CN109844881A - 甚高电容的膜电容器及其制造方法 - Google Patents

甚高电容的膜电容器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种甚高电容的膜电容器(1)，其包括由至少一个介电膜(100a，...，100i)构成的介电层(100)，该介电层(100)的每个介电膜(100a，...，100i)具有以下参数：‑相对介电常数使得‑厚度[ef i]使得0.05μm≤ef i≤50μm，‑介电强度使得在参数中“f”表示“膜”且i≥1的参数，“i”表示所述介电层(100)的“第i”介电膜(100i)，该介电层(100)将第一电荷载流子结构(200)与第二电荷载流子结构(300)分开，这两种结构具有由介电层(100)分开的相对表面(S)。

Description

甚高电容的膜电容器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种甚高电容的膜电容器，以及制造这种电容器的方法。
背景技术
膜电容器由两种结构构成，这两种结构通常是金属的，电荷承载的并且由介电绝缘体分开。该绝缘体是至少一种膜的形式，通常是自支撑聚合物膜，其特征在于平均厚度[ef]通常为0.05μm<ef<50μm，并且相对介电常数[εf]其中εf>1。
由于膜电容器的电容与εf成正比并且与ef成反比，因此通过使用小厚度的介电绝缘体(ef<<10μm，符号“<<”表示“低于或甚至远低于”)和高相对介电常数(εf>>10，符号“>>”表示“高于或甚至远高于”)可以获得甚高电容的膜电容器(下文缩写为“VHCFC”)。
该膜的粗糙度和/或上述堆叠的配置意味着，在大多数情况下，可能存在充有空气的区域。然而，与ef(通常ef≤1μm且≤10％)相比，它们的厚度仍然很小。
这种现象是已知的并且在浸渍电容器的情况下使用，其中空气然后被浸渍剂代替，通常介电液体的相对介电常数[εi]接近εf(通常|εf-εi|≤2)。在非浸渍电容器(称为“干式电容器”)的情况下，相对介电常数[εair]的空气基本上等于1，然后与主介电绝缘体局部串联。由于包含空气的区域的有效厚度，当εf<<10时，堆叠中的这种存在对电容器的操作几乎没有影响。但是在εf>>10的VHCFC中不再是这种情况。
更通常地，当操作梯度变高(≥50V/μm)时，介电特性不同且通常与主绝缘体相比较低的这些区域的存在可能导致局部放电或不希望的击穿，从而损坏电容器或至少其性能(通常为隔离电阻和漏电流)。更加真实的是εf很高。
此外，最常见的电能存储设备是电容器、超级电容器和电池。
电容器有几种类型(膜、陶瓷、电化学类型等)，但通过电容效应存储所有能量：存储的电荷[Q]与存储设备的电容[C]和在该设备的终端处发电压[U]成比例]，使得Q＝C×U。
即使电压可能非常高(U>>1000V)，电容也非常低(C<<1F)，因此存储的电荷量也很低(Q<<10-3Ah)。然而，响应时间[τ]非常快(τ<<10-3s)，这允许电容器响应于功率峰值。
因此，电容器很少用作能量存储设备，或者仅在所涉及的一定量的能量非常低和/或所要求的功率很高时(例如灯的闪光)。
超级电容器是主要通过电容效应存储能量的电化学设备。
由于它们的电化学性质，电压很低(U<<10V)。然而，由于它们的结构，电容非常高(C>>1F)并且响应时间很快(τ≈1s)。
因此，超级电容器用于存储一定量的能量或平均电荷(Q≈1Ah)，以便在短时间(几十秒)或高功率下(例如发动机起动)使用。
电池是主要通过电化学反应存储能量的电化学设备：存储的电荷与反应材料的量成比例。
由于它们的电化学性质，电压很低(U<<10V)，并且响应时间很慢(τ>>1s)，但存储的电荷量可能非常高(Q>>10Ah)。
因此，电池用于存储大量能量(几千Ah)以在中长时间(几小时)和中等功率调用(例如发动机的操作)中使用。
由于电容器和超级电容器仅涉及电荷运动，因此它们具有较短的响应时间，对称的充电和放电行为，以及较高的重复循环的能力(通常超过数百万次循环)。
对于电荷移动但特别参与电化学反应的电池而言，情况并非如此。后者限制了响应时间，导致充电和放电行为的不对称，并且大大降低了重复循环的能力(通常少于几千次循环)。
基于具有甚高的相对介电常数[εf](εf≥10)的介电膜的甚高电容的膜电容器提供了技术突破。它们呈现了上述每种电能存储技术的优点(高电压、快速响应时间、高电荷量、重复循环能力强)，而没有它们的缺点。
它们本身构成了一类新的设备，其可以取代每个传统的电能存储设备。特别是，可以使εf和ef的值适应于应用领域。
例如，在典型电池应用的情况下，将寻求甚高的表面电容，使用小的厚度(ef≤2μm)和甚高的相对介电常数(εf≥2000)。在这种情况下，该设备将具有合理的表面，与应用所要求的功率一致(对于给定的技术，存在功率/表面极限，超过该极限，该技术不再可行，主要是出于热量原因)。
在典型的超级电容器应用的情况下，要求的功率显着更高，而所需的能量更低，将需要使用更大的表面进行工作。因此，这需要使用更大厚度(1μm≤ef≤5μm)或更低相对介电常数(100≤εf≤2000)的介电膜。
在典型的电容器应用中，能量不是标准但工作电压通常很高的情况下，可以使用高厚度(ef≥5μm)和低相对介电常数(10≤εf≤100)的介电膜同时与常规使用的介电材料相比获得更多的表面。
发明内容
如上所述的膜电容器的设计不适用于使用具有甚高的相对介电常数[εf](εf≥10)的介电膜的甚高电容的膜电容器[VHCFC]，无论是干式还是浸渍式配置。
在这两种情况下，不可避免地介电特性远低于主介电膜的区域的存在妨碍了电容器的正确操作，特别是：
-通过降低局部相对介电常数来降低实际电容；
-通过局部部分放电来增加漏电流；
-通过降低局部介电强度来降级击穿电压。
本发明旨在提供这些问题的解决方案。
因此，本发明的第一个目的涉及一种使用至少一个相对介电常数εf≥10的介电绝缘体的甚高电容的膜电容器，并且其中相对介电常数在局部远低于εf的区域的可能存在不会导致降级电容器的性能。
因此，本发明的第一方面涉及一种甚高电容的膜电容器，其包括由至少一个介电膜构成的介电层，该介电层的每个介电膜具有以下参数：
-相对介电常数使得
-厚度[ef i]使得0.05μm≤ef i≤50μm，
-介电强度使得
在参数中“f”表示“膜”且i≥1，“i”表示所述介电层的“第i”个介电膜，
所述介电层将第一电子电荷载流子结构与第二电子电荷载流子结构分开，这两种结构具有由所述介电层分开的相对表面S，
其特征在于：
A、在所述介电层和所述第一结构之间的界面满足以下要求：
-所述第一结构与所述介电层直接接触的相对表面的部分大于90％，
-在所述介电层不与所述第一结构直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被分开N(其中N≥1)个厚度的“寄生介电”，每个厚度具有相对介电常数和介电强度[Ep j]，其满足以下关系：
εp jEp j≥Min(εf i Ef i)
其中“p”表示“寄生介电的厚度”，并且“j”表示“第j”个厚度，其中1≤j≤N，
B、在所述介电层和所述第二结构之间的界面满足以下要求：
-所述第二结构与所述介电层直接接触的相对表面的部分大于90％，
-在所述介电层不与所述第二结构直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被分开M(其中M≥1)个厚度的“寄生介电”，每个厚度具有相对介电常数[εp k]和介电强度[Ep k],其满足以下关系：
εp k Ep k≥Min(εf i Ef i)
其中“p”表示“寄生介电的厚度”，并且“k”表示“第k”个厚度，其中1≤k≤M，
具有以下附加条件：
C、当所述介电层由多于一个介电膜构成时，则两个介电膜之间的任何界面Σ满足以下条件：
-所述两个介电膜直接接触的相对表面的部分大于90％，
-在所述两个介电膜不直接接触的界面Σ的所有区域中，这些膜局部地被分开PΣ(其中PΣ≥1)个厚度的“寄生介电”，每个厚度具有相对介电常数[εP l]和介电强度[Ep l]，其满足以下关系：
εp lEp l≥Min(εf iEf i)
其中“p”表示“寄生介电的厚度”，并且“l”表示“第l”个厚度，其中1≤l≤P∑，所述介电层由聚合物材料制成或基于聚合物材料制成，其不包括专门的矿物材料。
根据该电容器的优选实施例，所述介电层不是自支撑的。
本发明的另一方面涉及一种制造根据上述特征的膜电容器的方法，其特征在于，其具有以下连续步骤：
a)使用称为“支撑层”的第二介电层，其具有相对介电常数[εf′]和厚度[ef′]，所述第二介电层在其两个相对侧中的至少一个上金属化，并具有介电强度[Ef’]，
b)将所述介电层沉积在所述支撑层上，使其与所述支撑层的金属化侧面接触，
c)进行在步骤b)结束时保持自由的所述介电层侧面的金属化，
d)进行将由步骤c)得到的组件卷绕在其自身上，或者堆叠由步骤c)得到的几个组件，
所述介电层和支撑层满足以下关系：
ef′Ef′≥ef Ef其中表达式ef和Ef在权利要求1中定义。
根据该方法的其他有利和非限制性特征：
-使用在其两侧上金属化的支撑膜，并且在步骤d)中，所述介电层的金属化表面与所述支撑层的一侧的金属化表面匹配，即呈镜像；
-使用在其一侧上金属化的支撑膜，并且在步骤d)中，所述介电层的金属化表面与所述支撑层的金属化表面匹配，即呈镜像。
-使用支撑层，其相对介电常数[εf′]小于或等于10；
-步骤d)的实施通过在真空下或在小于或等于10毫巴的压力下操作来执行；
-在步骤d)中，通过施加压力，特别是通过压力辊或通过控制张力角来执行在前一个上的新组件的电镀；
-该方法具有以下步骤：
a)将所述介电层沉积在由金属条构成的支撑膜上；
b)将由步骤a)得到的组件沉积在介电支撑层上；
c)将由步骤b)得到的组件沉积在由金属条构成的第二支撑膜上；
d)进行将由步骤c)得到的组件卷绕在其自身上，或堆叠由步骤c)得到的几个组件；
-所述介电层是相同的；
-所述支撑膜是相同的金属条；
-在所述步骤a)和b)之间，所述介电层的保持自由的一侧经受金属化；
-在所述步骤b)和c)之间，所述介电支撑层的保持自由的一侧经受金属化；
-步骤d)的实施通过在真空下或在小于或等于10毫巴的压力下操作来执行；
-在步骤d)中，通过施加压力，特别是通过压力辊，或通过控制张力角来执行在前一个上的新组件的电镀；
-使用多孔条；
-使用包含熔断器的条；
-通过使用以下技术中的任一个执行所述熔断器的包含：
-a)从所述条去除材料，使得剩余的材料构成所述熔断器，通过例如金属的蒸发、金属的冲压或机械钻孔、金属的溶解或化学蚀刻的技术执行去除；
-b)向所述条添加材料，使得添加的材料构成所述熔断器，所述添加通过例如焊接、钎焊、压接或模锻的技术执行。
附图说明
在阅读本发明优选实施例的以下描述后，本发明的其他特征和优点将显现出来。该描述参考附图进行，其中：
-图1是甚高电容的膜电容器(VHCFC)的非常示意性的三维视图，甚高电容的膜电容器包括作为介电层的单个介电膜，该电容器根据称为“理想”配置的配置被表示；
-图2是图1的电容器沿截面P的视图；
-图3是类似于图1的视图，其中电容器以其中存在“寄生”介电的实际配置表示；
-图4是图3的电容器沿截面P的视图；
-图4a和4b是由圆圈标识的图4的区域的放大视图；
-图5是类似于图1的视图，总是处于理想配置，介电层由几个介电膜构成；
-图6是图5的电容器沿截面P的视图；
-图7是类似于图5的视图，其中电容器根据存在“寄生”介电的实际配置表示；
-图8是图7的电容器沿截面P的视图；
-图8a、8b和8c是由圆圈标识的图8的区域的放大视图；
-图9是在制造膜电容器(例如前面图中所示的膜电容器(具有非自支撑的介电膜))的第一步骤结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图10是在图9所示的步骤之后的第二步骤结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图11是在图10所示的第二步骤的变型结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图12是在制造膜电容器(例如图1至8c所示的膜电容器)的另一个实施例的第一步骤结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图13是类似于图12的视图，示出了变型；
-图14是在图12所示的步骤之后的第二步骤结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图15是在图13所示的步骤之后的第二步骤结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图16和17分别是图14和15的堆叠的变型的垂直截面图；
-图18是在制造电容器的第一步骤结束时获得的在其两侧已被金属化的自支撑膜的垂直截面图；
-图19是在图18所示的步骤之后的步骤结束时获得的堆叠的垂直截面图；
-图20是类似于图19的视图，但示出了从该步骤得到的方法的变型；
-图21也是类似于图19的视图，也示出了另一种变型；
-图22是根据另一个实施例获得的堆叠的垂直截面图；
-图23是在图22的实施例的变型的第一步骤结束时获得的方法的垂直截面图；
-最后，图24是在图23的步骤之后的第二步骤之后获得的堆叠的垂直视图。定义
在本申请中并且除非另有说明，否则以下定义将是有效的。
“全膜电容器”是指膜电容器，在其中电子电荷载流子结构(下文中缩写为“ECBS”)是介电层的独立金属片。金属片通常由铝或铜或任何其他金属或金属合金(其通常可形成厚度小于或等于100μm的片)制成。
“金属化膜电容器”是指膜电容器，在其中ECBS是沉积在介电层的至少一侧上的金属层。金属沉积特别包括铝、锌、铜、银、金、铂、铬、这些金属中的两种或更多种的合金、通常这些金属或金属合金的连续沉积层，或任何其他金属，金属合金或连续金属层可以根据常规金属化技术沉积，例如真空蒸发、物理化学真空沉积等。
“金属化膜”技术的主要优点之一是在存在缺陷的情况下电容器的自再生的可能性。因此，当缺陷变得严重时，电容器进入“击穿”，也就是说，经由两个ECBS之间的缺陷产生内部短路。然后电容器不再起作用。由短路释放的非常局部的功率(其通常采用微电弧的形式)通过在缺陷周围热喷涂两个ECBS而引起脱金属化。因此，随着脱金属化的进行，短路建立的距离增加。在某个时刻(其取决于大量参数，包括金属化层的性质和厚度、介电层的性质和厚度、“AC”(交流电)或“DC”(直流电)性质和工作电压的值、卷绕压力等)，建立的距离变得太大以至于不能保持短路。
击穿停止，并且电容器再次起作用：它被“再生”。这种现象在全膜电容器中实际上是不可能的，因为ECBS的厚度与可用的局部功率相比太大而不能在缺陷周围进行充分的脱金属化。此外，这种现象在金属化膜电容器中没有任何系统性：短路释放的功率不仅使缺陷周围的ECBS脱金属化，而且还加热缺陷周围的电容器体积。温度的这种升高可以通过介电的塌陷(主要包括介电强度)和包含在受影响体积中的材料的热机械(可以达到熔合)特性来触发热雪崩现象。然后，该缺陷逐渐通过电容器“扩散”，该电容器的总能量不足以再生缺陷。
术语“挤压”是指任何热机械方法，其使得可以经由压缩技术、穿过模具、以及可选地在基底上拉伸和/或交联和/或沉积，将机械意义上的塑料材料转化为自支撑膜或不转化为自支撑膜。
术语“涂覆”是指用于在基底上沉积流体膜的任何方法，通常随后干燥和可选地交联，以获得或不获得自支撑膜。
“卷绕电容器”是指通过在其自身上卷绕“ECBS 1/介电层1/ECBS 2/介电层2”结构而获得的任何膜电容器。应该注意，介电层1和2实际上可以由几个平行卷绕的单独介电膜构成。然后，“ECBS 1”和“ECBS 2”构成电容器的两个电绝缘极。
“堆叠电容器”是指通过在其自身上的“ECBS 1/介电层1/ECBS 2/介电层2”结构的堆叠获得的任何膜电容器。应该注意，介电层1和2实际上可以由几个在彼此的顶部上堆叠的单独的介电膜构成。然后，“ECBS 1”和“ECBS 2”构成电容器的两个电绝缘极。
这两个最后的名称扩展到“多轨电容器”(卷绕或堆叠)的概念，其中相互绝缘以及与ECBS 1和ECBS 2绝缘并与ECBS 1或ECBS 2共面的一个或多个中间ECBS被引入到结构中，使得每个中间ECBS属于两个电容器，并且逐渐地提供在主极ECBS1和ECBS2之间相应地形成的所有电容器的串联连接。
多轨道结构的优点是优化相同卷绕或堆叠结构内的电容器的串联连接，因此无需增加额外的调节或连接装置。
应注意，在存在奇数个中间ECBS的情况下，ECBS 1和ECBS 2变为共面，只要它们指的是多轨电容器的两个极。
最后，在卷绕电容器中，存在几个用于控制卷绕压力以确保相互卷绕的膜的良好电镀的装置。
第一个是使用压力辊，该压力辊在卷绕位置处对线圈施加恒定压力。该压力等于卷绕压力并且在整个绕组上是恒定的。
第二个是通过卷绕张力(经由施加在膜上的张力)和卷绕角度(也称为“张力角”)来控制每个卷绕膜的卷绕压力。然后，卷绕压力与每个卷绕膜的机械特性以及卷绕半径有关，因此不仅从一个卷绕膜到另一个卷绕膜而且还通过绕组变化。
在整个本申请(包括权利要求)中，介电层由聚合物材料或基于聚合物材料制成(即，由包含有机和/或矿物性质的夹杂物的聚合物基质构成)。在任何情况下，都不包括使用专门的矿物材料。
构成该介电层的材料的示例在文献US-A-2016/0254092和WO A 2016/073522中给出。
有利地，“寄生”介电质是气态的(例如空气、中性气体等)、液体(例如矿物或有机油、水等)或固体(例如聚合物、矿物粉尘、有机材料，例如油脂等)性质。
本发明的具体描述
本发明的第一个目的是甚高电容的膜电容器[VHCFC]。
这种VHCFC 1的一个示例在附图1中表示。
该电容器1由至少一个介电膜100形成，也称为“层”(在这种情况下，这里表示单个膜100a)，其将第一电荷载流子结构200(缩写为ECBS)与第二电荷载流子结构300分开。
在附图中，ECBS 200和300以使得它们不完全相互面对的这样的方式表示。这构成了对现实情况的夸大表现。实际上，即使通常存在偏移以避免金属化边缘电弧，但是该偏移也比所示的偏移小得多。
理想地，介电膜100a和两个ECBS之间的界面区域没有任何缺陷，使得它们的粘附性是完美的。
但这只是一个理论情况。
在实践中并且如图3所示，膜100a和两个ECBS的相对侧是不规则的，使得它们局部分开了至少一个厚度的寄生介电质。
现在参考图4，通过示例的方式示出了两个区域Z1和Z2，其中涉及至少一个厚度的寄生介电质。
因此，区域Z1位于膜100a和上ECBS 200之间的界面处。
它示出了介于在ECBS 200表面上的突起和膜100a表面上的凹陷之间的第一厚度的寄生介电质400a。
但它还区别在于在另一个位置处的在界面处的两个连续的厚度400b和400c。
对于区域Z2，它位于膜100a和下ECBS 300之间的界面处。
它示出了介于在膜100a的表面上的突起和ECBS 300的表面上的凹陷之间的第一厚度的寄生介电质500a。
但它还区别在于在另一个位置处的在界面处的两个连续的厚度500b和500c。
这些当然是通过说明给出的非常简化的技术视图。几何形状(宽度、厚度、形状等)或界面处的位置或构造(一个或两个厚度/厚度的寄生介电质)都不能代表现实。
这些厚度可能由空气和/或异物构成，这些空气和/或异物可能对相应构成的VHCFC的参数产生不利影响。
然而，本申请人指出，只要介电膜100a具有以下参数，就可以获得高质量的VHCFC：
-相对介电常数[ε]使得ε≥10，
-厚度[e]使得0.05μm≤e≤50μm，
-介电强度[E]使得E≥50V/μm，
并作为
A、介电膜100a和第一结构200之间的界面满足以下要求：
-所述第一结构200与所述介电膜100a直接接触的相对表面S的部分大于90％，
-在介电膜100a不与所述第一结构200直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被分开了N(具有N≥1)个厚度的“寄生介电质”400a，...，400c，每个厚度具有相对介电常数[εp j]和介电强度[Ep j]，满足以下关系：
εp jEp j≥εE
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“j”表示“第j”个厚度，其中1≤j≤N，
B、在介电膜100和第二结构300之间的界面满足以下要求：
-所述第二结构300与介电膜100直接接触的相对表面S的部分大于90％，
-在介电膜100不与所述第二结构300直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被分开了M(具有M≥1)个厚度的“寄生介电质”500a，...，500c，每个厚度具有相对介电常数[εp k]和介电强度[Ep k]，满足以下关系：
εp kEp k≥εE
其中“p”表示“寄生介电的厚度”，并且“k”表示“第k”个厚度，其中1≤k≤M。
但是在许多情况下，介电膜100a不是唯一的，并因此涉及由几个膜100a，100b，...，100i的叠加构成的介电层。
图5和图6以类似于图1和2的方式表示VHCFC 1，其仍然构成介电层100的介电膜100a与ECBS 200之间的界面区域以及介电层100的介电膜100b和ECBS 300之间的界面区域没有任何缺陷使得它们的粘附性是完美的的理想情况。这同样适用于层100的两个介电膜100a和100b之间的界面。
在上述情况下，仅存在两个膜100a和100b。但是，当涉及两个以上的膜，包括两个膜之间的所有界面区域时，刚刚指定的内容也是有效的。
在实践中并且如图7所示，与图3中所示的情况相比，一方面膜100的每一层的相对侧和两个ECBS 200和300的每一层的相对侧，以及另一方面膜100的各层的相对侧是不规则的，因此它们局部被分开了至少一个厚度的寄生介电质。
现在参考图8，通过示例的方式示出了三个区域Z1、Z2和Z3，其中涉及至少一个厚度的寄生介电。
区域Z1和Z2类似于上面参考图3和4描述的区域Z1和Z2。
对于区域Z3，它位于层100的膜100a和100b之间的界面处。
它示出了介于在膜100a表面上的突起和膜100b表面上的凹陷之间的第一厚度的寄生介电质600a。
但它还区别在于在另一个位置处的在界面处的两个连续的厚度600b和600c。
这些也是通过图示给出的非常简化的技术视图。几何形状(宽度、厚度、形状等)或界面处的位置或构造(一个或两个厚度的寄生介电质)都不能代表现实。
同样在这种情况下，本申请人强调了一个事实，即可以获得高质量的VHCFC，这种甚高电容的膜电容器1包括由至少一个介电膜100a构成的介电层100，该介电层100的每个介电膜100i具有以下参数：
-相对介电常数使得
-厚度[ef i]使得0.05μm≤ef i≤50μm，
-介电强度使得
在参数中“f”表示“膜”且i≥1，“i”表示所述介电层100的“第i”个介电膜100i，
该介电层100将第一ECBS 200与第二ECBS 300分开，这两种结构具有由介电层100分开的相对表面S，
其特征在于：
A、介电层100和第一结构200之间的界面满足以下要求：
-所述第一结构200与所述介电层100直接接触的相对表面S的部分大于90％，
-在介电层100不与所述第一结构200直接接触的界面的所有区域中，它们局部被分开了N(具有N≥1)个厚度的“寄生介电质”400，每个厚度具有相对介电常数[εp j]和介电强度[Ep j]，其满足以下关系：
εp jEp j≥≥Min(εf i Ef i)
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“j”表示“第j”个厚度，其中1≤j≤N，
B、在介电层100和第二结构300之间的界面满足以下要求：
-所述第二结构300与所述介电层100直接接触的相对表面S的部分大于90％，
-在介电层100不与所述第二结构300直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被分开了M(具有M≥1)个厚度的“寄生介电质”500，每个厚度具有相对介电介电常数[εp k]和介电强度[Ep k]，其满足以下关系：
εp kEp k≥Min(εf iEf i)
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“k”表示“第k”个厚度，其中1≤k≤M，
具有以下附加条件：
C、当所述介电层100由多于一个介电膜100i构成时，则两个介电膜100a之间的任何界面Σ满足以下条件：
-两个介电膜100a直接接触的相对表面S的部分大于90％，
-在两个介电膜100a不直接接触的界面Σ的所有区域中，这些膜局部地被分开了PΣ(具有PΣ≥1)个厚度的“寄生介电质”600，每个厚度具有相对介电常数[εp l]和介电强度[Ep l]，其满足以下关系：
εp lEp l≥Min(εf iEf i)
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“l”表示“第l”个厚度，其中1≤l≤P∑。
换句话说，构成电容器的堆叠的设计使得在对应于两个电荷载流子结构的相对表面的区域中，介电膜的表面最多100％与电荷载流子结构或另一介电膜接触，以避免在不同界面处存在寄生介电区域。
具有由几个介电膜构成的介电层的优点是使介电膜中的缺陷的影响最小化。实际上，在N个介电膜(N≥2)的堆叠中，叠加N个缺陷在统计上是不可能的。因此，相对于堆叠，在介电膜中存在缺陷是不可接受的。在存在单个膜的情况下，缺陷本质上是不可接受的。
在下文中，将描述一种方法，该方法可以获得如上所述的电容器。
示例1：
在此示例的上下文中，考虑了以下假设：
-介电常数εf≥10的主介电膜100不是自支撑的。它可以仅通过挤压或涂覆在支撑层101上以0.05μm至50μm的厚度制造。
-支撑层101(图9)是介电膜，其在其至少一个侧上金属化，具有相对介电常数[εf']和厚度[ef']。
-在上面在说明书中定义的意义上，介电膜100沉积在支撑层101的金属化侧上，使得介电膜100与支撑层101的金属化侧直接接触。
-具有其支撑层101的主介电膜100能够经历传统的金属化方法，例如真空蒸发。
在整个这个示例和图9到17中，金属化侧被称为M。
该方法通过主介电膜100的自由侧的第一金属化步骤来实施，以获得如以上在说明书中定义的基本配置。因此，介电膜100直接与两个相对的电荷载流子结构接触。
图9说明了该步骤的实施结果。
第二步骤包括制造电容器本身。为此，必须在其自身上卷绕设置有其支撑层101的金属化介电膜100，或者堆叠这种类型的几个相同结构。
然后，支撑层101的介电特性用作两个ECBS之间的互补绝缘体(在这种情况下是卷绕或堆叠的金属化侧面)。因此有必要满足以下关系：
ef′Ef′≥ef Ef
使得电容器可以独立于通过支撑层101的任何击穿而操作。
为此，第一变型包括使用在其两个相对侧上金属化的支撑层101，注意使自由侧的金属化与主介电膜100的金属化相匹配(这意味着金属化相互呈镜像)。因此，两个金属化侧面在卷绕或堆叠时匹配，使得它们然后表现为同一个ECBS。
可以参考图10，其示出了通过操作堆叠实施的该第一变型的结果。
第二变型包括使用仅在一侧金属化的支撑层101。
在这些条件下，在上面在说明书中定义的意义上，支撑层101的非金属化侧不是既定地与介电膜100的金属化侧直接接触。因此，“寄生”介电区域可以存在于界面处。
在这种情况下，有利的是使用相对介电常数εf'≤10的支撑层101，同时满足制造金属化膜电容器(例如热处理)的传统原理。
图11示出了通过实施该第二变型而获得的结果，作为堆叠的一部分。
这又是通过图示给出的非常简化的技术视图。特别是，所表示的间距被夸大并且不能代表现实。
另一种变型是采取以下预防措施：
第一预防措施是在真空下(通常压力≤10毫巴)进行卷绕或堆叠操作。
独立于前一个的第二预防措施是通过在卷绕或堆叠时让空气逸出，使用多孔金属条作为金属化层或作为其补充，将确保ECBS和介电膜之间的直接接触。
与前一个互补的第三预防措施是例如通过压力辊施加压力，或通过在实施卷绕时张力角度的相关控制，确保在卷绕或堆叠期间每个新层在前一层的良好的电镀。
示例2：
在此示例的上下文中，考虑了以下假设：
-εf≥10的主介电膜100不是自支撑的。它只能例如通过挤压或涂覆在支撑层300上以0.05μm至50μm的厚度制造。
-支撑层300是金属条。
-在本说明书中定义的意义上，介电膜100沉积在支撑层300的至少一侧上，使得介电膜100与支撑膜300直接接触。
-具有其支撑层300的主介电膜100不是既定地能够进行传统的金属化方法。
图12表示基于金属条300的这种介电膜，而图13表示图12的结构，其本身基于另一介电膜101。
很明显，该最后的配置非常接近于先前的配置，除了膜100和300被认为是单个实体，并且必须遵循与上面所表达的相同的推荐。有利的是使用与膜100和300具有相同性质的组件作为膜101和301(图14)，这使得可以使电容器的体积电容加倍。实际上，如果介电膜100沉积在支撑层300的两侧上，然后用膜101识别，则完成。
图14表示几个结构的堆叠，例如图12中所示的结构，而图15表示几个结构的堆叠，例如图13中所示的结构。
图15表示在堆叠中没有任何其他沉积的情况下，构成VHCFC的第二极的ECBS 301、充有两个ECBS之间的电绝缘的介电膜100和101已经由另一个ECBS 300承载。
同样，重要的变型在于，具有其支撑膜300的主介电膜100能够经历传统的金属化方法，例如真空蒸发。该变型遵循与上述相同的建议(在示例1的末尾描述的建议-另一变型)，无论是在侧面的金属化(如图16的堆叠所示)的情况下还是在两侧的金属化(如图17的堆叠所示)的情况下。在这些图16和17中，与图24一样，这些层用波纹表示，以表示它们的表面不均匀和规则。但同样，这只是错觉。
在上面已经描述的示例中，选择了其中主介电膜不是自支撑的情况。
然而，也可以根据本发明制造膜电容器，其具有自支撑的主介电膜。
下面将参考图18和下面的附图详细描述该方面。
示例3：
在此示例的上下文中，考虑了以下假设：
-εf≥10的主介电膜100是自支撑的。它可以例如通过挤压或涂覆以0.05μm至50μm的厚度制造。
-自支撑膜能够经受传统的金属化方法，例如真空蒸发。
该方法通过金属化自支撑膜100的两侧的第一步骤来实施，以获得如以上在说明书中定义的基本配置。因此，介电膜直接与两个相对的电荷载流子结构接触。
图18示出了该步骤的实施结果。
在该图和后面的图中，金属化层标记为M。
第二步骤包括制造电容器本身。为此，需要在其两侧100上卷绕金属化介电膜或者堆叠这种类型的几个相同结构。然而，需要通过引入第二介电膜200在卷绕或堆叠期间使两个金属化侧相互绝缘。
为此，第一变型包括使用在其两侧金属化的介电膜200，注意使金属化侧匹配(使得膜相互呈镜像)。因此，在卷绕或堆叠时匹配的两侧然后充当同一个ECBS。
在这种情况下，我们将利用使用相同性质的膜100和200使得可以使电容器的体积电容加倍的事实。
另一方面，如果使用不同性质(厚度[ef']和介电强度[Ef'])的介电膜200，则必须满足以下规则：
ef′Ef′≥ef Ef
使得电容器可以独立于通过第二介电膜200的任何击穿而操作。
可以参考图19，其示出了作为堆叠的一部分实施的该第一变型的结果。
第二变型包括使用仅在一侧上金属化的介电膜100，注意使金属化侧与介电膜100中的一个相匹配。因此，介电膜200的金属化与介电膜100的金属化中的一个呈镜像，以及在卷绕或堆叠时匹配的两侧然后充当同一个ECBS。
然而，在上面在说明书中定义的意义上，介电膜200的非金属化侧不是既定地与介电膜100的第二金属化侧直接接触。因此，“寄生”介电区域可以存在于界面处。
在这种情况下，有利的是使用相对介电常数εf'≤10的介电膜200，同时满足制造金属化膜电容器(例如热处理)的传统原理。
可以参考图20，其示出了作为堆叠的一部分实施的该第二变型的结果。
这又是通过图示给出的非常简化的技术视图。特别是，所表示的间距被夸大并且不能代表现实。
另一种变型是在示例1的末尾使用上面给出的原理。
第三变型包括使用非金属化介电膜200。
在这种情况下，在上面在说明书中定义的意义上，介电膜200的任何一侧都不是既定地与介电膜100的金属化侧直接接触。因此，“寄生”介电区域可以存在于每个界面处。
在这种情况下，有利的是使用相对介电常数εf'≤10的介电膜200，同时满足制造金属化膜电容器(例如热处理)的传统原理。该变型的实施结果如图21所示，具有与图20所示相同的代表性储备。
另一种变型是在示例1的末尾使用上面给出的原理。
示例4：
在此示例的上下文中，考虑了以下假设：
εf≥10的主介电膜100是自支撑的。厚度[ef]为0.05μm至50μm的这种材料的膜可以通过例如挤压或涂覆来制造。
主介电膜100不是既定地能够进行传统的金属化方法。
然后通过卷绕(对于卷绕的电容器版本)以下或通过堆叠(对于堆叠的电容器版本)以下来执行该方法：
-构成第一ECBS的第一金属条300，
-第一主介电膜100，
-构成第二ECBS的第二金属条400，
-第二介电膜200(厚度[ef']和介电强度[Ef'])以隔离两个ECBS。
在堆叠的情况下，然后获得例如图22中所示的结构。
有利的是使用相同性质的膜100和200，这使得可以使电容器的体积电容加倍。如果使用不同性质(厚度[ef']和介电强度[Ef'])的介电膜200，则必须满足以下规则：
ef′Ef′≥ef Ef
使得电容器可以独立于通过介电膜200的任何击穿而操作。
另一种可能性是在示例1的末尾使用上面给出的原理。
当主介电膜100能够经历传统的金属化方法(例如真空蒸发)时，可以考虑变型。
实际上，如果应用所要求的功率太大而不能通过简单的金属化传输，则可能需要使用完全的膜电容器配置。
在这种情况下，根据本发明的方法是通过对主介电膜100的两侧进行金属化以获得如上所述的基本配置来制造的。因此，介电膜直接与两个相对的ECBS接触。
该步骤得到的方法如图23所示。
第二步骤包括制造电容器本身。为此，足以应用上述方法。
在堆叠的情况下，然后获得例如图24中所示的结构。然而，只要每个金属化侧将与金属条进行电接触，则最终的ECBS包括金属沉积和接触的金属条。因此，主介电膜保持与两个ECBS保持直接接触。
注意，根据其性质，推荐介电膜200的两侧的金属化，但不是必需的。同样，可以考虑混合方法，其中仅主介电膜100的一侧将被金属化。在这种情况下，有必要遵循所考虑的方法的最大限制所要求的预防措施。
一般说明：
固定金属化膜电容器所固有的已知技术(高电阻率金属化、可变电阻率金属化、具有引入的熔断器的金属化等)有利地适用于上述所有金属化膜配置，但是不需要具体详述。
然而，这些技术可以使阈值降低90％的直接接触或者授权在没有直接接触的区域中存在不满足上述条件的介电质。在这样做时，所有相关区域都会局部地出现击穿。但是，在受制于安全设备的适当尺寸的情况下，这些故障本身应该是安全的。结果是所讨论的区域事实上的电隔离以及在介电膜和ECBS之间100％直接接触的理想配置的实现。这样做是为了损害相对的连接表面，这将减少安全区域的总表面。
固定金属化膜电容器所固有的已知技术(其使用结合在金属化中的熔断器)的工作原理是在电容器中局部存储的能量(即，在熔断器的电力方面相当接近的环境中)以及操作(即，去金属化)所述熔断器和任选的周围区域所需的能量之间的充分性。这种技术不适用于传统的全膜电容器，也就是说使用低相对介电常数εf(εf<10)的介电绝缘体。
实际上，与熔化在用作ECBS的金属片中设计的熔断器所需的能量相比，局部可用的能量仍然太低。在VHCFC中不再是这种情况，其中电绝缘体的高相对介电常数(εf≥10)使得可以显着增加存储的能量密度。
可以设想全膜电容器，根据上述配置制造并使用包括直接包含的熔断器的一个或多个ECBS 300和/或400，因为它们将用于金属化。制造熔断器的技术显然是不同的。可以考虑以下技术：
1、从固体金属板去除材料，其余材料构成熔断器：
-通过激光等汽化金属，
-通过冲压或机械钻孔金属，
-通过溶解或化学蚀刻金属，
2、将材料添加到固体金属片，所添加材料的部分构成熔断器：
-通过焊接或钎焊，可能通过可作为熔断器的桥梁，或任何其他物理关联技术，
-通过压接、冲压或任何其他机械关联技术，
该列表并非详尽。
制造电容器的固有已知技术(裕度、可能的膜偏移、波纹边缘的使用、投影金属化、热处理、连接性、封装、欠压老化、过压情况下的断开系统等的方面)有利地适用于这里描述的所有配置。
显然，在本申请中呈现的大部分内容可以应用于由几个介电膜而不是单个介电膜构成的介电层，条件是在上面定义的意义上在介电层中的每个界面处的直接接触。

Claims (18)

1.一种甚高电容的膜电容器(1)，其包括由至少一个介电膜(100a，...，100i)构成的介电层(100)，所述介电层(100)的每个介电膜(100a，...，100i)具有以下参数：
-相对介电常数[εf i]，使得εf i≥10，
-厚度[ef i]，使得0.05μm≤ef i≤50μm，
-介电强度[Ef i]，使得Ef i≥50V/μm，
在参数中“f”表示“膜”且i≥1，“i”表示所述介电层(100)的“第i”个介电膜(100i)，
所述介电层(100)将第一电子电荷载流子结构(200)与第二电子电荷载流子结构(300)分开，这两种结构具有由所述介电层(100)分开的相对表面(S)，
其特征在于：
A、在所述介电层(100)和所述第一结构(200)之间的界面满足以下要求：
-所述第一结构(200)与所述介电层(100)直接接触的相对表面(S)的部分大于90％，
-在所述介电层(100)不与所述第一结构(200)直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被N(其中N≥1)个厚度的“寄生介电质”(400)分开，每个厚度具有相对介电常数[εp j]和介电强度[Ep j]，其满足以下关系：
εp jEp j≥Min(εf iEf i)
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“j”表示“第j”个厚度，其中1≤j≤N，
B、在所述介电层(100)和所述第二结构(300)之间的界面满足以下要求：
-所述第二结构(300)与所述介电层(100)直接接触的相对表面(S)的部分大于90％，
-在所述介电层(100)不与所述第二结构(300)直接接触的界面的所有区域中，它们局部地被M(其中M≥1)个厚度的“寄生介电质”(500)分开，每个厚度具有相对介电常数[εp k]和介电强度[Ep k]，其满足以下关系：
εp kEp k≥Min(εf iEf i)
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“k”表示“第k”个厚度，其中1≤k≤M，
具有以下附加条件：
C、当所述介电层(100)由多于一个介电膜(100i)构成时，则两个介电膜(100i)之间的任何界面Σ满足以下条件：
-所述两个介电膜(100i)直接接触的相对表面(S)的部分大于90％，
-在所述两个介电膜(100i)不直接接触的界面Σ的所有区域中，这些膜局部地被PΣ(其中PΣ≥1)个厚度的“寄生介电质”(600)分开，每个厚度具有相对介电常数[εp l]和介电强度[Ep l]，其满足以下关系：
εp lEp l≥Min(εf iEf i)
其中“p”表示“寄生介电质的厚度”，并且“l”表示“第l”个厚度，其中1≤l≤P∑，所述介电层由除纯粹的矿物材料以外的聚合物材料制成或基于除纯粹的矿物材料以外的聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的膜电容器，其特征在于，所述介电层(100)不是自支撑的。
3.一种用于制造根据权利要求2所述的膜电容器的方法，其特征在于，其具有以下连续步骤：
a)使用称为“支撑层”的第二介电层(101)，其具有相对介电常数[εf′]和厚度[ef′]，所述第二介电层(101)在其两个相对侧中的至少一个上金属化，并具有介电强度[Ef’]；
b)将所述介电层(100)沉积在所述支撑层(101)上，使其与所述支撑层的金属化侧面接触；
c)进行对在步骤b)结束时保持自由的所述介电层(100)侧面的金属化；
d)进行将由步骤c)得到的组件卷绕在其自身上，或者堆叠由步骤c)得到的多个组件；
所述介电层(100)和支撑层(101)满足以下关系：
ef′Ef′≥efEf，其中表达式ef和Ef在权利要求1中定义。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用在其两侧上金属化的支撑膜(101)，并且在步骤d)中，使所述介电层(100)的金属化表面与所述支撑层(101)的一侧的金属化表面匹配，即呈镜像。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用在其一侧上金属化的支撑膜(101)并且在步骤d)中，使所述介电层(100)的金属化表面与所述支撑层(101)的金属化表面匹配，即呈镜像。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用相对介电常数[εf′]小于或等于10的支撑层(101)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d)的实施通过在真空下或在小于或等于10毫巴的压力下操作来执行。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，通过施加压力特别是经由压力辊，或通过控制张力角来执行对在前一个组件上的新组件的电镀。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其具有以下步骤：
a)将所述介电层(100)沉积在由金属条构成的支撑膜(300)上；
b)将由步骤a)得到的组件沉积在介电支撑层(101)上；
c)将由步骤b)得到的组件沉积在由金属条构成的第二支撑膜(400)上；
d)进行将由步骤c)得到的组件卷绕在其自身上，或堆叠由步骤c)得到的多个组件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述介电层(100,101)是相同的。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述支撑膜(300,400)是相同的金属条。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)和b)之间，使所述介电层(100)的保持自由的一侧经受金属化。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)和c)之间，使所述介电支撑层(100)的保持自由的一侧经受金属化。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d)的实施通过在真空下或在小于或等于10毫巴的压力下操作来执行。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤d)中，通过施加压力特别是经由压力辊，或通过控制张力角来执行对在前一个组件上的新组件的电镀。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其特征在于，使用多孔条。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的方法，其特征在于，使用合并了熔断器的条。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过使用以下技术中的任一个执行所述熔断器的合并：
-从所述条去除材料，使得剩余的材料构成所述熔断器，通过例如金属的蒸发、金属的冲压或机械钻孔、金属的溶解或化学蚀刻的技术执行去除；
-向所述条添加材料，使得所添加的材料构成所述熔断器，所述添加通过例如焊接、钎焊、压接或模锻的技术执行。
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