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Die Erfindung betrifft Elektrete, d.h. Dielektrika, welche
dadurch permanent elektrisch polarisiert sind, daß sie Träger
permanenter elektrischer Ladungen sind.
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Sie befaßt sich insbesondere mit solchen Elektreten, die in
Form dünner Folien oder Schichten vorliegen, welche
insbesondere für die Bildung elektromechanischer Wandler (Mikrofone,
Beschleunigungsmesser, Druckfühler usw.) oder
elektrostatischer Relais verwendet werden.
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Sie bezieht sich insbesondere auch auf die Einrichtungen zur
Herstellung von Elektreten der in Frage stehenden Art.
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Mit den bekannten Arten der Herstellung solcher Elektrete ist
es sehr schwierig, eine homogene Verteilung der getragenen
elektrischen Ladungen zu erreichen: Die Dichte dieser
Ladungen ist in der Nähe der Ränder des Elektrets viel geringer
als im Zentrum, ja sogar Null.
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Dieses Fehlen der Homogenität führt zu einer gewissen Zahl
von Nachteilen, insbesondere was die Empfindlichkeit und/oder
die Stabilität von mit Hilfe der betrachteten Elektrete
aufgebauten Wandlern oder Relais anbelangt.
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Um diesem Nachteil abzuhelfen, d.h. eine homogene bzw.
gleichmäßige Verteilung der implantierten elektrischen Ladung
auf der gesamten geladenen Fläche des Elektrets bis
einschließlich zu deren Rändern hin zu erreichen, ist es bereits
vorgeschlagen worden, in geringem Abstand von dieser Fläche
bei deren Aufladung eine Membran anzuordnen, welche Träger
elektrischer Ladungen gleichen Vorzeichens wie die bei der
Implantation verwendeten ist, wobei die Öffnung dieser
Membran dem zu ladenden Bereich entspricht.
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Dieses Verfahren erfordert eine relativ genaue Positionierung
zwischen der Membran und der zu ladenden Fläche in allen
Richtungen, und bei der Ausführungsform, die für dieses
Verfahren beschrieben wurde (Artikel von Heinz von Seggern,
erschienen in IEEE Transactions on Industry Applications,
Band 1A-20, Seiten 1623-1626, November 1984, New York), besaß
der einheitliche und von der Membran mit einem Abstand in der
Größenordnung von Millimetern entfernte, zu ladende Bereich
eine Oberfläche von viel mehr als 10 cm².
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Aufgabe der Erfindung ist es vor allem, die fraglichen
Ladeverfahren und -einrichtungen zu verbessern, indem sie
insbesondere für die Herstellung von Elektreten aus dünnen Folien
mit relativ kleinen Abmessungen einfach anwendbar gemacht
werden, wobei die größte dieser Abmessungen kleiner als 1 cm
und vorzugsweise sogar kleiner als 6 mm ist: Dies ist der
Fall bei zahlreichen Elektreten aus SiO&sub2;, die häufig in Form
kleiner rechteckiger Plättchen vorliegen, deren Abmessungen
in der Größenordnung von 2 bis 3 mm liegen.
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Hierzu umfassen die Einrichtungen zur Herstellung von
Elektreten der in Frage stehenden Art ferner eine Elektrode zum
Tragen des Dielektrikums, das dazu bestimmt ist, geladen zu
werden, damit es ein Elektret wird, Mittel, um elektrische
Ladungen zu erzeugen und diese zu dem Dielektrikum hin zu
treiben, sowie eine in der Nähe des Umfangs des Dielektrikums
vorgesehene Umrahmung, wobei die Umrahmung derart beschaffen
und angeordnet ist, daß sie zumindest beim Laden des
Dielektrikums elektrische Ladungen gleichen Vorzeichens wie die bei
der Implantation in das Dielektrikum verwendeten trägt, und
sie sind dadurch gekennzeichnet, daß die Umrahmung einen
einzigen Block mit der Elektrode bildet.
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Es besteht also keine Gefahr mehr einer fehlerhaften
Relativpositionierung
der Umrahmung gegenüber der Elektrode bei der
Aufladung des Dielektrikums, die gebildete Baueinheit ist
robust, und sie eignet sich ohne weiteres für die
gleichzeitige Herstellung mehrerer Elektrete geringer Größe, und zwar
mit einer beachtlichen Homogenität der Verteilung der
implantierten elektrischen Ladungen bis hin zu den Grenzen der
geladenen Flächen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen wird darüber hinaus auf die
eine oder/und die andere der folgenden Vorkehrungen
zurückgegriffen:
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- die Umrahmung ist ein Elektrizitätsleiter und mittels
einer festen, elektrisch isolierenden Schicht von der
Elektrode isoliert;
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- bei einer Einrichtung nach dem vorangehenden Absatz ist
die Umrahmung integraler Teil einer leitenden Platte,
welche ihrerseits unter Zwischenanordnung der
isolierenden Schicht die Elektrode trägt;
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- bei einer Einrichtung nach dem Absatz, der dem
vorangehenden vorhergeht, ist die Umrahmung von einer das
Elektret aufnehmenden Öffnung durchsetzt und unter
Zwischenanordnung der isolierenden Schicht auf der Elektrode
angeordnet;
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- die Umrahmung ist genauso wie das von der Umrahmung
umgebene Dielektrikum von einem Dielektrikum gebildet,
welches elektrische Ladungen permanent aufnehmen kann;
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- die Umrahmung ist ihrerseits Teil eines perforierten
Gitters oder einer perforierten Folie oder einer
perforierten Schicht, das bzw. die zur gleichzeitigen
Herstellung einer Mehrzahl von Elektreten bestimmt ist und
von dem bzw. von der sie eine der Maschen begrenzt.
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Die Erfindung beinhaltet neben den obigen Vorkehrungen
bestimmte weitere Vorkehrungen, die vorzugsweise gleichzeitig
zur Anwendung kommen und von denen nachfolgend eingehender
die Rede sein wird.
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Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung werden
nachfolgend zur Veranschaulichung und selbstverständlich nicht
beschränkend drei Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
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Die drei Figuren dieser Zeichnung zeigen schematisch drei
Einrichtungen, die jeweils zum Laden von Elektreten verwendet
werden und erfindungsgemäß aufgebaut sind.
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Bei jeder dieser Einrichtungen findet sich ein zu ladendes
Dielektrikum 1, das in Form einer dünnen, vorzugsweise aus
SiO&sub2; gebildeten Folie oder Schicht vorliegt, sowie eine an
Masse gelegte Plattenelektrode 2, auf der das Dielektrikum
angeordnet ist, wobei die Platte aus Silizium gebildet sein
kann.
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Die in das Dielektrikum 1 zu implantierenden Ionen 3 können
in der Umgebung des Dielektrikums in jeder gewünschten Weise
erzeugt werden, beispielsweise mit Hilfe einer
Elektronenkanone oder eines elektrischen Antriebsfelds.
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Bei jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen werden die
Ionen 3 durch Koronareffekt erzeugt. Die Ionen 3 werden zu
dem Dielektrikum hin über ein Gitter 4 beschleunigt, welches
mit Hilfe einer Spannungsquelle 5 auf einem Potential
gehalten wird, das sich nahe bei dem Oberflächenpotential
befindet, das für das Elektret zu erhalten gewünscht wird. Die
elektrischen Feldlinien, denen die Ionen 3 folgen, sind bei 6
erkennbar.
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Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten ersten
Ausführungsform erkennt man darüber hinaus eine leitende Umrahmung
7, welche unter Zwischenanordnung einer isolierenden Schicht
8 auf der Elektrode 2 in quasi-aneinandergrenzender Weise um
das Dielektrikum 1 herum angeordnet ist.
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Diese Umrahmung 7 ist elektrisch mit dem Gitter 4 verbunden,
so daß sie auf dem gleichen Potential gehalten wird.
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Das Vorhandensein der auf dem angegebenen Potential
gehaltenen Umrahmung 7 entlang der Ränder des Dielektrikums 1
verhindert jegliche Ablenkung oder Flucht der Ionen 3 in
Richtung über den Umfang der Elektrode 2 hinaus.
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Ganz im Gegenteil spielt die Umrahmung 7 die gleiche Rolle
wie das Gitter 4, was die Zurückdrängung der Ionen 3 in
Richtung des Dielektrikums 1 anbelangt.
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Alles in allem ist die Verteilung der in das endgültige
Elektret implantierten permanenten elektrischen Ladung über den
gesamten geladenen Bereich des Elektrets hinweg gleichmäßig,
und zwar auch in dessen Randbereichen.
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Die Umrahmung 7 kann fest an der Elektrode 2 befestigt sein,
wobei nach dem Aufladen des Elektrets die elektrische
Verbindung zwischen der Umrahmung und der Elektrode hergestellt
werden kann.
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Wenn wie oben vorgeschlagen das Elektret 1 aus SiO&sub2; und das
Elektrodensubstrat 1 aus Silizium gebildet sind, kann die
Umrahmung 7 diejenige sein, die gemeinhin verwendet wird, um
eine endgültige Verklebung zwischen dem Substrat 1 und einem
weiteren Blatt und einer weiteren Platte aus Silizium (nicht
dargestellt) sicherzustellen, das bzw. die das Ganze
überdeckt und zweckmäßigerweise mikro-materialbearbeitet ist,
wobei die Umrahmung 7 dann vorteilhafterweise aus Gold oder
einer Goldlegierung gebildet ist.
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Nach einer Abwandlung kann vorgesehen sein, daß die Umrahmung
7 nur in provisorischer Weise auf der Elektrode 1 angeordnet
ist und nach dem Aufladen entfernbar ist.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der für das
Oberflächenpotential des Elektrets erhaltene Endwert U&sub1;
prinzipiell gleich demjenigen Potential, auf dem das Gitter 4
während des Aufladens gehalten wurde.
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In der Praxis kann dieser Endwert etwas über dem Potential
des Gitters liegen, weil die beschleunigten Ionen eine
kinetische Energie haben können, die zum Überwinden des Gitters
ausreicht, selbst wenn das zwischen diesem und der Oberfläche
des Elektrets existierende elektrische Feld Null geworden
ist, und sie sich so auf dem Elektret absetzen, auch nachdem
sich diese Gleichheit eingestellt hat.
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In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, das Potential der
Umrahmung 7 während der Aufladung auf einem Endwert U&sub2; zu
halten, der etwas größer als U&sub1; ist.
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Als Beispiel können den Spannungen U&sub1; und U&sub2; die Werte 200
bzw. 220 V gegeben werden, wenn die Elektrode 1 auf einem
Null-Potential U&sub0; gehalten wird.
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Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten zweiten
Ausführungsform sind die Abmessungen der Elektrode 1, auf der das
zu ladende Dielektrikum angeordnet ist, identisch zu
denjenigen dieses Dielektrikums, und die Einheit ist unter
Zwischenanordnung einer leitenden Schicht 10 auf einem Leitersubstrat
9 angeordnet.
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Das Substrat 9 wird auf dem oben definierten Potential U&sub1;
gehalten und ist so dimensioniert, daß es über die Einheit
1,2 ringsum übersteht.
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Es sind also die Ränder dieses Substrats, die hier die Rolle
der obigen Umrahmung 7 spielen: Diese Ränder sind nicht
streng "um" das Dielektrikum 1 "herum" angeordnet, d.h. in
gleicher Höhe wie selbiges, jedoch ist die elektrische
Korrekturrolle, die sie gegenüber den peripheren Ionen 3
spielen, indem sie sie zum Dielektrikum 1 hin zurücktreiben, zum
Vorangehenden völlig analog.
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Auch hier können vorteilhafterweise Mittel, welche
schematisch durch die unterbrochene Strichlinie 11 dargestellt
sind, vorgesehen werden, um nach der Aufladung des Elektrets
1 das Substrat 9 elektrisch mit der Elektrode 2 zu verbinden.
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Bei der in Fig. 3 schematisch dargestellten dritten
Ausführungsform ist die bei 12 erkennbare Umrahmung von einem
dielektrischen Material gebildet, das zu dem das Dielektrikum
1 bildenden identisch oder analog ist, d.h. wie letzteres in
der Lage ist, die auf seine Oberfläche gerichteten
elektrischen Ladungen aufzufangen.
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Alles läuft also so ab, als wenn die Umrahmung 12 ihrerseits
die Peripherie eines vergrößerten und in klassischer Weise
geladenen Dielektrikums bilden würde. Der prinzipielle
Unterschied zwischen den beiden Verfahren liegt darin, daß im
vorliegenden Fall die "Peripherie" des vergrößerten
Dielektrikums, die weniger geladen ist als der Rest dieses
Dielektrikums, welcher Rest den mittleren Teil des vergrößerten
Dielektrikums bildet, der dazu bestimmt ist, das Elektret zu
werden, am Ende des Aufladens von diesem Rest getrennt werden
kann und hier von der von dem gebildeten Elektret 1
unabhängigen Umrahmung 12 selbst gebildet ist.
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Man kann feststellen, daß in diesem letzteren Fall genauso
wie in denen der Fig. 1 und 2 die Umrahmung 12 im Verlauf der
Aufladung des Dielektrikums 1 Träger elektrischer Ladungen
gleichen Vorzeichens wie die in das Dielektrikum zu
implantierenden ist, wobei diese Ladungen dazu geeignet sind, den
"Fluchtbewegungen" derjenigen Ladungen, die dazu bestimmt
sind, in den Randbereich des Dielektrikums implantiert zu
werden, zu der Elektrode 2 hin elektrisch entgegenzuwirken.
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Man kann ferner feststellen, daß durch das Vorhandensein der
Umrahmung 12 die Ränder des Dielektrikums 1 weiter von der
Elektrode 2 entfernt sind, was die oben erwähnte Neigung zu
Fluchtbewegungen ebenfalls verringert.
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Vorteilhafterweise sind Vorkehrungen getroffen, um nach der
Aufladung des Elektrets 1 die tatsächliche Abtrennung der
Umrahmung 12 zu ermöglichen, wobei zwischen der Umrahmung und
der Elektrode 2 eine Antiklebeschicht (nicht dargestellt)
eingefügt sein kann.
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Die Dicke der Umrahmung 7 oder 12 kann gleich derjenigen des
Elektrets 1 sein; sie kann auch kleiner oder größer als
diejenige des Elektrets 1 sein.
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Die Größe des zwischen dem Elektret 1 und der dieses
umgebenden Umrahmung 7 oder 12 enthaltenen Zwischenraums kann Null
sein; sie kann auch ungleich Null sein, ist jedoch
vorzugsweise kleiner als der Abstand, welcher das Gitter 4 von der
gegenüberliegenden Fläche des Elektrets 1 trennt.
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Demzufolge gelangt man schließlich unabhängig von der
gewählten Ausführungsform zu Verfahren und Einrichtungen zum Laden
von Elektreten, welche es ermöglichen, für letztere auf sehr
einfache Weise eine beachtlich gleichmäßige Verteilung der
implantierten elektrischen Ladung bis einschließlich zu den
Rändern der Elektrete hin und mit dementsprechend exzellenten
Empfindlichkeits- und/oder Stabilitätseigenschaften zu
erhalten, und dies selbst dann, wenn die Elektrete eine geringe
Größe besitzen und eine maximale Abmessung von weniger als 6
mm aufweisen.
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Wie es sich von selbst versteht und außerdem bereits aus dem
Vorangehenden ergibt, beschränkt sich die Erfindung
keineswegs auf diejenigen ihrer Anwendungs- und Ausführungsformen,
die speziell betrachtet wurden; sie umfaßt im Gegenteil
sämtliche Varianten, insbesondere:
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- solche, bei denen die das zu ladende Dielektrikum
tragende Elektrode auf einem anderen festen Potential U&sub0;
gehalten wird als dem Massepotential (Null),
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- und solche, bei denen die Umrahmung ihrerseits Teil
eines perforierten Gitters oder einer perforierten Folie
oder einer perforierten Schicht ist, das bzw. die zur
gleichzeitigen Herstellung einer Mehrzahl von Elektreten
bestimmt ist und von dem bzw. von der sie eine der
Maschen begrenzt.