[发明专利]具有双层基底元件的机电转换器和这种机电转换器的制造方法

说明书

本发明涉及具有双层聚合物层基底元件的机电转换器及其制造方法。本发明还涉及这种机电转换器的用途。

机电转换器利用了一些材料由于外加机械载荷产生电势的能力。这种性质被称作压电性。公认的压电材料是钛酸铅锆（PZT）和氟化聚合物，如聚偏二氟乙烯（PVDF）。在发泡闭孔聚丙烯（PP）中也已经观察到压电性能。为了实现压电性，在强电场中将这种聚丙烯泡沫充电。因此，在孔隙内发生电击穿，这生成宏观偶极子（Makrodipole）并将该材料宏观极化。这样的聚丙烯铁电驻极体具有数百皮库伦/牛顿的压电系数。为了进一步提高传感器作用的灵敏度，已经开发出多个相互堆叠的泡沫的多层体系。

Gerhard等人（2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 第453至456页）描述了三层铁电驻极体，其中在两个均匀的氟乙烯丙烯膜之间布置带有多个均匀通孔（通过机械或激光钻孔）的聚四氟乙烯膜。

R.A.P. Altafim, X. Qiu, W. Wirges, R. Gerhard, R.A.C. Altafim, H.C. Basso, W. Jenninger和J. Wagner在文章Template-based fluoroethylenepropylene piezoelectrets with tubular channels for transducer applications（已被接受发表在Journal of Applied Physics中）中已经描述了具有均匀尺寸和结构的管状中空空间的铁电驻极体的有利简单的制造方法。在那里所述的方法中，首先制备两层FEP箔（FEP：全氟乙烯丙烯共聚物）和中间的PTFE屏蔽箔的夹层布置。将所得箔堆叠体层压，将FEP箔彼此粘合在一起，随后除去屏蔽箔以留出中空空间。

对机电转换器，特别是压电转换器用于商业用途，例如用于传感器和致动器系统的兴趣持续增长。就经济性而言，制造方法必须可以以工业规模使用。

因此，本发明的目的是提供开头提到的类型的机电转换器及其制造方法，该方法甚至在大规模和工业规模下也可以简单便宜地进行。

根据本发明，使用包含具有在其中形成中空空间的聚合物层复合材料的机电转换器实现该目的，其中所述聚合物层复合材料至少包含

- 聚合物层基底元件，其包含具有软化温度Tg_A的载体层和大范围粘合的具有软化温度Tg_E的驻极体层，其中载体层的软化温度Tg_A > 驻极体层的软化温度Tg_E（Tg_A > Tg_E）和

- 第二聚合物层元件，

且聚合物层基底元件与其驻极体层至少部分粘合到第二聚合物层元件上以形成中空空间。

换言之，根据本发明的聚合物层复合材料具有上下叠置分层的聚合物薄膜，特别是聚合物箔和至少在各两层聚合物箔之间形成的中空空间。在此，聚合物箔在中空空间之间彼此粘合。本发明的一个重要的要素在于，所述至少所述聚合物层基底元件是得自载体层和驻极体层的双层聚合物复合材料。

软化温度也被称作玻璃化转变温度并且是非晶聚合物从液体或橡胶弹性、挠性态转化成玻璃样或硬弹性、脆性态的温度。根据本发明，在混合相聚合物层，特别是半结晶聚合物材料的情况中，聚合物层的软化温度Tg的值和范围任选分别也包括熔融温度。

根据本发明的聚合物层基底元件是由不同聚合物材料构成的两层聚合物层，特别是聚合物薄膜的双层结构，其中驻极体层的聚合物材料具有低于载体层的聚合物材料的软化温度Tg_E。该聚合物层基底元件根据本发明也被称作基底元件。该基底元件优选由连续的聚合物层，特别是聚合物薄膜形成。但是，例如在驻极体层中的基底元件也可以具有空隙。

根据本发明，载体层承担了驻极体层的载体-和支承功能并有利地赋予该任选结构化的基底元件以及与第二聚合物层元件形成的聚合物层复合材料充足的机械和热稳定性。

根据本发明，该驻极体层大范围地，例如在整个表面上与载体层粘合并根据本发明由具有良好电荷储存性质的聚合物材料形成。由于载体层的支承功能，可以使驻极体层比在无载体层的实施方式中更薄。