DE6916586U

DE6916586U - Elektret und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE6916586U
Application number: DE6916586U
Authority: DE
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1968-04-27
Filing date: 1969-04-24
Publication date: 1970-02-12
Also published as: NL6906413A; DE1920940A1; US3632443A; FR2007144A1; GB1258638A

Description

Dr.-rng.'Dr.°jur. Volkmar Tetzner

Rechtsanwalt und Patentanwalt
θ München 71, Vsn-GcQh-Str. 3

^FM!tow"^T9S"ⁱ" It 1267

Sony Corporation, Tokyo/Japan

^Elektret

Die Neuerung bezieht sich auf einen Elektret, insbesondere einen Polypropylenelektret für elektromechanische Wand-

Es ist bekannt, daß permanent polarisierte dielektrisches Material, das im allgemeinen als Elektret bezeichnet wird, als Vorspannungsquelle für Kondensatormikrofone, Lautsprecher, Potentiometer und dergleichen benutzt werden kann. Bisher erfolgt die Herstellung eines solchen Elektrets folgendermaßen. Ein dielektrisches Material mit polarem Molekül, beispielsweise Carnaubaharz oder eine ähnliche natürliche organische Zusammensetzung oder Polymethylmetacrylat, Polyäthylenterephthalat, Nylon oder eine ähnliche synthetische organische Zusammensetzung mit einem Dipolradikal im Molekül wird auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes oder der sekundären Übergangstemperatur erhitzt, so daß die Rotation des Dipolradikals und die Ionenwanderung erleichtert werden. Eine hohe Gleichspannung, die eine elektrische Feldstärke von 5 KV/cm bis 50 KV/cm ergibt, wird über Metallelektroden an beide Oberflächen des dielektrischen Materiales gelegt, so daß eine Dipolradikalorientierung und eine Ionenpolarisation bewirkt werden. Das dielektrische Material wird dann auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei es der Spannung weiterhin ausgesetzt bleibt. Nach Abkühlung auf Zimmertemperatur wird das elektrische Feld entfernt; die Dipolradikalorientierung und cIe Ionenpolarisation sind dann fixiert, womit eine permanente

elektrische Ladung des dielektrischen Materiales erreicht ist. Das Carnaubaharz besitzt jedoch einen niedrigen spezifischen Widerstand pro Volumeneinheit; hochmolekulare Kunststoffe, wie Polymethylmetacrylat, Polyäthylenterephthalat, Nylon und dergleichen, die aus polaren Molekülen zusammengesetzt sind, sind sehr hygroskopisch; wenn sie daher offen gehalten werden, so tritt eine erhebliche Verringerung der elektrischen Ladung ein; für industrielle Anwendungen sind diese Materialien daher wenig geeignet.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für Wandler geeigneten Elektret zu schaffen, dessen Oberflächenladung während einer langen Zeitdauer stabil bleibt und insbesondere auch durch äußere Feuchtigkeitseinflüsse nicht beeinträchtigt wird.

Der neuerungsgemäße Elektret ist durch einen hochmolekularen Polypropylenfilm mit einem hohen spezifischen Widerstand pro Volumeneinheit und mit einer permanenten elektrostatischen Polarisation gekennzeichnet.

Bei einem aus diesem Material hergestellten neuerungsgemäßen Elektret ergibt sich daher aus der inneren elektrischen Feldstärke nur ein ganz kleiner Abfall der Oberflächenladung. Da ferner Polypropylen praktisch keine hygroskopischen Eigenschaften besitzt, kann der Abfall der Oberflächenladung ganz klein gehalten werden. Der neuerungsgemäße Elektret zeichnet sich daher durch eine besonders lange Lebensdauer aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Flg. 1 ein Schema zur Veranschaulichung der Herstellung eines neuerungsgemäßen Elektrets;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Oberflächenladungsdichte in Abhängigkeit von der Zeit für einen bekannten und den neuerungsgemäßen Elektret wiedergibt;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Oberflächenladungsdichte in Abhängigkeit von der Spannung zeigt;

Fig. ¹J ein Diagramm, das die Oberflächenladungsdichte des Elektrets in Abhängigkeit von der Temperatur wiedergibt.

In Fig. 1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines neuerungsgemäßen Elektrets veranschaulicht. Hierbei wird ein verhältnismäßig dünner, hochmolekularer, dielektrischer Polypropylenfilm zwischen zwei Metallelektroden sandwichartig angeordnet . Diese Struktur wird in einer Atmosphäre bei einer Temperatur von 65 bis 120⁰C gehalten, wobei eine Spannung von 50 bis 600 Volt an die Metallelektroden gelegt wird, so daß ein Elektret für Wandleranordnungen entsteht.

Im folgenden sei zunächst ein Ausführungsbeispiel der Neuerung in seiner Anwendung als Membran eines Kondensatormikrofones erläutert.

Der erste Verfahrensschritt besteht darin, einen Polypropylenfilm 2 herzustellen, der im Handel unter dem Warenzeichen "TORAYFAN" bekannt ist; dieser Film besitzt eine binäre Orientierung und eine Stärke von 15 Mikron. Der nächste Schritt besteht darin, auf eine Oberfläche des Filmes 2 im Vakuumdampfverfahren eine Aluminiumelektrode 3 als überzug aufzubringen. Das resultierende Gebilde wird polarisiert. In diesem Falle ist die Haftung der Elektrode am Polypropylen-

film 2 schlecht; das Elektrodenmaterial soll daher eine ausgezeichnete Haftung besitzen und durch in der Luft enthaltenes Gas nicht angegriffen werden. Versuche zeigten, daß Aluminium, Palladium, Silber und eine Gold-Silber-Legierung ausgezeichnete Hafteigenschaften besitzen, daß jedoch Silber und die Gold-Silber-Legierung durch in der Luft enthaltene Gase, beispielsweise Hydrogensulfid und dergleichen angegriffen werden. Aus diesen Gründen sind in der Praxis Aluminium und Palladium am besten geeignet.

Nach der Polarisation des mit dem überzug der Aluminiumelektrode 3 versehenen Polypropylenfilmes 2 wird der Film 2 sandwichartig zwischen den Metallelektrodenplatten ¹Ia und 4b angeordnet und das ganze Gebilde in einen Thermostat 5 eingetaucht .

Der Thermostat 5 wird bei einer Temperatur von 90⁰C gehalten; an die Elektrodenplatten 4a und 4b wird eine Gleichspannung angelegt. Unter diesen Verhältnissen wird der Film zwei Stunden lang gehalten. Dann wird er in 30 Minuten auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei er dem elektrischen Feld weiterhin ausgesetzt ist.

Wie Kurve 6 in Fig. 2B zeigt, unterliegt die Oberflächenladungsdichte des so erzeugten Elektrets in Luft geringeren Änderungen, sondern bleibt eine längere Zeitperiode annähernd konstant, verglichen mit einem aus Polyäthylenterephthalat hergestellten üblichen Elektret (der durch Kurve 1 in Fig. 2A veranschaulicht ist).

Im allgemeinen besteht die Ladung des Elektrets aus Heteroladung und Homoladung; die Oberflächenladung ergibt sich dabei aus der Differenz zwischen der Heteroladung und der Homoladung. Das neuerungsgemäß benutzte Polypropylen besitzt ein nichtpolares hohes Molekül; seine sekundäre Übergangstemperatur beträgt -35°C; die Bewegung der Moleku-

larkette ist bei Zimmertemperatur nicht gefroren. Demgemäß wird bei der Herstellung des Elektrets die Heteroladung nicht durch die Orientierung des Dipolradikals erzeugt; vielmehr wird die Homoladung durch Ionen erzeugt, die durch die an die Elektroden ¹Ia, ²Jb gelegte Spannung erzeugt werden oder durch Entladung zwischen der Oberfläche des Filmes 2 und der Elektrode Mb, die aus der Entladung der auf der Filmoberfläche gespeicherten Ladung resultiert, wenn die Elektrode 4b von der Pilmoberflache abgezogen wird. Die Hygroskopizität von Plypropylen ist jedoch geringer als 0.005%, sein spezifischer Volumenwiderstand liegt bei 6 χ 10 /L cm. Eine Verringerung der Oberflächenladung kann daher schwerlich auftreten. Auf diese Weise werden Änderungen der Oberflächenladungsdichte im Laufe der Zeit - wie erläutert - praktisch unterdrückt.

Bei dem üblichen Elektret aus Polyäthylenterephthalat ergeben sich an feuchten Tagen erhebliche Verringerungen der Oberflächenladungsdichte (vgl. Fig. 2A). Dies beruht im wesentlichen darauf, daß die Hygroskopizität von Polyäthylenterephthalat bei 0,8? und sein spezifischer Volumenwiderstand bei 2 χ 10 _Π. cm liegt; diese Werte liegen somit beide wesentlich ungünstiger als bei Polypropylen.

In Fig. 3 veranschaulicht Kurve 7 die Beziehung zwischen der an die Elektrodenplatten 4a und 4b gelegten Spannung und der Oberflächenladungsdichte des erläuterten Elektrets. Die Kurve 7 ist im wesentlichen höckerförmig, wobei die Oberfläcl-enladungsdichte ihr Maximum bei etwa 400 V Spannung besitzt, Ist die angelegte Spannung kleiner als etwa 50 V oder größer als etwa 600 V, so ergibt sich eine Oberflächenladungsdichte des Elektrets, die für industrielle Anwendungszwecke zu gering ist.

691658 3

Die Kurve 8 in Fig. M veranschaulicht die Beziehung zwischen der Oberflächenladungsdichte des Elektrets und der Temperatur des Thermostats 5; hierbei wurde die Spannung an den Elektroden Ma, Mb auf 200 V gehalten. Auch die Kurve 8 ist im wesentlichen höckerförmig, wobei die Oberflächenladungsdichte ihren Maximalwert bei einer Temperatur von etwa 85⁰C aufweist. Bei Temperaturen unter 65⁰C und über 12O⁰C ergeben sich zu geringe Oberflächenladungsdichten des Elektrets j Temperaturen über 120⁰C sind ferner auch mit Rücksicht auf die Wärmebeständigkeit von Polypropylen nicht empfehlenswert.

Findet der neuerungsgemäße Elektret bei einem Wandler, beispielsweise einem Kondensatormikrofon, Verwendung, wo muß die Stärke des Polypropylenfilmes unter Berücksichtigung der ^₁ folgenden Gesichtspunkte ausgewählt werden.

Damit der Film als Wandler auf das Eingangssignal leicht anspricht, soll der Polypropylenfilm so dünn wie möglich sein. Eine zu geringe Filmstärke vermindert jedoch die mechanische Festigkeit des Filmes, und es besteht die Gefahr, daß die beiden Oberflächen des Filmes durch ein bei der Herstellung verursachtes Nadelloch elektrisch kurzgeschlossen werden.

Aus praktischen Gründen erweist sich somit eine Filmstärke zwischen 2 und 50 Mikron am geeignetsten.

Bei der vorstehenden Beschreibung wurden gegenüber dem Polypropylenfilm 2 gesonderte Metallelektroden ha und 4b vorgesehen. Man kann jedoch selbstverständlich statt dessen auch auf beiden Oberflächen des Polypropylenfilmes 2, beispielsweise durch Aufdampfen einer Metallschicht, Elektroden vorsehen.

ib586

Claims

Schutzansprüche

1.) Elektret, gekennzeichnet durch einen hochmolekularen Polypropylenfilm mit einem hohen spezifischen Widerstand pro Volumeneinheit und einer permanenten elektrostatischen Polarisation.

2.) Elektret nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eine Oberfläche des dünnen Polypropylenfilmes eine Schicht aus Aluminium oder Palladium aufgedampft ist.,

3.) Elektret nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Polypropylenfilmes zwischen 2 und 50 Mikron liegt./

η . π "d- ο ~> \\ na.

ί'ί* ■»■*'·«! D.+i·» UrilBil·^ iS^-.hieft-'JiVj und ?.■ !-,ijii.iftspf.) <'J ¹^* -'-''^**¹ ♦•"•^•t.tMjS. Si? v.r<w.· ι.* *»

Anlre«

69i6586