一種圖形化薄膜駐極體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種圖形化薄膜駐極體的制備方法。本發(fā)明首先在駐極體基材的一面蒸鍍第一金屬電極。其次在駐極體基材的另一面蒸鍍第二金屬電極；所述第二金屬電極由若干個金屬膜間隔設(shè)置而成，相鄰的兩個金屬膜間距1mm以上。然后施加交流高壓電場進行電暈極化，電場強度為20～40KV/cm，交流電的頻率為30～1000Hz，極化溫度為20～200℃，極化時間為5～60min。最后在維持電壓不變的情況下降至室溫，撤去電場。本發(fā)明制備的駐極體法向尺度為微米量級、切向尺度為毫米量級、穩(wěn)定性好。
【專利說明】一種圖形化薄膜駐極體的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種駐極體的制備方法，尤其是涉及一種圖形化薄膜駐極體的制備方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 駐極體（Electret)是一類含有取向偶極子(凍結(jié)或鐵電）或準永久空間電荷(表 面或體內(nèi)）的功能電介質(zhì)材料，靜電、壓電和熱釋電效應(yīng)是其具有的基本物理效應(yīng)。駐極體 由于可產(chǎn)生持久穩(wěn)定的靜電場而引起了人們的廣泛關(guān)注。近年來隨著微機電系統(tǒng)(MEMS， Micro-Electro-Mechanical System)的發(fā)展，MEMS器件中越來越多地融入了駐極體基材， 例如小功率駐極體發(fā)電機及駐極體馬達、傳感器和換能器、非線性器件、駐極體麥克風、磁 強計等。
[0003] MEMS器件中駐極體基材微尺寸體現(xiàn)在兩個方面：一是薄膜厚度(法向尺度）；二是 平面內(nèi)電場的圖形化分布(如駐極體電場的柵型分布)。這不僅要求駐極體基材在有限的體 積元內(nèi)保持非常高的電荷密度，以維持足夠的電場強度(高表面電位）；而且要求在其相鄰 的間隔中要不存在靜電場。這就需要要求材料本身具有非常好的電荷存儲性能，而且，對材 料結(jié)構(gòu)、尤其是駐極體的充電方法也提出了新的要求。然而，人們發(fā)現(xiàn)宏觀駐極體基材所具 有的優(yōu)異性能隨著材料尺寸的減小將變差，傳統(tǒng)的駐極體充電技術(shù)已不適用。尋找新型駐 極體基材，發(fā)展新的駐極體形成方法，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種操作簡單、可形成具有穩(wěn)定電 場、法向尺度在微米量級、切向尺度為毫米量級的圖形化薄膜駐極體的制備方法。
[0005] -種圖形化薄膜駐極體的制備方法，包括下述步驟： (1)在駐極體基材的一面蒸鍍第一金屬電極。
[0006] (2)在駐極體基材的另一面蒸鍍第二金屬電極；所述第二金屬電極由若干個金屬 膜間隔設(shè)置而成，相鄰的兩個金屬膜間距1mm以上。
[0007] (3)施加交流高壓電場進行電暈極化，電場強度為20?40KV/cm，交流電的頻率為 30?1000HZ，極化溫度為20?200°C，極化時間為5?60min。
[0008] (4)在維持電壓不變的情況下降至室溫，撤去電場。
[0009] 本發(fā)明中所指的第一金屬電極通常是由一個連續(xù)無間隔的金屬膜組成。
[0010] 作為優(yōu)選，所述的第二金屬電極中，金屬膜呈等間距陣列式分布?？墒闺妶龈玫?實現(xiàn)圖形化分布。
[0011] 作為優(yōu)選，所述第二金屬電極中，各金屬膜為同心設(shè)置的環(huán)，相鄰的兩個環(huán)半徑之 差大于1mm。
[0012] 作為優(yōu)選，相鄰的兩個金屬膜間距為毫米量級。相鄰的兩個金屬膜間距大小對于 是否能形成明顯的圖形化電場分布具有很大的影響。
[0013] 作為優(yōu)選，所述第二金屬電極厚度為l〇〇nm。
[0014] 作為優(yōu)選，兩個相鄰金屬膜之間的間距為2mm或3mm。
[0015] 作為優(yōu)選，所述駐極體基材采用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯。
[0016] 作為優(yōu)選，所述第一金屬電極厚度與第二金屬電極厚度相同。
[0017] 作為優(yōu)選，所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，包括下述步驟： (1)在聚全氟乙丙烯薄膜樣品的下表面蒸鍍厚度為l〇〇nm的鋁電極。
[0018] (2)在聚全氟乙丙烯薄膜樣品的上表面蒸鍍厚度為lOOnm的柵型鋁電極。所述柵 型鋁電極由若干個鋁膜間隔設(shè)置而成，所述鋁膜在聚全氟乙丙烯薄膜上呈等間距陣列式分 布，相鄰的兩個鋁膜間距為2mm。
[0019] (3)施加交流高壓電場，電場強度為20KV/cm，交流電的頻率500HZ。
[0020] (4)在維持電壓不變的情況下，升高溫度至150°C，并在該溫度下極化5min。
[0021] (5 )在維持電壓不變的情況下降至室溫，撤去電場。
[0022] 為了賦予FEP薄膜以駐極體特性，需要采用一定的手段將電荷注入到薄膜體內(nèi)， 這一過程稱為注極(也稱充電)。本發(fā)明采用電暈極化方法注極，電暈極化方法是利用高壓 電場引起氣體的局部擊穿產(chǎn)生電暈放電，使氣體電離，由此產(chǎn)生的空間電荷或離子束在電 場作用下轟擊電介質(zhì)表面，空間電荷可直接沉積于電介質(zhì)表面或體內(nèi)，離子束則與材料表 面基團作用，將電荷轉(zhuǎn)移至電介質(zhì)表面或體內(nèi)。
[0023] 本發(fā)明采用交流（AC)電暈注極方法，采用該方法可形成圖形化電場分布原理：當 在電極之間施加 AC電暈時，由于電場周期性地改變方向，正離子和電子(或負離子）也周 期性地到達樣品（FEP)表面，因而樣品（FEP)表面難以形成空間電荷層；此時，樣品表面電 荷的捕獲主要取決于載流子遷移速度和表面原子對載流子親和力；根據(jù)第二金屬電極的結(jié) 構(gòu)，其由若干個金屬膜間隔設(shè)置而成，相鄰的兩個金屬膜間距1mm以上，由于電子的遷移速 度比正離子更快，更易到達FEP表面，再加上氟原子極強的電負性，使得到達FEP表面的電 子不能隨電場周期性地改變，而被捕獲；而在FEP上鍍有的金屬膜處，金屬電極材料對電子 不具有親和力，電子不能被捕獲。因而，交流(AC)電暈注極可形成圖形化表面電場。
[0024] 本發(fā)明通過研究不同的駐極體基材結(jié)構(gòu)、不同的注極法、以及不同的駐極體基材 尺寸等對具有圖形化電場分布微器件的電荷存儲性能的影響，成功制備了法向尺度為微米 量級、切向尺度為毫米量級、穩(wěn)定性好的圖形化薄膜駐極體。本發(fā)明為尋找新型駐極體基 材，發(fā)展新的駐極體形成方法提供了一定的研究基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明實施例1第二金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明電暈極化的裝置示意圖； 圖3是本發(fā)明實施例2第二金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是實施例1圖形化FEP薄膜表面電位分布圖。

【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限 于此。
[0027] 實施例1 參照圖1，聚全氟乙丙烯（FEP)薄膜用超聲波清洗處理后，采用熱蒸發(fā)鍍膜方法在聚全 氟乙丙烯（FEP)薄膜1下表面蒸鍍厚度為100nm的鋁電極(第一金屬電極）；上表面蒸鍍厚 度為100nm的柵型鋁電極(第二金屬電極)，柵型鋁電極由五個鋁膜2間隔設(shè)置而成，相鄰的 兩個鋁膜間距2mm ;鋁膜在FEP表面呈等間距陣列式分布。
[0028] 為了賦予FEP薄膜以駐極體特性，需要采用一定的手段將電荷注入到薄膜體內(nèi)， 這一過程稱為注極(也稱充電或極化)。參照圖2,本發(fā)明采用電暈極化方法注極，采用交流 高壓電源4產(chǎn)生電暈放電，電場控制在20KV/cm，交流電的頻率為500HZ.。然后，在維持電 場強度20KV/cm的條件下，通過溫度控制器5給樣品升溫，當溫度升至150°C后，恒溫極化 5min，最后在維持電場強度不變的條件下冷卻至室溫，撤去電場。
[0029] 聚全氟乙丙烯（FEP)薄膜(樣品）的表面電位采用補償法非接觸式測量，所用儀 器為Monroe 244A型靜電計，為了精確測量樣品表面上各個點的表面電位，將聚全氟乙丙 烯（FEP)薄膜1上表面的柵型鋁電極正對靜電計探頭，且靜電計探頭距離樣品表面距離為 3mm 〇
[0030] 本發(fā)明采用的聚全氟乙丙烯（FEP)薄膜厚度為5 μ m，第一金屬電極厚度與第二金 屬電極厚度相同，第二金屬電極的相鄰兩個鋁膜間距2_。在充電完成后，使用靜電計測量 樣品表面電位的橫向分布，F(xiàn)EP薄膜表面形成的圖形化電位分布如圖4所示，測得的的結(jié)果 如下：-445V，-16V，-550V，-8V，-538V，-22V，-380V，-63V，-347V，-56V，-367V。從測量結(jié) 果及圖4可以看出，圖形化FEP薄膜駐極體的表面電位在X方向是高低電位交替分布的，其 中高電位點是裸露的FEP薄膜，低電位點是金屬電極。
[0031] 實施例2 參照圖3,所述第二金屬電極中，各金屬膜2為同心設(shè)置的環(huán)，相鄰的兩個環(huán)半徑之差 大于1_。其極化方法與實施例1相同。
[0032] 實施例3 1、注極條件對柵型駐極體電荷存儲性能的影響 本發(fā)明比較研究了交流（AC)電暈注極和直流（DC)電暈注極、熱極化等方法對電荷存 儲性能的影響。發(fā)現(xiàn)只有交流(AC)電暈注極可形成理想的圖形化電場分布駐極體。直流 (DC)電暈注極雖然形成的駐極體電場很高，但不能顯示圖形化電場分布。相鄰兩個鋁膜間 距分別為2mm、3mm，注極溫度分別為室溫、100°C、200°C時，電暈注極的圖形化FEP駐極體初 始表面電位值如表1所示。另外，從表1中還可以看出交流(AC)電暈注極時，隨著溫度的 升1?，其電位值穩(wěn)定性有所提1? ;說明在1?溫注極時其穩(wěn)定性明顯能得到提1?。
[0033] 表1電暈注極的圖形化FEP駐極體初始表面電位值

【權(quán)利要求】
1. 一種圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于包括下述步驟： (1) 在駐極體基材的一面蒸鍍第一金屬電極； (2) 在駐極體基材的另一面蒸鍍第二金屬電極；所述第二金屬電極由若干個金屬膜間 隔設(shè)置而成，相鄰的兩個金屬膜間距1mm以上； (3) 施加交流高壓電場進行電暈極化，電場強度為20?40KV/cm，交流電的頻率為30? 1000HZ，極化溫度為20?200°C，極化時間為5?60min ; (4) 在維持電壓不變的情況下降至室溫，撤去電場，即得到圖形化薄膜駐極體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：所述第二金屬 電極中，金屬膜呈等間距陣列式分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：所述第二金屬 電極中，各金屬膜為同心設(shè)置的環(huán)，相鄰的兩個環(huán)半徑之差大于1mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：相鄰的兩個金 屬膜間距為毫米量級。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：所述第二金屬 電極厚度為l〇〇nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：兩個相鄰金屬 膜之間的間距為2mm或3mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：所述駐極體基 材采用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于：所述第一金屬 電極厚度與第二金屬電極厚度相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化薄膜駐極體的制備方法，其特征在于包括下述步驟： (1) 在聚全氟乙丙烯薄膜樣品的下表面蒸鍍厚度為l〇〇nm的鋁電極； (2) 在聚全氟乙丙烯薄膜樣品的上表面蒸鍍厚度為100nm的柵型鋁電極；所述柵型鋁 電極由若干個鋁片間隔設(shè)置而成，所述鋁片在聚全氟乙丙烯薄膜上呈等間距陣列式分布， 相鄰的兩個鋁片間距為2mm ; (3) 施加交流高壓電場，電場強度為20KV/cm，交流電的頻率500HZ ; (4) 在維持電壓不變的情況下，升高溫度至150°C，并在該溫度下極化5min ; (5) 在維持電壓不變的情況下降至室溫，撤去電場。
【文檔編號】B81C1/00GK104058364SQ201410265305
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】陳鋼進 申請人:杭州電子科技大學(xué)