EP2633564A1 - Elektromechanischer wandler mit einem zweischichtigen basiselement und verfahren zur herstellung eines solchen elektromechanischen wandlers - Google Patents

Elektromechanischer wandler mit einem zweischichtigen basiselement und verfahren zur herstellung eines solchen elektromechanischen wandlers

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Publication number
EP2633564A1
EP2633564A1 EP11773277.6A EP11773277A EP2633564A1 EP 2633564 A1 EP2633564 A1 EP 2633564A1 EP 11773277 A EP11773277 A EP 11773277A EP 2633564 A1 EP2633564 A1 EP 2633564A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
polymer layer
polymer
electret
base element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11773277.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Deliani Lovera-Prieto
Ernst-Ulrich Reisner
Werner Jenninger
Joachim Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Intellectual Property GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayer Intellectual Property GmbH filed Critical Bayer Intellectual Property GmbH
Priority to EP11773277.6A priority Critical patent/EP2633564A1/de
Publication of EP2633564A1 publication Critical patent/EP2633564A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/10—Influence generators with non-conductive charge carrier
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/098—Forming organic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical transducer having a two-layer polymer base base and a method of manufacturing the same. Furthermore, the invention also relates to the use of such an electromechanical transducer.
  • Electromechanical transducers exploit the ability of some materials to generate electrical potential due to applied mechanical stress. This property is called piezoelectricity.
  • Established piezoelectric materials are lead zirconium titanate (PZT) and fluorinated polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF). Piezoelectric behavior was also observed in foamed, closed-cell polypropylene (PP). In order to achieve piezoelectricity, such a polypropylene foam is charged in a high electric field.
  • Such polypropylene ferroelectrets may have a piezoelectric coefficient of several hundred picocoulombs per Newton.
  • multilayer systems consisting of several foams stacked on top of each other have been developed.
  • Pages 453 to 456) describes a three-layer ferroelectric pathway in which a polytetrafluoroethylene film provided with a plurality of uniform continuous recesses by mechanical or laser-based drilling is sandwiched between two uniform ones
  • Fluorethyienpropylenfilmen is arranged.
  • Electromechanical converters in particular piezoelectric converters, are still of increasing interest for commercial applications, for example for sensor and actuator systems.
  • For the economy is an applicability of a manufacturing process in the industrial
  • Object of the present invention is therefore to provide electromechanical transducer of the type mentioned above and to provide methods for their preparation, which can be carried out easily and inexpensively on a large scale and industrial scale.
  • the object is achieved with an electromechanical transducer comprising a Pok mcr Anlagenvcrbund with cavities formed therein in that the
  • Polymer layer composite at least one Polymcr harsh base element comprising a carrier layer having a
  • the polymer layer composites according to the invention have superposed polymer films, in particular polymer films, and at least cavities formed between in each case two polymer films.
  • the polymer films are connected to each other between the cavities.
  • Polymcr Anlagen base element is a two-layer polymer composite of a support layer and an electret layer.
  • the softening temperature is also called the glass transition temperature and is the temperature at which an amorphous polymer changes from the liquid or gum inelastic, flexible state to the vitreous or hard-elastic, brittle state.
  • the indications and ranges relating to the softening temperatures Tg of the polymer layers optionally also include in each case the melting temperatures in the case of mixed-phase polymer layers, in particular of partially crystalline polymeric materials.
  • the Poiymer slaughter base element according to the invention is a two-layer structure of two PoK mertiken. in particular PoK merfilmen. made of different polymeric materials, wherein the polishing material of the electret layer has a lower softening temperature Tg E than the polishing material of the carrier layer.
  • the Polvmcr Anlagen base element according to the invention is also referred to as a base element.
  • the base element is preferably made of continuous
  • Polymer layers in particular polymer films formed.
  • the base element can also have recesses, for example in the electret layer.
  • the carrier layer takes over according to the invention a carrier and support function for the
  • the electret layer gives the optionally structured base element and also the resulting polymer layer composite with the second polymer layer element advantageously sufficient mechanical and thermal stability.
  • the electret layer is planar, for example over the entire surface, connected to the carrier layer and, according to the invention, is made of a polymeric material with good properties
  • the electret layer Due to the support function of the carrier layer, the electret layer can be made thinner than in an embodiment without a carrier layer.
  • the electromechanical transducer constructed according to the invention has, in addition to good piezoelectric properties, advantageously a particularly good adhesion between the polymer layers and a particularly good mechanical stability.
  • the carrier layers provide the necessary mechanical and thermal stability in the structure according to the invention.
  • the use of a carrier layer in the composite also makes it possible to use brittle materials having good electret properties in the polymer layer base clement for constructing electromechanical transducers.
  • the electret layers can thus be selected according to the invention for particularly suitable charge storage properties, since the necessary mechanical stability is obtained by the carrier layer.
  • a combination of particularly advantageous properties for the electromechanical transducer according to the invention can be achieved in a simple manner.
  • the materials for the polymer layers in a base polymer layer element according to the invention may be selected so that the softening temperature of the support layer Tg A , at least> 5 ° C, for example 10 ° C higher than that
  • the carrier layer can in principle be formed from polymers or polymer mixtures or comprise those which permit a suitable connection with the electret layer and have a sufficient carrier function and thus mechanical and thermal stability.
  • the carrier layer comprises at least one polymer selected from the group consisting of
  • Polytetrafluoroethylene (PTFE), polycarbonates and mixtures of these polymers include or be formed therefrom.
  • an electret layer can in principle be formed from any polymer or polymer mixture which is suitable for keeping charges over a long period of time, for example a few months or years.
  • an electret layer at least one polymer selected from the group consisting of
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • FEP fluoroethylene propylene
  • PFA perfluoroalkoxyethylenes
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthaate
  • polyimides especially polyetherimide, polyethers, polymethyl methacrylates.
  • Cyclo-olefin polymers, cyclo-outer copolymers (COC), polyolefins such as polypropylene, and mixtures of these polymers include or may be formed therefrom. Such polymers can advantageously retain an introduced polarization for a long time.
  • the carrier layer has a layer thickness of> 6 microns to ⁇ 125 microns, preferably from> 10 ⁇ to ⁇ 100 ⁇ .
  • the electret layer has a layer thickness of> 6 ⁇ m to ⁇ 125 ⁇ m.
  • the polymer layer base element comprising the carrier layer and the electret layer has a total layer thickness of> 20 ⁇ m to ⁇ 250 ⁇ m, preferably> 30 ⁇ to ⁇ 150 ⁇ . for example> 50 ⁇ m to ⁇ 100 ⁇ m.
  • the thickness of the thimble of the electret layer can be made thinner relative to the layer thickness of the carrier layer.
  • the carrier layer can additionally be made of cheaper material.
  • the second polymer layer element may comprise at least one first recesses-containing polymer layer and a continuous polymer layer, that is, without recesses or cavities within this layer.
  • a polymer composite layer as a sandwich construction of at least one polymer base element is used.
  • a continuous polymer layer and a recesses arranged therebetween polymer layer provided.
  • This recesses-containing polymer layer can give the entire assembly flexibility and make it softer along its thickness.
  • the piezoelectric constant d 33 and thus the sensitivity of the electromechanical transducer can be increased.
  • the second polymer layer element may comprise at least one second polymer layer base element comprising a support layer having a softening temperature Tg A and a surface connected thereto electret layer having a softening temperature Tg E , wherein Tg A > Tg E , or be designed as such.
  • two polymer layer base elements can together form a polymer composite with cavities formed therein.
  • the electret layers are connected directly to each other.
  • Polymer layer base elements together form a polymer composite.
  • the corresponding polymer layers in this case each consist of the same polymeric material.
  • the electret layers of both base elements are made of the same material. This applies equally to the carrier layers in this embodiment. are like
  • the electret layers facing each other so this can advantageously result in a particularly good connectivity of the layers and thus improved mechanical stability of the compound.
  • the invention includes. that two different polymer layers with different polymer layers, that is to say supports and / or electret layers, are formed with each other to form a polymer layer composite.
  • the same carrier layers but different electret layers having the same or different softening temperatures Tg E can be used in the two base elements, or vice versa.
  • Tg E softening temperatures
  • the first base element may have an electret layer which can store positive charges particularly well
  • the second base element may have an electret layer which is particularly well suited for storing negative charges and vice versa. In this way, accordingly, the electrical properties of the resulting electromechanical transducer can be optimized.
  • the second polymer layer element is formed from a recessed polymer layer and a second base element.
  • the electret layers are preferably connected in each case to the polymer layer comprising the central recesses.
  • the recesses are accordingly then closed to form cavities, preferably through the electret layers.
  • the carrier layers thus form the sides of the polymer layer base element facing away from the recesses in such a polyimine layer composite.
  • the base elements are designed the same or different.
  • the recesses-comprising polymer layer for example, comprise or be formed from a thermoplastic elastomer, such as a thermoplastic polyurethane or a thermoplastic polyester.
  • a thermoplastic elastomer such as a thermoplastic polyurethane or a thermoplastic polyester.
  • These materials are advantageously particularly suitable for enabling a poling process in the cavities and for separating the charge layers formed in the polymer films after the charging process, for example having a low electrical conductivity.
  • improved flexibility can be imparted to the entire assembly.
  • the polymer layer composite can be adjusted in its softness. As a result, the piezoelectric constant d 33 and thus the sensitivity of the electromechanical transducer can be increased again.
  • the recesses-comprising polymer layer may have a softening temperature Tg B , which is lower than the respective softening temperatures of the adjacent polymer layers of the base element, for example, the respective softening temperature Tg E of the electret layers, so that this layer comprising average recesses in addition Kiebe harsh for connection, for example with the
  • Electret layers can serve.
  • the polymer layer comprising first recesses may have a layer thickness of> 10 ⁇ m ⁇ 250 ⁇ have.
  • the polymer layer comprising first recesses can have a layer thickness of> 50 ⁇ m to ⁇ 150 ⁇ m. preferably from> 75 ⁇ to ⁇ 100 ⁇ have.
  • the recesses of the recesses comprising polymer layer may be formed according to the invention in the same or in different forms.
  • at least some of the recesses are formed in shapes which do not have a circular cross-sectional area.
  • the recesses may be in the recesses comprising polymer layers of the
  • electromechanical transducer may be formed homogeneously or heterogeneously distributed.
  • the recesses may be formed homogeneously distributed in the first recesses PoKmer Anlagen comprehensive.
  • the recesses of the recesses comprehensive PoKmer harsh are continuous, especially in the direction of the continuous polymer layers, in particular electret layers of
  • PoKmertik-based elements formed by the recesses comprehensive PoKmer für ass.
  • the PoK mer für ass comprising at least first recesses may have a plurality of recesses formed in a first shape and a plurality of recesses formed in a second shape and optionally a plurality of formed in a third shape
  • the recesses may be formed partially or completely in shapes having a cross-sectional area selected from the group consisting of substantially circular, for example, circular, elliptical, or oval.
  • polygoncn for example, triangular, rectangular, trapezoidal, diamond-shaped, pentagonal, hexagonal, in particular honeycomb-shaped, cross-shaped, star-shaped and partially round and partially polygoncn, for example S-shaped, cross-sectional surfaces have.
  • the recesses of the recesses having layers, for example, a honeycomb
  • a honeycomb formation and arrangement of the recesses on the one hand has a very large Gesainthohlraum volume results.
  • a particularly high mechanical stability can be achieved with a honeycomb-shaped design and arrangement of the recesses.
  • the size of the cross-sectional areas may be the same or different for all recesses of the recesses comprising polymer layer.
  • the recesses and cavities formed from the recesses may be in shapes with a rather small area, such as lines, for example curved or straight, single or crossed lines, or perimeter of geometric figures, such as a circle or a perimeter of a cross, or as structures with a larger area, such as rectangles, circles, crosses, et cetera trained.
  • the shape and dimensioning of the cavities is preferably set such that the first and second continuous polymer layer, in particular polymer films, can not touch perpendicular to their course of layers within the cavity and / or that after
  • An electromechanical transducer according to the invention may preferably further comprise two
  • Electrodes, in particular electrode layers comprise, wherein one electrode, the carrier layer of the polymer layer base member and the other electrode contacts the second polymer layer element respectively on the polymer layer base element facing away from the surface side.
  • An electromechanical transducer according to the invention may also comprise two or more stacked polymer layer composites with cavities formed therein, each having a polymer layer base member and a second polymer layer member.
  • two or more poins according to the invention can be blinded as a single arrangement optionally already provided with electrodes and / or poled with opposite electrical charges, a stack are formed.
  • the stacked single-padded sandwiches may be sandwiched, wherein the second polymeric layered element is formed from a recessed polymeric layer and a second polymeric layered base and wherein the recesses comprise a polymer layer between the first and second polymeric layer electret layers Base element is arranged.
  • the recesses of the recesses comprising polymer layer are on one side by the electret layer of the first
  • two adjacent polymer layers of different individual arrangements have the same charge polarization.
  • two adjacent polymer layers can be used.
  • carrier layers different individual arrangements contact the same electrode.
  • the invention further relates to a method for producing an electromechanical transducer, in particular an electromechanical transducer according to the above-described
  • inventive method for producing an electromechanical transducer at least comprising a polymer layer composite with cavities formed therein comprises the steps:
  • a polymer layer base element comprising a support layer having a softening temperature Tg A and a surface connected thereto electret layer having a softening temperature Tg E , wherein Tg A > Tg E ,
  • the method according to the invention is cost-effective and easy to carry out, since it is possible to resort to established method steps with slight adjustments. Surprisingly, by a process according to the invention, mechanically particularly stable
  • the inventive selection of the polymer layers, in particular the electret layer in the polymer layer base element with a lower compared to the support layer softening temperature Tg Ej facilitates the lamination of the polymer layer composite and allows a particularly good connection of the polymer layers to each other.
  • the lamination temperature is preferably selected to be close to the softening temperature Tgi of the electret layer.
  • the temperature difference between the laminating temperature T L and the softening temperature Tg E of the electret layer ⁇ (T L , T E ) may be less than 10 ° C, preferably less than 5 ° C. According to the invention, the laminating temperature applies here
  • step A) the provision of the
  • Polymer layer base element comprising a carrier layer and an electret layer connected with this area, carried out by co-extrusion or by Sumble-Cast technique.
  • step A) and / or step B) may be the structuring and / or the three-dimensional shaping of the polymer layer base element and / or the second polymer layer element to form a height profile, ie to form elevations and depressions , include.
  • This can be done for example by an embossing process.
  • the embossing process can be carried out using a structured roller or by means of a stamping die. Both when using a structured roller as well as in the case of structured embossing dies used, in each case a height profile can be transferred to the polymer layers. It is also possible, on the surface of the embossing tool, so the roller or the punch, positive or
  • the electret layer to transfer can take place directly after the extrusion of the polymer layers or else as a one-step process, for example in a hot press. It is also included according to the invention that the respective polymer layer elements and / or individual polymer films can be processed from both surface sides with an embossing tool. For example, a polymer layer base element and / or a second polymer layer element can be embossed from the top and the bottom, each with a structured roller and thus structured.
  • a polymer layer element may be heated to a temperature near the softening temperature (glass transition temperature) of at least one of its polymer layers, for example, the support layer, and then abruptly
  • polycarbonate fibers for example Macrofol from Bayer MaterialScience AG
  • the films can be pressurized with an air pressure of 250 bar and pressed onto a mold and can the
  • Adjust tool contour and be permanently deformed This can also be transferred according to the invention to two-layer polymer layer base elements and / or second polymer layer elements.
  • the mentioned structuring variants have the advantage that position-accurate transmission of the respective desired profile to the polymer layers, in particular polymer films, is made possible. Both shape and dimensions of the then formed in the polymer layer composite
  • Cavities can advantageously be chosen almost freely using the above-mentioned methods and can be adapted to the desired mechanical and electrical requirements of a desired application, depending on the poling characteristics selected and their properties and the respective layer thicknesses.
  • the combination of polymer layer properties and the shape and dimensioning of the formed cavities is chosen so that the distance to be held foil sections can not touch in any case of use.
  • the said structuring methods also have the advantage that they can be automated and, if appropriate, can be carried out as a continuous process.
  • the method may further include the method step E): charging the arrangement resulting from method step D), in particular the inner surfaces of the trained cavities, with opposite electrical charges include.
  • the charging can be done for example by tribocharging, Elektronenstrahibeschuss, applying an electrical voltage to existing electrodes or corona discharge.
  • the charging can be done by a two-electrode corona arrangement.
  • the needle voltage may be at least> 20 kV, for example at least> 25 kV, in particular at least> 30 kV.
  • the charging time can be at least> 20 s, for example at least> 30 s, in particular at least> I min. be.
  • a corona treatment is advantageously also industrially applicable on an industrial scale.
  • the method may further comprise, before and / or after an electrical charging of the inner surfaces of the cavities formed in the polymer layer composite in step E), the method step F) of applying an electrode to the polymer layer base element, in particular to a
  • Polymer layer element include.
  • the electrodes can also already be provided together with the polymer layer base element and / or the second polymer layer element, in particular each formed thereon.
  • the electrodes can be applied by methods known to those skilled in the art. For example, established methods such as splinters are used for this purpose. Spraying, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), printing, knife coating, spin coating in question.
  • the electrodes can also be glued in prefabricated form.
  • the electrode materials may be conductive materials known to those skilled in the art.
  • conductive materials for example metals, metal alloys, semiconductors, conductive oligo- or polymers, such as polythiophenes, polyanilines, polypyrroles, conductive oxides or mixed oxides, such as indium tin oxide (ITO), or m with conductive fillers filled polymers in question.
  • Suitable fillers for polymers filled with conductive fillers are, for example, metals, conductive carbon-based materials, for example carbon black, carbon nanotubes (CNTs), or conductive oligo- or polymers.
  • the filler content of the polymers is thereby preferably above the percolation threshold, which is characterized in that the conductive fillers form continuous electrically conductive paths.
  • the electrodes may also be structured in the context of the present invention.
  • a patterned electrode may be configured as a conductive coating in stripes or in lattice form.
  • the sensitivity of the electromechanical transducer can additionally be influenced and adapted to specific applications.
  • the electromechanical transducer can additionally be influenced and adapted to specific applications.
  • Electrodes be structured such that the converter has active and passive areas.
  • the electrodes may be structured in such a way that, in particular in the sensor mode, signals are detected in a spatially resolved manner and / or, in particular in the actuator mode, the active regions can be specifically controlled. This can be achieved, for example, by providing the active regions with electrodes, whereas the passive regions have no electrodes.
  • the steps A) B), C), D) E) and / or F) can be carried out as a continuous roll-to-roll process.
  • the production of the electromechanical transducer can therefore be carried out, at least in part, as a continuous process, preferably as a roll-to-roll process. This is particularly advantageous for the application of the processes on an industrial and industrial scale.
  • the automation of at least part of the manufacturing processes simplifies the method provided and enables the cost-effective production of the electromechanical, in particular piezoelectric, transducers. According to the invention, advantageously all steps of the method can be accessible to automation.
  • the stacking of two or more arrangements resulting from the method steps D), E) or F) can be included in a method step G).
  • electromechanical transducer in particular piezoelectric, transducer as a sensor.
  • Generator and / or actuator can electromechanical transducer according to the invention in the field of energy from mechanical vibrations (energy harvesting), acoustics, ultrasound, medical diagnostics, acoustic microscopy, mechanical sensors, in particular pressure force and / or strain sensors, robotics and / or communications technology, in particular in loudspeakers, vibration converters, light deflectors, membranes, modulators for
  • Fiber optics, pyroelectric detectors, capacitors and control systems are used.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a polymer layer Basisclcment.
  • Fig. 2 is a schematic cross-section through an embodiment of a second
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a polymer layer base element 1, comprising a carrier layer 1a having a softening temperature Tg A and an electret layer 1b connected to it in a planar manner with a softening temperature Tg E.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a polymer layer base element 1, comprising a carrier layer 1a having a softening temperature Tg A and an electret layer 1b connected to it in a planar manner with a softening temperature Tg E.
  • the polymer layer base element 1 is a two-layer polymer element, wherein the polymer layers. So the Trägcr Anlagen la and the electret I b. preferably continuously, that is essentially formed without recesses or gas inclusions.
  • Enveichungstemperatur Tg A of the support layer l a The polymeric material of the carrier layer 1 a can thus ensure the thermal and mechanical stability, while the electret layer 1 b can be designed such that it is advantageous as an adhesive layer to another
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an embodiment of a second
  • Polymer layer element 2 forms a polymer layer composite consisting of a polymer layer base element 1 and a polymer layer 3 connected thereto, which comprises recesses 4.
  • FIG. 2 illustrates that the polymer layer base element 1 in this embodiment of the second polymer layer element 2 is connected with its electret layer 1b to the polymer layer 3 comprising the recesses 4.
  • FIG. 3 a shows a schematic cross section through a polymer layer composite as
  • the second polymer layer element 2 comprises, in this embodiment, a polymer layer 3 comprising recesses 4 and a second polymer layer base element 1 connected thereto.
  • FIG. 3a illustrates that both polymer layer base elements C I in the polymer layer composite with their electret layer I b with the Recesses 4 comprehensive polymer layer 3 are connected.
  • the recesses 4 of the polymer layer 3 are in this case by the electret I b of the first
  • Base element 1 on the one hand and through the electret I b of the second base member I on the other side to form cavities 5 ⁇ tapped.
  • FIG. 3b shows a schematic cross section through the arrangement shown in FIG. 3a after a polarization according to step E) of the method according to the invention.
  • FIG. 3b illustrates that the negative charges on the first continuous electret layer 1b and the positive charges on the second continuous electret I b separated and localized.
  • the layers Ebb1b can be selected according to the invention according to their good charge storage properties, in this way particularly good piezoelectric properties of the resulting electromechanical transducer can be achieved. Optimization can be achieved in this connection by using different materials for the two electret layers 1b and one being a particularly good charge store for positive charges and the other correspondingly a particularly good charge store for negative charges.
  • FIG. 3c shows a schematic cross section through the arrangement shown in FIG. 3a after the charging process and after the application of electrodes 6.
  • the carrier layers 1a of the first and second base elements 1 each contact an electrode 6.
  • the electrodes 6 are here as electrode layers on the surface sides the first and second carrier layer la are formed, which are arranged on the side facing away from the recesses 4 polymer layer 3 side of the Polymer Mrs-Basiselcmcnte I.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through an electromechanical transducer according to the invention, comprising a three-dimensionally structured base element 10 connected to a non-structured base element 1.
  • FIG. 4 illustrates that both base elements 1, 10 with their electret layers 1b, 10b facing one another, form each other Cavities 5, preferably by means of lamination. are connected.
  • the respective carrier layers l a. 10a and / or electret layers 1b, 10b of the two base elements 1, 10 can be designed according to the invention both from the same material or from different polymeric materials. Become
  • Electret layers l b, 10b made of the same polymeric material, used can be a particularly good connection of the electret I b. to give one another. If, however, with different electret layers I b, 10b for the first structured base element 10, for example, a
  • Electret layer 10b selected from a polymeric material, which can store very good positive charge and the electret I b of the second base member 1 of a polymeric
  • Example I Materials formed, however, which can store negative charges particularly well, the electrical properties of the resulting electromechanical transducer can be optimized.
  • the structuring of the first base element 10 can be achieved, for example, by an embossing process.
  • Polymer layer composite was formed as shown in FIG. To charge the assembly, a corona treatment at 30 kV, 60 s was selected which resulted in Paschen discharge in the formed cavities and in the formation of opposite charges on the opposing polymer layers. If pressure is exerted on the arrangement according to the invention, this results in a voltage. A piezoelectric constant d 33 of 70 p (7N) was achieved The polymer layer composite showed surprisingly good mechanical stability, good adhesion of the polymer layers to one another and good piezoelectric properties.
  • charge storage properties tend to be fragile, so its applicability is usually limited. This could according to the invention by the use of a

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mindestens umfassend einen Polymerschichtverbund mit darin ausgebildeten Hohlräumen (5), wobei der Polymerschichtverbund mindestens ein Polymerschicht-Basiselement (1) umfassend eine Trägerschicht (a) mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht (1b) mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei TgA > TgE ist, und - ein zweites Polymerschicht-Element (2) umfasst, wobei das Polymerschicht-Basiselement (1) mit seiner Elektretschicht (1b) mindestens teilweise mit dem zweiten Polymerschicht-Element (2), unter Ausbildung von Hohlräumen (5), verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen, beispielsweise piezoelektrischen, Wandlers sowie dessen Verwendung.

Description

Elektromechanischer Wandler mit einem zweischichtigen Basiselement und Verfahren zur Herstellung eines solchen elektromechanischen Wandlers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mit einem zweischichtigen Polymcrschicht-Basisclement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Weiterhin betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines solchen elektromechanischen Wandlers.
Elektromechanische Wandler nutzen die Fähigkeit einiger Materialien, ein elektrisches Potential aufgrund einer ausgeübten mechanischen Belastung auszubilden aus. Diese Eigenschaft bezeichnet man als Piezoelektrizität. Etablierte piezoelektrische Materialien sind Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) und fluorierte Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF). Piezoelektrisches Verhalten wurde auch in geschäumtem, geschlossenporigen Polypropylen (PP) beobachtet. Um Piezoelektrizität zu erreichen, wird ein solcher Polypropylenschaum in einem hohen elektrischen Feld aufgeladen.
Dadurch finden innerhalb der Poren elektrische Durchschläge statt, weiche Makrodipole generieren und das Material makroskopisch polarisieren. Derartige Polypropylenferroelektrete können einen piezoelektrischen Koeffizienten von einigen Hundert Pikocoulomb pro Newton aufweisen. Um die Sensitiv ität der Sensorwirkung weiter zu erhöhen, wurden Mehrschichtsysteme aus mehreren übereinander gestapelten Schäumen entwickelt.
Gerhard et al. (2007 Annual Report Conference on Electrica! Insulation and Dielectric Phenomena,
Seiten 453 bis 456) beschreibt ein Dreischichtferroeiektret, in dem ein Polytetrafluorethylenfilm, welcher durch mechanisches oder laserbasiertes Bohren mit einer Vielzahl von gleichförmigen, durchgehenden Aussparungen versehen wurde, zwischen zwei gleichförmigen
Fluorethyienpropylenfilmen angeordnet ist.
Eine vorteilhaft einfache Hersteillingsmethode für Ferroelektrete mit röhrenförmigen Hohl räumen homogener Größe und Struktur wurde von R A. P. Altafim, X . Qiu, W. Wirges, R. Gerhard, R. A. C. Altafim. H.C. Basso, W. Jenninger und J. Wagner in dem Artikel "Template-based
fluoroethyienepropyiene piezoelectrets with tubulär Channels for transducer applications", akzeptiert zur Publikation im Journal of Applied Physics. beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird zunächst eine Sandwichanordnung zweier FEP-Folien (FEP: Perfluorethylenpropylen- Copolymer)und einer dazwischen eingelegten PT F E - asken fo I i e bereitgestellt. Der gebildete Folienstapel wird laminiert, die FEP-Folien miteinander verbunden und nachfolgend die Maskenfolie unter Freigabe der Hohlräume entfernt.
Elektromechanische Wandler, insbesondere piezolektrische Wandler, sind für kommerzielle Anwendungen, beispielsweise für Sensor- und Aktorsysteme, weiterhin von zunehmendem Interesse. Für die Wirtschaftlichkeit ist dabei eine Anwendbarkeit eines Herstellungsverfahrens im industriellen
Maßstab essentiell.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Elektromechanische Wandler der eingangs genannten Art anzugeben sowie Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die einfach und kostengünstig auch im großtechnischen und industriellen Maßstab durchführbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektromechanischen Wandler umfassend einen PoK mcrschichtvcrbund mit darin ausgebildeten Hohlräumen dadurch gelöst, dass der
Polymerschichtverbund mindestens ein Polymcrschicht-Basiselement umfassend eine Trägerschicht mit einer
Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei die Erweichungstemperatur der Trägerschicht TgA > TgE der Erweichungstemperatur der Elektretschicht ist (TgA > Tg, ) und ein zweites Polymerschicht-Element umfasst, und das Polymerschicht-Basisclcmcnt mit seiner Elektretschicht mindestens teilweise mit dem zweiten Polymerschicht-Element, unter Ausbildung von Hohlräumen, verbunden ist.
Die erfindungsgemäßen Polymerschichtverbundc weisen mit anderen Worten übereinander geschichtete Polymerfilme, insbesondere Polymerfolien, und mindestens zwischen jeweils zwei Polymerfolien ausgebildete Hohlräume auf. Die Polymerfolien sind dabei zwischen den Hohlräumen miteinander verbunden. Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist, dass mindestens das
Polymcrschicht-Basiselement ein zweischichtiger Polymerverbund aus einer Trägerschicht und einer Elektretschicht ist.
Die Erweichungstemperatur wird auch Glasübergangstemperatur genannt und ist die Temperatur, bei der ein amorphes Polymer vom flüssigen oder gum unelastischen, flexiblen Zustand in den glasartigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergeht. Erfindungsgemäß umfassen die Angaben und Bereiche zu den Erweichungstemperaturen Tg der Polymerschichten gegebenenfalls jeweils auch die Schmelztemperaturen bei gemischtphasigen Polymerschichten, insbesondere aus teilkristallinen polymeren Matenalien.
Das erfindungsgemäße Poiymerschicht-Basiselement ist ein zweischichtiger Aufbau aus zwei PoK merschichten. insbesondere PoK merfilmen. aus unterschiedlichen polymeren Materialien, wobei das polyniere Material der Elektretschicht eine niedrigere Erweichungstemperatur TgE aufweist als das polyniere Material der Trägerschicht. Das Polvmcrschicht-Basiselement wird erfindungsgemäß auch als Basiselement bezeichnet. Das Basiselement wird vorzugsweise aus durchgehenden
Polymerschichten, insbesondere Polymerfilmen, gebildet. Das Basiselement kann jedoch, beispielsweise in der Elektretschicht, auch Ausnehmungen aufweisen.
Die Trägerschicht übernimmt erfindungsgemäß eine Träger- und Stützfunktion für die
Elektretschicht und verleiht dem, gegebenenfalls strukturierten, Basiselement und auch dem resultierenden Polymerschichtverbund mit dem zweiten Polymerschichtelement vorteilhafterweise eine ausreichende mechanische und thermische Stabilität. Die Elektretschicht ist erfindungsgemäß flächig, beispielsweise ganzflächig, mit der Trägerschicht verbunde und ist erfindungsgemäß aus einem polymeren Material mit guten
Ladungsspeichereigenschaften ausgebildet. Durch die Stützfunktion der Trägerschicht kann die Elektretschicht dünner ausgeführt sein als in einer Ausführungsform ohne Trägerschicht.
Es wurde überraschend festgestellt das erfindungsgemäß aufgebaute elektromechanische Wandler neben guten piezoelektrischen Eigenschaften, vorteilhafterweise eine besonders gute Adhäsion zwischen den Polymerschichten und eine besonders gute mechanische Stabilität aufweisen. Die Trägerschichten geben im erfindungsgemäßen Aufbau die notwendige mechanische und thermische Stabilität. Vorteilhafterweise können durch den Einsatz einer Trägerschicht im Verbund auch eher spröde Materialien mit guten Elektreteigenschaften im Polymerschicht-Basisclemcnt zum Aufbau elektromechanischer Wandler eingesetzt werden. Die Elektretschichten können also erfindungsgemäß nach besonders geeigneten Ladungsspeichereigenschaften ausgewählt werden, da die notwendige mechanische Stabilität durch die Trägerschicht erhalten wird. Somit kann auf einfache Weise eine Kombination besonders vorteilhafter Eigenschaften für den erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler erzielt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung können die Materialien für die Polymerschichten in einem erfindungsgemäßen Basis-Polymerschichtelement so gewählt sein, dass die Erweichungstemperatur der Trägerschicht TgA, mindestens > 5 °C, beispielsweise 10 °C höher ist, als die
Erweichungstemperatur der Elektretschicht TgE. Dies erleichtert die Verbindung des Polymerschicht- Basiselements mit dem zweiten Polymerschicht-Element, insbesondere durch ein Laminierverfahren. Hierbei kann die Elektretschicht vorteilhafterweise gleichzeitig als Klebeschicht dienen, zum anderen kann die Trägerschicht eine ausreichende mechanische Stabilität beibehalten, gegebenenfalls auch die vorhandenen dreidimensionalen Strukturen des Basiselements stützen. Die Trägerschicht kann erfindungsgemäß grundsätzlich aus Polymeren oder Polymermischungen ausgebildet sein oder solche umfassen, die eine geeignete Verbindung mit der Elektretschicht zulassen und eine ausreichende Trägerfunktion und damit mechanische und thermische Stabilität aufweisen. Beispielsweise kann im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Trägerschicht mindestens ein Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Polvtetrafluorethylen (PTFE), Polycarbonaten und Mischungen dieser Polymere umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine Elektretschicht grundsätzlich aus jedem Polymer beziehungsweise Polymergemisch ausgebildet sein, welches geeignet ist, Ladungen über einen langen Zeitraum, beispielsw eise einige Monate oder Jahre, zu halten. Bevorzugt kann nach der Erfindung eine Elektretschicht mindestens ein Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Polycarbonaten, perfluorierten oder teilfluorierten Polymeren und Co-Polymeren, wie
Polytetrailuorethylen (PTFE), Fluorethylenpropylen (FEP), Perfluoralkoxyethylenen (PFA), Polyestern, wie Polyethyienterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthaiat (PEN), Polyimiden, insbesondere Polyetherimid, Polyethern, Polymethylmethacrylaten. Cyclo-Olefin-Poiymeren, Cyclo- Oiefin-Copolymeren (COC), Polyolefinen, wie Polypropylen, und Mischungen dieser Polymere umfassen oder daraus ausgebildet sein. Derartige Polymere können eine eingebrachte Polarisierung vorteilhafterweise über lange Zeit halten.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im fertig gestellten
elektromechanischen Wandler die Trägerschicht eine Schichtdicke von > 6 um bis < 125 um bevorzugt von > 10 μιη bis < 100 μ ι. beispielsweise > 15 um bis < 75 μιη aufweisen, und/oder die Elektretschicht eine Schichtdicke von > 6 μηι bis < 125 μιη. bevorzugt von > 10 um bis < 100 μιη, beispielsweise > 15 um bis < 75 μηι aufweisen, und/oder das Polymerschicht-Basiselement, umfassend die Trägerschicht und die Elektretschicht, eine Gesamtschichtdicke von > 20 μ ι bis < 250 μιη , bevorzugt von > 30 μιη bis < 150 μηι. beispielsweise > 50 um bis < 100 μιη aufweisen.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Schicludicke der Elektretschicht relativ zur Schichtdicke der Trägerschicht dünner ausgeführt sein. Die Trägerschicht kann dabei zusätzlich aus billigerem Material hergestellt sein. Gegenüber einer einzelnen freitragenden Elektretschicht ohne Trägerschicht ist es erfindungsgemäß darüber hinaus möglich, die erfindungsgemäße Elektretschichten jeweils dünner auszuführen als in einer Ausgestaltung ohne Trägerschicht, da die notwendige Stabilität durch die Trägerschicht verliehen wird. Daher kann erfindungsgemäß die Elektretschicht deutlich Material-sparender ausgeführt sein. Hierdurch kann eine kostengünstigere Herstellbarkeit bei gleichbleibend guten oder sogar verbesserten elektromechanischen und mechanischen Eigenschaften des resultierenden elektromechanischen Wandlers bereitgestellt werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das zweite Polymerschicht-Element mindestens eine erste Aussparungen umfassende Polymerschicht und eine durchgehende Polymerschicht, das heißt ohne Aussparungen oder Hohlräume innerhalb dieser Schicht, umfassen. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß damit ein Polymcrschichtverbund als Sandwichaufbau aus mindestens einem Polymcrschicht-Basiselement. einer durchgehenden Polymerschicht und einer dazwischen angeordneten Aussparungen umfassenden Polymerschicht bereitgestellt. Diese Aussparungen umfassende Polymerschicht kann der gesamten Anordnung Flexibilität verleihen und sie entlang ihrer Dicke weicher machen. Hierdurch kann die piezoelektrische Konstante d33 und damit die Sensitivität des elektromechanischen Wandlers erhöht werden.
In Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Polymerschicht-Element mindestens ein zweites Polymerschicht-Basiselement, umfassend eine Trägerschicht mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei TgA > TgE, umfassen oder als solches ausgebildet sein. Mit anderen Worten können erfindungsgemäß beispielsweise zwei Polymerschicht-Basiselemente miteinander einen Polymerverbund mit darin ausgebildeten Hohlräumen bilden. Vorzugsweise sind dabei jeweils die Elektretschichten direkt miteinander verbunden.
Es ist erfindungsgemäß dabei im Rahmen dieser Ausgestaltung möglich, dass zwei gleiche
Polymerschicht-Basiselemente miteinander einen Polymerverbund bilden. Die entsprechenden Polymerschichten bestehen in diesem Fall aus jeweils dem gleichen polymcren Material. So sind beispielsweise die Elektretschichten beider Basiselemente aus dem gleichen Material ausgebildet. Dies gilt in dieser Ausführungsform gleichermaßen für die Trägerschichten. Sind, wie
erfindungsgemäß bevorzugt, die Elektretschichten zueinander gerichtet, so kann sich hierdurch vorteilhafterweise eine besonders gute Verbindbarkeit der Schichten und damit eine verbesserte mechanische Stabilität der Verbindung ergeben.
Gleichermaßen ist erfindungsgemäß umfasst. dass zwei unterschiedliche mit unterschiedlichen Polymerschichten, also Träger und/oder Elektretschichten, aufgebaute PoK merschicht-Basiselemente miteinander einen Polymcrschichtverbund bilden. Es können in den beiden Basiselementen zum Beispiel die gleichen Trägerschichten, jedoch unterschiedliche Elektretschichten mit gleichen oder unterschiedlichen Erweichungstemperaturen TgE eingesetzt werden oder umgekehrt. Hierdurch ergibt sich erfindungsgemäß vorteilhafterweise eine gute Einstellbarkeit der benötigten und gewünschten Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf spezielle Anwendungen des resultierenden elektromechanischen Wandlers. Erfindungsgemäß kann beispielsweise das erste Basiselement eine Elektretschicht aufweisen, welche besonders gut positive Ladungen speichern kann, während das zweite Basiselement eine Elektretschicht aufweisen kann, welche besonders gut zur Speicherung negativer Ladungen geeignet ist und umgekehrt. Hierdurch können demgemäß die elektrischen Eigenschaften des resultierenden elektromechanischen Wandlers optimiert werden.
Im Rahmen einer alternativen Ausfiihrungsform kann als erfindungsgemäßer Polynierschichtverbund zum Beispiel auch eine Sandwich-Anordnung aus zwei Polvmerschiclu-Basiselementen mit einer dazwischen angeordneten Aussparungen umfassenden Polymerschicht bereitgestellt werden. Das zweite Polymerschicht-Element wird mit anderen Worten aus einer Aussparungen umfassenden Polymerschicht und einem zweiten Basiselement gebildet. Hierbei sind vorzugsweise jeweils die Elektretschichten mit der mittleren Aussparungen umfassenden Polymerschicht verbunden. Die Aussparungen sind demgemäß dann unter Ausbildung von Hohlräumen, bevorzugt durch die Elektretschichten, verschlossen. Die Trägerschichten bilden damit die von der Aussparungen umfassenden Schicht abgewandten Seiten des Polymerschicht-Basiselements in einem solchen Polyinerschichtverbund. Auch in dieser Ausführungsform ist es möglich, dass die Basiselemente gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sind.
Die Aussparungen umfassende Polymerschicht kann beispielsweise ein thermoplastisches Elastomer, wie ein thermoplastisches Polyurethan oder einen thermoplastischen Polyester, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Diese Materialien sind vorteilhafterweise besonders geeignet, einen Polungsprozess in den Hohlräumen zu ermöglichen und die nach dem Aufladungsprozess in den Polymerfilmen gebildeten Ladungsschichten zu separieren, beispielsweise eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Hierdurch kann der gesamten Anordnung eine verbesserte Flexibilität verliehen werden. Darüber hinaus kann der Polymerschichtverbund in seiner Weichheit eingestellt werden. Hierdurch kann die piezoelektrische Konstante d33 und damit die Sensitivität des elektromechanischen Wandlers nochmals erhöht werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Aussparungen umfassende Polymerschicht eine Erweichungstemperatur TgB aufweisen, die niedriger ist, als die jeweiligen Erweichungstemperaturen der benachbarten Polymerschichten des Basiselementes, beispielsweise der jeweiligen Erweichungstemperatur TgE der Elektretschichten, so dass diese mittlere Aussparungen umfassende Schicht zusätzlich als Kiebeschicht zur Verbindung, beispielsweise mit den
Elektretschichten, dienen kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers kann die erste Aussparungen umfassende Polymerschicht eine Schichtdicke von > 10 um bis < 250 μηι haben. Insbesondere kann die erste Aussparungen umfassende Polymerschicht eine Schichtdicke von > 50 μηι bis < 150 um. bevorzugt von > 75 μιη bis < 100 μιη aufweisen.
Die Aussparungen der Aussparungen umfassenden Polymerschicht können erfmdungsgemäß in gleichen oder in unterschiedlichen Formen ausgebildet sein. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers sind dabei zumindest ein Teil der Aussparungen in Formen ausgebildet, weiche keine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen.
Durch eine Kombination aus in unterschiedlichen Formen ausgebildeten Aussparungen kann vorteilhafterweise zum einen das Gesamthohlraumvolumen der resultierenden Hohlräume maximiert werden und zum anderen die elektromechanischen, insbesondere piezoelektrischen, Eigenschaften des elektromechanischen Wandlers gegebenenfalls an eine bestimmte Anwendung, angepasst werden.
Die Aussparungen können in den Aussparungen umfassenden Polymerschichten des
elektromechanischen Wandlers homogen oder heterogen verteilt ausgebildet sein. Insbesondere können die Aussparungen in der ersten Aussparungen umfassenden PoKmerschicht homogen verteilt ausgebildet sein. In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich des herzustellenden elektromechanischen Wandlers kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Aussparungen in einer Aussparungen umfassenden PoKmerschicht gezielt ortsaufgelöst heterogen verteilt auszubilden.
Die Aussparungen der Aussparungen umfassenden PoKmerschicht sind durchgängig, insbesondere in Richtung auf die durchgehenden Polymerschichten, insbesondere Elektretschichten der
PoKmerschicht-Basiselemente. durch die Aussparungen umfassende PoKmerschicht ausgebildet. Die mindestens erste Aussparungen umfassende PoK merschicht kann eine Vielzahl an in einer ersten Form ausgebildeten Aussparungen und eine Vielzahl an in einer zweiten Form ausgebildeten Aussparungen und gegebenenfalls eine Vielzahl an in einer dritten Form ausgebildeten
Aussparungen, et cetera, aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Aussparungen zum Beispiel teilweise oder vollständig in Formen ausgebildet sein, welche eine Querschnittsfläche ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus im Wesentlichen runden, beispielsweise kreisförmigen, elliptischen oder ovalen.
polygoncn, beispielsweise dreieckigen, rechteckigen, trapezförmigen, rautenförmigen, fünfeckigen, sechseckigen, insbesondere wabenförmigen, kreuzförmigen, sternförmigen und teilweise runden und teilweise polygoncn, beispielsweise S-förmigen, Querschnittsflächen, aufweisen. Die Aussparungen der Aussparungen aufweisenden Schichten können beispielsweise auch eine wabenförmige
Querschnittsfläche aufweisen, beziehungsweise sind wabenförmig ausgebildet und/oder angeordnet.
Eine wabenförmig Ausbildung und Anordnung der Aussparungen hat zum einen ein sehr großes Gesainthohlraum volumen zur Folge. Zum anderen kann mit einer wabenförmigen Ausbildung und Anordnung der Aussparungen eine besonders hohe mechanische Stabilität erzielt werden.
Die Größe der Querschnittsflächen kann bei allen Aussparungen der Aussparungen umfassenden Polymerschicht gleich oder unterschiedlich sein. Die Aussparungen und die aus den Aussparungen gebildeten Hohlräume können in Formen mit einer eher geringen Fläche, wie Linien, beispielsweise gebogene oder gerade, einzelne oder gekreuzte Linien, beziehungsweise Umfangslinien von geometrischen Figuren, etwa einer Kreislinie oder einer Umfangslinie eines Kreuzes, oder als Strukturen mit einer größeren Fläche, wie Rechtecke, Kreise, Kreuze, et cetera, ausgebildet werden. Die Form und Dimensionierung der Hohlräume wird vorzugsweise derart eingestellt, dass sich die erste und zweite durchgehende Polymerschicht, insbesondere Polymer-folien, senkrecht zu deren Schichtverlauf innerhalb des Hohlraums nicht berühren können und/oder dass das nach
Fertigstellung des elektromechanischen Wandlers resultierende Gesamthohlraumvolumen möglichst groß ist. Mit anderen Worten sollen sich insbesondere die durch eine Polung auf die inneren
Oberflächen der Hohlräume aufgebrachten positiven und negativen Ladungen nicht berühren können. In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers kann das Polvmerschicht-Basisclcment und/oder das zweite Polymerschicht-Element zum Zweck der
Ausbildung von Hohlräumen im Polymerschichtverbund unter Ausbildung eines Höhenprofi ls mit Erhebungen und/oder Vertiefungen strukturiert, insbesondere dreidimensional geformt, ausgestaltet sein. Durch die mögliche verschiedene Ausbildung von Hohlräumen ist es möglich,
Resonanzfrequenz und Piezoaktmtät, und insbesondere die piezoelektrische Konstante d33, auf eine jeweilige Anwendung variabel einzustellen. Vorteilhafterweise können mit den erfindungsgemäß hergestellten PoK merschichtverbund-Svstemen hohe und gleichmäßige piezoelektrische
Koeffizienten auch für größere Flächen erzielt werden. Dies erschließt diesen elektromechanischen Wandlern grundsätzlich zahlreiche Anwendungen. Ein elektromechanischer Wandler gemäß der Erfindung kann vorzugsweise weiterhin zwei
Elektroden, insbesondere Elektrodenschichten umfassen, wobei eine Elektrode die Trägerschicht des Polymerschicht-Basiselements und die andere Elektrode das zweite Polymerschicht-Element jeweils auf der dem Polymerschicht-Basiselement abgewandten Oberflächenseite kontaktiert.
Ein erfindungsgemäßer elektromechanischer Wandler kann auch zwei oder mehr aufeinander gestapelte Polymerschichtverbunde mit darin ausgebildeten Hohlräumen umfassen, welche jeweils ein Polymerschicht-Basiselement und ein zweites Polymerschicht-Element aufweisen. Mit anderen Worten kann aus zwei oder mehr erfindungsgemäßen PoK inen erblinden als Einzel-Anordnung, die gegebenenfalls bereits mit Elektroden versehen und/oder mit entgegen gesetzten elektrischen Ladungen gepolt sind, ein Stack gebildet werden.
Beispielsweise können die in einem Stack übereinander angeordneten Einzel-PoKmerschichtverbunde Sandwich- Anordnungen sein, wobei das zweite Polymerschicht-Element aus einer Aussparungen umfassenden Polymerschicht und einem zweiten Polymerschicht-Basiselement gebildet wird und wobei die Aussparungen umfassende Polymerschicht zwischen den Elektretschichten des ersten und des zweiten Polymerschicht-Basiselements angeordnet ist. Die Aussparungen der Aussparungen umfassenden Polymerschicht werden auf einer Seite durch die Elektretschicht des ersten
Polymerschicht-Basiselements und auf der anderen Seite durch die Elektretschicht des zweiten Polymerschicht-Basiselements unter Ausbildung von Hohlräumen verschlossen. Dabei können die Trägerschicht eines ersten Polymerschichtverbunds und eine Trägerschicht des zweiten
Polymerschichtverbiinds in einem Stack jeweils eine Elektrode kontaktieren. Vorzugsweise weisen dabei zwei benachbarte Polymerschichten unterschiedlicher Einzel-Anordnungen die gleiche Ladungspolarisation auf. Insbesondere können dabei zwei benachbarte Polymerschichten.
beispielsweise Trägerschichten, unterschiedlicher Einzel-Anordnungen die gleiche Elektrode kontaktieren.
Die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen können erfindungsgemäß gegebenenfalls in Kombination miteinander realisiert werden. Hinsichtlich weiterer Merkmale eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Verwendung verwiesen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers, insbesondere eines elektromechanischen Wandlers gemäß den vorstehend beschriebenen
verschiedenen Ausfuhrungsformen allein oder in Kombination miteinander. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers mindestens umfassend einen Polymerschichtverbund mit darin ausgebildeten Hohlräumen, umfasst die Schritte:
A) Bereitstellen eines Polymerschicht-Basiselements, umfassend eine Trägerschicht mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei TgA > TgE ist,
B) Bereitstellen eines zweiten Polymerschicht-Elements, C) Anordnen des Polymerschicht-Basiselements auf dem zweiten Polymerschicht- Element, wobei die Elektretschicht zum zweiten Polymerschichtelemont hin gerichtet ist; und
D) Verbinden des Polvmerschicht-Basiselements mit dem zweiten Polymerschicht- Element zu einem Polymerschichtverbund mit darin ausgebildeten Hohlräumen mittels Laminieren, wobei die gewählte Laminier-Temperatur TL niedriger ist als die Erweichungstemperatur TgA und größer oder gleich der ErweichungstemperaturTgE ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig und einfach durchzuführen, da mit geringen Anpassungen auf etablierte Verfahrensschritte zurückgegriffen werden kann. Überraschenderweise können nach einem Verfahren gemäß der Erfindung mechanisch besonders stabile
eiektromechanische Wandler mit guten piezoelektrischen Eigenschaften erhalten werden.
Vorteilhafterweise erleichtert die erfindungsgemäße Auswahl der Polymerschichten, insbesondere der Elektretschicht im Polymerschicht-Basiselement mit einer im Vergleich zur Trägerschicht niedrigeren Erweichungstemperatur TgEj die Laminierung des Polymerschichtverbunds und ermöglicht eine besonders gute Verbindung der Polymerschichten zueinander.
Die Laminiertemperatur wird bevorzugt derart gewählt, dass sie nahe der Erweichungstemperatur Tgi der Elektretschicht liegt. Die Temperaturdifferenz zwischen der Laminier-Temperatur TL und der Erweichungstemperatur TgE der Elektretschicht ΔΤ (TL,TE) kann dabei weniger als 10 °C, bevorzugt weniger als 5 °C, betragen. Erfindungsgemäß gilt dabei für die Laminiertemperatur
| < TgA und TL > TgE.
In einer erfindungsgemäßen Verfahrensvariante kann in Schritt A) die Bereitstellung des
Polymerschicht-Basiselements, umfassend eine Trägerschicht und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht, durch Coextrusion oder durch Soivent-Cast-Technik erfolgen. Diese grundsätzlich etablierten Verfahren der Filmherstellung sind leicht erfindungsgemäß einzusetzen und zudem vorteilhafterweise automatisierbar.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung kann Schritt A) und/oder Schritt B) die Strukturierung und/oder die dreidimensionale Formung des Polymerschicht- Basiselements und/oder des zweiten Polymerschichtelements zur Ausbildung eines Höhenprofils, also zur Ausbildung von Erhebungen und Vertiefungen, umfassen. Dies kann beispielsweise durch einen Prägeprozess erfolgen. Gleichermaßen bevorzugt kann der Prägeprozess unter Verwendung einer strukturierten Walze oder mittels eines Prägestempels erfolgen. Sowohl bei Einsatz einer strukturierten Walze als auch bei eingesetztem strukturiertem Prägestempel kann jeweils ein Höhenprofil auf die Polymerschichten übertragen werden. Es ist dabei auch möglich, auf der Oberfläche des Prägewerkzeugs, also der Walze oder des Prägestempels, Positiv- oder
Negativformen aufzubringen und/oder die Strukturierung dreidimensional auf das Polymerschicht- Basiselement und/oder das zweite Polymerschicht-Element oder nur auf eine Oberflächenseite einer Polymerschicht, beispielsweise der Elektretschicht, zu übertragen. Die Strukturierung kann direkt nach der Extrusion der Polymerschichten oder auch als Einzeiprozess, beispielsweise in einer Heißpresse, erfolgen. Erfindungsgemäß umfasst ist auch, dass die jeweiligen Polymerschicht- Elemente und/ oder einzelne Polymerfolien von beiden Oberflächenseiten mit einem Prägewerkzeug bearbeitet werden können. Beispielsweise kann ein Polymerschicht-Basiselement und/oder ein zweites Polymerschicht-Element von der Ober- und der Unterseite mit jeweils einer strukturierten Walze geprägt und damit strukturiert werden.
In einer anderen alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Strukturierung der
Polymerschicht-Elemente und/oder der Polymerfolien in Schritt A) oder Schritt B) durch
Verformung der gegebenenfalls erwärmten Polymerschichten oder Polymerschicht-Elemente, also Basiselement oder zweites Polymerschichtelcment unter Druckbeaufschlagung, beispielsweise mit Druckluft oder einem anderen Gas, in einem Formwerkzeug mit einem gegebenenfalls
vortemperierten Kontureinsatz erfolgen. Beispielsweise kann ein Polymerschicht-Element auf eine Temperatur nahe der Erweichungstemperatur (Glasübergangstemperatur) mindestens einer seiner Polymerschichten, beispielsweise der Trägerschicht erwärmt und dann schlagartig durch
Beaufschlagung mit Pressiii ft von > 20 bis < 300 bar verformt werden. Beispielsweise können Polycarbonatfölicn (zum Beispiel Macrofol der Bayer MaterialScience AG) knapp unter die Glastemperatur auf 130-140 °C erwärmt werden. Danach können die Fol ien mit einem Luftdruck von 250 bar beaufschlagt und auf ein Formwerkzeug gepresst werden und können sich der
Werkzeugkontur anpassen und dauerhaft verformt werden. Dies kann erfindungsgemäß auch auf zweischichtigen Polymerschicht-Basiselemente und/oder zweite Polymerschicht-Elemente übertragen werden.
Die genannten Strukturieriingsvarianten haben den Vorteil, dass positionsgenau die Übertragung des jeweils gewünschten Profils auf die Polymerschichten, insbesondere Polymerfolien, ermöglicht wird. Sowohl Form als auch Dimensionierung der dann im Polymerschichtverbund ausgebildeten
Hohlräume ist mit den vorstehend genannten Methoden vorteilhafterweise nahezu frei wählbar und kann in Abhängigkeit mit den gewählten Pol y nie rsch i ch t m ate ri al en und deren Eigenschaften und der jeweiligen Schichtdicken auf die gewünschten mechanischen und elektrischen Anforderungen einer gewünschten Anwendung angepasst werden. Die Kombination der Polymerschicht-Eigenschaften und der Form und Dimensionierung der ausgebildeten Hohlräume wird dabei so gewählt, dass die auf Abstand zu haltenden Folienabschnitte sich in keinem Nutzungsfall berühren können. Die genannten Strukturierungsmethoden haben weiterhin den Vorteil, dass sie automatisierbar sind und gegebenenfalls als kontinuierlicher Prozess durchgeführt werden können. Das Verfahren kann in einer anderen Ausgestaltung weiterhin den Verfahrensschritt E): Aufladen der aus dem Verfahrensschritt D) hervorgehenden Anordnung, insbesondere der inneren Oberflächen der im ausgebildeten Hohlräume, mit entgegen gesetzten elektrischen Ladungen umfassen. Das Aufladen kann beispielsweise durch Triboaufladung, Elektronenstrahibeschuss, Anlegen einer elektrischen Spannung an bereits vorhandene Elektroden oder Coronaentladung erfolgen. Insbesondere kann das Aufladen durch eine Zweielektroden-Corona- Anordnung erfolgen. Dabei kann die Nadelspannung mindestens > 20 kV, beispielsweise mindestens > 25 kV, insbesondere mindestens > 30 kV, betragen. Die Aufladezeit kann dabei mindestens > 20 s, beispielsweise mindestens > 30 s, insbesondere mindestens > I min. betragen. Eine Corona- Behandlung ist vorteiihafterweise auch großtechnisch gut einsetzbar. Das Verfahren kann vor und/oder nach einer elektrischen Aufladung der inneren Oberflächen der im Polymerschichtverbund ausgebildeten Hohlräume in Schritt E) weiterhin den Verfahrensschritt F): Aufbringen einer Elektrode auf das Polymerschicht-Basiselement, insbesondere auf eine
vorzugsweise durchgehende Trägerschicht, und einer Elektrode auf das zweite
Polymerschichtelement umfassen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Elektroden jedoch auch bereits zusammen mit dem Polymerschicht-Basiselement und/oder dem zweiten Polymerschicht-Element, insbesondere jeweils auf diesen ausgebildet, bereitgestellt werden.
Die Elektroden können mittels dem Fachmann bekannter Verfahren aufgebracht werden. Hierfür kommen beispielsweise etablierte Verfahren wie Splittern. Sprühen, Aufdampfen, Chemical Vapor Deposition (CVD), Drucken, Rakeln, Spin-Coaten in Frage. Die Elektroden können auch in vorgefertigter Form aufgeklebt werden.
Bei den Elektrodenmaterialien kann es sich um dem Fachmann bekannte leitfähige Materialien handeln. Hierfür kommen beispielsweise Metalle, Metali-Legierungen, Halbleiter, leitfähige Oligo- oder Polymere, wie Polythiophene, Polyaniline, Polypyrrole, leitfähige Oxide oder Mischoxide, wie Indiumzinnoxid (ITO), oder m it leitfähigen Füllstoffen gefüllte Polymere in Frage. Als Füllstoffe f r mit leitfähigen Füllstoffen gefüllte Polymere kommen beispielsweise Metalle, leitfahige Kohlenstoff basierende Materialien, beispielsweise Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbonanotubes (CNTs)), oder leitfahige Oligo- oder Polymere, in Frage. Der Füllstoffgehalt der Polymere liegt dabei vorzugsweise oberhalb der Perkolationsschwelle, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die leitfähigen Füllstoffe durchgehende elektrisch leitfähige Pfade ausbilden.
Die Elektroden können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch strukturiert sein. Eine strukturierte Elektrode kann beispielsweise als leitende Beschichtung in Streifen oder in Gitterform ausgestaltet sein. Hierdurch kann zusätzlich die Sensitivität des elektromechanischen Wandlers becinflusst und auf bestimmte Anwendungen angepasst werden. Beispielsweise können die
Elektroden derart strukturiert sein, dass der Wandler aktive und passive Bereiche aufweist.
Insbesondere können die Elektroden derart strukturiert sein, dass, insbesondere im Sensor-Modus, Signale ortsaufgelöst delektiert und/oder, insbesondere im Aktuator-Modus, die aktiven Bereiche gezielt angesteuert werden können. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die aktiven Bereiche mit Elektroden versehen sind, wohingegen die passiven Bereiche keine Elektroden aufweisen.
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können insbesondere die Schritte A) B), C), D) E) und/oder F) als kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle Prozess durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann die Herstellung des elektromechanischen Wandlers also mindestens teilweise als kontinuierlicher Prozess, vorzugsweise als Rolle-zu-Rolle Prozess, durchgeführt werden. Dies ist besonders vorteilhaft für die Anwendung der Verfahren im großtechnischen und industriellen Maßstab. Die Automatisierung zumindest eines Teils der Herstellungsverfahren vereinfacht das bereitgestellte Verfahren und ermöglicht die kostengünstige Produktion der elektromechanischen, insbesondere piezoelektrischen Wandler. Erfindungsgemäß können vorteilhafterweise alle Schritte des Verfahrens einer Automatisierung zugänglich sein.
Im Rahmen einer weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensvariante kann in einem Verfahrensschritt G) das Aufeinander Stapeln von zwei oder mehr aus den Verfahrensschritten D), E) oder F) hervorgehenden Anordnungen umfasst sein. Mit anderen Worten kann aus zwei oder mehr erfindungsgemäßen Polymerverbunden, die gegebenenfalls bereits mit Elektroden versehen und gepolt sind, vorteilhafterweise ein Stack gebildet werden.
Hinsicht lich weiterer Merkmale eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler und dessen Verwendung verwiesen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen, insbesondere piezoelektrischen, Wandlers als Sensor. Generator und/oder Aktuator. beispielsweise im elektromechanischen und/oder elektroakusti sehen Bereich, insbesondere können erfindungsgemäße elektromechanische Wandler im Bereich der Energiegewinnung aus mechanischen Schwingungen (Energy-Harvesting), der Akustik, des Ultraschalls, der medizinischen Diagnostik, der akustischen Mikroskopie, der mechanischen Sensorik, insbesondere Druck- Kraft- und/oder Dehnungssensorik, der Robotik und/oder der Kommunikationstechnologie, insbesondere in Lautsprechern, Schwingungswandlern, Lichtdeflektoren, Membranen, Modulatoren für
Glasfaseroptik, pyroelektrischen Detektoren, Kondensatoren und Kontrollsystemen verwendet werden.
Hinsichtlich weiterer Merkmale einer erfindungsgemäßen Venvendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem
erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler verwiesen.
Die erfindungsgemäße Herstellung und der Aufbau eines erfindungsgemäßen elektromechanischen, beispielsweise piezoelektrischen, Wandlers wird anhand der Figuren, der folgenden
Figurenbeschreibung und der folgenden Versuchsbeschreibungen näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen und die Versuchsbeschreibungen nur einen beschreibenden
Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Polymerschicht-Basisclcment;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines zweiten
Polymerschicht-Elements ; einen schematischen Querschnitt durch einen Polymerschichtverbund als
Sandwichanordnung mit zwei Polymerschicht-Basiselementen und einer dazwischen angeordneten Aussparungen umfassenden Polymerschicht; einen schematischen Querschnitt durch die in Fig. 3a gezeigte Anordnung nach dem Aufiadungsprozess; einen schematischen Querschnitt durch die in Fig. 3b gezeigte Anordnung nach dem Aufiadungsprozess und nach dem Anbringen von Elektroden; einen schematischen Querschnitt durch einen elektromechanischen Wandler umfassend ein dreidimensional strukturiertes Basiselement verbunden mit einem nicht strukturierten Basiselement. Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Polymerschicht-Basiselement 1, umfassend eine Trägerschicht l a mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine damit flächig verbundene Elektretschicht I b mit einer Erweichungstemperatur TgE. Figur I veranschaulicht, dass das Poiymerschicht-Basiselement 1 ein zweischichtiges Poiymereiement ist, wobei die Polymerschichten. also die Trägcrschicht l a und die Elektretschicht I b. vorzugsweise durchgehend, dass heißt im Wesentlichen ohne Aussparungen oder Gaseinschlüsse, ausgebildet sind. Die
Erweichungstemperatur TgE der Elektretschicht I b ist erfindungsgemäß niedriger als die
Enveichungstemperatur TgA der Trägerschicht l a. Das polymere Material der Trägerschicht l a kann damit für die thermische und mechanische Stabilität sorgen, während die Elektretschicht I b derart ausgestaltet sein kann, dass sie zum einen vorteilhaft als klebcschicht zu einem weiteren
Polymerschicht-Element dienen und zum anderen gute Ladungsspeichereigenschaften bereitstellen kann. Durch dieses erfindungsgemäße Zweischicht-Basiselement I können also vorteilhafte
Eigenschaften miteinander kombiniert in einen Polvmerverbund. insbesondere einen piezoelektrischen Wandler eingebracht werden. Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausfuhrungsform eines zweiten
Polymerschicht-Elements 2. Dieses Poiymerschicht-Elenient 2 bildet einen Polymerschichtverbund aus einem Poiymerschicht-Basiselement 1 und einer damit verbundenen Polymerschicht 3, welche Aussparungen 4 umfasst. Figur 2 verdeutlicht, dass das Polymerschicht-Basiselement 1 in dieser Ausgestaltung des zweiten Polymerschicht-Elements 2 mit seiner Elektretschicht I b mit der Aussparungen 4 umfassenden Polymerschicht 3 verbunden ist.
Figur 3a zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Polymerschichtverbund als
Sandwichanordnung mit zwei Polymerschicht-Basiselementen 1 und einer dazwischen angeordneten Aussparungen 4 umfassenden Polymerschicht. Mit anderen Worten umfasst das erl ndungsgemäßc zweite Polymerschicht-Element 2 in dieser Ausführungsform eine Aussparungen 4 umfassende Polymerschicht 3 und ein damit verbundenes zweites Poiymerschicht-Basiselement 1. Figur 3a verdeutlicht, dass beide Polymcrschicht-Basiselementc I im Polymerschichtverbund mit ihrer Elektretschicht I b mit der Aussparungen 4 umfassenden Polymerschicht 3 verbunden sind. Die Aussparungen 4 der Polymerschicht 3 sind hierbei durch die Elektretschicht I b des ersten
Basiselements 1 auf der einen Seite und durch die Elektretschicht I b des zweiten Basiselements I auf der anderen Seite unter Ausbildung von Hohlräumen 5 \ erschlossen.
Figur 3b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in Figur 3a gezeigte Anordnung nach einer Polung gemäß Schritt E) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Figur 3b veranschaulicht, dass die negativen Ladungen auf der ersten durchgehenden Elektretschicht I b und die positiven Ladungen auf der zweiten durchgehenden Elektretschicht I b voneinander getrennt und lokalisiert sind. Da die Eicktretschichten lb erfindungsgemäß nach ihren guten Ladungsspeichereigenschaften ausgewählt werden können, können hierdurch besonders gute piezoelektrische Eigenschaften der resultierenden elektromechanischen Wandler erzielt werden. Eine Optimierung kann in diesem Zusammenhang dadurch erzielt werden, dass unterschiedliche Materialien für die beiden Elektretschichten Ib verwendet werden und die eine ein besonders guter Ladungsspeicher für positive Ladungen und die andere entsprechend ein besonders guter Ladungsspeicher für negative Ladungen ist.
Figur 3c zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in Figur 3a gezeigte Anordnung nach dem Aufladungsprozess und nach dem Anbringen von Elektroden 6. Die Trägerschichten l a des ersten und zweiten Basiselements 1 kontaktieren jeweils eine Elektrode 6. Die Elektroden 6 sind dabei als Elektrodenschichten jeweils auf den Oberflächenseiten der ersten und zweiten Trägerschicht l a ausgebildet, welche auf der der Aussparungen 4 umfassenden Polymerschicht 3 abgewandten Seite der Polymerschicht-Basiselcmcnte I angeordnet sind.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler, umfassend ein dreidimensional strukturiertes Basiselement 10 verbunden mit einem nicht strukturierten Basiselement 1. Figur 4 verdeutlicht, dass beide Basiselemente 1, 10 mit ihren Elektretschichten lb, 10b zueinander gewandt, miteinander unter Ausbildung von Hohlräumen 5, vorzugsweise mittels Laminieren. verbunden sind. Die jeweiligen Trägerschichten l a. 10a und/oder Elektretschichten I b, 10b der beiden Basiselemente 1, 10 können erfindungemäß sowohl aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen polymeren Materialien ausgestaltet sein. Werden
Elektretschichten l b, 10b aus gleichem polymeren Material, eingesetzt kann sich eine besonders gute Verbindung der Elektretschichten I b. lObmiteinander ergeben. Wird dagegen bei unterschiedlichen Elektretschichten I b, 10b für das erste strukturierte Basiselement 10 beispielsweise eine
Elektretschicht 10b aus einem polymeren Material gewählt, welches besonders gut positive Ladung speichern kann und die Elektretschicht I b des zweiten Basiselements 1 aus einem polymeren
Material ausgebildet, welches dagegen negative Ladungen besonders gut speichern kann können die elektrisch Eigenschaften des resultierenden elektromechanischen Wandlers optimiert werden. Die Strukturierung des ersten Basiselements 10 kann beispielsweise durch eine Prägeprozess erzielt werden. Beispiel I
Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers Für ein erstes und ein zweites durchgehende Poh nierschicht-Basiselement mit einer Gesamtdickc von 60 um wurde ein Coextrudat aus dem jeweils gleichen Polycarbonat A P HC als Trägerschicht mit einer Erw eichungstemperatur TgA = 180 °C und einer Dicke von 50μηι und jeweils dem gleichen Polycarbonat Makroion κ 3108 als Elektretschicht mit einer Erweichungstemperatur TgE = 150 °C und einer Dicke von ΙΟμιη hergestellt. Das erste Polymerschicht-Basiselcment w urde durch eine Walzcnprägung unter Ausbildung eines Höhenprofils dreidimensional strukturiert während das zweite Basiselement, als zweites Polymerschicht-Element, eben und unstriikturiert belassen w urde. Beide Basiselemente w urden mit ihren Elektrctschichtcn zueinander gewandt miteinander, unter Ausbildung von Hohlräumen, mittels Laminieren bei 140°C verbunden, so dass ein
Polymerschichtvcrbund entstand, w ie er in Figur 3 wiedergegeben ist. Zur Aufladung der Anordnung wurde eine Coronabehandlung bei 30 kV, 60 s gewählt, die zu einer Paschen-Entladung in den ausgebildeten Hohlräumen und zu einer Ausbildung entgegen gesetzter Ladungen auf den sich gegenüberliegenden Polymerschichten führte. Wird ein Druck auf die erfindungsgemäßc Anordnung ausgeübt, resultiert hieraus eine Spannung. Es wurde eine piezoelektrische Konstante d33 von 70p(7N erzielt. Der Polymerschichtverbund zeigte eine überraschend gute mechanische Stabil ität, eine gute Adhäsion der Polymerschichten zueinander und gute piezoelektrische Eigenschaften.
Beispiel 2
Herstellung einer erfindungsgemäßen Polymerschicht-Basiselements Für die Herstellung eines Basiselements w urde ein Polycarbonatlilm APE mit einer
Erweichungstemperatur TgA = 1 0 °C und ein Polymerfilm aus Cycloolefin Copolymcr (COC) mit einer Erweichungstemperatur TgE = 170 °C coext radiert. Es resultierte ein Basiselement mit einer Gesamtdicke von 60 μηι, wobei die Trägerschicht eine Dicke von 50 um und die Elektretschicht einer Dicke von 10 μιη auf ies. Cycloolefin Copolymer (COC) hat besonders gute
Ladungsspeichereigenschaften, neigt jedoch andererseits zur Brüchigkeit, so dass normalerweise seine Anwendbarkeit limitiert ist. Dies konnte erfindungsgemäß durch den Einsatz einer
Trägerschicht im Polymcrschicht-Basisclement überraschend überwunden w erden, so dass die hervorragenden Elektreteigenschaften des Cycloolefin Copolymers in erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlern kombiniert mit guten mechanischen und thermischen Eigenschaften umgesetzt werden können.

Claims

Patentansprüche
Elektromechanischer Wandler mindestens umfassend einen PoK merschichU erbiind mit darin ausgebildeten Hohlräumen (5),
d a d ii r c h gekennzeichnet, dass,
der Polymcrschichtvcrbund mindestens
ein Polvmerschicht-Basiselcment (1) umfassend eine Trägerschicht (la) mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht (1b) mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei TgA > TgE ist, und ein zweites Polymerschicht-Element (2) umfasst, wobei das Polvmerschicht-Basiselcment (1) mit seiner Elektretschicht (lb) mindestens teilweise mit dem zweiten Polymerschicht-Element (2) unter Ausbildung von Hohlräumen (5), verbunden ist.
Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerschicht (la) mindestens ein Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polycarbonaten und Mischungen dieser Polymere umfasst oder daraus ausgebildet ist.
Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass,
das die Elektretschicht (lb) mindestens ein Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polycarbonaten. perfluorierten oder teilfluorierten Polymeren und Co-Polymeren, wie
Polytetrafluorethylen (PTFE), Fluorethylenpropylen (FEP), Perfluoralkoxyethyienen (PFA), Polyestem. wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN), Polyimiden, insbesondere Polvetherimid, Polyethem, Polymethylmethacrylaten, Cyclo-Olefin-Polymeren, Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC), Polyolefinen, wie Polypropylen, und Mischungen dieser Polymere umfasst oder daraus ausgebildet ist.
4. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass,
im fertig gestellten elektromechanischen Wandler
die Trägerschicht (la) eine Schichtdicke von > 6 μιη bis < 125 μηι aufweist, und/oder die Elektretschicht (lb) im fertig gestellten elektromechanischen Wandler eine Schichtdicke von > 6 μηι bis < 125 μιη aufweist, und/oder das PoK nicrschicht-Basisclement (1), umfassend die Trägerschicht (la) und die Elektretschicht (lb), eine Gesamtschichtdicke von > 6 um bis < 250 μηι aufweist.
5. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass,
im fertig gestellten elektromechanischen Wandler die Schichtdicke der Elektretschicht (lb) relativ zur Schichtdicke der Trägerschicht (la) dünner ausgestaltet ist.
6. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass.
das zweite PoKmerschicht-Element (2) mindestens eine erste Aussparungen (4) umfassende Polymerschicht (3) umfasst.
7. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche I bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass.
das zweite Poh-Tnerschicht-Element (2) mindestens ein zweites Polvmerschicht-Basisclemcnt (1), umfassend eine Trägerschicht (la, 10a) mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht (lb, 10b) mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei TgA > TgE gilt, umfasst oder als solches ausgebildet ist.
Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
dadurch gekennzeichnet, dass.
das Polvmcrschicht-Basiselement (1) und/oder das zweite Polymerschicht-Element (2) zur Ausbildung von Hohlräumen (5) im Polymerschichtverbund unter Ausbildung von Erhebungen und/oder Vertiefungen strukturiert und/oder dreidimensional geformt ausgestaltet sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers mindestens umfassend einen mit darin ausgebildeten Hohlräumen (5),
gekennzeichnet, durch
die Schritte:
A) Bereitstellen eines Polyinerschicht-Basiselements (1) umfassend eine Trägerschicht
(la) mit einer Erweichungstemperatur TgA und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht (lb) mit einer Erweichungstemperatur TgE, wobei Tg, > TgE ist,
B) Bereitstellen eines zweiten Polymerschicht-Elements (2),
C) Anordnen des Polymerschicht-Basiselements (1) auf dem zweiten Polymcrschicht- Element (2) wobei die Elektretschicht (lb) zum zweiten Polymerschichtelement (2) hin gerichtet ist; und
D) Verbinden des Polymerschicht-Basiselements (1) mit dem zweiten Polymerschicht- Element (2) zu einem Polymerschichtverbund mit darin ausgebildeten Hohlräumen (5) mittels Laminieren, wobei die gewählte Laminier-Temperatur TL niedriger ist als die Erweichungstemperatur TgA und größer oder gleich der
ErweichungstemperaturTgE ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass,
die Temperaturdifferenz zwischen der Laminier-Temperatur TL und der
Erweichungstemperatur TgE der Elektretschicht (lb) AT (TL ,TgE) < 10 °C beträgt.
I I . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass,
in Schritt A) die Bereitstellung des Polymerschicht-Basiselements (1), umfassend eine Trägerschicht (la) und eine mit dieser flächig verbundene Elektretschicht (lb), durch
Coextrusion oder durch Solvent-Cast-Technik erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass.
Schritt A) und/oder Schritt B) die Strukturierung und/oder dreidimensionale Formung des Polymerschicht-Basiselements (1) und/oder des zweiten Polymerschichtelements (2) umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass,
das Verfahren als weiteren Schritt
E) die elektrische Aufladung der inneren Oberflächen der im Polymerschichtverbund ausgebildeten Hohlräume (5) mit entgegen gesetzten elektrischen Ladungen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass.
das Verfahren vor und/oder nach einer elektrischen Aufladung der inneren Oberflächen der ausgebildeten Hohlräume (5) in Schritt E) in einem Schritt
F) die Aufbringung von Elektroden (6) auf das Polvmcrschicht-Basisclcment (1) und/oder auf das zweite Polymerschicht-Element (2)
umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14.
dadurch gekennzeichnet, dass.
es als Verfahrensschritt
G) das Aufeinander Stapeln von zwei oder mehr aus den Verfahrensschritten D), E) und/oder F) hervorgehenden Anordnungen umfasst.
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