DE102016200153B4

DE102016200153B4 - Elektromechanischer Wandler und Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers

Info

Publication number: DE102016200153B4
Application number: DE102016200153.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Doerne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2036-01-09
Also published as: DE102016200153A1

Abstract

Elektromechanischer Wandler (1) bestehend aus einem Schichtsystem mit zwei äußeren Schichten (2) und mit einer inneren Schicht (6), wobei die zwei äußeren Schichten (2) elektrisch leitfähig sind, wobei die innere Schicht (6) zwischen den zwei äußeren Schichten (2) angeordnet ist, wobei die innere Schicht (6) ein Dielektrikum (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (6) ein zweites Material (10) mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als die des Dielektrikums (7) aufweist, wobei wenigstens eines der Materialien (7, 10) der inneren Schicht (6) in einer Flüssigphase und/oder als Gel vorliegt, wobei das zweite Material (10) das Dielektrikum (7) wenigstens teilweise umschließt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Weiterhin sind Vielschichtaktoren, umfassend mehrere Schichten aus einem elektroaktiven Polymer mit zwischen den Schichten angeordneten Elektroden, beispielsweise aus der DE 10 2008 001 859 A1 bekannt.
Aus der Druckschrift US 2002 / 0 050 769 A1 sind elektroaktive Polymere bekannt, die zur Verbesserung der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie geeignet sind. Wenn eine Spannung an Elektroden anliegt, die ein vorgespanntes Polymer kontaktieren, wird das Polymer ausgelenkt. Diese Auslenkung kann für mechanische Arbeiten verwendet werden.
Aus der Druckschrift WO 2015/ 023 803 A 1 ist ein Aktuator bekannt mit: einer ersten Elektrodenschicht mit einer ersten Oberfläche; einer zweiten Elektrodenschicht, die eine zweite Fläche aufweist; und einer dielektrischen Schicht, die mit der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche gekoppelt ist, wobei die dielektrische Schicht eine nachgiebige Struktur umfasst, die verwendet wird, um als Reaktion auf eine an die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht angelegte Spannung zu komprimieren oder zu expandieren, wobei die nachgiebige Struktur ein flüssiges Material umfasst, das verwendet wird, um in eine Lücke der nachgiebigen Struktur zu fließen.
Aus der Druckschrift DE 10 2014 201 689 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mehrschichtverbunden bekannt, bei denen mindestens zwei Schichten aus gehärtetem Silicon mit jeweils einer Schichtdicke von 0,1 bis 200 µm, und einer Dickengenauigkeit von ±5% gemessen auf einer Fläche von 200 cm² bestehen.
Aus der Druckschrift DE 16 46 037 A ist ein Verfahren zur Abscheidung von organischen Überzügen auf elektrisch leitende Gegenstände, insbesondere Metalle, bei dem die elektrisch leitenden Gegenstände, als Anode oder Kathode geschaltet, in eine als Elektrolyt wirkende wässrige Dispersion vor- und/oder ausreagierter Kunststoffe eingetaucht und an ein elektrisches Potential gelegt werden, bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein elektromechanischer Wandler bestehend aus einem Schichtsystem mit zwei äußeren Schichten und mit einer inneren Schicht, wobei die zwei äußeren Schichten elektrisch leitfähig sind, wobei die innere Schicht zwischen den zwei äußeren Schichten angeordnet ist, wobei die innere Schicht ein Dielektrikum aufweist und wobei die innere Schicht ein zweites Material mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als die des Dielektrikums aufweist, hat dem gegenüber den Vorteil, dass die Anforderungen an die Durchschlagsfestigkeit und die dielektrischen Eigenschaften nicht mehr nur von einem Material erfüllt sein müssen. Denn jeweils ein Material der inneren Schicht gewährleistet die gute Durchschlagsfestigkeit und das andere Material der inneren Schicht die hohe Dielektrizitätskonstante. Hierdurch ist in vorteilhafterweise eine Funktionstrennung der Anforderungen an die innere Schicht auf zwei Materialien verteilt, was die technische Realisierung beider Anforderungen stark vereinfacht.
Unter einem Dielektrikum kann eine elektrisch schwach oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz verstanden werden. Das Dielektrikum kann zweckmäßigerweise eine hohe Dielektrizitätszahl aufweisen. Es kann sich hierbei um eine Flüssigkeit oder um einen Feststoff handeln, dessen Ladungsträger im Allgemeinen nicht frei beweglich sind. Insbesondere kann es sich bei dem Dielektrikum um ein Silikon oder Kautschuk handeln. Bei dem Dielektrikum kann es sich hierbei beispielsweise um Methanol, Glycerin, Tantalpentoxid, Wasser oder Bariumtitanat, oder um Verbundstoffe aus den zuvor genannten Materialien handeln.
Bei dem Material, welches eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist, kann es sich beispielweise um Polymethylmethacrylat, Polypropylen, Polystyrol, Polyoxymethylen oder Polyethylenterephthalat, oder um Verbundstoffe aus den zuvor genannten Materialien handeln.
Unter elektrisch leitfähig kann hierbei verstanden werden, dass das Material die Eigenschaft besitzt, elektrischen Strom zu leiten. Insbesondere soll darunter verstanden werden, dass die elektrische Leitfähigkeit größer als 1000 S/m ist, bevorzugt größer als 10000 S/m und insbesondere bevorzugt größer als 100000 S/m ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Materialien der inneren Schicht elastisch ist. Denn dadurch wird die Wirksamkeit des elektromechanischen Wandlers vorteilhafterweise erhöht. Unter einem elastischen Material kann ein Material mit einem geringen Elastizitätsmodul verstanden werden. Insbesondere können unter einem elastischen Material gummi- und/oder kautschukartige Materialien bzw. Materialzusammensetzungen verstanden werden, deren Elastizitätsmodul kleiner als 10 N/mm² bevorzugt kleiner als 5 N/mm², besonders bevorzugt kleiner als 1 N/mm² und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,1 N/mm² beträgt.
Durch die Elastizität bzw. Verformbarkeit wenigstens eines der Materialien der inneren Schicht des elektromechanischen Wandlers wird ferner eine positive Wirkung auf die Lebensdauer des elektromechanischen Wandlers erzielt. Je elastischer das wenigstens eine Material der inneren Schicht ist, desto größer ist die elastische Verformung bei einer gegebenen Kraft, mit der die beiden äußeren Schichten die innere Schicht zusammendrücken. Dadurch erhöht sich auch der sogenannte Stellweg eines als Aktor eingesetzten elektromechanischen Wandlers. In analoger Weise erhöht sich hierdurch die Sensitivität eines als Sensor eingesetzten elektromechanischen Wandlers.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die wenigstens zwei Materialien der inneren Schicht als planare Schichten übereinander angeordnet sind. Unter einer Schicht kann hierbei ein flächiges Objekt verstanden werden, welches in einer Ebene ausgedehnt ist, die von zwei zueinander orthogonalen Richtungen aufgespannt wird, und welches in der dritten zu den beiden anderen Richtungen orthogonalen Richtung eine deutlich geringere Ausdehnung besitzt. Denn hierdurch ist gewährleistet, dass sich die mechanischen, elektrischen bzw. dielektrischen Eigenschaften und die Durchschlagsfestigkeit der wenigstens zwei Materialien in einer Ebene parallel zu der inneren Schicht nicht verändern. Insbesondere ist gewährleistet, dass die Durchschlagsfestigkeit der inneren Schicht über die gesamte laterale Ausdehnung, d. h. in der Ebene parallel zu der inneren Schicht, gegeben ist. Ebenso ist gewährleistet, dass die dielektrischen Eigenschaften der inneren Schicht über die gesamte laterale Ausdehnung hinweg unverändert bleiben.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die wenigstens zwei Materialien der inneren Schicht als genau zwei planare Schichten übereinander angeordnet sind. Hierdurch kann die Funktionalität einer möglichst hohen dielektrischen Konstanten von einer planaren Schicht bzw. von einem Material gegeben sein und die Funktionalität einer möglichst hohen Durchschlagsfestigkeit von einer anderen, zweiten planaren Schicht bzw. von einem zweiten Material gewährleistet werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn ein Schichtdickenverhältnis zwischen einer Schichtdicke des zweiten Materials und einer Schichtdicke des Dielektrikums kleiner als 1 zu 1 beträgt, bevorzugt kleiner als 1 zu 5 beträgt besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 10 beträgt und ganz besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 20 beträgt. Durch das möglichst kleine Verhältnis zwischen der Schichtdicke des zweiten Materials und der Schichtdicke des Dielektrikums wird gewährleistet, dass der Einfluss der Dielektrizitätskonstanten des zweiten Materials, welches eine möglichst hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen soll, jedoch auch dielektrische Eigenschaften besitzt, auf die effektive Dielektrizitätskonstante der inneren Schicht verringert wird. Denn Materialien, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweisen, weisen nicht zwangsläufig eine hohe Dielektrizitätskonstante auf. Zweckmäßigerweise kann die Schichtdicke des zweiten Materials so gewählt sein, dass eine hinreichende bzw. ausreichende Durchschlagsfestigkeit für den Betrieb des elektromechanischen Wandlers gegeben ist.
Ferner ist es von Vorteil, wenn eines der Materialien der inneren Schicht das andere Material der inneren Schicht wenigstens teilweise umschließt. Hierdurch können gezielt Inhomogenitäten in den elektromechanischen Wandler bzw. in die innere Schicht eingebracht werden. Insbesondere die effektive Dielektrizitätskonstante der inneren Schicht lässt sich somit gezielt modifizieren.
Es ist auch denkbar, dass der Herstellungsprozess des elektromechanischen Wandlers bzw. der inneren Schicht es erfordert, dass eines der Materialien der inneren Schicht das andere Material der inneren Schicht umschließt. Wenn beispielsweise das Dielektrikum in der Flüssigphase bzw. in der Gasphase vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn das zweite Material das flüssige bzw. gasförmige Dielektrikum in der inneren Schicht komplett umschließt, sodass es nicht austreten bzw. entweichen kann.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das zweite Material eine Durchschlagsfestigkeit von wenigstens 10 kV/mm, bevorzugt von wenigstens 50 kV/mm und besonders bevorzugt von wenigstens 250 kV/mm aufweist. Denn durch eine möglichst hohe Durchschlagsfestigkeit des zweiten Materials lässt sich seine Schichtdicke innerhalb der inneren Schicht reduzieren, was sich sowohl auf die effektive Dielektrizitätskonstante der inneren Schicht als auch auf die Effektivität des elektromechanischen Wandlers positiv auswirkt. Bei dem zweiten Material kann es sich hierbei beispielsweise um Polymethylmethacrylat, Polypropylen, Polystyrol, Polyoxymethylen oder Polyethylenterephthalat, oder um Verbundstoffe aus den zuvor genannten Materialien handeln.
Vorteilhafterweise weist das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante von wenigstens 10, bevorzugt von wenigstens 80, besonders bevorzugt von wenigstens 100 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 1000 auf. Denn eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums bewirkt, dass die effektive Dielektrizitätskonstante der inneren Schicht ebenfalls hohe Werte annimmt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Effektivität des elektromechanischen Wandlers aus. Bei dem Dielektrikum kann es sich hierbei beispielsweise um Methanol, Glycerin, Tantalpentoxid, Wasser oder Bariumtitanat, oder um Verbundstoffe aus den zuvor genannten Materialien handeln. Außerdem können beispielsweise an chemischen Nebengruppen modifizierte Elastomere, wie Silikone mit hoher Dielektrizitätskonstante, eingesetzt werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn wenigstens eines der Materialien der inneren Schicht in einer Flüssigphase und/oder als Gel vorliegt. Denn es gibt insbesondere in Flüssigphase vorliegende Materialien, wie beispielsweise Wasser, die eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen. Im Falle des Wassers beträgt die Dielektrizitätskonstante ca. 80. Hierdurch wird die Effektivität des elektromechanischen Wandlers weiter erhöht.
Der hier vorgestellte Ansatz hat ferner ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers zum Gegenstand, insbesondere nach einer der vorstehend genannten Ausführungsformen. Die zuvor genannten Vorteile für den elektromechanischen Wandler gelten in entsprechender Weise auch für das Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers.
Das Dielektrikum und/oder das zweite Material kann über verschiedene Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise über eine physikalische Gasphasenabscheidung, eine chemische Gasphasenabscheidung, ein Lackieren, d.h. ein Spritzen, ein Rakeln, ein Schlitzgießen, oder über elektrochemische Abscheideprozesse, wie eine elektrophoretische Abscheidung appliziert werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen elektromechanischen Wandler,
2 einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler mit einer inneren Schicht, die zwei verschiedene Materialien aufweist,
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einer inneren Schicht, die zwei Materialien aufweist,
4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers mit einer inneren Schicht, die zwei Materialien aufweist,
5 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers, sowie
6 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers.

Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird ein elektromechanischer Wandler bestehend aus einem Schichtsystem mit zwei äußeren Schichten und mit einer inneren Schicht beschrieben, wobei die zwei äußeren Schichten elektrisch leitfähig sind, wobei die innere Schicht zwischen den zwei äußeren Schichten angeordnet ist, wobei die innere Schicht ein Dielektrikum aufweist, und wobei die innere Schicht ein zweites Material mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als die des Dielektrikums aufweist.
In 1 ist das Grundprinzip eines elektromechanischer Wandler 100 gezeigt. Der elektromechanische Wandler 100 weist zwei äußere Schichten 2 auf, welche als eine erste Elektrode 3 und als eine zweite Elektrode 4 fungieren. Die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 sind elektrisch leitfähig und können an eine äußere Spannungsversorgung 5 angeschlossen sein. Der elektromechanische Wandler 100 weist ferner eine zwischen den äußeren Schichten 2 befindliche innere Schicht 6 auf. Die innere Schicht 6 kann hierbei aus einem elektrisch nicht leitfähigen, dielektrischen Material bestehen. Das Material der inneren Schicht 6 ist zweckmäßigerweise elastisch und wird im Folgenden Dielektrikum 7 genannt.
Wird nun an die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 über die Spannungsversorgung 5 eine Spannung angelegt, so bildet sich zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 ein elektrisches Feld aus. Durch dieses elektrische Feld erfahren die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 eine elektrostatische Anziehungskraft, welche die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 sich aufeinander zubewegen lässt. Dies ist angedeutet durch die ersten Pfeile 8.
Da das dazwischenliegende Dielektrikum 7 volumenkonstant ist, verursacht diese Stauchung in eine Richtung eine Dehnung des Dielektrikums 7 senkrecht zu der Richtung der Stauchung. Das bedeutet, dass das Dielektrikum 7 in der Ebene parallel zu den äußeren Schichten 2 bzw. zur inneren Schicht 6 aus dem elektromechanischen Wandler 100 gedehnt wird, wobei sich die Elektroden 3, 4 ebenfalls in gleicher Weise dehnen. Dies ist durch zweite Pfeile 9 angedeutet. Dieser Effekt der Umwandlung von elektrischer in mechanischer Energie kann von einem als Aktor ausgestalteten elektromechanischen Wandler genutzt werden. In umgekehrter Weise kann dieser Effekt dazu genutzt werden, um einen elektromechanischen Wandler als Generator und/oder Sensor einzusetzen.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer elektromechanischer Wandler 1 dargestellt. Er weist zwei äußere Schichten 2 auf, welche als erste Elektrode 3 und als zweite Elektrode 4 fungieren. Weiterhin weist der elektromechanische Wandler 1 eine zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 befindliche innere Schicht 6 auf, welche ihrerseits eine erste Zwischenschicht 61 und eine zweite Zwischenschicht 62 umfasst. Die erste Zwischenschicht 61 und/oder die zweite Zwischenschicht 62 können hierbei als planare Schichten ausgestaltet sein, welche insbesondere parallel zueinander und/oder parallel zu den äußeren Schichten 2 verlaufen.
Die erste Zwischenschicht 61 und/oder die zweiten Zwischenschicht 62 können elastisch ausgestaltet sein. Ihr Elastizitätsmodul kann beispielsweise weniger als 6 N/mm² betragen, bevorzugt weniger als 1 N/mm², besonders bevorzugt weniger als 0,1 N/mm² und ganz besonders bevorzugt weniger als 0,05 N/mm² betragen.
Die erste Zwischenschicht 61 besteht aus einem Dielektrikum 7. Die zweite Zwischenschicht 62 besteht aus einem zweiten Material 10, welches eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Die Durchschlagsfestigkeit des zweiten Materials 10 ist insbesondere höher als die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums 7. Die Durchschlagsfestigkeit des zweiten Materials 10 kann hierbei wenigstens 10 kV/mm, bevorzugt wenigstens 50 kV/mm und besonders bevorzugt wenigstens 250 kV/mm betragen.
Die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 7 kann hierbei Werte von wenigstens 10, bevorzugt von wenigstens 80, besonders bevorzugt von wenigstens 100 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 1000 aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Dielektrizitätskonstante des zweiten Materials 10 im Wesentlichen vergleichbare Werte wie die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 7 aufweisen.
Zweckmäßigerweise weist das Dielektrikum 7 eine größere Schichtdicke auf, als das zweite Material 10. Die erste Schichtdicke 11 des Dielektrikums 7 kann hierbei beispielsweise 50 µm betragen. Die zweite Schichtdicke 12 des zweiten Materials 10 kann beispielsweise 1 µm betragen. Ein Verhältnis zwischen der zweiten Schichtdicke 12 des zweiten Materials 10 und der ersten Schichtdicke 11 des Dielektrikums 7 kann hierbei kleiner als 1 zu 1, bevorzugt kleiner als 1 zu 5, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 10 und ganz besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 20 sein.
Je nach Durchschlagsfestigkeit des zweiten Materials 10 bzw. je nach Wert der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 7 kann das Schichtdickenverhältnis zwischen der zweiten Schichtdicke 12 des zweiten Materials 10 und der ersten Schichtdicke 11 des Dielektrikums 7 auf ein Optimum eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es möglich, dass die innere Schicht 6 neben der ersten Zwischenschicht 61, welche aus dem Dielektrikum 7 besteht, und der zweiten Zwischenschicht 62, welche aus dem durchschlagsfesten zweiten Material 10 besteht, eine weitere Zwischenschicht aus dem zweiten Material 10 enthält. Diese weitere Zwischenschicht kann zwischen dem Dielektrikum 7 und der zweiten Elektrode 4 angeordnet sein. Da das zweite Material 10 im Vergleich zu dem Dielektrikum 7 eine relativ geringe Dielektrizitätskonstante aufweist, jedoch eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt, ist es zweckmäßig, wenn die Schichtdicke der weiteren Zwischenschicht in etwa der Schichtdicke der zweiten Schichtdicke 12 entspricht. Hierdurch ist gewährleistet, dass der elektromechanische Wandler 1 eine hohe Durchschlagsfestigkeit und gleichzeitig eine für den effizienten Betrieb notwendige hohe effektive Dielektrizitätskonstante besitzt.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 dargestellt. Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler 1 weist zwei äußere Schichten 2 auf, welche als erste Elektrode 3 und zweite Elektrode 4 fungieren. Weiterhin weist der elektromechanische Wandler 1 eine innere Schicht 6 auf, welche aus dem Dielektrikum 7 und dem zweiten Material 10 aufgebaut ist. Hierbei umschließt das zweite Material 10 das Dielektrikum 7 wenigstens teilweise, und gewährleistet somit, dass das Dielektrikum 7 nicht mit der ersten Elektrode 3 und/oder mit der zweiten Elektrode 4 direkt in Berührung kommt. Das Dielektrikum 7 ist als erste Zwischenschicht 61 im Wesentlichen planar ausgestaltet, wobei das Dielektrikum 7 im Wesentlichen parallel zu den zwei äußeren Schichten 2 verläuft. Die Bereiche des zweiten Materials 10 innerhalb der inneren Schicht 6, welche das Dielektrikum 7 von der zweiten Elektrode 4 und der ersten Elektrode 3 räumlich trennen, werden als zweite Zwischenschicht 62 bzw. dritte Zwischenschicht 63 bezeichnet. Die zweite Schichtdicke 12 der zweiten Zwischenschicht 62 und die dritte Schichtdicke 13 der dritten Zwischenschicht 63 sind im Wesentlichen vergleichbar mit der zweiten Schichtdicke 12 der zweiten Zwischenschicht 62 bzw. der weiteren Zwischenschicht, welche in dem Ausführungsbeispiel in 2 genannt sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass das Dielektrikum 7 von dem zweiten Material 10 komplett umschlossen wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Dielektrikum 7 als Flüssigkeit und/oder als Gel vorliegt. Denn dadurch ist gewährleistet, dass einerseits die Durchschlagsfestigkeit des elektromechanischen Wandlers 1 gegeben ist, und andererseits das flüssige und/oder gelförmige Dielektrikum ortsfest im elektromechanischen Wandler 1 verbleibt. Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere für elektromechanische Wandler 1 von Vorteil, deren Dielektrikum 7 größtenteils oder ganz aus Wasser bzw. wässrigen Lösungen bestehen. Da Wasser eine Dielektrizitätskonstante von ca. 80 aufweist, eignet es sich gut als Dielektrikum 7 für den erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler 1.
In 4 ist eine weitere, alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 gezeigt. Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler 1 weist zwei äußere Schichten 2 sowie eine innere Schicht 6 auf. Die äußeren Schichten 2 bilden die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4, über die der elektromechanische Wandler 1 elektrisch kontaktiert wird. Die innere Schicht 6 besteht aus einem Verbundmaterial, welches sich aus dem zweiten Material 10 und dem Dielektrikum 7 zusammensetzt. Das zweite Material 10, welches die Durchschlagsfestigkeit des elektromechanischen Wandlers 1 gewährleistet, liegt hierbei direkt an der ersten Elektrode 3 und an der zweiten Elektrode 4 an. Das Dielektrikum 7 ist willkürlich als unterschiedlich große Konglomerate bzw. Inseln innerhalb des zweiten Materials 10 verteilt. Dieses Verbundsystem kann auch als guest-host-System bezeichnet werden. Die Schichtdicke der inneren Schicht 6 wird im Wesentlichen von der Schichtdicke des zweiten Materials 10 bzw. durch das zweite Material 10 bestimmt. Indem das Volumen bzw. Massenverhältnis zwischen dem Dielektrikum 7 und dem zweiten Material 10 variiert bzw. gezielt verändert wird, kann die Durchschlagsfestigkeit und die effektive Dielektrizitätskonstante des elektromechanischen Wandlers 1 gezielt eingestellt werden. Durch die nicht lineare bzw. inhomogene Verteilung des Dielektrikums 7 innerhalb der inneren Schicht 6 bzw. innerhalb des zweiten Materials 10 lässt sich ein nicht linearer bzw. nicht linear agierender elektromechanischer Wandler 1 realisieren.
In 5 ist eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein erfindungsgemäßes Verfahren 20 zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers 1 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 21 wird auf ein hier nicht dargestelltes Substrat eine erste, elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. Diese erste elektrisch leitfähige Schicht stellt hierbei die erste Elektrode 3 dar. Die erste Elektrode 3 kann hierbei aus einem Verbundmaterial, beispielsweise aus Silikon und leitfähigen Metallpartikeln, Kohlenstoffpartikeln und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen. Die Applikation dieses Verbundmaterials auf das Substrat kann hierbei über verschiedene, etablierte Druckverfahren ausgeführt werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein Inkjetverfahren oder um ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren handeln, wie dem Tiefdruck-, Hochdruck-, Durchdruck- oder Flachdruckverfahren. Ferner ist es denkbar, dass die erste Elektrode 3 durch elektrochemische Abscheidungen auf das Substrat aufgebracht wird. Nach einem optionalen Trocknungsschritt kann ein zweiter Verfahrensschritt 22 erfolgen, bei welchem das zweite Material 10 auf die erste Elektrode 3 appliziert wird, beispielsweise durch einen der zuvor genannten Applikationsverfahren. Die Schichtdicke des zweiten Materials 10 kann hierbei so gewählt werden, dass der nach seiner Herstellung fertige elektromechanische Wandler 1 eine genügend hohe Durchschlagsfestigkeit bei einer möglichst hohen Dielektrizitätskonstante aufweist. Bei dem zweiten Material 10 kann es sich hierbei um Flüssigsilikone und/oder Flüssigsilikonkautschuke handeln. Nach einem optionalen Trocknungsschritt erfolgt ein dritter Verfahrensschritt 23. Bei dem dritten Verfahrensschritt 23 wird das Dielektrikum 7 auf das zweite Material 10 über eines der zuvor genannten Applikationsverfahren aufgebracht. Bei dem Dielektrikum 7 kann es sich hierbei vorzugsweise um ein elastisches Material, wie beispielsweise Silikon oder Kautschuk handeln. Es sind jedoch auch andere elastische Materialien möglich, die eine im Vergleich zu dem zweiten Material 10 höhere Dielektrizitätszahl bzw. Dielektrizitätskonstante aufweisen. Nach dem dritten Verfahrensschritt 23 kann ein optionaler Trocknungsschritt erfolgen.
Schließlich erfolgt ein vierter Verfahrensschritt 24, bei welchem die zweite Elektrode 4 auf das Dielektrikum 7 appliziert wird. Die Applikation kann durch eines der zuvor erwähnten Verfahren erfolgen. Die zweite Elektrode 4 kann hierbei aus dem gleichen Material wie die erste Elektrode 3 bestehen. Ferner weist die zweite Elektrode 4 eine im Wesentlichen gleich große Schichtdicke wie die erste Elektrode 3 auf. Es kann ein optionaler Trocknungsschritt erfolgen.
Fakultativ kann nun in einem optionalen Delaminierungsschritt die erste Elektrode 3, die als erste Schicht auf das Substrat aufgebracht wurde, von dem Substrat delaminiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in dem zweiten Verfahrensschritt 22 und/oder in dem dritten Verfahrensschritt 23 das Dielektrikum 7 und/oder das zweite Material 10 über einen physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess appliziert werden. Insbesondere kann es sich bei dem physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess um Laserstrahlverdampfen handeln. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei einem der Materialien um einen Feststoff mit einer Schmelztemperatur von mehr als 600°C, insbesondere von mehr als 800°C, handelt. Insbesondere das Material Tantalpentoxid, welches eine Dielektrizitätskonstante von 27 aufweist, oder das Material Bariumtitanat, welches eine Dielektrizitätskonstante von größer als 100 aufweist, kommen als Dielektrikum 7 in Frage und können mittels Laserstrahlverdampfen appliziert werden.
In 6 ist eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 20 zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers 1 gezeigt. Hierbei wird ein erstes Substrat 30 und ein zweites Substrat 31 mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet. Diese dadurch entstehenden elektrisch leitfähigen Schichten stellen hierbei die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 dar. Die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 können hierbei aus einem Verbundmaterial, beispielsweise aus Silikon und leitfähigen Metallpartikeln, Kohlenstoffpartikeln und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen. Die Applikation dieses Verbundmaterials auf das erste Substrat 30 und das zweite Substrat 31 kann hierbei über verschiedene, etablierte Druckverfahren ausgeführt werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein Inkjetverfahren oder um ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren handeln, wie dem Tiefdruck-, Hochdruck-, Durchdruck- oder Flachdruckverfahren. Ferner ist es denkbar, dass die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 4 durch elektrochemische Abscheidungen auf das erste Substrat 30 und das zweite Substrat 31 aufgebracht wird.
Nach einem optionalen Trocknungsschritt wird auf die erste Elektrode 3 das Dielektrikum 7 aufgebracht, beispielsweise durch eines der zuvor genannten Applikationsverfahren. Bei dem Dielektrikum 7 kann es sich hierbei vorzugsweise um ein elastisches Material, wie beispielsweise Silikon oder Kautschuk handeln. Es sind jedoch auch andere elastische Materialien möglich, die eine im Vergleich zu dem zweiten Material 10 höhere Dielektrizitätszahl bzw. Dielektrizitätskonstante aufweisen. Es kann ein weiterer optionaler Trocknungsschritt erfolgen.
In analoger Weise wird nach einem optionalen Trocknungsschritt das zweite Material 10 auf die zweite Elektrode 4 aufgebracht, wobei das zweite Material 10 eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Bei dem zweiten Material 10 kann es sich hierbei um Flüssigsilikone und/oder Flüssigsilikonkautschuke handeln. Die Schichtdicke des zweiten Materials 10 kann hierbei im Vergleich zu der Schichtdicke des Dielektrikums 7 wesentlich geringer sein. Es kann ein weiterer optionaler Trocknungsschritt erfolgen.
Es erfolgt ein Laminierungsschritt, bei welchem die das zweite Material 10 aufweisende Schicht und die das Dielektrikum 7 aufweisende Schicht stoffschlüssig zusammen gefügt werden. Dies ist durch einen Pfeil 31 angedeutet.
Optional kann nun das erste Substrat 30 von der ersten Elektrode 3 und das zweite Substrat 31 von der zweiten Elektrode 4 entfernt bzw. delaminiert werden.

Claims

Elektromechanischer Wandler (1) bestehend aus einem Schichtsystem mit zwei äußeren Schichten (2) und mit einer inneren Schicht (6), wobei die zwei äußeren Schichten (2) elektrisch leitfähig sind, wobei die innere Schicht (6) zwischen den zwei äußeren Schichten (2) angeordnet ist, wobei die innere Schicht (6) ein Dielektrikum (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (6) ein zweites Material (10) mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als die des Dielektrikums (7) aufweist, wobei wenigstens eines der Materialien (7, 10) der inneren Schicht (6) in einer Flüssigphase und/oder als Gel vorliegt, wobei das zweite Material (10) das Dielektrikum (7) wenigstens teilweise umschließt.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Materialien (7, 10) der inneren Schicht (6) als planare Schichten übereinander angeordnet sind.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Materialien (7, 10) der inneren Schicht (6) als genau zwei planare Schichten übereinander angeordnet sind.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtdickenverhältnis zwischen einer Schichtdicke (12) des zweiten Materials (10) und einer Schichtdicke (11) des Dielektrikums (7) kleiner als 1 zu 1, bevorzugt kleiner als 1 zu 5, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 10 und ganz besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 20 beträgt.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Materialien (7, 10) der inneren Schicht (6) das andere Material (7, 10) der inneren Schicht (6) wenigstens teilweise umschließt.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (10) eine Durchschlagsfestigkeit von wenigstens 10 kV/mm, bevorzugt von wenigstens 50 kV/mm und besonders bevorzugt von wenigstens 250 kV/mm aufweist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (7) eine Dielektrizitätskonstante von wenigstens 10, bevorzugt von wenigstens 80, besonders bevorzugt von wenigstens 100 und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 1000 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1-7, bestehend aus einem Schichtsystem mit zwei äußeren Schichten (2) und mit einer inneren Schicht (6), wobei die zwei äußeren Schichten (2) elektrisch leitfähig sind, wobei die innere Schicht (6) zwischen den zwei äußeren Schichten (2) angeordnet wird, wobei die innere Schicht (6) ein Dielektrikum (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (6) ein zweites Material (10) mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als die des Dielektrikums (7) aufweist, wobei wenigstens eines der Materialien (7, 10) der inneren Schicht (6) in einer Flüssigphase und/oder als Gel vorliegt, und wobei das zweite Material (10) das Dielektrikum (7) wenigstens teilweise umschließt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (7) und/oder das zweite Material (10) über physikalische Gasphasenabscheidung, bevorzugt über Laserstrahlverdampfen, und/oder über eine elektrochemische Abscheidung, bevorzugt über Elektrophorese, appliziert wird.