-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich im Allgemeinen auf thermisch fühlende Vorrichtungen und insbesondere
auf thermisch fühlende
Vorrichtungen, die aus polymeren Materialien hergestellt werden.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Polymere und copolymere Materialien
mit ferroelektrischen Eigenschaften sind in der Technik seit einer
Anzahl von Jahren bekannt. Ferroelektrizität bezeichnet die Erzeugung
eines elektrischen Signals als Reaktion auf eine Änderung
eines physikalischen Reizes. Ferroelektrische Eigenschaften können in
eine von zwei allgemeine Kategorien eingegliedert werden: piezoelektrische
und pyroelektrische Materialien. Pyroelektrische Materialien erzeugen
ein elektrisches Signal als Reaktion auf eine Änderung der von dem Material
gefühlten
Temperatur. Piezoelektrische Materialien erzeugen ein elektrisches
Signal als Reaktion auf eine Änderung
eines lokalisierten Druckes. Jeder dieser Effekte resultiert aus Änderungen
in der Polarisation, die eine Neuverteilung der Oberflächenladungen
in dem Material erfordern.
-
Ferroelektrische Materialien weisen
einen ferroelektrischen bis paraelektrischen Übergang auf, der als die Curie-Übergangs-Temperatur
(Tc) bekannt ist. Wenn ein ferroelektrisches Material Temperaturen
oberhalb von Tc ausgesetzt wird, werden die Dipole des Materials
beweglich. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an das Material,
während
es sich oberhalb von Tc befindet, werden polarisierte Bereiche des
Materials bevorzugt ausgerichtet werden. Durch das Aufrechterhalten
des Feldes, das an das ferroelektrische Material angelegt wird,
bleibt die Ausrichtungspolarisation bestehen, wenn es unter Tc abgekühlt wird.
Die remanente Polarisation verschwindet, wenn die Probe wieder auf
Tc oder darüber
erhitzt wird. Die Dipole werden nochmals beweglich und können sich
in der Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes selbst in
einer zufälligen Anordnung
neu ausrichten. Daher ist Tc die Temperatur bei der die Polarisation
und somit die ferroelektrische Reaktion verloren geht. Vorrichtungen,
die sich auf ferroelektrische Reaktionen stützen, die von polarisierten ferroelektrischen
Polymeren erzeugt werden, können
deshalb nur für
Anwendungen verwendet werden, die unterhalb des Curie-Übergangs
liegen.
-
Ein ferroelektrisches Polymer, das
Gegenstand erheblicher Nachforschungen war, ist Polyvinylidenfluorid
("PVDF"). PVDF wurde wegen der Vielzahl seiner kristallinen Phasen
umfassend untersucht. Mindestens fünf kristalline Phasen wurden
für PVDF
berichtet, von denen drei polare ferroelektrische kristalline Formen sind.
Entsprechend weisen PVDF und dessen Copolymere eine relativ gute
piezoelektrische und ferroelektrische Reaktion auf.
-
Zahlreiche Vorrichtungen wurden mit
polymeren Materialien hergestellt, wie zum Beispiel PVDF, wobei ein
Nutzen aus deren piezoelektrischer und/oder ferroelektrischer Wirkung
bezogen wird. Zum Beispiel beschreibt U.S. Patent Nr. 4,666,198
von Heiserman eine piezoelektrische polymere Mikrogreifervorrichtung.
Auf eine ähnliche
Weise beschreibt U.S. Patent 5,089,741 von Park, et al. einen Piezofilmstoßdetektor,
mit Pyro-Effekt-Eliminierung. Die Europäische Patentanmeldung Nr. 283,264
beschreibt einen pyroelektrischen Infrarotsensor. Schließlich beschreibt
eine Veröffentlichung
von Brown von ATOCHEM Sensor Ltd. vom 14. Dezember 1990 einen thermischen
Detektor, der einen Nutzen aus den piezoelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften
des PVDF-Copolymers zieht.
-
Jede der oben zitierten Bezugnahmen
macht jedoch Gebrauch von den piezoelektrischen und pyroelektrischen
Eigenschaften des Materials. Das heißt, die Vorrichtungen stützen sich
auf den elektrischen Strom, der von den Materialien als Antwort
auf eine Änderung
eines physikalischen Reizes erzeugt wird. Indem gefordert wird,
dass die Vorrichtung, in welche das polymere oder copolymere PVDF-Material integriert
ist, die Fähigkeit
des Lesens des erzeugten elektrischen Stromes aufweisen muss, wächst die
Komplexität
der Vorrichtung beträchtlich.
Dies ist teilweise der Tatsache zuzuschreiben, dass die piezoelektrischen und
pyroelektrischen Vorrichtungen insofern aktiv sind, als sie elektrischen
Strom erzeugen.
-
Folglich besteht ein Bedarf nach
einer thermisch fühlenden
Vorrichtung, die einen Nutzen aus den inherenten Eigenschaften der
PVDF-Polymere und -Copolymere ungeachtet derer piezoelektrischer
und pyroelektrischer Eigenschaften zieht. Die Vorrichtung sollte
insofern ziemlich einfach sein, als sie nicht erfordern sollte,
zusätzliche
Schaltkreiselemente in den Schaltkreis, in welchem sie angeordnet
wird, zu integrieren, und sie sollte zuverlässig sein, so dass sie ohne
weiteres über
mehrere Zyklen und in einem weiten Bereich von Temperaturen und
Frequenzen nutzbar ist.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung
wird die Verwendung einer thermisch fühlenden polymeren Vorrichtung
als ein kapazitiver Sensor angegeben, wie in Anspruch 1 geltend
gemacht.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
werden in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 11 definiert.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
ein Blockdiagramm eines Batterieladesystems, das eine darin angeordnete
polymere Kondensatorvorrichtung aufweist;
-
2 stellt
eine differentielle Scanningkaloriemetrie eines Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymers dar, das
eine Zusammensetzung von 60% Vinylidenfluorid und 40% Trifluorethylen
aufweist;
-
3 ist
eine differentielle Scanningkaloriemetrie eines Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymers,
das eine Zusammensetzung von 70% Vinyledenfluorid und 30% Trifluorethylen
aufweist;
-
4 ist
eine differentielle Scanningkaloriemetrie eines Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymers,
mit einer Zusammensetzung von 75% Vinyledenfluorid und 25 Trifluorethylen;
-
5 ist
eine differentielle Scanningkaloriemetrie eines Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymers,
mit einer Zusammensetzung aus 80% Vinyledenfluorid und 20% Trifluorethylen;
-
6 ist
eine dielektrische Analyse (DEA) eines Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymers,
wie in 2;
-
7 ist
eine dielektrische Analyse der Probe von 6, die nach dem zweiten Zyklus genommen wurde;
-
8 ist
eine dielektrische Analyse der Probe von 6, die nach dem dritten Zyklus genommen
wurde;
-
9 ist
eine dielektrische Analyse der Probe von 6, die nach dem achten Zyklus genommen wurde;
-
10 ist
eine Serie dielektrischer Analysen eines polymeren Materials, die
nach sechs Zyklen und bei verschiedenen Frequenzen genommen wurden;
-
11 ist
eine Serie dielektrischer Analysen eines polymeren Materials, die
nach acht Zyklen und bei verschiedenen Frequenzen genommen wurden;
-
12 ist
eine Seitenansicht eines Parallelplattenkondensators, der eine polymere
Filmschicht umfasst;
-
13 ist
eine Seitenansicht eines Parallelenplattenkondensators, der eine
Mehrzahl polymerer Filmschichten umfasst; und
-
14 ist
eine dielektrische Analyse einer Vorrichtung, wie in 13 dargestellt.
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
Während
die Spezifikation mit Ansprüchen
abschließt,
welche die als neu betrachteten Merkmale der Erfindung definieren,
wird davon ausgegangen, dass die Erfindung besser durch eine Betrachtung
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstanden
wird, in denen gleiche Bezugszahlen durchgehend verwendet werden.
-
Es wird Bezug auf 1 genommen. Darin wird ein Blockschaltbild
eines Batterieladesystems (10) dargestellt, welches eine
thermisch fühlende
polymere Vorrichtung (12) umfasst, in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Das Batterieladesystem (10) umfasst einen Batterielader
(14) und ein Batteriepack (16). Das Batteriepack
umfasst mindestens eine Batteriezelle (18) und ein Paar
von Batteriekontakten (20) und (22) für die elektrische
Kopplung des Batteriepacks entweder an den Lader (14) oder
alternativ an eine Vorrichtung, die von dem Batteriepack zu betreiben
ist (nicht gezeigt). Das Batteriepack umfasst weiterhin einen dritten
Kontakt (24), um der thermisch fühlenden polymeren Vorrichtung
(12) zu ermöglichen,
mit dem Batterielader (14) zu kommunizieren.
-
Der Batterielader (14) umfasst
eine Energiequelle (26), die elektrisch über eine
Steuer-Leitung (30) mit einem Mikrocontroller (28)
kommuniziert. Der Batterielader (14) umfasst weiterhin
elektrische Kontakte (32) (34) um elektrische
Verbindungen mit den jeweiligen elektrischen Kontakten (20)
(22) des Batteriepacks (16) herzustellen. Der
Kontakt (32) ist über
die Leitung (36) elektrisch an die Energieversorgung (26)
gekoppelt, während
der Kontakt (34) über
die Leitung (38) elektrisch mit der Energieversorgung (26)
verbunden ist. Der Batterielader (14) umfasst weiterhin
einen dritten Kontakt (40), um die Energieversorgung (26) über die
thermisch fühlende
polymere Vorrichtung (12) an dem Kontakt (24)
mit dem Batteriepack (16) elektrisch zu verbinden. Zwischen
dem Mikrocontroller (28) und dem Kontakt (40)
wird ein Oszillator (42) elektrisch angeordnet. Der Mikrocontroller
(28) steuert den Oszillator (42), um die Kapazität der thermisch
fühlenden
polymeren Vorrichtung (12) zu bestimmen.
-
Bei der polymeren Vorrichtung (12)
kann es sich um einen polymeren Kondensator, wie zum Beispiel einen
Parallelenplattenkondensator, handeln, der thermisch an die Batteriezellen
(18) in dem Batteriepack (16) gekoppelt wird.
Die polymere Vorrichtung (12) ist thermisch gekoppelt,
um die Wärmeübertragung
von der Zelle (18) zu optimieren. Wie die wärme der
Zelle oder der Zellen (18), ändert sich die Kapazität des polymeren Kondensators
(12) in einer Weise, die hier unten ausführlicher
beschrieben wird. Der Mikrocontroller (28) bringt über den
Oszillator (42) die Kapazitätsänderung mit einer Temperaturänderung
in Verbindung. Auf diese Weise ist es möglich, zu bestimmen, wann die
Batteriezelle (18) und das Batteriepack (16) sich
auf den Punkt erhitzen, bei dem das fortgesetzte Laden die Funktion
oder die Eigenschaften des Batteriepacks herabsetzen oder zu katastrophalen
Fehlern desselben führen.
Das Laden der Zellen (18) kann deshalb beendet werden, wenn ein
vorgewählter
Kapazitätswert
erreicht ist.
-
Die thermisch fühlende polymere Vorrichtung
(12), wie zum Beispiel der in 1 dargestellte polymere Kondensator,
kann aus Polymeren hergestellt werden, welche ferroelektrisches
Verhalten aufweisen. Es ist dennoch wichtig zu beachten, dass sich
die vorliegende Erfindung nicht auf den elektrischen Strom stützt, der von
einem ferroelektrischen Material erzeugt wird. Die
vorliegende Erfindung stützt
sich vielmehr auf eine Änderung
der Kapazität
oder der dielektrischen Konstante, die eintritt, wenn das Material
die Curie-Übergangs-Temperatur überschreitet.
-
Das polymere Material, das für die Kondensatorvorrichtung
verwendet wird, ist gekennzeichnet durch eine Übergangstemperatur von ferroelektrisch
zu paraelektrisch, die Curie-Übergangs-Temperatur
(Tc). Bei diesem Übergang
zeigt das Material eine Änderung,
speziell ein Anwachsen der Kapazität. Somit ist eine erste Kapazität mit Temperaturen
unterhalb der Übergangstemperatur
verbunden, und eine zweite Kapazität ist mit Temperaturen oberhalb
der Übergangstemperatur
verbunden. Die Übergangstemperatur
kann modifiziert werden, um in einem breiten Bereich von Temperaturen
zwischen etwa 50C° bis
zu etwa 200°C
zu liegen.
-
Polymere weisen außerdem viele
mechanische Eigenschaften auf, wodurch sie für vielfältige Anwendungen erwünscht sind.
Zum Beispiel sind Polymere im Allgemeinen sehr flexibel. Dadurch
können
Polymere in vielfältige
Formen und Größen, die
von einer bestimmten Anwendung bestimmt werden, gegossen oder geschmolzen
werden. Zum Beispiel kann ein flexibler Polymerfilm hergestellt
werden, um die Batteriezellen (18) des Batteriepacks (16)
gleichmäßig zu bedecken.
-
Dies stellt eine signifikanten Vorteil
gegenüber älteren kristallinen
Materialien dar. Weiterhin ist die Herstellung polymerer Filme im
Allgemeinen einfacher und weniger kostspielig als für kristalline
Materialien.
-
Bei dem polymeren Material handelt,
es sich typischerweise um ein Copolymer oder Terpolymer eines Polyvinylidenfluorids
und eines fluorierten Ethylens. Beispiele eines geeigneten fluorierten
Ethylens in dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Copolymer
umfassen Trifluorethylen, Tetrafluoretyhlen, Chlortrifluorethylen,
Hexafluorpropylen und Kombinationen daraus. Das in der vorliegenden
Erfindung verwendete copolymere Material kann durch die folgende
Formel dargestellt werden:
– (CH2 – CF2)x – (CHF – CF2)y – (VDF)
(TrFE)
-
Die Werte für die Variablen x und y spezifizieren
die relativen Anteile jedes Polymers in dem copolymeren Material,
wobei y = 1–x.
Die Zusammensetzung des Polyvinyliden-Fluorid-Trifluorethylen-Copolymers schwankt
typischerweise von x = 50% bis 100%, was einen Bereich für y von
0% bis 50% entspricht. Es können auch
andere Arten copolymerer Materialien in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden.
-
Zum Beispiel wurde berichtet, dass
Vinyleden-Zyanid-Copolymere
und Nylons, insbesondere ungeradzahlige Nylons, wie zum Beispiel
Nylon 11, Nylon 5 und Nylon 7 ferroelektrischen Verhalten aufweisen.
Entsprechend können
diese Materialien ebenfalls von beträchtlichen Änderungen in der Kapazität oder der
dielektrischen elektrischen Konstante bei der zugehörigen Tc
begleitet sein.
-
Terpolymere Materialien können aus
dem oben beschriebenen Basiscopolymer (PVDF-TrFE) zusammen mit dem
Zusatz eines dritten Polymers hergestellt werden. Das dritte Polymer
kann aus der Gruppe von Materialien hergestellt werden, die Chlorotrifluorethylen,
Hexafluorpropylen und Kombinationen daraus umfasst. Das dritte Polymer
kann in Bereichen zwischen 0 und 20% vorhanden sein. Entsprechend
würde unter Verwendung
der oben beschriebenen Formel die dritte Komponente hinzugefügt, wobei
die Variable, welche die Konzentration beschreibt z wäre, und
die Bereiche für
z zwischen 0 und 20%, y in dem Bereich zwischen 0 und 50% und x
in dem Bereich zwischen 30 und 100% lägen.
-
Es wird Bezug auf die 2 bis 5 genommen. Darin wird eine Serie von
Analysen differentieller Scanningkaloriemetrie von Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymeren dargestellt,
die jeweils 40%, 30%, 25% und 20% Trifluoretylen enthalten. Die Übergangstemperatur
zwischen der ferroelektrischen und der paraelektrischen Bedingung
von zum Beispiel dem Polyvinylidenfluorid-Trifluoretylen-Copolymer hängt von
der Menge an Polyvinylidenfluorid in dem Copolymer ab. Wenn sich
insbesondere der Anteil von Vinylidenfluorid erhöht, erhöht sich ebenfalls die Übergangstemperatur
des Copolymers. Wie durch eine Betrachtung der 2 bis 5 deutlich
wird, erhöht
sich im Allgemeinen die Übergangstemperatur
mit steigendem Vinylidenfluoridgehalt von etwa 72°C in 2 mit 60% Vinylidenfluorid
auf 125°C
in 5 mit 80% Vinylidenfluorid.
Insbesondere wird in jeder der 2 bis 5 die Übergangstemperatur zwischen
der ferroelektrischen und der paraelektrischen Bedingung durch eine
endothermische Spitze in der Aufzeichnung der differentiellen Scanningkalorie metrie
identifiziert. In 2 erscheint
die Übergangstemperatur
an dem Punkt 50 auf der Linie 52. Die zweite endotherme Spitze,
die bei ungefähr
155°C auftritt,
entspricht dem Schmelzpunkt der kristallinen Phase des Copolymers. Auf ähnliche
Weise wird in 3 die Übergangstemperatur
von etwa 120°C
an dem Punkt 54 auf der Linie 56 mit dem Schmelzpunkt
identifiziert, der bei ungefähr
150°C auftritt.
In 4 wird Tc durch den
Punkt 58 auf der Linie 60 identifiziert und entspricht
annähernd
125°C, während der
Schmelzpunkt bei ungefähr
150°C liegt. In 5 liegt Tc an dem Punkt 62 auf
der Linie 64 und entspricht ungefähr 122°C mit einem Schmelzpunkt bei 148°C. Es kann
weiterhin erkannt werden, dass, mit steigenden Konzentrationen von
Vinylidenfluorid in dem Copolymer, die Übergangstemperatur beginnt,
sich dem Schmelzpunkt des Copolymers Materials anzunähern, welches
selbst durch die zweite endotherme Spitze identifizierbar ist, die
auf jeder der Linien 52, 56, 60 und 64 erscheint.
-
Beispiele
-
Die copolymeren Materialien, die
verwendet werden, um die thermisch fühlende polymere Vorrichtung (12)
herzustellen, wie zum Beispiel der in 1 dargestellte
Kondensator, stützen
sich auf Änderungen
der Kapazität
des polymeren Materials, welche an dem Übergang von ferroelektrisch
nach paraelektrisch eintreten.
-
Die Kapazität eines polymeren Materials,
das z. B. in einem wie in 1 dargestellten
Parallelenplattenkondensator verwendet wird, kann aus der folgenden
Formel berechnet werden.
-
-
Wobei ε' die Dielektrizitätskonstante
des dieleketrischen polymeren Materials, εo die
Dielektrizitätskonstante
eines Vakuums (8, 854 × 10–12F/m)
, A die Größe der Oberfläche des
Dielektrikums und d die Dicke des dielektrischen Polymers ist.
-
Zum Zwecke der Verwendung eines copolymeren
Materials in einen copolymeren Parallelenplattenkondensator, wie
hier beschrieben, wurde ein Polyvinylidene-Fluoride-Trifluorethyline-Copolymer
im Verhältnis 60 zu
40 ausgewählt,
um damit weitere kennzeichnende Experimente durchzuführen. Dieses
Material wurde ausgewählt,
weil seine Curie-Übergangstemperatur
(Tc = 72°C)
eine relativ nützliche
Temperatur für
thermische Sensoranwendungen, z. B. in Batterieüberlastungsschutzsystemen,
bereitstellt. Unter der Verwendung eines Materials, wie zum Beispiel
das hier oben beschriebene und in 2 dargestellte,
wurden zahlreiche Experimente an Proben ausgeführt, um die effektive Dielektrizitätskonstante
des Materials, die Reproduzierbarkeit und die Zyklusfähigkeit
des Materials sowie die Abhängigkeit
des Materials von der Frequenz zu berechnen. Für diese Experimente wurde eine
200 μm dicke,
kreisförmige
(2 cm Durchmesser) Probe aus Polyvinylidene Fluoride-Thrifluorethylene
(60% Vinylideneflourid, 40% Trifluorethylen) zwischen zwei Goldelektroden
in einem dielektrischen Analysator (DEA) angeordnet. Dann wurde
die dielektrische Konstante für
acht Zyklen über
einen Temperaturbereich zwischen 25°C und 140°C gemessen.
-
Die dielektrische Analyse lieferte
Information sowohl für
die kapazitive (isolierende) Natur des Materials (d. h. die Fähigkeit
des Materials, elektrische Ladung zu speichern) als auch für die leitende
Natur des Materials (d. h. die Fähigkeit,
elektrische Ladung zu transportieren). Es wurde eine sinusförmige Spannung
von einem Volt an die Probe angelegt, wodurch ein elektrisches Wechselfeld
erzeugt wurde. Dieses Feld erzeugte Polarisation in der Probe, die
mit derselben Frequenz wie das elektrische Feld aber mit einer Phasenwinkelverschiebung δ schwingt.
Die Phasenverschiebung wurde mittels des Vergleichens der angelegten
Spannung mit dem gemessenen Strom gemessen. Der gemessene Strom
wurde in einen kapazitiven und in einen leitenden Anteil getrennt,
wobei die folgenden Gleichungen verwendet wurden:
wobei C die Kapazität (Farad)
ist, R der Widerstand des polymeren Materials (Ohm) ist, I der Strom
(Amp) ist, V die Spannung (Volt) ist, f die angelegte Frequenz (Hz)
ist und δ die
Phasenverschiebung ist.
-
Die folgende Variablen wurden durch
den dielektrischen Analysator gemessen:
ε': Die Dielektrizitätskonstante,
die proportional zu der Kapazität
ist und die Ausrichtung der Dipole misst; und
ε" : Der Verlustfaktor,
der proportional zu der Leitfähigkeit
ist und die Energie darstellt, die benötigt wird, um die Dipole auszurichten
und Ionen zu bewegen.
-
Für
die Konfiguration eines parallelen Plattenkondensators hängen ε' und ε" durch die
folgenden Gleichungen mit der Kapazität und der Leitfähigkeit
zusammen:
wobei die Variablen oben
definiert wurden. Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 stellen Werte
der Kapazität und
des Widerstandes (l/Leitfähigkeit)
dar, die an dem Copolymer über
einen breiten Bereich von Temperaturen und Frequenzen gemessen wurden.
Es ist wichtig festzustellen, dass der Widerstand des Copolymers stets
oberhalb von kOhm bleibt, was bestätigt, dass das Copolymer schlechte
Leitungseigenschaften aufweist.
-
Daher werden Ladungen, die sich an
den Elektroden des Kondensators ansammeln, nicht in einfacher Weise
von einer Elektrode zu einer anderen übertragen, was eine Eigenschaft
eine guten Energiespeichervorrichtung, beispielsweise eines Kondensators,
ist.
-
Es wird nun auf 6 Bezug genommen. Dort ist ein Diagramm
einer dielektrischen Analyse ("DEA") für eine 60/40-Mischung eines
polymeren Materials aus Polyvinyliden-Fluorid-Trifluor-Ethylen veranschaulicht, wobei
die effektive Elektrizitätskonstante
durch die Linie 70 davon darge stellt wird. Die effektive
Dielektrizitätskonstante
e' wurde bei einer Frequenz von 1 kHz über einen Temperaturbereich
von 25°C
bis 100°C
gemessen. Der Wert der Kapazität
bei 25°C
beträgt
1,6 x 10–1F.
Bei 120°C
stiegt der Wert der Kapazität
um ungefähr eine
Größenordnung
auf etwa 1,36 × 10–9F
an. Wie aus 6 erkannt
werden kann, steigt die Dielektrizitätskonstante dramatisch an,
wenn die Temperatur Tc = 72°C überschreitet.
-
Es wird nun auf 7 Bezug genommen. Dort ist ein DEA-Diagramm
der in 6 analysierten
Probe bei einem zweiten Zyklus derselben Probe bei derselben Frequenz
veranschaulicht. In 7 steigt ε' an, wenn die
Temperatur ansteigt, um ein Maximum bei 110°C zu erreichen. ε' und e"
'sind auf den Linien 74 beziehungsweise 76 veranschaulicht.
Diese Werte liegen leicht höher
als die in dem ersten Lauf gemessenen, der in 6 veranschaulicht ist, obwohl das Gesamtprofil
der ansteigenden Dielektrizitätskonstante
mit ansteigender Temperatur konstant bleibt, wie auch der schnelle
Anstieg von ε"
nach Tc. Während
eines dritten Zyklus, der in 8 veranschaulicht
ist, steigt ε'
in ähnlicher
Weise an, und der Spitzenwert von ε' wird zu einer niedrigeren Temperatur
verschoben. Insbesondere ist ε'
etwa 70, entsprechend einer Kapazität von 1,6 x 10–9F.
Diese Spitze wird jedoch bei etwa 90°C erreicht. Nach dem dritten
Zyklus war das Verhalten des Polymers reproduzierbar und über acht
Zyklen extrem konsistent. ε'
und ε" sind
auf Linie 78 beziehungsweise 80 veranschaulicht. Dies ist
in 9 veranschaulicht,
wobei der Spitzenwert von ε'
70 ist (1, 6 x 10–9F) und bei 90°C auftritt,
wie in 8 veranschaulicht
ist. Darüber
hinaus bleiben die Profile für
die Dielektrizitätskonstante ε' und den
Ver lustfaktor ε"
extrem konsistent, wobei nur leichte Abweichungen nach dem Erreichen
der Spitzen-Dielektrizitätskonstante auftreten.
Darüber
hinaus ist der Beginn signifikanter Anstiege von ε' konsistent,
wenngleich sie etwas unterhalb von Tc beginnen aufzutreten.
-
Es wird nun auf 10 Bezug genommen, wo eine Probe des
oben beschriebenen polymeren Materials veranschaulicht ist, wobei
die DEA-Analyse bei verschiedenen Frequenzen ausgeführt wurde.
Eine Probe, die nach sechs Zyklen analysiert wurde, wurde bei Frequenzen
von 10 kHz (Linie 90), 200 kHz (Linie 92) beziehungsweise
300 kHz (Linie 94) gemessenen. Wie aus einer Betrachtung
von 10 deutlich wird,
ist der Effekt der Frequenz auf die Dielektrizitätskonstante extrem gering,
wenngleich die Spitze ε'
bei höheren
Frequenzen viel schärfer
ist als diejenige, die bei 1 kHz (siehe 6 bis 9)
erhalten wurde. Die Spitzenwerte von ε' sind auch niedriger als jene,
die bei 1 kHz gemessen wurden. Die Werte für ε" folgen einem ähnlichen
Muster, wie es mit den Linien 91, 93 beziehungsweise 95
veranschaulicht wurde.
-
Es wird nun auf 11 Bezug genommen, wobei darin eine zweite
DEA-Analyse mit Messungen veranschaulicht ist, die bei 100 kHz (Linie 96),
200 kHz (Linie 98) und 300 kHz (Linie 100) nach
acht Zyklen des in 10 beschriebenen
Materials durchgeführt
wurden. ε"
ist mit den Linien 97, 99 beziehungsweise 101
veranschaulicht. Wiederum ist erkennbar, dass die Materialreduktion
sehr reproduzierbar ist. Die Reproduzierbarkeit ist wichtig, um
eine gleichförmige
Reaktion in einer Vorrichtung sicherzustellen, in die das polymere
Material integriert ist. Unterschiede zwischen den Spitzenwerten
und der Übergangstemperatur
der beiden Tests sind aufgrund der Tatsache virtuell identisch,
das bei hohen Frequenzen die Dipole weniger Zeit haben, sich neu
zu orientieren. Die Frequenzen können
keine Orientierungspolarisation erzeugen, die so groß ist, wie
die, die bei niedrigeren Frequenzen beobachtet wurde, da die niedrigeren
Frequenzen mehr Zeit für
die Neuorientierung der Dipole zur Verfügung stellen und daher zu ε' beitragen.
-
Unter Verwendung der Ergebnisse die
aus den 6 bis 11 gesammelt wurden, insbesondere
aus den 9 bis 10, können die folgenden Tabellen
erzeugt werden.
-
Tabelle 1
-
Aus :9 1
kHz
-
-
Tabelle 2
-
Aus 10:
300 kHz
-
-
Wobei die Werte für ε', ε'' , ε
o, d
und A wie oben angegeben sind, und
-
Es wird nun auf 12 Bezug genommen, wo eine Seitenansicht
eines Parallelplattenkondensators 110 mit einer Polymerfilmschicht 112 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist. Die Polymerfilmschicht
kann beispielsweise aus Polyvinyliden-Fluorid-Trifluor-Ethylen-Copolymer
hergestellt sein. Dieses Polymer kann ohne weiteres unter Verwendung
herkömmlicher
thermischer Verarbeitungs- und Spin-Beschichtungstechniken verarbeitet
werden. Die Filme können
ohne weiteres in eine Dicke von etwa 10 μm gebracht werden, indem das
Polymer in Aceton oder Methylethylketon vor der Spin-Beschichtung
der Mischung auf einem Elektrodensubstrat gelöst werden. Danach kann das
Aceton oder das Methylethylketon durch eine sanfte Erwärmung verdampft
werden.
-
Ein Parallelplattenkondensator, wie
in 12 veranschaulicht,
kann durch die Abscheidung konformer metallischer oder organometallischer
Elektroden auf jeder Seite des polymeren Films vorbereitet werden.
Die konformen metallischen Elektroden, die aus Materialien umfassend
Nickel, Aluminium, Kupfer, Chrom oder Kombinationen derselben hergestellt
werden, können
auf den polymeren Film durch traditionelle Sputter-Techniken aufgebracht
werden. Konforme organometallische Elektroden können durch plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheidung abgeschieden werden.
-
Die Schicht aus Polymermaterial 112 hat
eine erste und eine zweite Hauptoberfläche 114 und 116,
wobei auf jeder Hautoberfläche
die konforme metallische oder organometalli sche Elektrode 118,
120 in einer oben beschriebenen Weise abgeschieden wird. Eine
schweißbare
leitfähige
Leitung 122, 124 kann dann jeweils an den Elektroden 118,
120 angeschlossen werden. Somit kann die fertige Vorrichtung 110 ohne
weiteres in eine elektronische Schaltung integriert werden, wie
sie in 1 veranschaulicht
ist.
-
Es wird nun auf 13 Bezug genommen, wobei dort eine Seitenansicht
einer alternativen Ausführungsform
eines Parallelplattenkondensators zu dem oben mit Bezug auf 12 beschriebenen veranschaulicht
ist. Der Parallelplattenkondensator, der in 13 veranschaulicht ist, enthält eine
zweite Polymerfilmschicht 130, die zwischen der ersten
Schicht 112 und der Elektrode 118 angeordnet ist.
Der Zweck, zwei oder mehr Schichten aus Polymermaterial zur Verfügung zu
stellen, besteht darin, einen erweiterten Bereich zur Verfügung zu
stellen, in der die Charakteristika der Vorrichtungen gemessen werden
können.
Indem beispielsweise die erste Schicht 112 eine 60/40-Mischung
aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen aufweist, erhält man eine Übergangstemperatur
von etwa 72°C,
wie oben mit Bezug auf 2 veranschaulicht
wurde. Indem eine zweite Schicht vorn beispielsweise 70/30-Material
vorgesehen ist, in der nur 70 Vinylidenfluorid und 30% Trifluorethylen
vorhanden ist, wird eine zweite Spitze bei der zweiten Übergangstemperatur
von etwa 120°C
auftreten, wie oben mit Bezug auf 3 veranschaulicht
wurde. Entsprechend ist ein Profil mit mehreren Plateaus mit zunehmender
Dielektrizitätskonstante
verfügbar.
Dies stellt einen Gegensatz zu einem Abfall dar, der auftritt, nachdem
die Spitze erreicht wurde, wie beispielsweise oben mit Bezug auf 6 beschrieben wurde.
-
Es wird nun auf 14 Bezug genommen, wobei dort eine DEA-Analyse
eines gestapelten Parallelplattenkondensators veranschaulicht ist,
der zwei gestapelte Schichten aus Polymerfilmmaterial aufweist,
wie oben mit Bezug auf 13 beschrieben
wurde. Wie aus einer Betrachtung von 14 erkennbar
ist, steigt die Dielektrizitätskonstante,
die mit Linie 132 veranschaulicht ist, an, wenn sie die
erste Curietemperatur bei etwa 72°C überschreitet,
die für
das 60/40-Material
charakteristisch ist, das oben beschrieben wurde, und sie beginnt
wiederum bei etwa 120°C
anzusteigen, wobei diese Übergangstemperatur
mit dem 70/30-Material in Verbindung steht. Die Bereitstellung eines
Bereiches von Plateaus, wie hier veranschaulicht, erlaubt eine höhere Flexibilität bei der
Herstellung der Vorrichtungen.
-
Während
die Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung oben im Zusammenhang mit einem Parallelplattenkondensator
beschrieben wurde, sollte dies so verstanden werden, dass das Material
in vorteilhafter Weise in zahlreichen anderen Anwendungen verwendet
werden kann. Beispielsweise kann ein solches Material in Transistor-Temperatursensor-Anwendungen,
Kraftfahrzeuganwendungen, wo Anstiege einer Kapazität der Temperatur
vorteilhaft sind, als auch bei Batterie-Temperatursensor-Anwendungen verwendet
werden, wie oben beschrieben. Bei Temperatursensor-Anwendungen mit
Leitungstransistoren, kann man die Änderung der Kapazität erfassen,
wenn die Temperatur des Transistors ansteigt, wodurch entweder eine
Temperaturkorrekturvorrichtung und/oder ein absoluter Ausschaltpunkt
zur Verfügung
gestellt wird. Bei Kraftfahrzeuganwendungen besteht die Notwendigkeit,
induktive Transienten zu kompensieren und auf hohe Stromstarkniveaus zu
mitteln. In solch einer Anwendung wäre der Polymerkonden sator in
der Lage, induktive Transienten zu kompensieren, und er würde weiterhin
eine verbesserte Reaktion über
die Temperatur zur Verfügung
stellen, da die Kapazität
ansteigt, wenn die Temperatur ansteigt. Mit Bezug auf Batterie-Temperatursensor-Anwendungen,
wie hier betrachtet, kann der Kondensator ein Parallelplattenkondensator
sein, wir hier veranschaulicht, oder alternativ in ein Kunststoffgehäuse des
Batteriepacks eingebettet sein oder physikalisch um die Batteriezellen
gehüllt
sein, um eine gute thermische Kopplung zwischen den Batteriezellen
und der Vorrichtung sicherzustellen. Die Überwachung der kapazitiven Änderung
mit der Temperatur würde
erlauben, einen idealen Endpunkt bei dem Aufladen der Batterien
in der Batteriezelle zu bestimmen.
-
Die Vorrichtung kann auch verwendet
werden, um Änderungen
bezüglich
der Reaktanten mit der Temperatur bei verschiedenen Frequenzen zu überwachen.
Weiterhin kann die Polymervorrichtung in zeitlich konstanten Funktionen
verwendet werden. Beispielsweise die Kapazitätsänderung mit der Temperatur,
womit die Zeitkonstante anstelle der Kapazität oder anderer Parameter überwacht
werden könnte.
In ähnlicher
Weise kann eine Zeitverzögerung
wirksam sein, wenn diese Vorrichtung in Verbindung mit einem Widerstand
verwendet wird, in dem einfach die Größe des zu verwendenden Widerstands
und damit die Aufladezeit des Kondensators gewählt wird.
-
Während
die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, wird klar
sein, dass die Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt ist.
Zahlreiche Modifikationen, Änderungen,
Variationen, Ersetzungen und Äquivalente
sind für
Fachleute erkennbar, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung
zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
