EP3058760A1 - Elektretstruktur - Google Patents

Elektretstruktur

Info

Publication number
EP3058760A1
EP3058760A1 EP14753067.9A EP14753067A EP3058760A1 EP 3058760 A1 EP3058760 A1 EP 3058760A1 EP 14753067 A EP14753067 A EP 14753067A EP 3058760 A1 EP3058760 A1 EP 3058760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electret
layer
porous
dielectric layer
electret structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14753067.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Bartylla
Nicolas Maier
Erhard Hirth
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3058760A1 publication Critical patent/EP3058760A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/01—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type

Definitions

  • Electrets are materials that can store electrical charges over a long period of time.
  • Electrets eg in the form of polymer films, but also inorganic electrets such as Si0 2
  • Electrets can be electrically charged by a variety of methods (corona processes, electron beams, contact charging, ).
  • corona processes, electron beams, contact charging, When charging charge carriers are injected into portions of the electret or charge separation in the electret caused, whereby the electret becomes the carrier of an electric field.
  • Charged electrets can be used in a variety of electronic components,
  • Electrets are contacted and charged with electrodes on at least one side to form an electret structure.
  • G.M. Sessler Ed.
  • Electrets Vol. 1, 3rd Edition, Laplacian Press, Morgan Hili, CA, 1999
  • G.M. Sessler Electrets: recent developments, Journal of Electrostatics, Vol. 51-52, pp. 137-145, 2001.
  • a challenge for technically deployable electret structures is the stability of charge separation in the electret for long periods of time, ideally several years or decades for application-relevant ones
  • Ambient conditions e.g., elevated temperatures of, for example, up to 85 ° C
  • elevated temperatures e.g., up to 85 ° C
  • piezoelectrics porous electret films that internally store the charges on pore surfaces have been intensively researched as piezoelectric material ("Piezoelectrics"), as described, for example, in M. Paajanen, J. Lekkala, K. Kirjavainen, ElectroMechanical Film (EM Fi).
  • EM Fi ElectroMechanical Film
  • charge storage such as Teflon FEP, PTFE and PFA, and therefore can be used even at higher temperatures for a long time.
  • porous electret foils pieoelectrons
  • charge carriers only have to travel over relatively short distances in order to meet and recombine with an oppositely charged charge carrier.
  • electrets with very high charge stability are required.
  • suitable materials and pretreatment methods electrets can be achieved which have good charge stability at room temperature and elevated Temperatures and which can potentially be used for the above applications.
  • electrets that are suitable for use under such harsh conditions there are only a few options for choosing electrets that are suitable for use under such harsh conditions
  • DE 44 21 859 C2 shows a filter for cleaning gases with an electret and the electret at least partially surrounding layers of a porous dielectric.
  • the porous dielectric is made of a foam, in particular of an open-cell or open-cell foam.
  • the electret is as a thin layer or plate of a polymer, such. As polytetrafluoroethylene, formed and is polarized by thermal treatment.
  • DE 2 232 264 shows an electret structure, which consists of two thin dielectric films, between which an ionized air layer is introduced.
  • This electret structure can be used as an ultrasonic transducer.
  • the invention describes a novel structure of an electret structure and a method for producing such an electret structure, in which the disadvantages of the prior art are avoided.
  • the migration of charge carriers after the electrical charge is through the
  • Structure according to the invention difficult and thus ensures a high charge stability.
  • an electret structure comprising an electrically conductive support, a first electret layer and a porous dielectric layer interposed between the support and the electret layer is arranged.
  • the electrically conductive carrier preferably forms the electrode of the electret structure according to the invention.
  • the invention is based on the idea of using the porous dielectric layer to separate the charged first electret layer from the back electrode.
  • Dielectric layer between the electret and electrode is thereby significantly increased.
  • the structure of the invention offers the advantage of a stronger spatial separation of positive and negative charges, since the porous layer itself is charged. This significantly reduces the risk of loss of charge due to recombination of charge carriers within the charged electret layer.
  • Electroacoustic transducers which use an electret structure according to the invention are preferably constructed in such a way that the electret structure itself does not oscillate, but instead builds up an electric field, so that the generation or the detection of sound waves follows the known principle of the art
  • a porous dielectric is applied to an electrically conductive carrier which forms the electrode.
  • porous polymers such as porous Teflon (eg PTFE, PFA, FEP, AF etc.), but also other materials with dielectric properties, for example porous ceramics, can be used for this purpose.
  • the porous, dielectric layer thus formed may preferably be metallized on its side facing the carrier or the electrode. As a result, a good electrical connection is advantageously achieved and / or a
  • porous, dielectric layer comprises porous Teflon
  • aluminum for the metallization of the porous, dielectric layer, which has both the electrical connection of the porous
  • an electret material is applied to the porous dielectric layer, for example by laminating a film of teflon (e.g., PTFE, PFA, FEP, AF, etc.) forming the first electret layer in which
  • teflon e.g., PTFE, PFA, FEP, AF, etc.
  • Charge carriers are introduced by charging the film.
  • the outer material e.g., Teflon
  • the outer material may be dropped as a wet solution and then dried.
  • the entire electret structure is sealed off to the side.
  • This can be realized, for example, in that the upper electret layer at the edge of the structure extends to the support and is joined to it (e.g., glued or laminated).
  • Alternative seals are possible, e.g. by applying an adhesive, the side of the electret structure or a ring around the electret structure.
  • a further, second electret layer between the back electrode and the porous dielectric.
  • the metallization of the porous, dielectric layer is omitted in this case.
  • the side of the second electret layer facing the carrier or the return electrode can be metallized.
  • This optional structure can be advantageously chosen if the metallization of the porous dielectric and / or the connection of the porous dielectric to the carrier cause problems due to the material properties.
  • the charge carriers migrate slowly from the surface (or from the volume) of the upper electret layer in the direction of the electrode. In structures known from the prior art with electrets which are applied directly to electrodes, the charge carriers become the electrode after some time
  • the charge carriers from the electret when they have reached the underside of the charged electret layer, reach the porous dielectric.
  • inventive structure has a very high charge stability.
  • the inventive method for producing such an electret structure accordingly comprises the following steps: a) Provision of an electrically conductive carrier, in particular one
  • a Teflon film on the porous dielectric layer d) electrically charging the nonporous electret, whereby the first
  • Electret layer is formed.
  • the sequence of method steps b) and c) is not defined in the context of the invention. It is also possible according to the invention to first apply the porous dielectric layer to the electret material (step c)), for example by lamination, and then to apply the composite of the porous dielectric layer and the electret material to the carrier (step b).
  • the electrical charging of the film in step d) can be carried out, for example, by a corona process, electron beams or contact charging.
  • the electrically charged sandwich structure before use in a component in a further process step f) are additionally pre-aged, for example by aging at a temperature at which a high mobility of the charge carriers is given in the electret.
  • This temperature depends on the materials chosen.
  • Mobile charge carriers migrate rapidly under these conditions until they reach positions within the electret where they have high energy stability (so-called traps), or until they reach the electret-air interface at the transition from the electret to the porous dielectric where they immobilize be as described above.
  • the electret structure according to the invention is suitable, for example, for use in a sound transducer for environmental sensor technology (eg environment detection in FIG.
  • Figure 1 illustrates an electr et structure according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 illustrates an electret structure according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows schematically a section through an electret structure 1 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the electret structure 1 comprises a metallic carrier 10, which forms the electrode of the electret structure 1.
  • An electrically charged Teflon film forms the first electret layer 30.
  • a layer 20 of a porous, dielectric material e.g. a ceramic, a polymer or porous Teflon, so that the sandwich structure according to the invention results.
  • the porous, dielectric layer 20 thus comprises a solid dielectric 22 with, for example, differently sized pores 24. Between the porous, dielectric layer 20 and the carrier 10 is in this
  • Carrier facing surface 42 is provided with a metal coating 45.
  • the first electret layer has charge carriers 50, in this example with negative electrical charge. Compensating charges 55 with negative electrical charge.
  • the electret structure 1 can be used for example in sound transducers.
  • Dielectric 22 touch can occur a transfer of charge carriers and take place a further migration of charge carriers.
  • the electret 30 will abut a pore 24, ie an air-filled cavity. A transgression of the charge carriers 50 into the air of the pore 24 takes place not happening.
  • the charge carriers 50 are immobilized in the dielectric 22 at the boundary between the electret 30 and the air of the pore 24 and remain stably bound in the electret layer 30 over long periods of time.
  • the electret layer 30 extends laterally as far as the carrier 10 and is glued or laminated there. Thereby, a circumferential seal 35 is realized around the electret structure 1, which improves the life under severe environmental conditions.
  • FIG. 2 schematically shows a section through an electret structure 1 according to a second exemplary embodiment of the invention. The operation is essentially the same as that in connection with FIG. 1
  • no second electret layer is provided between the porous, dielectric layer 20 and the carrier 10.
  • the surface 25 of the porous, dielectric layer 20 facing the carrier 10 has a metallization layer 45, which serves directly for connecting the porous, dielectric layer 20 to the carrier 10.
  • Adhesive material is provided which prevents the penetration of moisture and dirt into the porous dielectric layer 20.
  • the electret structure 1 according to the invention, since charge carriers are effectively immobilized at interfaces between the electret layer and pores of the porous, dielectric layer 20 and recombination with oppositely polarized charge carriers is prevented.
  • further intermediate layers such as an electret layer 40 and / or a metallization layer 45, the connection of the porous, dielectric layer 20 to the carrier 10, which preferably forms the back electrode of the electret structure 1, for each selected material can be additionally optimized.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Elektret-Struktur (1) vorgeschlagen, umfassend einen elektrisch leitfähigen Träger (10), eine erste Elektretschicht (30) und eine poröse, dielektrischen Schicht (20), die zwischen dem Träger (10) und der ersten Elektretschicht (30) angeordnet ist. Der elektrisch leitfähige Träger (10) bildet dabei bevorzugt eine Elektrode der erfindungsgemäßen Elektret-Struktur (1). Die Erfindung basiert auf der Idee, die poröse, dielektrischen Schicht (20) zu nutzen, um diegeladene Elektretschicht (30) von der Elektrode (10) zu trennen. Dadurch wird die Wanderung vonelektrischen Ladungen (50) aus der Elektretschicht (30) zur Rückelektrode (10) behindert. Ebenso wird die Wanderung entgegengesetzt geladener Ladungsträger (55) aus der Rückelektrode (10) in die Elektretschicht (30) behindert. Die Ladungsstabilität einer erfindungsgemäßen Elektret-Struktur (10) gegenüber herkömmlichen Aufbauten ohne poröse, dielektrische Schicht (20) zwischen Elektretschicht (30) und Rückelektrode (10) wird dadurch deutlich erhöht.

Description

Beschreibung
Titel
Elektretstruktur
Stand der Technik
Elektrete sind Materialien, die elektrische Ladungen über einen längeren Zeitraum speichern können. Elektrete (z.B. in der Form von Polymerfolien, aber auch anorganische Elektrete wie Si02) können über eine Vielzahl von Verfahren (Koronaverfahren, Elektronenstrahlen, Kontaktaufladung, ... ) elektrisch aufgeladen werden. Bei der Aufladung werden Ladungsträger in Teilbereiche des Elektrets injiziert bzw. eine Ladungstrennung im Elektret herbeigeführt, wodurch das Elektret zum Träger eines elektrischen Feldes wird. Geladene Elektrete können in einer Vielzahl elektronischer Bauteile eingesetzt werden,
beispielsweise in Mikrofonen, Lautsprechern oder Luftfiltern. Elektrete werden dafür auf mindestens einer Seite mit Elektroden kontaktiert und aufgeladen und bilden so eine Elektret- Struktur aus. Eine umfassende Darstellung der bisherigen Kenntnisse findet sich zum Beispiel in G. M. Sessler (Ed.), Electrets, Vol. 1, 3rd Edition, Laplacian Press, Morgan Hili, CA, 1999 oder in G.M. Sessler, Electrets: recent developments, Journal of Electrostatics, Vol. 51-52, pp. 137-145, 2001.
Eine Herausforderung für technisch einzusetzende Elektret- Strukturen ist es, die Stabilität der Ladungstrennung in dem Elektret für lange Zeiträume, idealerweise von mehreren Jahren oder Jahrzehnten bei anwendungsrelevanten
Umgebungsbedingungen (z.B. erhöhten Temperaturen von beispielsweise bis zu 85°C) zu gewährleisten, da insbesondere bei hohen Temperaturen
Ladungsträger durch das Elektret wandern können. Dadurch können über die Zeit Ladungsträger verloren gehen, wenn Ladungen aus dem Elektret in eine kontaktierende Elektrode wandern und sich dort kompensieren. Zahlreiche Verfahren zur Verbesserung der Ladungsstabilität geladener Elektrete sind in der Literatur beschrieben, beispielsweise die Vorbehandlung mit Plasma, siehe Chen, Q., Investigation of Corona Charge stability mechanisms in polytetrafluorethylene (PTFE) teflon films after plasma treatment, 2003, Journal of Electrostatics 59 (2003) 3-13, mit Chemikalien siehe Haridoss, S., Perlman, M.
M., Chemical Modification of Near-Surface ChargeTrapping in Polymers, 1984, J. Appl. Phys. 55 (5), 1 March 1984 oder mit erhöhten Temperaturen, siehe van Turnhout, J., The Use of Polymers for Electrets, 1975, Journal of Electrostatics, 1, pp. 147-163.
Seit dem letzten Jahrzehnt sind poröse Elektretfolien, die die Ladungen intern auf Porenoberflächen speichern, als piezoelektrisches Material ("Piezoelektret") intensiv erforscht worden, wie beispielsweise in M. Paajanen, J. Lekkala, K. Kirjavainen, ElectroMechanical Film (EM Fi)-„A new multipurpose electrets material" dokumentiert ist. Sobald zwei Elektroden auf das Material aufgebracht worden sind, ist ein derartiges Material bereits als mechanisch-elektrischer Wandler nutzbar und ermöglicht durch seine Nachgiebigkeit unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten. Dabei schwingt eine Oberfläche des geladenen porösen Elektrets (Piezoelektrets) aktiv. Besonders interessant für Anwendungen als poröse Piezoelektrete sind Elektretmaterialien, die eine hervorragende
Ladungsspeicherung bieten, wie z.B. Teflon FEP, PTFE und PFA, und aus diesem Grund auch bei höheren Temperaturen über längere Zeit eingesetzt werden können. Bei geladenen porösen Elektretfolien (Piezoelektreten) liegen in jeder Pore positive und negative Ladungsträger auf entgegengesetzten Seiten der Pore vor. Dadurch besteht der Nachteil, dass eine Entladung des Elektrets über längere Zeiträume stattfindet, da Ladungsträger nur über relativ kurze Strecken wandern müssen, um einen gegensätzlich geladenen Ladungsträger zu treffen und mit ihm zu rekombinieren. Für eine Anwendung von Elektreten in Bauteilen, die eine gleichbleibende
Performance über viele Jahre hinweg auch bei harschen
Umgebungsbedingungen erfordern (beispielsweise für Anwendungen im
Automobil), sind Elektrete mit sehr hoher Ladungsstabilität erforderlich. Durch die Wahl geeigneter Materialien und Vorbehandlungsmethoden können Elektrete erzielt werden, die gute Ladungsstabilität bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen aufweisen und die potentiell für oben genannte Anwendungen eingesetzt werden können. Allerdings gibt es nur wenige Optionen zur Auswahl von Elektreten, die für den Einsatz unter solch harschen
Umgebungsbedingungen in Frage kommen.
Neue Methoden zur Herstellung von Elektreten mit sehr hoher Ladungsstabilität und eine weitere Verbesserung der Ladungsstabilität gegenüber dem Stand der Technik sind deshalb wünschenswert und erschließen neue Einsatzgebiete für Elektrete.
Die DE 44 21 859 C2 zeigt einen Filter zum Reinigen von Gasen mit einem Elektret und das Elektret zumindest teilweise umgebenden Schichten aus einem porösen Dielektrikum. Das poröse Dielektrikum wird aus einem Schaumstoff, insbesondere aus einem offenporigen oder offenporzelligen Schaumstoff hergestellt. Das Elektret ist als eine dünne Schicht oder Platte aus einem Polymer, wie z. B. Polytetrafluorethylen, ausgebildet und wird eine durch thermische Behandlung polarisiert.
Die DE 2 232 264 zeigt eine Elektret- Struktur, welche aus zwei dünnen dielektrischen Folien besteht, zwischen denen eine ionisierte Luftschicht eingebracht ist. Diese Elektret- Struktur kann als Ultraschallwandler verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung beschreibt einen neuartigen Aufbau einer Elektret- Struktur sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektret- Struktur, bei der die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Die Wanderung von Ladungsträgern nach der elektrischen Aufladung ist durch den
erfindungsgemäßen Aufbau erschwert und eine hohe Ladungsstabilität somit gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird eine Elektret- Struktur vorgeschlagen, umfassend einen elektrisch leitfähigen Träger, eine erste Elektretschicht und eine poröse, dielektrischen Schicht, die zwischen dem Träger und der Elektretschicht angeordnet ist. Der elektrisch leitfähige Träger bildet dabei bevorzugt die Elektrode der erfindungsgemäßen Elektret- Struktur.
Die Erfindung basiert auf der Idee, die poröse, dielektrische Schicht zu nutzen, um die geladene erste Elektretschicht von der Rückelektrode zu trennen.
Dadurch wird die Wanderung von elektrischen Ladungen aus der ersten
Elektretschicht zur Elektrode behindert, da die Ladungen im Mittel einen längeren Weg zur Elektrode zurücklegen müssen. Ebenso wird eine eventuell auftretende Wanderung entgegengesetzt geladener Ladungsträger aus der Elektrode in die erste Elektretschicht behindert. Die Ladungsstabilität einer erfindungsgemäßen Elektret- Struktur gegenüber herkömmlichen Aufbauten ohne poröse,
dielektrische Schicht zwischen Elektret und Elektrode wird dadurch deutlich erhöht.
Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten porösen Elektreten (sog. Piezoelektreten), bei denen positive und negative Ladungen jeweils in allen Poren des Elektrets vorliegen, bietet der erfindungsgemäße Aufbau den Vorteil einer stärkeren räumlichen Trennung positiver und negativer Ladungen, da die poröse Schicht selbst nicht aufgeladen wird. Dadurch wird die Gefahr des Ladungsverlusts durch Rekombination von Ladungsträgern innerhalb der geladenen Elektretschicht deutlich reduziert.
Elektroakustische Wandler, die eine erfindungsgemäße Elektret- Struktur verwenden sind bevorzugt derart aufgebaut, dass die Elektret- Struktur selbst nicht schwingt, sondern ein elektrisches Feld aufbaut, so dass die Erzeugung bzw. die Detektion von Schallwellen nach dem bekannten Prinzip des
elektrostatischen Wandlers erfolgt.
Erfindungsgemäß wird auf einem elektrisch leitfähigen Träger, der die Elektrode ausbildet ein poröses Dielektrikum aufgebracht. Dafür können beispielsweise poröse Polymere wie poröses Teflon (z. B. PTFE, PFA, FEP, AF etc.), aber auch andere Materialien mit dielektrischen Eigenschaften, zum Beispiel poröse Keramiken eingesetzt werden. Die so gebildete poröse, dielektrische Schicht kann bevorzugt auf ihrer dem Träger bzw. der Elektrode zugewandten Seite metallisiert sein. Dadurch wird vorteilhaft eine gute elektrische Anbindung erzielt und/oder eine
Potential barriere für den Übertritt von Ladungsträgern erzeugt. Insbesondere wenn die poröse, dielektrische Schicht poröses Teflon aufweist, ist es vorteilhaft für die Metallisierung der porösen, dielektrischen Schicht Aluminium zu verwenden, welches sowohl die elektrische Anbindung der porösen,
dielektrischen Schicht an den Träger verbessert, als auch den Übertritt von elektrischen Ladungen aus der Rückelektrode in das Teflonmaterial erschwert.
Auf die poröse, dielektrische Schicht wird erfindungsgemäß ein Elektretmaterial aufgebracht, beispielsweise durch Auflaminieren einer Folie aus Teflon (z.B. PTFE, PFA, FEP, AF etc.), die die erste Elektretschicht bildet, in dem
Ladungsträger durch Aufladen der Folie eingebracht werden. Alternativ kann das Elekretmaterial (z.B. Teflon) als nasse Lösung aufgetropft und danach getrocknet werden.
Um einen Zutritt von Luftfeuchtigkeit in die Poren der porösen, dielektrischen Schicht zu verhindern, ist bevorzugt vorgesehen, dass die gesamte Elektret- Struktur zur Seite hin abgedichtet ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die obere Elektretschicht am Rand des Aufbaus bis auf den Träger reicht und mit diesem verbunden (z.B. verklebt oder laminiert) wird. Alternative Abdichtungen sind möglich, z.B. durch Aufbringen eines Klebstoffs, seitlich der Elektret- Struktur oder ringförmig um die Elektret- Struktur.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, zwischen die Rückelektrode und das poröse Dielektrikum eine weitere, zweite Elektretschicht einzubringen. Die Metallisierung der porösen, dielektrischen Schicht entfällt in diesem Fall. Stattdessen kann die dem Träger bzw. der Rückelektrode zugewandte Seite der zweiten Elektretschicht metallisiert werden. Dieser optionale Aufbau kann vorteilhaft gewählt werden, wenn die Metallisierung des porösen Dielektrikums und/oder die Anbindung des porösen Dielektrikums an den Träger aufgrund der Materialeigenschaften Probleme bereiten. Während der Lebendauer der erfindungsgemäßen Elektret- Struktur wandern die Ladungsträger langsam von der Oberfläche (bzw. aus dem Volumen) der oberen Elektretschicht in Richtung der Elektrode. In aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten mit Elektreten, welche direkt auf Elektroden aufgebracht sind, werden die Ladungsträger nach einiger Zeit die Elektrode
erreichen und durch Abtransport bzw. Rekombination kompensiert.
Bei der erfindungsgemäß aufgebauten Elektret- Struktur hingegen, werden die Ladungsträger aus dem Elektret, wenn sie die Unterseite der aufgeladenen Elektretschicht erreicht haben, an das poröse Dielektrikum gelangen. An
Stellen wo sich Elektret und Dielektrikum berühren kann ein Übertritt von
Ladungsträgern erfolgen und eine weitere Wanderung von Ladungsträgern stattfinden. An den meisten Stellen wird aber aufgrund der Porosität der porösen, dielektrischen Schicht der Elektret an eine Pore, also an einen luftgefüllten Hohlraum angrenzen. Ein Übertreten von Ladungsträgern aus dem
Elektretmaterial in die Luft der Pore findet nicht statt, wodurch die Ladungen an der Grenze zwischen Elektret und Luft (Pore im Dielektrikum) immobilisiert werden. Die so immobilisierten Ladungsträger bleiben über lange Zeiträume, etwa über mehrere Jahre, bei gemäßigten Umweltbedingungen
(Raumtemperatur und niedrige Luftfeuchtigkeit) sogar mehrere Jahrzehnte, stabil in der erfindungsgemäßen Elektret- Struktur gebunden, wodurch der
erfindungsgemäße Aufbau eine sehr hohe Ladungsstabilität aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektret- Struktur umfasst demnach folgende Schritte: a) Vorsehen eines elektrisch leitfähigen Trägers, insbesondere eines
metallischen Trägers, der als Elektrode ausgebildet ist,
b) Aufbringen einer porösen dielektrischen Schicht auf den Träger,
c) Aufbringen eines, insbesondere nichtporösen, Elektretmaterials,
beispielsweise einer Teflonfolie, auf die poröse dielektrische Schicht, d) Elektrisches Aufladen des nichtporösen Elektrets, wodurch die erste
Elektretschicht ausgebildet wird. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte b) und c) ist im Rahmen der Erfindung nicht festgelegt. Es ist erfindungsgemäß ebenfalls möglich, zunächst die poröse dielektrische Schicht auf das Elektretmaterial aufzubringen (Schritt c)), zum Beispiel durch Auflaminieren, und danach den Verbund aus der porösen dielektrischen Schicht und dem Elektretmaterial auf den Träger aufzubringen (Schritt b).
Das elektrische Aufladen der Folie in Schritt d) kann beispielsweise durch ein Koronaverfahren, Elektronenstrahlen oder Kontaktaufladung erfolgen.
Optional kann der elektrisch aufgeladene Sandwich-Aufbau vor dem Einsatz in einem Bauteil in einem weiteren Verfahrensschritt f) zusätzlich vorgealtert werden, beispielsweise durch Auslagerung bei einer Temperatur, bei der eine hohe Mobilität der Ladungsträger im Elektret gegeben ist. Diese Temperatur ist abhängig von den gewählten Materialien. Mobile Ladungsträger wandern bei diesen Bedingungen schnell, bis sie Positionen innerhalb des Elektrets erreichen, an denen sie eine hohe energetische Stabilität haben (sogenannte Traps), oder bis sie an die Grenzfläche Elektret-Luft am Übergang vom Elektret zum porösen Dielektrikum gelangen, wo sie immobilisiert werden wie oben beschrieben. Durch diese Voralterung wird ein System erzielt, in welchem schon vor dem Einsatz in einem Bauteil die Ladungsträger in einer sehr stabilen und immobilen
Konfiguration vorliegen. Entsprechend wird eine mögliche Veränderung der Ladungseigenschaften der Elektret- Struktur im frühen Stadium des Einsatzes verhindert, bzw. minimiert.
Die erfindungsgemäße Elektret- Struktur eignet sich beispielsweise zum Einsatz in einem Schallwandler für Umfeldsensorik (z. B. Umfelderkennung in
Fahrerassistenzsystemen auf Ultraschallbasis, in der Robotik oder der
Ultraschallraumüberwachung). Andere mögliche Einsatzgebiete sind aus dem Stand der Technik bekannte Elektretanwendungen wie beispielsweise Mikrofone, Lautsprecher oder Luftfilter - insbesondere dann, wenn solche Systeme eine sehr gleichbleibende elektrische Ladung des Elektrets über lange Zeiträume, auch bei harschen Umgebungsbedingungen erfordern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 stellt eine Elektr et- Struktur nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Figur 2 stellt eine Elektret- Struktur nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar.
Ausführungen der Erfindung Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Elektret- Struktur 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Elektret- Struktur 1 umfasst einen metallischen Träger 10, der die Elektrode der Elektret- Struktur 1 bildet. Eine elektrisch geladene Teflonfolie bildet die erste Elektretschicht 30 aus.
Zwischen dem Träger 10 und der Elektretschicht 30 ist eine Schicht 20 aus einem porösen, dielektrischen Material, z.B. einer Keramik, einem Polymer oder porösem Teflon angeordnet, so dass sich der erfindungsgemäße Sandwich- Aufbau ergibt. Die porösen, dielektrischen Schicht 20 umfasst also ein festes Dielektrikum 22 mit zum Beispiel unterschiedlich großen Poren 24. Zwischen der porösen, dielektrischen Schicht 20 und dem Träger 10 ist in diesem
Ausführungsbeilspiel eine zweite Elektretschicht 40 vorgesehen, die an ihrer dem
Träger zugewandten Oberfläche 42 mit einer Metallbeschichtung 45 versehen ist.
Die erste Elektretschicht weist Ladungsträger 50, in diesem Beispiel mit negativer elektrischer Ladung, auf. Kompensationsladungen 55 mit
entgegengesetzter Polarität finden sich im Träger 10. Durch diese
Ladungstrennung wird der bekannte Elektret- Effekt erzielt und die Elektret- Struktur 1 lässt sich beispielsweise in Schallwandlern einsetzen.
Nur an den Stellen, an denen sich die erste Elektretschicht 30 und das
Dielektrikum 22 berühren kann ein Übertritt von Ladungsträgern erfolgen und eine weitere Wanderung von Ladungsträgern stattfinden. An den meisten Stellen entlang der Grenzfläche 60 zwischen der ersten Elektretschicht 30 und der porösen, dielektrischen Schicht 20 wird aber aufgrund der Porosität der Schicht 20 das Elektret 30 an eine Pore 24, also an einen luftgefüllten Hohlraum, angrenzen. Ein Übertreten der Ladungsträger 50 in die Luft der Pore 24 findet nicht statt. Damit sind die Ladungsträger 50 an der Grenze zwischen Elektret 30 und Luft der Pore 24 im Dielektrikum 22 immobilisiert und bleiben über lange Zeiträume stabil in der Elektretschicht 30 gebunden. Um ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit, Wasser oder Schmutz in die Poren 24 der porösen, dielektrischen Schicht 20 zu verhindern, reicht die Elektretschicht 30 seitlich bis auf den Träger 10 und ist dort verklebt oder laminiert. Dadurch wird eine umlaufende Dichtung 35 um die Elektret- Struktur 1 verwirklicht, die die Lebensdauer unter schwierigen Umweltbedingungen verbessert.
In Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Elektret- Struktur 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Funktionsweise ist im Wesentlichen die gleiche wie bei dem in Zusammenhang mit Figur 1
beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zur Figur 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel keine zweite Elektretschicht zwischen der porösen, dielektrischen Schicht 20 und dem Träger 10 vorgesehen. Stattdessen weist die dem Träger 10 zugewandte Oberfläche 25 der porösen, dielektrischen Schicht 20 eine Metallisierungsschicht 45 auf, die direkt zur Anbindung der porösen, dielektrischen Schicht 20 an den Träger 10 dient.
Zur Abdichtung der porösen, dielektrischen Schicht 20 ist im
Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ein umlaufender Ring 36 aus einem
Klebstoffmaterial vorgesehen, der das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz in die poröse, dielektrische Schicht 20 verhindert.
Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäße Elektret- Struktur 1 eine hohe Ladungsstabilität erzielt, da Ladungsträger an Grenzflächen zwischen der Elektretschicht und Poren der porösen, dielektrischen Schicht 20 effektiv immobilisiert werden und eine Rekombination mit entgegengesetzt polarisierten Ladungsträgern verhindert wird. Durch weitere Zwischenschichten, wie zum Beispiel einer Elektretschicht 40 und/oder einer Metallisierungsschicht 45 kann die Anbindung der porösen, dielektrische Schicht 20 an den Träger 10, der bevorzugt die Rückelektrode der Elektret- Struktur 1 bildet, für das jeweils gewählte Material zusätzlich optimiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Elektret-Struktur (1), umfassend
- einen elektrisch leitfähigen Träger (10)
- eine erste Elektretschicht (30)
- eine poröse, dielektrische Schicht (20), die zwischen dem Träger (10) und der Elektretschicht (30) angeordnet ist.
2. Elektret-Struktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Träger (10) ausgebildet ist, um eine Elektrode der Elektret-Struktur (1) zu bilden.
3. Elektret-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die poröse, dielektrische Schicht (20) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein poröses Polymer, insbesondere poröses Teflon, eine poröse Keramik.
4. Elektret-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Elektretschicht (30) als Polymerfolie, insbesondere als Teflonfolie, in die elektrische Ladungsträger (50) eingebracht sind, ausgebildet ist.
5. Elektret-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Elektretschicht (30) durch Beschichtung mit einer Polymerlösung gebildet ist, in die elektrische Ladungsträger (50) eingebracht sind.
6. Elektret-Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektret-Struktur (1) eine Dichtstruktur (35) aufweist, die die Seitenflächen der porösen, dielektrischen Schicht (20) gegen Schmutz und/oder Feuchtigkeit abdichtet.
7. Elektret- Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse, dielektrische Schicht (20) an ihrer dem elektrisch leitfähigen Träger zugewandten Fläche (25) eine
Metallbeschichtung (45), insbesondere eine Aluminiumbeschichtung, aufweist.
8. Elektret- Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektret- Struktur (1) eine zweite Elektretschicht (40) aufweist, die zwischen der porösen, dielektrischen Schicht (20) und dem elektrisch leitfähigen Träger (10) angeordnet ist, wobei die zweite Elektretschicht (40), insbesondere an ihrer dem elektrisch leitfähigen Träger zugewandten Fläche (42) eine Metallbeschichtung (45) aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Elektret- Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte:
a) Vorsehen eines elektrisch leitfähigen Trägers (10), insbesondere eines metallischen Trägers,
b) Aufbringen einer porösen dielektrischen Schicht (20) auf die
Trägerschicht,
c) Aufbringen eines Elektretmaterials, insbesondere einer Teflonfolie auf die poröse dielektrische Schicht (20),
d) Elektrisches Aufladen der Folie, wodurch die Folie die erste
Elektretschicht (30) ausbildet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Voralterungsschritt f) vorgesehen ist, bei dem die Elektret- Struktur (1) nach Ausführung von Schritt d) bei einer vorgegebenen Temperatur, für eine vorgegebene Zeit gelagert wird.
11. Schallwandleranordnung mit einer Elektret- Struktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
EP14753067.9A 2013-10-17 2014-08-19 Elektretstruktur Withdrawn EP3058760A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201310221140 DE102013221140A1 (de) 2013-10-17 2013-10-17 Elektretstruktur
PCT/EP2014/067623 WO2015055336A1 (de) 2013-10-17 2014-08-19 Elektretstruktur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3058760A1 true EP3058760A1 (de) 2016-08-24

Family

ID=51383722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP14753067.9A Withdrawn EP3058760A1 (de) 2013-10-17 2014-08-19 Elektretstruktur

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3058760A1 (de)
CN (1) CN105659627A (de)
DE (1) DE102013221140A1 (de)
WO (1) WO2015055336A1 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016204031A1 (de) * 2016-03-11 2017-09-14 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung einer Elektretanordnung
CN106042466B (zh) * 2016-05-19 2019-01-01 上海驻极新材料科技有限公司 一种超疏水单极性驻极体薄膜及其制备方法
CN106540811B (zh) * 2016-10-14 2019-08-16 高云明 石墨烯磁体发生器、其固体颗粒吸附装置和空气灭毒机
CN107741236B (zh) * 2017-02-28 2024-02-27 深圳哲恒科技有限公司 自驱动传感器
US11982580B2 (en) 2018-03-01 2024-05-14 Universität Basel Vizerektorat Forschung Dielectric elastomer transducer and corresponding fabrication process
CN110165787A (zh) * 2019-05-27 2019-08-23 北京航空航天大学 一种驻极体机械天线的充电装置
CN112275449A (zh) * 2020-10-14 2021-01-29 厚联环境科技（上海）有限公司 一种无源式蓄能使用的微静电滤芯及其使用方法
CN113747298B (zh) * 2021-08-09 2023-09-08 昆山海菲曼科技集团股份有限公司 一种静电耳机

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3705312A (en) * 1970-11-02 1972-12-05 Bell Telephone Labor Inc Preparation of electret transducer elements by application of controlled breakdown electric field
FR2144933A5 (de) 1971-07-02 1973-02-16 Anvar
US4302633A (en) * 1980-03-28 1981-11-24 Hosiden Electronics Co., Ltd. Electrode plate electret of electro-acoustic transducer and its manufacturing method
DE4421859C2 (de) 1994-06-22 1996-07-04 Gregory Kinteraya Filter zum Reinigen von Gasen, insbesondere zum Abfangen von hochdispersem Staub oder von Schwefeldioxid
KR100408815B1 (ko) * 2001-12-13 2003-12-06 주식회사 비에스이 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿 및 그 제조방법
JP3621700B1 (ja) * 2003-07-22 2005-02-16 東邦化成株式会社 耐熱性エレクトレット用材料、それを用いた耐熱性エレクトレットおよびその製造方法、並びに静電型音響センサー
TWI367034B (en) * 2008-08-01 2012-06-21 Ind Tech Res Inst Structure of a speaker unit
EP2159857A1 (de) * 2008-08-30 2010-03-03 Bayer MaterialScience AG Elektromechanischer Wandler
TWI352547B (en) * 2008-10-21 2011-11-11 Ind Tech Res Inst Methods of making speakers
JP5638326B2 (ja) * 2009-09-17 2014-12-10 株式会社ユポ・コーポレーション エネルギー変換用フィルム
TW201204062A (en) * 2010-07-15 2012-01-16 Taiwan Electrets Electronics Co Ltd Electrostatic speaker and manufacturing method thereof and conducting plate of the speaker

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
See also references of WO2015055336A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102013221140A1 (de) 2015-04-23
WO2015055336A1 (de) 2015-04-23
CN105659627A (zh) 2016-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2015055336A1 (de) Elektretstruktur
JP5721738B2 (ja) 圧電性および／または焦電性固体複合材料、その材料の取得方法ならびに使用
EP2339869A1 (de) Ferroelektret-Zwei- und Mehrschichtverbund und Verfahren zu dessen Herstellung
DE112016005824T5 (de) Mikrofon mit einem hydrophoben eindringungsschutz
EP2946415A1 (de) Verfahren zum herstellen eines mehrschichtigen elektromechanischen wandlers
DE2258949A1 (de) Elektretwandler und verfahren zu seiner herstellung
EP2448030A1 (de) Elektromechanischer Wandler mit einem zweischichtigen Basiselement und Verfahren zur Herstellung eines solchen elektromechanischen Wandlers
EP2507848A1 (de) Piezoelektrisches polymerfilmelement, insbesondere polymerfolie, und verfahren zu dessen herstellung
DE2153784A1 (de) Herstellung von Elektret-Wandlerelementen
DE102013217312A1 (de) Kapazitives MEMS-Bauelement mit einer druckempfindlichen Membran
DE102017203722A1 (de) Mems und verfahren zum herstellen derselben
DE69926487T2 (de) Akustisches element
DE2044877B2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Elektreten
WO2010066347A2 (de) Ferroelektret-mehrschichtverbund und verfahren zur herstellung eines ferroelektret-mehrschichtverbunds mit parallelen röhrenförmigen kanälen
DE102008027115A1 (de) Kontaktstruktur, elektronisches Bauelement mit einer Kontaktstruktur und Verfahren zu deren Herstellung
EP3140840B1 (de) Verfahren zur herstellung eines mehrschichtigen elektret-bauteils
DE102008048051B4 (de) Bauelement sowie Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements
KR101612381B1 (ko) 마이크로 압전 유연와이어의 제조방법, 상기 마이크로 압전 유연와이어를 이용한 압전 에너지 하베스터 및 상기 압전 에너지 하베스터의 제조방법
DE102010022831A1 (de) Doppelschichtkondensator
EP2802766B1 (de) Aktormodul mit einem in einem gehäuse angeordneten vielschichtaktor und konstant extrem niedrigen leckstrom an der aktoroberfläche
DE102007051075A1 (de) Aktorisch wirksames und/oder sensitives Element, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung
DE10053276C1 (de) Elektrochemischer Kondensator
WO2015055359A1 (de) Vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung eines vielschichtbauelements
DE102017219324A1 (de) Batteriezelle und Verfahren zum Herstellen einer solchen
WO2018036668A1 (de) Separator-stromableiter-einheit für galvanische zellen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20160517

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20181220

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20190501