DE2153784B2 - Verfahren zum Herstellen eines Folienelektrets - Google Patents

Description

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Etemente entweder in gegenseitigem Kontakt Einer der wesentlichsten Anwendungsfälle für stehen oder Luftspalte einschließen. Während des Dünnfilmelektrete liegt auf dem Gebiet elektroaku-Awegens der Spannung tntt em Durchbruch in einem stischer Wandler. Da der Elektret eine permanente Sder mehreren Luftspalten, jedoch nicht im Farn auf. statische Ladung enthält, ist er in idealer Weise zur Das resultierende elektrische Feld in dem Film reicht 5 Verwendung als Schwinguugselement eines elektrodaher nicht aus, um diesen zu durchschlagen, jedoch statischen Wandlers geeignet, wobei im Betrieb kerne zur Bildung einer homopolaren Ladung. Wegen der zusätzliche Vorspannung erforderlich ist Ein ty-Luftspalte und der örtlichen Durchbruchphänomene pischer elektroakustischer Wandler mit einem Dünnist die Ladung des Films zwangläufig uneinheitlich, filmelektret ist in F i g. 1 gezeigt Er besteht aus einem was zu einer uneinheitlichen Oberfiächenladungs- u> elektrisch geladenen Kunststoffihn 10, der über eine dichte des Elektteten führt. Metallgrundplatte 11 gespannt und an einem Ge-

Aus der Ub-FS. 3 354373 ist eine Halterung von häuselS gehaltert ist. In typischer Ausführung beFilmen während der Polarisationsbehandlung be- steht der Füm 10 aus einem polymeren Material, ζ. Β. kannt Die im Füm entstehenden Dipole werden bei Polyäthylenterephthalat Polyfluoräthylen-Propylen der Herstellung eines Elektreten dadurch ausgerich- 15 oderPolykarbonat meiner Dicke von etwa 0,0025 cm. tet, daß der F^a über eine vorgegebene Zeitspanne Eine noch dünnere Metallschicht 12 wird auf die der f jner polarisierenden Spannung in erwärmter Atmo- Grundplatte abgewandten Seite des Films, d. h. die Sphäre ausgesetzt wird. Eine Isolierschicht aus di- Außenseite des Films 10 aufgedampft Die aus FUm elektrischem Material wird zusammen mit einem po- und leitender Schicht bestehende Kombination wird lymeren FUm, der auf der einen Oberfläche metalli- ao als metallisierte »Folie« bezeichnet Die Grundplatsiert sein kann, zwischen ein Elektrodenpaar gelegt. tenoberfläche ist genereU so angeordnet, daß die Folie Das isolierende Material dient dazu, die Elektroden nur an bestimmten Punkten oder entlang bestimmauf Abstand zu halten, um Kurzschlüsse und Fun- ten Linien mit der Oberfläche in Kontakt steht In kenbUdung zu vermeiden. Im bekannten Fall kann den Bereichen, wo kein Kontakt besteht, erlauben das dielektrische Material aus mit Glasfasern ver- »5 flache Taschen ein Schwingen der Folie, wenn sie von stärktem Epoxidharz bestehen. Der spezifische Durch- Schallwellen getroffen nird Außerdem ist die Grundgangswiderstand dieses Materials sowie des Folien- platte 11 perforiert und über einem luftgefüllten Hohlmaterials ist aus D'Ans; Lax: »Taschenbuch für raum 14 abgestützt Diese Anordnung verringert die Chemiker und Physiker«, 1. Band (1967), S. 772, 776 Steifigkeit des Luftkissens hinter der Membran und und 777, bekannt. 30 ermöglicht ein Schwingen des Films mit größerer

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Amplitude, so daß die Empfindlichkeit des Wandlers

Verfahren zum Herstellen eines Folienelektrets mit vergrößert wird,

hoher Ladungsdichte verfügbar zu machen. Wegen der auf der Folie 10 bis 12 vorhandenen

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch permanenten Ladung wird zwischen der Folie und gelöst, daß die dielektrische Hilfsplatte im Hinblick 35 der Grundplatte 11 ein elektrisches Feld errichtet, auf einen genügend hohen Widerstand ausgewählt Die Folie und die Grundplatte sind über in der Zeichwird, um einen zerstörungsfreien Durchbruch der nung nicht dargestellte Einrichtungen mit einer Hoch-Folie zu ermöglichen, daß eine Spannung von sol- impedanz-Eingangsschaltung verbunden. Eine Bewecher Höhe an die Elektroden angelegt wird, daß in gung der Folie, beispielsweise auf Grund einer aufder Folie ein Durchbruch in lokalisierten Kanälen, 40 treffenden Schallwelle, ruft in der Eingangsschaltung jedoch kein Durchbruch in der dielektrischen HiKs- eine geringe Spannung hervor. Diese Spannung ist platte auftritt und daß diese Spannung etwa eine proportional zum Schalldruck.
Minute lang an den außerhalb der Kanäle liegenden Die oben erörterte Reproduzierbarkeit der Emp-Ladungsgebieten der Folie aufrechterhalten wird. findlichkeit der elektrostatischen Wandler hängt eben-

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden 45 so wie die hohe Empfindlichkeit der gute Frequenz-

keine Luftspalte benötigt. Wenn alle Luftspalte eli- gang und die geringe Verzerrung in hohem Maße von

miniert werden, wird auch die Ungleichfönrügkeit der der Gleichförmigkeit der Ladungsverteilung über den

aufgebrachten Ladungen reduziert. Die so erhaltenen Körper der Elektretenmembran, von der Dichte

gleichmäßigen Ladungsdichten sind sowohl in trok- der Elektretenladung und von der Fähigkeit des Elek-

kener als auch in feuchter Atmosphäre beständig und 50 treten ab, trotz äußerer Einflüsse die Ladung beizu-

gegen Temperaturschwankungen unempfindlich. Das behalten. Daher ist eine hohe Lebensdauer von der

Verfahren kann bei Zimmertemperatur durchgeführt geringen Abfallgeschwindigkeit der Elektretenladung

werden und gewährleistet trotzdem eine gleichmäßige abhängig.

Ladung in der Folie, wobei eine hohe Ladungs- Elektretenfilme mii den erforderlichen Eigenschafdichte mit großer Lebensdauer gewährleistet ist. 55 ten für die Verwendung als Schwingungselement

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in eines elektrostatischen Wandlers sowie für andere

der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen Elektretenanwendungen werden erfindungsgemäß da-

näher erläutert. In der Zeichnung zeigt durch hergestellt, daß ein an eine Polymerfolie ange-

F i g. 1 eine vereinfachte Ausführungsform eines legtes elektrisches Feld so gesteuert wird, daß der

elektrostatischen akustischen Wandlers, an Hand 00 Spannungsabfall an der Folie deren Durchbruch-

dessen die Verwendungsweise eines als Schwingungs- spannung übersteigt. F i g. 2 zeigt schematisch eine

element benutzten Dünnfilmelektreten dargestellt ist; typische Ladungskonfiguration.

F i g. 2 eine schematische Ansicht einer geeigneten Wie in F i g. 2 gezeigt ist, fassen zwei Metallelek-

Anordnung zum Herstellen von Dünnfilmelektreten troden 21 und 22, die in typischer Ausführungsform

nach der Erfindung und 65 jeweils einen Durchmesser von etwa 6 cm haben,

F i g. 3 die effektive Oberflächenladung als Funk- eine Polymerfolie 10 bis 12 und einen dielektrischen

tion der Zeit nach dem Laden verschiedener Dünn- Hilfseinsatz 23 ein. In typischer Ausführungsform ist

filmelektrete, die erfindungsgemäß hergestellt sind. die Folie etwa 2 bis 25 Mikrometer dick, und die di-

elektrische Platte 23 besteht aus einer oder zwei Scheiben aus Kronglas von jeweils 0,1 cm Stärke. Vorzugsweise werden die Elemente des Sandwichbauteils zwischen den Elektroden eng aneinander gehalten, to daß etwa verbleibende irreguläre Luftspalte zwischen den Elementen nur als Ergebnis von Oberflächenunebenheiten entstehen können. Zur Verbesserung der Anschaulichkeit ist die Größe der Luft-Spalte zwischen den Elementen in F i g. 2 beträchtlich übertrieben dargestellt.

Eine Spannung von etwa 3OkV aus einer herkömmlichen Spannungsquelle 20 wird über die Elektroden 21 und 22 an das Sandwichbauteil über eine Zeitspanne von etwa einer Minute angelegt Diese Wirkungsdauer hat sich für die Praxis als optimal erwiesen. Durch geeignete Wahl der Spannung und der dielektrischen Einsätze ergibt sich eine Stromdichte im Bereich von 10~⁸ bis 10~« (A/cm*), die für diesen Prozeß als optimal gefunden wurde. Dieser Wert liegt bei weitem über dem typischen Durchbruchsstrom für die meisten polymeren Stoffe. Ein großer Teil des Stroms fließt durch örtliche Kanäle im Polymeren, und die Aufbringung der Ladung erfolgt wahrscheinlich in von diesen Kanälen entfernt liegenden Bereichen, d. h., ein Durchbruch tritt nur an diskreten Stellen auf. Jedoch ist der Rest der Folie einem Vor-Durchbruchszustand unterworfen, und ein Ladungsniederschlag tritt hauptsächlich im Rest, d.h. in Gebieten der Folie auf, die vom Durchbruchspunkt entfernt liegen.

Die Zuführung von Wärme ist nicht erforderlich; die Durchführung des Verfahrens bei normaler Zimmertemperatur ist vollständig ausreichend. Das Vorzeichen der Ladung auf dem polymeren Film 10 entspricht einer homopolaren Ladung. Entsprechend der Polarität des angelegten elektrischen Feldes hat der Film eine resultierende positive oder eine resultierende negative Ladung auf seiner nicht metallisierten Seite. Natürlich erzeugt eine Spannung im Vor-Durchbruchsbereich an dem Film gleichfalls etwas Ladungsniederschlag, aber die resultierende Elektret-Ladungsdichte ist kleiner.

Ein Glaseinsatz 23 wird bevorzugt zum Steuern des Durchbruchs im Polymer verwendet, da sein Widerstand ausreichend hoch ist — in der Größenordnung von 10* bis 10¹* Ohm einer Fläche von 10 bis 100 cm* — um eine zerstörende Wirkung des Durchbruchs zu verhindern, andererseits jedoch niedrig genug, um eine genügend hohe Spannung am Polymeren aufzubauen. Außerdem hält der Glaseinsalz die Elektroden auf gleichmäßigem Abstand and ermöglicht dadurch, daß bei gleicher Oberflächenbeschaffenheit der Elektroden ein stärkeres Feld an den Polymeren angelegt werden kann. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß das Feld in einein dielektrischen Einsatz 23, der aas Schichten aus Kronglas besteht, in der Größenordnung von 250kV/cm liegen sollte, d.h. bei einem Wert, der im Bereich vor dem Durchbruch liegt

Die größten effektiven Oberflächenladungsdichten, welche sich bei drei repräsentativen, polymeren Filmen unterschiedlicher Dicke ergaben, wobei die Fflme auf einer Seite metallisiert und erftndungsgemäß geladen waren, sind nachfolgend tabellarisch aufgeführt Durch eine nicht dese Methode gemessene Dichten sind für beide Ladungspolaritäten gezeigt Diese Werte, weiche etwa 60 Sekunden nach der Beendigung des Ladevorgangs gemessen wurden, sind als Abweichungen von einem Sollwert von 10~« C/cm* angegeben. In der letzten Spalte der Tabelle sind außerdem Einfangsstellendichten für diese Materialien gezeigt, die aus den Ladungsdichten berechnet wurden.

IO	Material	Dicke t	Effektive Oberflächen-; ladungsdichte	Biofangs stellen· dichte (10"
		(jun)	(10-· C/cm«)	cm-1)
	Polyäthylen-
»5	terephthalat	3,8	+ 1,0	3,3
			-1,2	4,0
		12,7	+ 1,0	1,0
			-1,4	1,4
90		25,4	+0,6	0,3
			-0,9	0,4
	Polyfluoräthylen-
	propvlen	12,7	+0,4	04
			-0,5	0,5
»5		25,4	+0,5	0,2
			-0,5	0,2
	Polykarbonat	2	+ 1,0	6,0
30			-1,0	6,0
		12,7	+0,6	0,6
			-0,8	0,8

Die den größten Ladungsdichten entsprechenden

internen Felder sind nach der Tabelle beispielsweise 4 · 10-· V/cm für Polyalkylenterephthalat und liegen daher gerade unterhalb der Durchbruchsfelder. Die größte effektive Oberflächenladung steigt nicht mit der Dicke der Folie, da die Ladungen innerhalb einer schmalen Schicht die wahrscheinlich nahe der Oberfläche liegt, anfänglich eingefangen werden.

Die Oberflächenladung als Funktion der Zeit ist als Beispiel für einige, in einem Trockner gelagerte PoIyäthylenterephthalat- und polyfluoräthylenpropylen-

Elektrete in Fig. 3 gezeigt 4 bis 8 Monate nach der Aufladung waren die negativen und positiven Ladungen am Polyalkylenterephthalat (Kurve 31) noch etwa zwei- bis dreimal größer als auf Folien, die durch Koronaentladung oder durch Elektronenbeschuß auf geladen worden. Positiv geladene Polyflnoräthylen- Propylen-Elektrete (Kurve 33) erfahren, wie festgestellt wurde, eine schnellere Entladung als die negativ geladenen Elektrete (Kurve 32). Im Gegensatz zu thermischen Elektreten sind Niedertemrjeratnrströnie auf Grand einer Depolarisation von Heteroladungen sehr Hein. Das Fehlen einer großen Heteroladung wird der Tatsacke zugeschrieben, daß das Aufladen bei Zimmertemperatur stattfindet Außerdem zeigt <ler Hochtemperatnrstrom

6ο auf Grand der Homoladungs-Depolarisation von not diesem Verfahren aufgeladenem Poiyälhylenferephtkalat zwei Maxima. Dies weist auf das Vorhandensein von zwei Einfall gniveaus Inn, welch** auf den Glasübergang und die Relaxation von G*ycolke8en

^₅ in der Folie bezogen bzw. zurückgefübrt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Hilf seinsalz einen Widerstand zwischen 10» und Patentansprüche: 10« Conn bei einer Fläche von 10 bis 100 cm*

   aufweist

   L Verfahren zum Herstellen eines Folien- 8. Vorrichtung nach Ansprach 5 oder 6, da-

   elektrets hoher Ladungsdichte, bei dem eine ein- 5 durch gekennzeichnet, daß der dielektrische HQlfsseitig mit einer dünnen Metallschicht versehene einsatz einen ausreichend hohen Widerstand hat,

   Folie aus polymerem Material und eine dielek- um einen Durchbruch der Folie zu induzieren,

   Irische Hilfsplatte zwischen zwei leitende Elek- jedoch andererseits genügend niedrig ist, um die

   troden geschichtet und durch Zusammendrücken Entwicklung einer vergleichsweisen hohen Span-

   der Elektroden in engem Kontakt gehalten wer- io nung über die Folie zu ermöglichen,
   den, dadurch gekennzeichnet, daß die
   dielektrische Hilfeplatte im Hinblick auf einen

   genügend hohen Widerstand ausgewählt wird, um

   einen zerstörungsfreien Durchbruch der Folie zu
   ermöglichen, daß eine Spannung von solcher 15

   Höhe an die Elektroden angelegt, wird, daß in der Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstel-

   Folie ein Durchbruch in lokalisierten Kanälen, len eines Folienelekttets hoher Ladungsdichte, bei jedoch kein Durchbruch in der dielektrischen dem eine einseitig mit einer dünnen Metallschicht Hilfsplatte auftritt und daß diese Spannung etwa versehene Folie aus polymerem Material und eine eine Minute lang an den außerhalb der Kanäle ao dielektrische Hilfsplatte zwischen zwei leitende Elek-Uegenden Ladungsgebieten der Folie aufrecht- troden geschichtet und durch Zusammendrücken der erhalten wird. Elektroden in engem Kontakt gehalten werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Dielektrische Materialien in Form von dünnen kennzeichnet, daß der Elektret bei normaler Zim- Filmen, z. B. aus Polymeren, wie Polyester, Fluormertemperatur hergestellt wird. as kohlenstoffen oder Polykarbonatharzen u. dgl., wer-
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch den in großem Umfang für viele Anwendungen begekennzeichnet, daß die Dicken der polymeren nutzt. Sie finden beispielsweise in elektroakustischen Folie und des dielektrischen Hilfseinsatzes so auf- Wandlern bei der Herstellung von Kondensatoren, einander abgestimmt werden, daß während der Rauchgasreinigem und dielektrischen Speicherelemenangelegten Spannung eine gleichbleibende Strom- 30 ten Verwendung. In einem typischen elektroakustidichte innerhalb des kritischen Bereiches von sehen Wandler, z. B. einem elektrostatischen Mikroetwa 10~⁸ bis 10~¹⁰ Ampere/cm* entwickelt wird. fön oder Lautsprecher, wird ein Dünnfilm aus einem
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche Ibis 3, derartigen Material als schwingendes Element eindadurch gekennzeichnet, daß die an die Elek- gesetzt. Um eine äußere Vorspannung zu vermeiden, troden angelegte Spannung etwa 30 kV beträgt. 35 wird der sich bewegende Film mit einer permanenten
5. 5. Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen Polarisation oder Ladung versehen.

   von polymerem Material zur Bildung eines Elek- Ein derart geladener Film ist als Elektret-FUm betreten entsprechend dem Verfahren nach An- kannt. Filmelektretwandlsr beispielsweise der in der spruch 1 mit einem Paar leitender Elektroden, US-PS 3118022 beschriebenen Art haben die Vordie auf beiden Seiten einer dünnen, auf einer 40 teile herkömmlicher Kondensatoreinheiten, weisen Seite metallisierten Folie aus polymerem Material jedoch nicht deren Nachteile auf. Im Gegensatz zu angeordnet sind, einem dielektrischen Hilfsein- einem Kondensatorwandler bedarf eine Elektretsatz, der zwischen die Folie und einer der Elek- einheit keiner separaten Stromversorgung und ist troden geschichtet ist, und einer Einrichtung zum mechanisch viel einfacher aufgebaut. Die Elektret-Halten der Folie, des Hilfseinsatzes und der 45 einheit weist außerdem eine höhere Kapazität auf, Elektroden in gegenseitigem engen Kontakt zu- welche größere Freiheiten in bezug auf die Auslegung einander, dadurch gekennzeichnet, daß der di- der Schaltung bietet. Vielleicht noch wesentlicher elektrische Hilfseinsatz einen genügend hohen sind die Eigenschaften des Elektreten in bezug auf Widerstand besitzt, um einen zerstörungsfreien hohe Empfindlichkeit, guten Frequenzgang und ge-Durchbruch der Folie zu ermöglichen, jedoch 50 ringe Verzerrung.

   noch genügend klein ist, daß sich eine aus- Einige Verfahren zum Erzeugen permanenter elek-

   reichend hohe Spannung über der Folie entwik- trischer Ladungen auf dielektrischen Materialien sind kein kann, daß eine Spannungsquelle an die bekannt. Unter diesen gibt es thermische Prozesse, Elektroden zum Zuführen einer Spannung ange- welche gleichzeitig Wärme und ein elektrisches Feld schlossen ist, die groß genug ist, um in der Folie 55 zur Wirkung bringen, auch werden Gasentladungen einen zerstörungsfreiem Durchbruch in lokalisier- sowie Bestrahlung mit Elektronenstrahlen eingesetzt, ten Kanälen zu erzeugen, aber noch genügend Mit Hilfe einer Ladungsausrichtung, einer Ladungsniedrig ist, um im Einsatz einen vor Durchbruchs- trennung oder einer Ladungsinjektion führen diese zustand zu erzeugen und daß eine Einrichtung bekannten Methoden zu Elektreten, die durch eine zum etwa eine Minute langem Aufrechterhalten 60 heteropolare Ladung, eine homopolare Ladung oder der Spannung an den außerhalb der Kanäle lie- eine Kombination aus diesen bestimmt sind,
   genden Ladungsgebieten der Folie vorgesehen ist. Eine der am meisten verwendeten Anordnungen
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- zum Erzeugen von Ladungen auf polymeren Filmen kennzeichnet, daß der dielektrische Einsatz wenig- benutzt ein System zum Anlegen einer relativ hohen stens eine Schicht aus Kronglas von etwa 0,1 cm 65 Spannung an einen Film, der zwischen einem Elek-Dicke umfaßt trodenpaar gehaltert ist. Hierbei wird ein dielektri-
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, da- scher Einsatz mit dem Film in Sandwichbauweise durch gekennzeichnet, daß der dielektrische zwischen den Elektroden angebracht, wobei die ein-