[发明专利]利用真空或气体进行电绝缘的电介质结构

说明书

在实施例中，一种电介质结构包括结合多个真空或气体区域的固体电介质区域。在某些实施例中，固体电介质区域的介电常数的介电常数大于4。在某些实施例中，该多个真空或气体区域或这些固体电介质区域中的每一个是各向异性的，其中纵横比至少为四。在某些实施例中，多个真空或气体和/或固体电介质区域的最小平均尺寸的长度小于1微米。在某些实施例中，该电介质结构在这些真空或气体区域中具有比在固体基质中更高的电能密度。在某些实施例中，电容性结构的一个或多个电极涂覆有固体绝缘层，而在真空或气体区域与电极之间没有界面。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月19日提交的名称为“CAPACITIVE STRUCTURES FOR HIGHELECTRICAL ENERGY DENSITY[高电能密度的电容性结构]”的当前未决的美国临时专利申请序列号62/733,174的优先权，该临时专利申请的全部披露内容通过援引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及用于电绝缘的复合材料，包括用于电容器、电路衬底、传输线和电缆、半导体器件等的电介质。

背景技术

电介质提供电绝缘，以防止不期望的电流在电气设备中流动，该电气设备包括电容器、传输线、电路衬底、半导体器件、机械支撑件和其他应用。电介质限于处于或低于其介电强度的电场——即电介质无法防止电流在可接受电平以下流动的电场电平下操作。电介质可以可靠地进行操作的最大电场取决于施加的电压、电介质的厚度、系统中导体与电介质的空间关系、以及其他因素。由于介电强度受到材料性质、制造质量和操作条件的限制，因此常常必须增加电介质的厚度来实现更高的电压下的操作。随着为了支持更高电压操作的电介质的厚度的增加，如电容器和传输线等器件的大小也增加。在电容器的情况下，增加电介质厚度会减小电容密度(定义为每单位面积的电容)，并且因此需要更大的电容器面积来获得与结合更薄电介质的电容器等效的总电容。增加电介质的厚度和面积两者所需的附加材料导致电介质和整个器件的体积和重量变得更大。由于电容器和结合电介质的其他电气装置的许多应用将受益于更小和/或更轻的部件，因此需要能够在更高电场下进行操作的材料来减小结合电介质的部件的大小和重量。电能密度(定义为每单位体积或每单位质量储存在电介质中的能量)通常用作用于基于电介质的材料性质评估电介质的大小和/或重量的度量。通过增加电介质的电能密度，常常可以使结合该电介质的部件更小并且更轻。

可以通过以下等式计算具有相对电容率的介质的电能密度W_e[J/m³]，该相对电容率通常被称为电场E[V/m]中的介电常数ε_r。自由空间的电容率ε₀[F/m]为大约8.85×10^-12F/m。

电能密度与电场的平方成比例，并且与介电常数成线性关系。因此，增加由介质的介电强度和/或介电常数(其取决于电介质介质，并且常常是操作温度、频率和电场的函数)限制的操作电场将增加电能密度。尽管用于增加电能密度的许多努力试图增加介电常数和介电强度，并且从而增加操作电场，但是由于平方项，增加电介质介质的介电强度以增加操作电场可能在电能密度方面提供更多的显著增益。

静电电容器将能量储存在电场中。这里使用的术语静电电容器旨在与双电层电容器区分，并且应理解为包括利用交流电(AC)或瞬态信号以及直流电(DC)使用的装置。尽管电容器通常使用电介质来分隔电容器的正电荷和负电荷，但是常常被称为超级电容器或超电容器的双电层电容器通常不具有分隔电荷的电介质。相反，导电的电解质和电极直接接触，并且电荷不会跨界面转移，除非施加的电压高于几伏的阈值电压。因此，尽管双电层电容器的电容密度和能量密度通常大于静电电容器的电容密度和能量密度，但是双电层电容器的电压受到限制。尽管可以将双电层电容器串联布置以创建具有更高操作电压的组件，但是串联堆叠中的每个双电层电容器的电容必须大约等于跨组件中的每个元件均匀地分布电压，或者必须使用附加电压控制硬件来防止任何单独的电容器在过高电压下操作。因此，双电层电容器不适合在许多高电压应用中提供高能量密度。