DE2232264A1 - Elektret - Google Patents
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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
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DE LA RECHERCHE (ANVAR)
Tour Aurore - Paris-Defense
F-92 Courbevoie
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}ie 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
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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 (1)
- - ii -PATENTANSPRÜCHEl,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,' BADORIQINAL209887/08358, 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/Π83522322B413. 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 209887/083515, 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
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