DE2232264A1

DE2232264A1 - Elektret

Info

Publication number: DE2232264A1
Application number: DE2232264A
Authority: DE
Inventors: Danielle Nee Bulwa; Jacques Lewiner
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1971-07-02
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1973-01-11
Also published as: US3851183A; GB1395256A; FR2144933A5

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. "Weickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

SCMR <983921/22>

AGEMCE NATIONALE DE VALORISATION
DE LA RECHERCHE (ANVAR)
Tour Aurore - Paris-Defense
F-92 Courbevoie

Elektret

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektreten, d. h» einen elektrisch geladenen dielektrischen Körper, insbesondere in Form einer Folie, Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur HersiaLlung eines solchen Elektreten sowie auf dessen Verwendung,

Bei bekannten Elektreten ist die Dichte der aufrechterhaltenen Ladung meist durch die Ionisierung des das Dielektrikum umgebenden Gases begrenzt. Obwohl es nämlich möglich ist, auf die Oberfläche eines Dielektrikums Ladungen mit großer Dichte aufzubringen, insbesondere durch Elektronenbeschuß oder dadurch, daß das Dielektrikum einem stark ionisierten Gas ausgesetzt wird, so verringert sich diese Dichte jedoch sehr schnell dadurch, daß ein Teil der Ladungen in das ionisierbare Gas, beispielsweise Luft, abwandert, das nach dem Ladevorgang in ständiger Berührung mit der Oberfläche steht,

BAD ORIGINAL 209882/0835

?232264

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Elektreten hohe Ladungsdichten zu erzielen und aufrechtzuerhalten ,

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Elektreten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Oberfläche elektrisch geladen ist und ständig von einem Fluid von hoher Spannungsfestigkeit bedeckt ist, mit dem sie in enger Berührung steht.

Die Bedeckung der Oberfläche durch das Fluid unmittelbar nach dem Ladungsvorgang verhindert ein Abwandern der Ladungen,

Gemäß Weiterbildungen der Erfindung kann das Fluid ein verdünntes Gas (insbesondere Luft unter einem geringeren Druck als 1 millibar), eine Tiefsttemperatur-Flüssigkeit wie flüssiger Stickstoff oder ein spannungsfestes Gas wie Tetrachlorkohlenstoff, Schwefelhexafluorid oder mindestens einer von bestimmten Fluorkohlenwasserstoffen sein. Diese Fluorkohlenwasserstoffe sind CF„C1₂, CF₃Cl, CF₁₁, CHClF₂ und CHF₃,

Das spannungsfeste Fluid wird mit der geladenen Oberfläche des vorzugsweise folienförmigen Körpers des Elektreten beispielsweise dadurch in Berührung gehalten, daß es zwischen der von dem Körper gebildeten ersten Folie und einer zweiten dielektrischen Folie eingeschlossen wird, die an ihrem Außenumfang mit dem Außenumfang der geladenen Oberfläche verschweißt ist. Die beiden dielektrischen Folien haben hierbei vorzugsweise beide jeweils Dicken zwischen 5 und loo .,u, Weiter bestehen hierbei der Körper des Elektreten und die zweite dielektrische

209882/0835 °

Folie vorzugsweise jeweils aus einem Material von hoher Spannungsfestxgkext, das darin eingeschlossene Ladungen aufrechterhält,

Das Verfahren zur Herstellung eines Elektreten gemäß der Erfindung wird derart durchgeführt, daß der die Form einer ersten Folie aufweisende Körper des Elektreten zwischen zwei Elektroden gebracht wird, wobei zwischen mindestens einer Oberfläche dieser ersten Folie und der ihr zugekehrten Oberfläche der Elektrode eine sehr dünne Schicht eines ionisierbaren Gases, beispielsweise die aufgrund natürlicher Oberflächenraiügkeiten zwischen diesen Oberflächen verbleibende Luftschicht, belassen wird, daß an die Elektroden eine elektrische Gleichspannung V angelegt wird, deren Wert geringer als die Durchschlagspannung der ersten Folie, aber ausreichend zum Ionisieren der Gasschicht ist, daß die an die Gasschicht angrenzende Elektrode unter Aufrechterhaltung der Gleichspannung V von der ersten Folie entfernt wird, daß das zwischen der ersten Folie und der von ihr entfernten Elektrode eingeschlossene Gasvolumen durch ein Fluid von hoher Spannungsfestigkeit ersetzt wird, daß eine zweite dielektrische Folie auf die der entfernten Elektrode zugewandte Oberfläche der ersten Folie unter Erhaltung einer Zwischenschicht des Fluids aufgebracht wird, daß die beiden Folien an ihren Rändern dicht verschweißt werden und daß die Gleichspannung V abgeschaltet wird.

Der durch die Verschweißung der beiden dielektrischen Folien erhaltene Schichtkörper kann dann von der anderen Elektrode abgenommen"und zu seiner- Verwendung zwischen zwei leitende Teile gebracht werden.

20988?/.0835:

2232284

In Fall, daß nur eine Oberfläche 'eines Dielektrikums geladen werden soll, wird nur auf einer Seite der ersten Folie eine Schicht ionisierbaren Gases belassen, während auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der ersten Folie alles ionisierbare Gas entfernt wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß auf die gegenüberliegende Seite der ersten Folie eine Schicht von dielektrischen Öl aufgebracht wird, oder daß diese gegenüberliegende Seite der ersten Folie metallisiert wird.

Der' Elektret gemäß der Erfindung ist vorzugsweise verwendbar als Teil eines Ultraschall-Wandlers.

Die Erfindung \Ί±τά im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 in schematischer Darstellung verschiedene Schritte bei der Herstellung eines hoch geladenen Elektreten gemäß der Erfindung;

Fig. 5 und 6 in schematischer Darstellung je einen Elektreten gemäß der Erfindung,

Obwohl alle Figuren Schnittzeichnungen sind, sind Schnitt· Schraffierungen zur besseren Klarheit größtenteils weggelassen.

Zunächst sei anhand der Figuren 1 bis 5 im folgenden die Herstellung eines Elektreten beschrieben, der eine auf nur eine ihrer Seiten geladene dielektrische Folie umfaßt. Eine derartige Ladung genügt für viele Anwendungs-

20-98« 7/083 5 B« «**·»■

fälle, insbesondere für den Aufbau von Ultraschall-Wandlern,

Zwischen zwei leitende Elektroden 1, 2 wird eine dünne dielektrische Folie 3 gebracht, deren Dicke vorzugsweise zwischen 5 und löo '.u liegt. Die Folie 3 ist gasundurchlässig und besteht aus einem Material von hoher Spannungsfestigkeit, beispielsweise mit einer Durchschlagfeldstärke in der Größenordnung von 2 ' Io V/cm.

Weiter weist die Elektronen-Bandenstruktur des Materials "tiefe" Fangstellen für elektrische Ladungen auf, die hierin an der Oberfläche in dem Sinn "eingefangen" werden, daß die Ladungen hier von der umgebenden Atmosphäre durch relativ hohe Potentialschranken getrennt sind.

Vorzugsweise besteht die Folie 3, deren Dicke etwa Io »u beträgt, aus Polypropylen oder einem Polyimid, beispielsweise aus dem von der Firma Du Pont de Nemours unter dem Handelsnamen Kapton vertriebenen Polyimid.

Im Raum zwischen einer Oberfläche H der Folie 3 und der ihr zugewandten Elektrode 1 wird sorgfältig alles ionisierbare Gas entfernt. Hierzu kann eine dielektrische f''!schicht 5 eingebracht werden; ein geeignetes f)l wird von der Firma Rhone-Poulenc unter dem HändeIsnarnen Rhodorsil vertrieben. Auch kann die Anwesenheit eines ionisierbaren Gases dadurch vermieden werden, daß die genannte Oberfläche 4 metallisiert wird, in weichern FnIl ^f}i^e erhaltene Metallbeschichtung als Teil der Elektrode 1 angesehen werden kann.

Andererseits wird zwischen der anderen, gegenüberliegenden Oberfläche 7 der Folie 3 und der anderen Elektrode

209882/0 835

eine dünne Schicht 6 von Luft belassen. Bei der Schicht G handelt es sich vorzugsweise un diejenige, die sich bereits aufgrund der natürlichen OberflächenrauÜgkeiten' zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Folie 3 und der Elektrode 2 ergabt; die Höhe dieser Rauiigkeiten liegt in der Größenordnung von 3 bis 4 ,u.

An die Elektroden 1, 2 wird nun mittels einer äußeren Rpannungsquelle 8 eine Gleichspannung V angelegt, deren Wert geringer als die Durchbruchspannung der Folie 3, aber genügend gro/C ist, um die Luftschicht 6 stark zu ionisieren. Besteht die Folie 3 aus Polypropylen, hat die Folie 3 eine Dicke von Io ,u und hat die Luftschicht 6 eine Dicke von 3 bis 4 ,u, so liegt die Gleichspannung V Vorzugspreise in der Nähe von 15oo V oder allgemein zwischen 12oo V und 2ooo V.

Die Oberfläche 7 der Folie 3, die auf der Seite der ionisierten Luftschicht 6 liegt, wird nun stark geladen, was in den Figuren durch Pluszeichen angedeutet ist.

Nachdem man die Gleichspannung V während einiger Minuten hat einwirken lassen, entfernt man die Elektrode 2 von der Folie 3, v?obei die angelegte Gleichspannung V aufrechterhalten bleibt, Fierbei verhalten sich die Elektroden 1,2 wie ein Plattenkondensator,

Nachdem die Vorrichtung samt der Folie 3 in einen dichten Raum 9 gebracht wurde, wird dessen Gasinhalt curch ein Fluid Io von hoher Spemnungsfestigkeit gefüllt, was in Fig. 3 und 4 durch eine Punktierung angedeutet ist. Das Fluid kann mit Vorteil eines der folgenden Gase sein:

209887/0835 BAD ORIGINAL

C " 2 2 3 2 2 6 A

Tetrachlorkohlenstoff CCl₄, Schwefelhexafluorid SF₆ oder einer der folgenden Fluorkohlenwasserstoffe: CF₂Cl₂, CF₃Cl₉ CF₁₁, CHClF₂ und CHF₃.

Das Fluid kann auch von Luft unter geringem Druck gebildet sein, wobei dieser Druck niedriger als 1 millibar und vorzugsweise niedriger als 0,1 millibar liegen soll.

Das Fluid Io kann auch eine Tiefsttemperatur-Flüssigkeit wie flüssiger Stickstoff sein.

Auf die geladene Oberfläche 7 der dielektrischen Folie 3 wird nun eine zweite dielektrische Folie 11 aufgelegt, die dünn und nicht porös ist und die gegenüber elektrischen Ladungen eine Schwellenwirkung zeigt, die mindestens so groß wie diejenige der ersten Folie 3 ist.

Während weiterhin die Gleichspannung V zwischen den Elektroden 1, 2 aufrechterhalten wird, werden die beiden dielektrischen Folien 3, 11 an ihrem Außenumfang miteinander dicht verbunden, beispielsweise durch einen KunststoffschweißVorgang verschweißt, wodurch die auf der Oberfläche 7 der Folie 3 gebundenen Ladungen zwischen ihnen eingeschlossen werden. Die Verbindung zwischen den Folien 3,11 kann beispielsweise durch eine Verschweißung entlang eines Kreisumfangs 12 erfolgen, dessen Durchmesser größer als derjenige der Elektroden 1, 2 ist.

Hierzu können zwei ringförmige Elektroden dienen, die in Fig, U durch Pfeile 13 angedeutet sind und

0 988 2/08-33C BAD OBlGlNAU

die von den Elektroden 1, Ί durch elektrisch isolierende Ringe IM- isoliert sind.

Der gebildete Schichtkörper schließt die in ihm festgehaltenen Ladungen ein. Da nämlich die Hauptursache der Abnahme der Ladungsdichte, die Nachbarschaft mit einem ionisierbaren Gas, nicht mehr besteht, bleibt die hohe Ladungsdichte während einer beträchtlichen Zeit aufrechterhalten.

Der erhaltene Schichtkörper kann nach seiner Herstellung von den beiden Elektroden 1,2 entfernt werden, die zu seiner Aufladung gedient haben, und kann bis zu seiner Verwendung zwischen zwei anderen leitfähigen Teilen aufbewahrt werden. Bei dieser Aufbewahrung muß jeder Kontakt einer der Außenflächen des Shichtkörpers mit einem dielektrischen oder metallischen Medium vermieden werden, durch den auf der Außenseite des Schichtkörpers in der Nähe der Oberfläche ein elektrisches Feld auftreten kann, das die umgebende Luft ionisiert. Die Ionisierung dieser Luft würde nämlich auf der genannten Oberfläche das Auftreten von Ladungen bewirken, deren Wirkung derjenigen der im Inneren des Schichtkörpers eingeschlossenen Ladungen entgegengesetzt wäre.

Man kann auch ohne zwischenzeitliche Lagerung eine Anordnung unter Verwendung des Schichtkörpers aufbauen, indem beispielsweise die zweite .Elektrode 2 auf die Außenseite der zweiten Folie 11 zurückgeführt wird, wobei, w;Le in Fig. U gezeigt, eine Schicht 15 von dielektrischem öl vorgesehen wird, und indem danach die Spannungsquelle 8 durch eine gewünschte Schaltungsanordnung ersetzt wird.

2098 R 2/ 0835

223226A

In dem Fall, daß zwei Seiten der dielektrischen Folie geladen werden sollen, die den Körper des Elektreten bildet, was bei verschiedenen Anwendungsfällen wie beispielsweise im Gegentakt betriebenen elektrischen Sohaltungsanordnungen erwünscht ist, wird bei der Herstellung im wesentlichen in gleicher Weise wie zuvor beschrieben vorgegangen, wobei jedoch folgende Unterschiede zu beachten sind:

- statt das ionisierbare Gas aus einen der Zwischenräume zwischen der Folie 3 und den Elektroden 1,

2 zu entfernen, wird das Gas in beiden Zwischenräumen beibehalten;

- nach dem Anlegen der Gleichspannung V, dem Auseinanderrücken der Elektroden 1, 2 und dem Ersatz den ionisierbaren Gases.durch ein Fluid von hoher-Spannungsfestigkeit wird wie zuvor eine zweite dielektrische Folie zwischen der Oberfläche 7 deracten Folie 3 und der Elektrode 2 eingefügt, und außerdem wird eine dritte dielektrische Folie 16 (Fig. 6) zwischen der Oberfläche 4 de? Folie

3 und der Elektrode 1 eingefügt;

- schließlich wird die abschließende Verschweißung am Außenumfang derart durchgeführt, daß die drei dielektrischen Folien 3, 11, 16 gemeinsam miteinander verschweißt werden.

Der so erhaltene Schichtkörper aus drei Folien ist schematisch in Fig, 6 gezeigt, die mittlere Folie 3 weint auf ihren einander gegenüberliegenden Oberflächen Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens auf, wobei die Oberflächen jeweils von einem Fluid Io von hoher Spannungs· Festigkeit bedeckt sind.

RAD 2098R7/0835 .^BAD

- Io -

Die Elektrete per'afc eier Erfindung, nei es in der Form ?ls Schichtkörper nit zwei oder mit drei Folien, weisen wesentlich höhere Ladungsdichten als derzeit bekannte Elektrete auf - die Lad un.p;s dichten liegen derzeit bis 15 mal höher als bei bekannten Elektreten - und diese Ladungsdichten werden über lange Zeit aufrechterhalten.

Die Verwendung der "Plektrete gestattet es, bei vielen Vorrichtungen dauerhafte und starke elektrische Polarisationen zu erreichen. Eine Verwendung komrt insbesondere bei solchen Vorrichtungen in Betracht, die keiner Fremdleistungszufuhr bedürfen, wie bei Kikrofonen, Telefonhö-rern und -rmikrof onen, Schallaufnehrern, Ultraschall-Wandlern u,s,w.. Beispielsweise kann man mit dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel (Folie 3 aus Polypropylen mit einer Dicke von Io ,u und geladen unter einer Gleichspannung V von 2ooo V) eine dauernde Polarisationsspannung in der Größenordnung von loco V erzeugen.

Ein besonders günstiges Anwendungsgebiet der Elektrete gemäß der Erfindung ist das der Ultraschall-Wandler gemäß der französichen Patentanmeldung 7o 41766 vom 2o, 11, 197o, Hierin wird vorgeschlagen, bei einem Ultraschall-V/andler eine gemischte Polarisation · zu erzeugen, die einerseits von einem einen Teil

dieses Wandler bildenden Elektreten herrührt und die anderseits von einer äußeren Spannungsquelle erzeugt wird, die im entgegengesetzten Vorzeichensinn gegenüber derjenigen, die zur Ladung des Elektreten gedient hat, angeschlossen ist.

BAD ORIGINAL 2 O 9 8 R ? / Π 8 3 5

Claims

- ii -

PATENTANSPRÜCHE

l,jElektret, insbesondere in Form einer Folie, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (7) elektrisch geladen ist und ständig von einem Fluid (lo) von hoher Spannungsfestigkeit bedeckt ist, mit dem sie in enger Berührung steht,

2, Elektret nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (lo) eines der folgenden Gase ist: Tetrachlorkohlenstoff, Schwefelhexafluorid oder ein Fluorkohlenwasserstoff, nämlich CF-C12, CF₃Cl, CF₄, CHClF₂ oder CHF₃.

3, Elektret nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Tiefsttemperatur-Flüssigkeit, insbesondere flüssiger Stickstoff, ist,

5, Elektret nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fluid (lo) zwischen der geladenen Oberfläche (7) und einer diese überdeckenden, dielektrischen Folie (11) befindet,

6, Elektret nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie (11) mit dem Körper (3) des Elektreten verschmolzen ist,

7, Elektret nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Form, einer Folie aufweisende Körper (3) des Elektreten und die dielektrische Folie (11) jeweils eine Dicke zwischen 5 _und loo ,u aufweisen,

' BADORIQINAL

209887/0835

8, Elektret nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) des Elektreten und die dielektrische Folie (11) jeweils aus einem Material von hoher Spannungsfestigkeit bestehen, das darin eingeschlossene Ladungen aufrechterhält,

9, Elektret mit einem Körper 5.n Form einer Folie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) auf seinen beiden Seiten geladen ist und auf beiden Seiten ständig von einem Fluid (lo) von hoher Spannungsfestigkeit bedeckt ist, mit dem sie in enger Berührung stehen (Fig, 6).

10, Elektret nach einem der Ansprüche 5 bis 8 und nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Fluid (lo) auf beiden Seiten jeweils zwischen einer geladenen Oberfläche (4,7) und einer diese überdeckenden dielektrischen Folie (16,11) befindet.

11, Elektret nach Anspruch 6 oder nach Anspruch6 und Io, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Folie (16,11) auf einem vorzugsweise kreisförmigen Umfang (12) der geladenen Oberfläche (4,7) mit dem Körper (3) des Elektreten verschweißt ist (Fig. 4,6),

12, Elektret nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) des Elektreten aus Polypropylen besteht.

BAD ORIGINAL 209887/Π835

22322B4

13. Elektret nach Anspruch 5 oder Io und nach Anspruch 12j dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (16, 11) aus Polypropylen besteht«

14, Verfahren zur Herstellung eine's Elektreten nach eineir der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Form einer ersten Folie aufweisende Körper des Elektreten zwischen zwei Elektroden gebracht wird, wobei zwischen mindestens einer Oberfläche dieser ersten Folie und der ihr zugewandten Oberfläche der Elektrode eine sehr dünne Schicht eines ionisierbaren Gases, beispielsweise die aufgrund natürlicher OberflächenraiJifrkeiten diesen Oberflächen verbleibende Luftschicht, belassen wird, daß an die Elektroden eine elektrische Gleichspannung V angelegt wird, deren Wert geringer als die Durchschlagspannung der ersten Folie, aber ausreichend zum Ionisieren der Gasschicht ist, daß die an die Gasschicht angrenzende Elektrode unter Aufrechterhaltung der Gleichspannung V von der ersten Folie entfernt wird, daß das zwischen der ersten Folie und der von ihr entfernten Elektrode eingeschlossene Gasvolumen durch ein Fluid von hoher Spannungsfestigkeit ersetzt wird, daß eine zweite, dielektrische Folie auf die der entfernten Elektrode zugewandten Oberfläche der ersten Folie unter Erhaltung einer Zwischenschicht des Fluids aufgebracht wird, daß die beiden Folien an ihren Rändern dicht verschweißt werden und daß die Gleichspannung V abgeschaltet wird,

BAD 209887/0835

15, Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß nur auf einer Seite der ersten Folie eine Schicht ionisierbaren Gases belassen wird, daß auf der anderen, gegenüberliegenden Seite der ersten Folie alles ionisierbare Gas entfernt wird und daß die erste Folie nur auf der einen Seite geladen wird,

16, Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gegenüber Inenden Seite der ersten Folie eine Schicht von dielektrischem Öl aufgebracht wird,

17, Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegende Seite der ersten Folie metallisiert wird.

18, Verwendung eines Elektreten nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Teil eines Ultraschall-Wandlers.

BAD ORIGINAL 209882/0835