DE2153784C3

DE2153784C3 - Verfahren zum Herstellen eines Folienelektrets

Info

Publication number: DE2153784C3
Application number: DE2153784A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Martin Summit Sessler; James Edward Plainfield West
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1971-10-28
Publication date: 1975-07-17
Also published as: GB1363717A; US3705312A; NL7114561A; NL162778C; JPS5541014B1; BE774468A; IT940095B; NL162778B; DE2153784B2; FR2113400A5; SE366608B; AT323297B; DE2153784A1

Description

zelnen Elemente entweder in gegenseitigem Kontakt stehen oder Luftspalte einschließen. Während des Anlegens der Spannung tritt ein Durch bruch in einem oder mehreren Luftspalten, jedoch nicht im Film auf. Das resultierende elektrische Feld in dem Film reicht daher nicht aus, um diesen zu durchschlagen, jedi ch zur Bildung einer homopolaren Ladung. Wegen der Luftspalte ur>J der örtlichen Durchbnichphänomene ist die Ladung des Films zwangläufig uneinheitlich, was zu einer uneinheitlichen Oberflächenladungsdichte des Elektretcn führt.

Aus der US-PS 3 354 373 ist eine Halterung von Filmen während der Polarisationsbehandlung bekannt. Die im Film entstehenden Dipole werden bei der Herstellung eines Elektreten dadurch ausgerichtet, daß der Film über eine vorgegebene Zeitspanne einer polarisierenden Spannung in erwärmter Atmosphäre ausgesetzt wird. Eine Isolierschicht aus dielektrischem Material wird zusammen mit einem polymeren Film, der auf der einen Oberfläche metallisiert sein kann, zwischen ein Elektrodenpaar gelegt Das isolierende Material dient dazu, die Elektroden auf Abstand zu halten, um Kurzschlüsse und Funkenbildung zu vermeiden. Im bekannten Fall kann das dielektrische Material aus mit Glasfasern verstärktem Epoxidharz bestehen. Der spezifische Durchgangswiderstand dieses Materials sowie des FoI ^;enmaterials ist aus D'Ans; Lax: »Taschenbuch für Chemiker und Physiker«, 1. Band (1%7), S. 772, 776 und 777, bekannt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren 7um Herstellen eines Folienelektrets mit hoher Ladungsdichte verfügbar zu machen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die dielektrische Hilfsplatte im Hinblick auf einen genügend hohen Widerstand ausgewählt wird, um einen zerstörungsfreien Durchbruch der Folie zu ermöglichen, daß eine Spannung von solcher Höhe an die Elektroden angelegt wird, daß in (' τ Folie ein Durchbruch in lokalisierten Kanälen, ji och kein Durchbruch in der dielektrischen Hilfsplatte auftritt und daß diese Spannut ι,-, etwa eine Minute lang an den außerhalb der Kanäle liegenden Ladungsgebieten der Folie aufrechterhalten wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden keine Luftspalte benötigt. Wenn alle Luftspalte eliminiert werden, wird auch die Ungleichförmigkeit der aufgebrachten Ladungen reduziert. Die so erhaltenen gleichmäßigen Ladungsdichten sind sowohl in trokkener als auch in feuchter Atmosphäre beständig und gegen Temperaturschwankungen unempfindlich. Das Verfahren kann bei Zimmertemperatur durchgeführt werden und gewährleistet trotzdem eine gleichmäßige Ladung in der Folie, wobei eine hohe Ladungsdichte mit großer Lebensdauer gewährleistet ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte Ausführungsform eines elektrostatischen akustischen Wandlers, an Hand dessen die Verwendungsweise eines als Schwingungselement benutzten Dünnfilmelektreten dargestellt ist;

F i g. 2 eine schematische Ansicht einer geeigneten Anordnung zum Herstellen von Dünnfilmelektreten nach der Erfindung und

F i g. 3 die effektive Oberflächenladung als Funktion der Zeit nach dem Laden verschiedener Dünnfilmelektrete, die erfindungsgemäß hergestellt sind.

Einer der wesentlichsten Anwendungsfälle für Dünnfilmelektrete liegt auf dem Gebiet elektroakustischer Wandler. Da der Elektres eine permanente statische Ladung enthält, ist er in idealer Weise zur

Verwendung als Schwingungselement eines elektrostatischen Wandlers geeignet, wobei im Betrieb keine zusätzliche Vorspannung erforderlich ist Ein typischer elektroakustischer Wandler mit einem Dünnfilmelektret ist in F i g. 1 gezeigt. Er besteht aus einem

ίο elektrisch geladenen Kunststoffüm 10, der über eine Metallgrundplatte 11 gespannt usid an einem Gehäuse 15 genaltert ist. In typischer Ausführung bestehi der FiUn 10 aus einem polymeren Material, z. B. Polyethylenterephthalat, Polyfluoräthylen-Propylen

is oder Polykarbonat in einer Dicke von etwa 0,0025 cm. Eine noch dünnere Metallschicht 12 wird auf die der Grundplatte abgewandten Seite des Films, d. h. die Außenseite des Films 10 aufgedampft. Die aus Film und leitender Schicht bestehende Kombination wird

ao als metallisierte »Folie« bezeichnet. Die Grundplattenoberfläche ist generell so angeordnet, daß die Folie nur an bestimmten Punkten oder entlang bestimmten Linien mit der Oberfläche in Kontakt steht. In den Bereichen, wo kein Kontakt besteht, erlauben

»5 flache Taschen ein Schwingen der Folie, wenn sie von Schallwellen getroffen wird. Außerdem ist die Grundplatte 11 perforiert und über einem luftgefüllten Hohlraum 14 abgestützt. Diese Anordnung verringert die Steifigkeit des Luftkissens hinter der Membran und ermöglicht ein Schwingen des Films mit größerer Amplitude, so daß die Empfindlichkeit des Wandlers vergrößert wird.

Wegen der auf der Folie 10 bis 12 vorhandenen permanenten Ladung wird zwischen der Folie und der Grundplatte 11 ein elektrisches Feld errichtet. Die Folie und die Grundplatte sind über in der Zeichnung nicht dargestellte Einrichtungen mit einer Hochimpedanz-Eingangsschaltung verbunden. Eine Bewegung der Folie, beispielsweise auf Grund einer auftreffenden Schallwelle, ruft in der Eingangsschaltung eine geringe Spannung hervor. Diese Spannung ist proportional zum Schalldruck.

Die oben erörterte Reproduzierbarkeit der Empfindlichkeit der elektrostatischen Wandler hängt ebenso wie die hohe Empfindlichkeit, der gute Frequenzgang und die geringe Verzerrung in hohem Maße von der Gleichförmigkeit der Ladungsverteilung über den Körper der Elektretenmembran, von der Dichte der Elektretenladung und von der Fähigkeit des Elektreten ab, trotz äußerer Einflüsse die Ladung beizubehalten. Daher ist eine hohe Lebensdauer von der geringen Abfallgeschwindigkeit der Elektretenladung abhängig.

Elektretenfilme mit den erforderlichen Eigenschaften für die Verwendung als Schwingungselement eines elektrostatischen Wandlers sowie für andere Elektretenanwendungen werden erfindungsgemäß dadurch hergestellt, daß ein an eine Polymerfolie angelegtes elektrisches Feld so gesteuert wird, daß der

Spannungsabfall an der Folie deren Durchbruchspannung übersteigt. Fig. 2 zeigt schematisch eine typische Ladungskonfiguration.

Wie in F i g. 2 gezeigt ist, fassen zwei Metallelektroden 21 und 22, die in typischer Ausführungsform jeweils einen Durchmesser von etwa 6 cm haben, eine Polymerfolie 10 bis 12 und einen dielektrischen Hilfseinsatz 23 ein. In typischer Ausführungsform ist 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, so daß etwa verbleibende irreguläre Luftspalte zwischen den Elementen nur als Ergebnis von Oberflächenunebenheiten entstehen können. Zur Verbesserung der Anschaulichkeit ist die Größe der Luftspalte zwischen den Elementen in F i g. 2 beträchtlich übertrieben dargestellt.

Eine Spannung von etwa 30 kV 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~^β (A/cm²), 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 10¹² Ohm einer Fläche von 10 bis 100 cm² — um eine zerstörende Wirkung des Durchbruchs zu verhindern, andererseits jedoch niedrig genug, um eine genügend hohe Spannung am Polymeren aufzubauen. Außerdem hält der Glaseinsatz die Elektroden auf gleichmäßigem Abstand und 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 einem dielektrischen Einsatz 23, der aus Schichten aus Kronglas besteht, in der Größenordnung von 250 kV/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 Filme auf einer Seite metallisiert und erfindungsgemäß geladen waren, sind nachfolgend tabellarisch aufgeführt. Durch eine nicht destruktive Methode gemessene Dichten sind für beide Ladungspolaritälcn gezeigt.

Diese Werte, welche etwa 60 Sekunden nach der Beendigung des Ladevorgangs gemessen wurden, sind als Abweichungen von einem Sollwert von 10~⁶ C/cm² angegeben. In der letzten Spalte der Tabelle sind außerdem Einfangsstellendichten für diese Materialien gezeigt, die aus den Ladungsdichten berechnet wurden.

Material

Polyäthylen-¹⁵ terephthalat

ao Polyfluoräthylenpropylen

Polykarbonat

3,8
12,7
25,4

12,7
25,4

2
12,7

Effektive
Oberflächenladungsdichte

(10-« C/c.m«)

+ 1,0
-1,2

+ 1,0
-1,4

+ 0,6 -0,9

+ 0,4 -0,5

+ 0,5
-0,5

+ 1,0
-1,0

+ 0,6
-0,3

Einfangsstellen
dichte
(ΙΟ·"

cm-¹)

3,3 4,0

1,0
1,4

0,3 0,4

0,4
0,5

0,2
0,2

6,0
6,0

0,6

0,8

Die den größten Ladungsdichten entsprechenden internen Felder sind nach der Tabelle beispielsweise 4 · 10~⁶ V/cm für Polyethylenterephthalat 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 Polyäthylenterephthalat (Kurve 31) noch etwa zwei- bis dreimal größer als auf Folien, die durch Koronaentladung oder durch Elektronenbeschuß aufgeladen wurden. Positiv geladene Polyfluoräthylen-Propylen-Elektrete (Kurve 33) erfuhren, wie festgestellt wurde, eine schnellere Entladung als die negativ geladenen Elektrete (Kurve 32).

Im Gegensatz zu thermischen Ekktreten sind Niedertemperaturströme auf Grund einer Depolarisation von Heteroladungen sehr klein. Das Fehlen einer großen Heteroladung wird der Tatsache zugeschrieben, daß das Aufladen bei Zimmertemperatut stattfindet. Außerdem zeigt der Hochtemperaturstrom auf Grund der Homoladungs-Depolarisation von mil diesem Verfahren aufgeladenem Polyäthylenterephthalat zwei Maxima. Dies weist auf das Vorhandensein von zwei Einfanimiveaus hin. welche auf der Glasiibergang und die Relaxation von Glycolketten

6_S in der Folie bezogen bzw. zurückgeführt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zcichnuricen

Claims

1 2 Hilfseinsatz einen Widerstand zwischen 10» und Patentansprüche: 10« Ohm bei einer Fläche von 10 bis 100 cm* aufweist.

1. Verfahren zum Herstellen eines Folien- 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, da- «lektrets hoher Ladungsdichte, bei dem eine ein- 5 durch gekennzeichnet, daß der dielektrische Hilfsleitig mit einer dünnen Metallschicht versehene einsatz einen ausreichend hohen Widerstand hat, FoUe aus polymerem Material und eine dielek- um einen Durchbruch der FoUe zu induzieren, Irische Hilfsplatte zwischen zwei leitende Elek- jedoch andererseits genügend niedrig ist, um die troden geschichtet und durch Zusammeadrücken Entwicklung einer vergleichsweisen hohen Spanner Elektroden in engem Kontakt gehalten wer- io nung über die Folie zu ermöglichen.

den, dadurch gekennzeichnet, daß die
dielektrische Hilfsplatte im Hinblick auf einen

genügend hohen Widerstand ausgewählt wird, um

einen zerstörungsfreien Durchbmch der FoJie 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, !en eines Folieneiektrets 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-

liegenden Ladungsgebieten der Folie aufrecht- troden geschichtet und durch Zusammendrücken der

erhalten wird. Elektroden in mgem Kontakt gehalten werden.

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, Fluormei temperatur hergestellt wird. as kohlenstoften oder Polykarbonatharzen u.dgl., wer-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch den in großem Umfang für viele Anwendungen bcgekennzeichnet, daß die Dicken der polymeren nutzt. Sie finden beispielsweise in elektroakustischer! Folie und des dielektrischen Hilfscinsatzes so auf- Wandlern bei der Herstellung von Kondensatoren, einander abgestimmt werden, daß während der Rauchgasreinigern und dielektrischen Speicherelemenangelegtcn 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 1 ()-·<· Ampere/cm² entwickelt wird. fön oder Lautsprecher, wird ein Dünnfilm aus einem

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 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. Vorrichtung zum elektrostatischer» Aufladen Polarisation oder Ladung verschen.

von polymerem Material zur Bildung eines Elek- Ein derart geladener Film ist als Elektret-Film betreten entsprechend dem Verfahren nach An- kannt. Filmelektretwandler beispielsweise der in der spruch 1 mit einem Paar leitender Elektroden, US-PS 3 118 022 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 Stromve;sorgung 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 yuf, Elektroden in gegenseitigem enger. 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 elekreichend 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 zerstörungsfreien Durchbruch in lokalisier- sowie Bestrahlung mit FJektronenstrahlen 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 2U 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. 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 0,1cm 65 Spannung an einen Film, der zwischen einem Elek-Dicke umfaßt. trodenpaar gehaltert ist. Hierbei wird ein dielektri-

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-