高分子薄膜极化装置的结构示意图。
图7是本发明实施例四高分子薄膜极化装置的一种实施例中，高压高压电极端、低压电极端、物品承载台三者之间相对运动的结构示意图。
图8是本发明实施例四高分子薄膜极化装置的另一种实施例中，高压高压电极端、低压电极端、物品承载台三者之间相对运动的结构示意图。
图9是本发明实施例五中一种高分子薄膜极化系统的结构示意图。
图10中(A)是本发明实施例五中另一种高分子薄膜极化系统的结构示意图；(B)是极化过程中电场Ez与衬底位置之间的关系示意图；(C)是极化过程中电场Ex与衬底位置之间的关系示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，一种高分子薄膜极化方法，包括：
步骤S1：提供待极化高分子薄膜，其包括相对的第一表面和第二表面，使该薄膜第一表面电势为零；
步骤S2：在所述待极化高分子薄膜第二表面的上方提供第一电场以及第二电场，所述第一电场电势高于所述第二电场的电势；
步骤S3：在所述第一电场的作用下电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，该环境气体穿过所述第二电场而聚集在所述高分子薄膜第二表面，使所述高分子薄膜内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，对所述高分子薄膜进行极化。
本发明所提供的一种高分子薄膜极化方法，相较于直接在高分子薄膜的上下表面设置电极，不会使高分子薄膜直接承受所施加的高压电场，因此能避免高分子薄膜被击穿，有效提高极化膜的生产合格率，可以实现大规模生产；且制得的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
本发明所提供的高分子薄膜极化方法的原理示意图如图2所示，提供待极化的高分子薄膜103，所述高分子薄膜103包括相对的第一表面1031和第二表面1032，使该薄膜的第一表面1031电势为零。一般来说，如图中所示，使所述高分子薄膜103接地即可。在所述待极化高分子薄膜103第二表面1032的上方提供第一电场以及一个第二电场，所述第一电场电势高于所述第二电场的电势。所述第一电场可以是如图1中所示，由电势源101通过一电势释放件104提供，所述电势释放件104可以是金属针或者是细金属线等。所述第二电场可以是如图1中所示，由格栅105或者是设有贯穿部的平板提供，比如多根互相平行金属线且间隔一定距离而形成的平板电极，多根金属线之间的间隔即形成所述平板状电极的贯穿部。本实施例中，第二电场采用栅格150提供。所述格栅105设置在电源释放件104与高分子薄膜103之间。利用第一电场电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，从而产生带电离子102，带电离子102穿过所述第二电场也即穿过格栅105而聚集在所述高分子薄膜103第二表面1032，使所述高分子薄膜103内形成沿所述薄膜厚度方向(即图中箭头P所指方向)的膜内电场，从而完成所述高分子薄膜103的极化。其中，所述格栅105可以确定格栅105所在平面的电势，并均匀格栅105所在处的电场，从而保证聚集在所述高分子薄膜103表面的带电离子102的均匀度。
优选地，所述电源释放件104与格栅105之间的距离大于所述格栅105与高分子薄膜103之间的距离。优选地，所述格栅105与高分子薄膜103之间的距离为1-10mm，通过确定格栅105与高分子薄膜103之间的距离，能更好的控制高分子薄膜103内所形成的膜内电场，使得膜内电场处在一个较高且稳定的状态。当然，可以理解，在一些优选的实施例中，只需保证所述电源释放件104与格栅105之间的距离大于所述格栅105与高分子薄膜103之间的距离即可。更好的是，所述电源释放件104与高分子薄膜103之间的距离为10-500mm，最优的是所述电源释放件104与高分子薄膜103之间的距离为300mm。
优选地，所述第一电场的电势为10-50kV，所述第二电场的电势为5-40kV，通过确定第一电场的电势以及第二电场的电势，能保证极化过程的稳定性。在这里需要说明的是，当然仍然需要保证第一电场的电势高于第二电场的电势，并且优选的是，第一电场的电势比第二电场的电势高5-30kV。例如，所述第一电场的电势为40kV，所述第二电场的电势为12kV；或，所述第一电场的电势为30kV，所述第二电场的电势为10kV；或，所述第一电场的电势为20kV，所述第二电场的电势为7kV；或，所述第一电场的电势为15kV，所述第二电场的电势为5kV。其中，较优的是，所述第一电场的电势为20kV，所述第二电场的电势为7kV，在该第一电场的电势及第二电场的电势下，极化过程的稳定性好，所得极化膜的性能好。当然，还可以是所述第一电场的电势及所述第二电场的电势均为可调节的，在极化过程中可以随时进行调节能达到更好的控制效果。
在实际生产中，本发明的极化方法是将所述高分子薄膜原位形成于一基底表面再进行极化，从而得到带有所述极化膜的基底。此点为区别于现有技术的一大不同，现有技术的高分子薄膜极化通常是通过采购现有的高分子薄膜成品，然后在通过粘附在基底上来进行极化。通常，这种成品的高分子薄膜需要先被拉升具有一定应力然后再通过粘合在基底上再进行极化，此种方法形成的高分子薄膜厚度均在30μm以上，不适应现有电子器件轻薄的发展趋势，而且采用这种极化膜的压电感测装置，由于压电感测膜太厚，因此分辨率较低。而本发明所提供的高分子薄膜极化方法，所述高分子薄膜为原位形成在一基底上的薄膜，比如通过化学气相沉积，物理气相沉积，涂覆等习知方式形成在基底表面，因此可以形成厚度很薄的高分子薄膜，基本厚度可以维持在9μm以下。因此，采用这种原位形成的极化膜的压电感测装置，分辨率大大提高。
优选地，所述高分子薄膜极化方法进一步包括通过监测所述高分子薄膜103内由于膜内电场而产生的薄膜电流I来确定极化终点。可以理解，即设置一电流传感器与所述高分子薄膜103相连，即可测得所述薄膜电流。相较于现有的技术方案中，对于每一次极化均经过相同的极化时长，在制备或生产中仅通过计时的方式确定极化终点，这样导致每次极化后获得的极化膜性能高低不一，这里所述的性能主要指的是前面所述的压电效应和使用寿命；而在本发明所提供的高分子薄膜极化方法通过监测薄膜电流的变化来确定极化终点，能更好的保证得到压电效应强且使用寿命长的极化膜，且当确定同一极化终点时，每次极化后获得的极化膜性能一致性好。
具体的，测得的薄膜电流I的曲线如图3所示，在图3中以极化时间t为横坐标，薄膜电流I为纵坐标。如图中所示，在极化过程中，随着极化时间的增加，膜内电场也在增加，薄膜电流I整体呈逐步增加的趋势，并且在极化过程中出现振荡。因此在监测过程中，获得薄膜电流I与极化时间t之间的斜率，当斜率出现负数时即进入振荡的区域，然后当斜率保持为正数且变化不大时，即可确定为极化终点，也就是图3中Y点所指示的位置。因而，所提供的高分子薄膜极化方法进一步包括根据所需要的极化程度确定极化终点，从而能得到不同性能的极化膜，实现极化膜制备的可控性。具体的，可以是当连续获取的斜率之间的变化量小于1-5％时，确认为极化终点，从而终止极化。当然，针对不同的产品需求，即对极化膜的性能要求，可以在所述变化量更小或更大的时候，确定为极化终点。利用斜率进行确定极化终点，进一步增强极化膜制备的可控性。
进一步的是，所述高分子薄膜为铁电聚合物薄膜，如聚偏二氟乙烯PVDF；聚偏二氟乙烯三氟乙烯PVDF-TrFE，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，聚四氟乙烯TEFLON等。所述薄膜电流在极化过程中表现出巴克豪森噪声的振荡行为特性，也就是在图3中出现振荡曲线的部分，图3中所标出的Δt1的时间区段即为受到巴克豪森噪声影响所体现振荡行为特性的区段。因此通过确定巴克豪森噪声对薄膜电流的影响，能更为准确的确定极化终点。具体的，在图3中在振荡曲线的部分有一极值点X，该点对应的是巴克豪森噪声信号最强的时候，当监测到该点时，可以对极化终点进行预测，从而确定极化终点。
在此对于巴克豪森噪声的产生以及对所述薄膜电流的影响做进一步解释。在未极化的铁电聚合物薄膜中，存在着α相，β相以及非晶结构。极化过程主要是铁电聚合物薄膜中α相到β相转变的过程。具体的，在微观结构上体现的是电畴极性方向的变化。图4中(A)为铁电聚合物薄膜极化前的微观结构示意图，所述铁电聚合物薄膜的围观结构中包括多个电畴(未标号)和非晶结构604，电畴之间的过渡层即为畴壁602，在多个电畴中的极性方向为随机的，即如箭头601、603、606所示。而在极化后，图4中(B)为铁电聚合物薄膜极化后的微观结构示意图，各个电畴的极性方向发生改变，极性方向如箭头605、606、608所示，因此整体上来说极性方向形成了统一，即如虚线箭头6010所示。在极化过程中电畴的极性方向发生改变，从而体现在铁电聚合物薄膜中从α相到β相的转变，并且畴壁602、607会发生移动从而产生巴克豪森噪声，也就会影响所述薄膜电流。
所述铁电聚合物薄膜极化后所得的极化膜内既有α相也有β相，β相的含量与极化膜的压电效应相对应，当β相所占含量为60-70％时，极化膜即具有较好的压电效应，β相的含量越高极化膜的压电效应越好。然而过度极化会产生多余的不必要的电荷等，这些多余电荷容易与聚合物表面上的其他电荷重新结合，从而影响所得极化膜的性能。因此本发明所提供的高分子薄膜极化方法，能避免极化不完全或者过度极化的情况，可以很好的确定极化终点；并且能得到所需的极化膜，这里指的所需的极化膜指的是具有特定的α相和β相含量，即具有特定大小的压电效应的极化膜。对于应用于压电效应的极化膜，则需要尽可能多的把铁电聚合物薄膜内的α相基本都转化为β相。
请一并参阅图5，对于巴克豪森噪声对极化过程的影响进行进一步说明。图5中(A)为极化过程下的铁电聚合物薄膜的电滞回线(极性-膜内电场)的示意图，其中以膜内电场Ein-film为横坐标，以极性P为纵坐标，曲线71即为起始极化曲线；图5中(B)为极化过程下的巴克豪森噪声信号与膜内电场之间的关系示意图，其中巴克豪森噪声信号表现可以是电流信号，也可以是电势信号，本实施例中采用的是表现为电流信号的巴克豪森噪声信号；图5中(C)为极化过程下的极化微晶密度与膜内电场之间的关系示意图；图5中(D)为极化过程下的薄膜电流与膜内电场之间的关系示意图。在图5中横坐标均为膜内电场Ein-film，且相对应。
对比图5中(A)、(B)，可明确得知当铁电薄膜内畴壁发生移动时，也就是α相开始转变为β相时，也即巴克豪森噪声开始出现时，所述起始极化曲线出现振荡；同时可一起对比图5中(D)，同样的当巴克豪森噪声开始出现时，所述薄膜电流曲线才出现振荡区域72。随着极化过程的进行，畴壁移动接近完成时，此时巴克豪森噪声达到极值，即出现图5中(B)所示的尖峰时，是与图3中X所在的点相对应。因此，在极化过程中当确定巴克豪森噪声出现尖峰时，可以对极化终点进行预测，通过预测能避免较早或较迟就停止极化，保证所得极化膜的高性能。在图5中Eop即为最佳的极化终点，并且进一步将图5中(C)加入对比，随着膜内电场Ein-film的增加，所述高分子薄膜的极化微晶密度也在逐步增加，该极化微晶密度可以反映所得极化膜的性能。也即在最佳极化终点时，微晶密度基本恒定，也即铁电聚合物薄膜的极化基本完成，畴壁移动也基本完成，此时极化膜特性最好，也即压电效应和使用寿命最佳。
可以理解，当将制得的极化膜用于不同器件时，对于极化膜的性能要求不同，例如用作换能器、传感器等，虽然均是利用极化膜的压电效应，但是要求却是不尽然相同的，更不是压电效应越强越好。而在本发明所提供的高分子薄膜极化方法中，通过监测所述高分子薄膜的薄膜电流确定极化终点，能根据不同需要确定极化终点，以得到不同性能的极化膜，实现极化膜制备的可控性。当然进一步的是，当所述高分子薄膜为铁电聚合物薄膜时，通过监测巴克豪森噪声对薄膜电流的影响，从而确定极化终点，进一步增强可控性。
在一些优选的实施例中，在极化过程中控制所述高分子薄膜103、第一电场和第二电场三者之间进行相对运动，也即控制高分子薄膜103、电源释放件104和格栅105三者之间相对运动，能保证极化的均匀性，大幅提高产品良率，良率能从40％提升到90％以上。
所述的相对运动可以是位移、旋转等，并且也可以是控制高分子薄膜103、电源释放件104和格栅105三者中其一或其二或全部进行位移或旋转，即可达到高分子薄膜103、电源释放件104和格栅105三者之间相对运动的效果。其中，位移和旋转可以是同时进行。优选的是，控制所述高分子薄膜在其所在的平面内进行旋转。通过控制所述高分子薄膜进行旋转能大幅提高产品良率，良率从40％提升到90％以上。所述高分子薄膜薄膜的旋转速度太快不利于极化的进行，因而优选的是，所述高分子薄膜薄膜的旋转速率小于等于10r/min，其中较优的是，旋转速率为0.5-2r/min，最优的是，旋转速率为1r/min。
在一些优选的实施例中，对所述高分子薄膜进行加热，这样所述高分子薄膜的极化是在电场和热解的共同作用下完成的，能加速极化，缩短极化时间。其中优选的是，所述加热的温度低于所述高分子薄膜的居里温度。例如，当所述高分子薄膜为聚偏二氟乙烯时，加热温度低于聚偏二氟乙烯的居里温度，即低于205℃。当温度太高，即高于高分子薄膜的居里温度时，在高分子薄膜中可能会出现副作用，如产生不必要的电荷，并出现去极化、扩散等现象。因此当所述加热的温度低于所述高分子薄膜的居里温度时，能避免出现副作用，保证所得极化膜的品质。更好的是，所述加热的温度为60-100℃，在该温度范围内，极化过程较为稳定，极化膜质量好。更好的是，在极化过程中控制所述高分子薄膜进行旋转，也就是所述高分子薄膜在其所在平面上进行自转，有效保证带电离子均匀的聚集在所述高分子薄膜表面，进一步提高生产合格率。
实施例二
如图6所示，本发明还提供一种高分子薄膜极化装置20，用于极化高分子薄膜203，所述高分子薄膜极化装置20包括电场组件23和物品承载台24；所述物品承载台24用于承载待极化高分子薄膜203，该待极化高分子薄膜203包括靠近所述所述物品承载台24的第一表面2031和远离所述所述物品承载台24的第二表面2032，所述物品承载台24接地并使该待极化高分子薄膜203的第一表面2031电势为零。该电场组件包括一高压电极端234和一低压电极端235。所述高压电极端234位于物品承载台24上方，所述低压电极端235位于高压电极端234跟待物品承载台24之间。该高压电极端234电势比低压电极端235电势高。该物品承载台24上方的环境气体可被高压电极端234电离并在该电场组件23形成的电场下移动并聚集在所述待极化高分子薄膜203第二表面2032，使所述待极化高分子薄膜203内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，对高分子薄膜203进行极化。
本发明所提供的高分子薄膜极化装置20，物品承载台24上方的环境气体可在高压电极端234的作用下电离并在该电场组件23形成的电场下移动并聚集在所述待极化高分子薄膜203第二表面2032，使所述待极化高分子薄膜203内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，从而完成所述高分子薄膜的极化。相较于直接在高分子薄膜203的上下表面设置电极，不会使高分子薄膜203直接承受所施加的高压电场，因此能避免高分子薄膜203被击穿，有效提高极化膜的生产合格率，可以实现大规模生产；且制得的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
所述高分子薄膜极化装置20还包括一壳体21，为所述高分子薄膜203极化提供一封闭空间。该壳体21并不作为本发明的限制，该壳体21可以是盒、箱、桶甚至是一房间均可。
由于利用该高分子薄膜极化装置20可以实现原位极化，因此可以在物品承载台24上设置一器件的基底204，所述高分子薄膜203形成于所述基底204表面，即可使得于所述基底204表面的所述高分子薄膜203原位极化。所述设置高分子薄膜203于基底204表面包括但不限于一般常见的镀膜方式形成，如化学气相沉积法，物理气相沉积法，浸涂，涂覆等等。本发明的高分子薄膜因为是原位形成在基底表面，因此可以形成厚度很薄的高分子薄膜，基本厚度可以维持在9μm以下。
所述高压电极端234的电势可以由一电势源231提供，优选地，所述高压电极端234包括阵列状针状电极或线状电极，能保证得到所述的高电场。其中，较优的是采用线状电极，能进一步提高良率，线状电极优选的直径为30-100μm。并且所述高压电极端234与所述低压电极端235之间的距离大于所述低压电极端235与物品承载台24之间的距离。
优选的，所述低压电极端235为栅格电极端或具有贯穿部的平板电极端。所述低压电极端235可以确定低压电极端235所在平面的电势，并均匀低压电极端235所在处的电场。所述平板电极端上开设有贯穿部以让带电离子通过即可，比如多根互相平行金属线且间隔一定距离而形成的平板电极，多根金属线之间的间隔即形成所述平板状电极的贯穿部。优选的是，所述低压电极端235为栅格电极端，该栅格电极端为网格状电极，其中优选的是，网格状电极上每个网格的面积为1-100mm2，也就是说当所述网格为正方形时，所述网格的边长为1-10mm。
优选地，该低压电极端235与物品承载台24之间的距离为1-10mm，通过确定低压电极端235与物品承载台24之间的距离，能更好的控制高分子薄膜203内所形成的膜内电场，使得膜内电场处在一个较高且稳定的状态。当然，进一步的是，所述高压电极端234与所述低压电极端235之间的距离大于所述低压电极端235与物品承载台24之间的距离。其中优选的是，所述高压电极端234与所述物品承载台24之间的距离为10-500mm，最优的是，所述高压电极端234与所述物品承载台24之间的距离为300mm。
更好的是，所述高分子薄膜极化装置20还包括用于控制高压电极端234电势的第一电势控制器2311，可以理解所述第一电势控制器2311与电势源231相连，通过控制电势源231的电势即可控制高压电极端234的电势，因而通过第一电势控制器2311可以随时调整高压电极端234的电势，可以在极化过程中随时进行调整，或者是适应不同种类的高分子薄膜203。
优选的，高分子薄膜极化装置20还包括用于控制低压电极端235电势的第二电势控制器2351，可以随时调整低压电极端235的电势，可以在极化过程中随时进行调整，或者是适应不同种类的高分子薄膜203。第一电势控制器2311和第二电势控制器2351协同调控，以控制高压电极端234即电势源231与低压电极端235之间的电势差。
优选地，所述高压电极端234的电势为10-50kV，和低压电场端235的电势为5-40kV。通过确定高压电极端234的电势以及低压电场端235的电势，能保证极化过程的稳定性。在这里需要说明的是，当然仍然需要保证高压电极端234的电势高于低压电场端235的电势，并且优选的是，高压电极端234的电势比低压电场端235的电势高5-30kV。例如，所述高压电极端234的电势为40kV，所述低压电场端235的电势为12kV；或，所述高压电极端234的电势为30kV，所述低压电场端235的电势为10kV；或，所述高压电极端234的电势为20kV，所述低压电场端235的电势为7kV；或，所述高压电极端234的电势为15kV，所述低压电场端235的电势为5kV。其中，较优的是，所述高压电极端234的电势为20kV，所述低压电场端235的电势为7kV，在该高压电极端234的电势及低压电场端235的电势下，极化过程的稳定性好，所得极化膜的性能好。
优选地，所述高分子薄膜极化装置20进一步包括用于测量所述高分子薄膜203的薄膜电流的电流感测器2031，通过监测所述高分子薄膜203的薄膜电流可以确定极化终点。具体的，可以是通过实时获得的薄膜电流的变化，比如斜率变化来进行判断从而终止极化。更优选的是，高分子薄膜极化装置20进一步包括控制处理器(图未示)，用于接收前述电流感测器2031所监测的薄膜电流数据。可以理解，所述控制处理器跟电流感测器2031可以直接通过数据线进行连接，实现数据的传输；也可以采用无线传输的方式，如蓝牙或WIFI等，实现数据的传输。利用控制处理器可以分析薄膜电流的变化曲线，如利用薄膜电流的斜率变化来准确的确定极化终点。其原理在实施例一中已做详细说明，在此不再赘述。
在一些优选的实施例中，所述高分子薄膜极化装置20还包括控制器25，所述控制器25用于控制所述高压电极端234、低压电极端235、物品承载台24三者之间的相对运动。通过控制高压电极端234、低压电极端235、物品承载台24三者之间的相对运动，能保证极化的均匀性，大幅提高产品良率，良率能从40％提升到90％以上。
所述的相对运动可以是位移、旋转等，并且也可以是控制高压电极端234、低压电极端235、物品承载台24三者中其一或其二或全部进行位移或旋转，即可达到高压电极端234、低压电极端235、物品承载台24三者之间相对运动的效果。其中，位移和旋转可以是同时进行。优选的是，所述控制器25包括第一控制器251，所述第一控制器251用于控制所述高压电极端234在其所在平面内移动，请参阅图7和图8，即控制高压电极端234如箭头Q所示方向移动。所述控制器25包括第二控制器252，所述第二控制器252用于所述物品承载台24在其所在平面内进行旋转，请参阅图7和图8，即控制物品承载台24如箭头T所示方向转动，当然也可以沿着相反方向转动。进一步的是，所述物品承载台的旋转速率小于等于10r/min，其中较优的是，旋转速率为0.5-2r/min，最优的是，旋转速率为1r/min。
在图7中，所述高压电极端234采用阵列状针状电极，在图8中，所述高压电极端234采用线状电极。当采用阵列状针状电极时，所述阵列状针状电极与所述低压电机端235大致垂直，也即所述阵列状针状电极与所述低压电机端235所在平面之间所形成的角度为75-90°；当采用线状电极时，所述线状电极与所述低压电机端235所在平面大致平行，也即所述线状电极与所述低压电机端235所在平面平行，或所述线状电极与所述低压电机端235所在平面之间所形成的角度小于等于15°。
在一些优选的实施例中，所述高分子薄膜极化装置20还包括加热控制器241，所述加热控制器241与所述物品承载台24相连，所述加热控制器241能用于加热所述物品承载台24。利用加热控制器241能对物品承载台24进行加热，从而对所述高分子薄膜203进行加热，这样所述高分子薄膜203的极化是在电场和热解的共同作用下完成的，能加速极化，缩短极化时间。可以理解，所述加热控制器241和第二控制器252可以整合在一起，同时控制所述物品承载台24的加热或旋转。
针对加热控制器241，其中优选的是，所述加热控制器241加热的温度低于所述高分子薄膜203的居里温度。例如，当所述高分子薄膜为聚偏二氟乙烯时，加热温度低于聚偏二氟乙烯的居里温度，即低于205℃。当温度太高，即高于高分子薄膜的居里温度时，在高分子薄膜中可能会出现副作用，如产生不必要的电荷，并出现去极化、扩散等现象。因此当所述加热的温度低于所述高分子薄膜的居里温度时，能避免出现副作用，保证所得极化膜的品质。更好的是，所述加热的温度为60-100℃，在该温度范围内，极化过程较为稳定，极化膜质量好。
实施例三
如图9、10所示，本发明还提供一种高分子薄膜极化系统50a、50b，其包括多个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e，该高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e即为实施例二中所提供的高分子薄膜极化装置20。本发明所提供的高分子薄膜极化系统50a、50b可有效提高极化膜的生产合格率，并实现大规模生产；且制得的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
在本实施例中共提供两种系统，一种如图9所示，为予以区别，将该高分子薄膜极化系统50a称为集群系统，其包括多个独立的高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e，因而每个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e分别用于极化所述待极化薄膜。该集群系统还包括物品移动装置30，所述物品移动装置30用于移动所述待极化高分子薄膜(图9中未示出，可参照图6)，在实际生产中，是将所述高分子薄膜原位形成于一基底204表面再进行极化，从而得到带有所述极化膜的基底204。因而所述物品物品移动装置30则是用于移动所述基底204。所述物品移动装置30可以是机器人、移动导轨、移动车等。所述物品移动装置30可以将放置有待极化高分子薄膜的基底204移入所述高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e中，极化完成后，所述物品移动装置30将承载有极化膜的基底204移出所述高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e。
可以理解，极化过程需要一定的时间，因而优选的是，每个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e可以是错开时间进行极化，因而可以利用一个物品移动装置30完成多个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e的运作。并且如前文中所述，当对极化膜有不同的性能要求时，极化时间并不完全相同，因而也可以实现一个物品移动装置30完成多个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e的运作。因而该高分子薄膜极化系统50a能进一步提高生产效率，适合大规模生产。当然在另一些实施例中，所述多个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e可以是进行同一种极化膜的生产或同时进行极化。
在一些优选的实施例中，多个独立的高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e环绕所述物品移动装置30设置，便于物品移动装置30移入和/或移出所述基底204。在该集群系统中，每个高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e都是独立的，数量并不做限定，针对高分子薄膜极化装置20a、20b、20c、20d、20e的优选均与实施例二中一致。
本实施例中提供的另一种系统如图10中(A)所示，将该高分子薄膜极化系统50b称为在线系统，包括多个联立的高分子薄膜极化装置20，待极化高分子薄膜依次通过多个高分子薄膜极化装置20。所述高分子薄膜极化装置20的物品承载台24可移动，在图中仅示出一个高分子薄膜极化装置20。可以理解，多个高分子薄膜极化装置20可共用一个物品承载台204，或者每个高分子薄膜极化装置20的物品承载台204之间设置传送机构，可以实现待极化高分子薄膜依次通过多个高分子薄膜极化装置20即可。因而，在该在线系统中每个高分子薄膜极化装置20可设置不同的高压电极端234的电势及低压电极端235的电势。在该在线系统中，高分子薄膜极化装置20数量并不做限定，针对高分子薄膜极化装置20的优选与实施例二中唯一的区别点在于，不需控制所述物品承载台24进行旋转。
进一步针对该在线系统进行探究，如图10中(A)所示，物品承载台24沿箭头S移动，从而带动基底204、待极化高分子薄膜203移动，当然也可以相反的方向。以物品承载台24沿箭头S移动为例，可以将所述物品承载台24的整个区域分为AL、AM、AR三段。如图10中(B)、(C)所示，在AL段，所述待极化高分子薄膜203内存在极强的沿薄膜厚度方向的膜内电场，该膜内电场即为沿着Z轴方向的电场EZ，绝大多数的带电离子的移动方向为如图中A点至B1点的方向；在AM段，所述待极化高分子薄膜203内不仅存在厚度方向的电场EZ，还存在着电场EX，电场EX的方向即如图中X轴所示，其与电场EZ垂直，与移动方向相反；在AR段则几乎无电场。因此可以得知，采用在线系统时，由于AM段的电场不是仅仅存在沿厚度方向即沿Z轴方向的电场，因而在基底204上存在杂散电流Iz，故而会对基底204造成影响，例如基底204为薄膜晶体管(TFT)时，可能会对TFT造成损伤。
因此，比较集群系统和在线系统，在线系统的产率较高，但容易造成基底204的损伤。故，可以针对不同的基底204类型，以及对产率的要求进行选择。
实施例四
本发明还提供一种极化膜，采用实施例一中所提供的高分子薄膜极化方法制备得到。如实施例一中所述，本发明所提供的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。相较于直接在高分子薄膜的上下表面设置电极制得的极化膜，其压电常数d33仅有12pC/N左右，而本申请所提供极化膜的压电常数d33能达到25-29pC/N，压电效应得到大幅度的提升。并且因为所述极化膜为高分子薄膜，如铁电聚合物薄膜，在基底表面原位形成后极化而成，故极化膜厚度小于9μm，降低包含此种极化膜器件的整体厚度，更能满足市场的需求。
实施例五
本发明还提供一种电子器件，其包括基底以及原位形成于所述基底上的极化膜。由于所述极化膜具有较强的压电效应，有效拓宽该电子器件的应用并增强其竞争力。并且依据实施例一可知，极化膜的性能可控，因此能更好的适用于该电子器件的应用，如用作换能器、传感器等。此外，具有压电效应的电子器件广泛应用于传感器领域，并且会应用到手机、平板电脑等通讯设备中。由于该极化膜的厚度小于9μm，更为适应现在通讯设备轻薄化的趋势。
与现有技术相比，本发明所提供的一种高分子薄膜极化方法，在所述第一电场的作用下电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，该环境气体穿过所述第二电场而聚集在所述高分子薄膜的第二表面，使所述高分子薄膜内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，对所述高分子薄膜进行极化。相较于直接在高分子薄膜的上下表面设置电极，不会使高分子薄膜直接承受所施加的高压电场，因此能避免高分子薄膜被击穿，有效提高极化膜的生产合格率，可以实现大规模生产；且制得的极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
进一步的是，所述高分子薄膜极化方法进一步包括通过监测所述高分子薄膜的薄膜电流确定极化终点。能更好的保证得到压电效应强且使用寿命长的极化膜，且当确定同一极化终点时，每次极化后获得的极化膜性能一致性好。
进一步的是，根据所需要的极化程度确定极化终点，从而能得到不同性能的极化膜，实现极化膜制备的可控性。
进一步的是，所述高分子薄膜为铁电聚合物薄膜，所述薄膜电流在极化过程中表现出巴克豪森噪声的振荡行为特性，通过监测巴克豪森噪声对薄膜电流的影响，从而确定极化终点。通过确定巴克豪森噪声对薄膜电流的影响，能更为准确的确定极化终点，并且进一步增强极化膜制备的可控性，以满足所制得极化膜的不同应用。
进一步的是，利用监测的薄膜电流获得薄膜电流与极化时间之间的斜率，从而确定极化终点，进一步增强极化膜制备的可控性。
进一步的是，当所述斜率出现振荡后，且变化量小于1-5％时，即可确定为极化终点。能更好的确定极化终点，增强极化膜制备的可控性。
进一步的是，在极化过程中控制所述高分子薄膜、第一电场和第二电场三者之间进行相对运动。通过控制所述高分子薄膜、第一电场和第二电场三者之间进行相对运动，能大幅提高产品良率，良率从40％提升到90％以上。
本发明还提供一种极化膜，采用上述高分子薄膜极化方法制备得到，该极化膜具有较强的压电效应和较长的使用寿命。
进一步的是，所述极化膜为铁电聚合物薄膜，薄膜厚度小于9μm，所述极化膜的介电常数为25-29pC/N，更能满足市场的需求。
本发明还提供一种电子器件，其包括基底以及上述的极化膜。由于所述极化膜具有较强的压电效应，有效拓宽该电子器件的应用并增强其竞争力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种高分子薄膜极化方法，其特征在于：包括：提供待极化高分子薄膜，其包括相对的第一表面和第二表面，使该薄膜第一表面电势为零，在所述待极化高分子薄膜第二表面的上方提供第一电场以及第二电场，所述第一电场电势高于所述第二电场的电势，在所述第一电场的作用下电离待极化高分子薄膜上方的环境气体，该环境气体穿过所述第二电场而聚集在所述高分子薄膜第二表面，使所述高分子薄膜内形成沿所述薄膜厚度方向的膜内电场，监测所述高分子薄膜的薄膜电流，以及利用监测的薄膜电流获得薄膜电流与极化时间之间的斜率，确定极化终点，以对所述高分子薄膜进行极化。
2.如权利要求1中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：根据所需要的极化程度确定极化终点。
3.如权利要求1中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：所述高分子薄膜为铁电聚合物薄膜，所述薄膜电流在极化过程中表现出巴克豪森噪声的振荡行为特性，通过监测巴克豪森噪声对薄膜电流的影响，从而确定极化终点。
4.如权利要求3中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：当所述斜率出现振荡后，且变化量小于1-5％时，即可确定为极化终点。
5.如权利要求1中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：在极化过程中控制所述高分子薄膜、第一电场和第二电场三者之间进行相对运动。
6.如权利要求1中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：在高分子薄膜进行极化时，对高分子薄膜进行加热。
7.如权利要求6中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：对高分子薄膜的加热温度低于所述高分子薄膜的居里温度。
8.如权利要求7中所述高分子薄膜极化方法，其特征在于：加热的温度为60-100℃。
9.一种极化膜，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一项所述高分子薄膜极化方法制备得到。
10.如权利要求9中所述极化膜，其特征在于：所述极化膜为铁电聚合物薄膜。
11.如权利要求10中所述极化膜，其特征在于：β相所占含量为60-70％。
12.如权利要求9中所述极化膜，其特征在于：所述极化膜的介电常数为25-29p C/N。
13.如权利要求9中所述极化膜，其特征在于：所述极化膜厚度小于30um。
14.如权利要求9中所述极化膜，其特征在于：所述极化膜厚度小于9um。
15.一种电子器件，其特征在于：包括基底以及如权利要求9中所述的极化膜。
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