專利名稱：具有雙層基底元件的機(jī)電轉(zhuǎn)換器和這種機(jī)電轉(zhuǎn)換器的制造方法
具有雙層基底元件的機(jī)電轉(zhuǎn)換器和這種機(jī)電轉(zhuǎn)換器的制造方法本發(fā)明涉及具有雙層聚合物層基底元件的機(jī)電轉(zhuǎn)換器及其制造方法。本發(fā)明還涉及這種機(jī)電轉(zhuǎn)換器的用途。機(jī)電轉(zhuǎn)換器利用了一些材料由于外加機(jī)械載荷產(chǎn)生電勢的能力。這種性質(zhì)被稱作壓電性。公認(rèn)的壓電材料是鈦酸鉛鋯(PZT)和氟化聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)。在發(fā)泡閉孔聚丙烯(PP)中也已經(jīng)觀察到壓電性能。為了實(shí)現(xiàn)壓電性，在強(qiáng)電場中將這種聚丙烯泡沫充電。因此，在孔隙內(nèi)發(fā)生電擊穿，這生成宏觀偶極子(Makrodipole)并將該材料宏觀極化。這樣的聚丙烯鐵電駐極體具有數(shù)百皮庫倫/牛頓的壓電系數(shù)。為了進(jìn)一步提高傳感器作用的靈敏度，已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)相互堆疊的泡沫的多層體系。Gerhard等人廣2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation andDielectric Phenomena,第453至456頁)描述了三層鐵電駐極體,其中在兩個(gè)均勻的氟乙烯丙烯膜之間布置帶有多個(gè)均勻通孔(通過機(jī)械或激光鉆孔)的聚四氟乙烯膜。R.A.P.Altafim, X.Qiu, ff.ffirges, R.Gerhard, R.A.C.Altafim, H.C.Basso, ff.Jenninger 和 J.Wagner 在文章 ^Template-based f luoroethylenepropylenepiezoelectrets with tubular channels for transducer applications"(已被接受發(fā)表在Journal of Applied Physics中)中已經(jīng)描述了具有均勻尺寸和結(jié)構(gòu)的管狀中空空間的鐵電駐極體的有利簡單的制造方法。在那里所述的方法中，首先制備兩層FEP箔(FEP:全氟乙烯丙烯共聚物)和中間的PTFE屏蔽箔的夾層布置。將所得箔堆疊體層壓，將FEP箔彼此粘合在一起，隨后除去屏蔽箔以留出中空空間。對機(jī)電轉(zhuǎn)換器，特別是壓電轉(zhuǎn)換器用于商業(yè)用途，例如用于傳感器和致動(dòng)器系統(tǒng)的興趣持續(xù)增長。就經(jīng)濟(jì)性而言，制造方法必須可以以工業(yè)規(guī)模使用。因此，本發(fā)明的目的 是提供開頭提到的類型的機(jī)電轉(zhuǎn)換器及其制造方法，該方法甚至在大規(guī)模和工業(yè)規(guī)模下也可以簡單便宜地進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，使用包含具有在其中形成中空空間的聚合物層復(fù)合材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)該目的，其中所述聚合物層復(fù)合材料至少包含
-聚合物層基底元件，其包含具有軟化溫度TgA的載體層和大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層，其中載體層的軟化溫度TgA >駐極體層的軟化溫度TgE (TgA > 18^和-第二聚合物層元件，
且聚合物層基底元件與其駐極體層至少部分粘合到第二聚合物層元件上以形成中空空間。換言之，根據(jù)本發(fā)明的聚合物層復(fù)合材料具有上下疊置分層的聚合物薄膜，特別是聚合物箔和至少在各兩層聚合物箔之間形成的中空空間。在此，聚合物箔在中空空間之間彼此粘合。本發(fā)明的一個(gè)重要的要素在于，所述至少所述聚合物層基底元件是得自載體層和駐極體層的雙層聚合物復(fù)合材料。軟化溫度也被稱作玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并且是非晶聚合物從液體或橡膠彈性、撓性態(tài)轉(zhuǎn)化成玻璃樣或硬彈性、脆性態(tài)的溫度。根據(jù)本發(fā)明，在混合相聚合物層，特別是半結(jié)晶聚合物材料的情況中，聚合物層的軟化溫度Tg的值和范圍任選分別也包括熔融溫度。根據(jù)本發(fā)明的聚合物層基底元件是由不同聚合物材料構(gòu)成的兩層聚合物層，特別是聚合物薄膜的雙層結(jié)構(gòu)，其中駐極體層的聚合物材料具有低于載體層的聚合物材料的軟化溫度TgE。該聚合物層基底元件根據(jù)本發(fā)明也被稱作基底元件。該基底元件優(yōu)選由連續(xù)的聚合物層，特別是聚合物薄膜形成。但是，例如在駐極體層中的基底元件也可以具有空隙。根據(jù)本發(fā)明，載體層承擔(dān)了駐極體層的載體-和支承功能并有利地賦予該任選結(jié)構(gòu)化的基底元件以及與第二聚合物層元件形成的聚合物層復(fù)合材料充足的機(jī)械和熱穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明，該駐極體層大范圍地，例如在整個(gè)表面上與載體層粘合并根據(jù)本發(fā)明由具有良好電荷儲存性質(zhì)的聚合物材料形成。由于載體層的支承功能，可以使駐極體層比在無載體層的實(shí)施方式中更薄。已經(jīng)令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的機(jī)電轉(zhuǎn)換器除了良好的壓電性質(zhì)之外還有利地具有特別好的在聚合物層之間的粘合和特別好的機(jī)械穩(wěn)定性。在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，該載體層提供必需的機(jī)械和熱穩(wěn)定性。有利地，通過在該復(fù)合材料中使用載體層，還可以在聚合物層基底元件中使用具有良好駐極體性質(zhì)的甚至是脆性的材料以構(gòu)建機(jī)電轉(zhuǎn)換器。因此，可以根據(jù)本發(fā)明根據(jù)特別合適的電荷儲存性質(zhì)來選擇駐極體層，因?yàn)楸匦璧臋C(jī)械穩(wěn)定性由載體層獲得。因此可以以簡單方式實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的特別有利的性質(zhì)的組合。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，可以如此選擇在根據(jù)本發(fā)明的基礎(chǔ)-聚合物層元件中的聚合物層的材料以使載體層的軟化溫度TgA比駐極體層的軟化溫度TgE高至少> 5°C，例如10°C。這使得聚合物層基底元件易于粘合到第二聚合物層元件上，特別是通過層壓法。有利地，該駐極體層可同時(shí)充當(dāng)粘合層；另一方面，該載體層可保持充足的機(jī)械穩(wěn)定性，并在適用時(shí)，也支承該基底元件的三維 結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，該載體層原則上可以由能合適與駐極體層粘合并具有足夠的載體功能并因此具有機(jī)械和熱穩(wěn)定性的聚合物或聚合物混合物形成或包含這樣的聚合物或聚合物混合物。例如，在本發(fā)明一個(gè)有利的實(shí)施方式的范圍內(nèi)，該載體層可以包含至少一種聚合物或由其形成，所述聚合物選自聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯和這些聚合物的混合物。在本發(fā)明范圍內(nèi)，駐極體層原則上可以由適合長時(shí)間，例如數(shù)月或數(shù)年容納電荷的任何聚合物或聚合物混合物形成。根據(jù)本發(fā)明，駐極體層可優(yōu)選包含至少一種選自下述的聚合物或由其形成:聚碳酸酯、全氟化或部分氟化的聚合物和共聚物，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基乙烯(PFA)，聚酯，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亞胺，特別是聚醚酰亞胺、聚醚、聚甲基丙烯酸甲酯、環(huán)烯烴聚合物、環(huán)烯烴共聚物(C0C)、聚烯烴，如聚丙烯和這些聚合物的混合物。這樣的聚合物可有利地長時(shí)間保持已引入的極化。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式范圍內(nèi)，在成品機(jī)電轉(zhuǎn)換器中，該載體層可具有> 6微米至< 125微米，優(yōu)選> 10微米至< 100微米，例如> 15微米至< 75微米的層厚度，和/或該駐極體層可具有> 6微米至< 125微米，優(yōu)選> 10微米至< 100微米，例如>15微米至< 75微米的層厚度，和/或包含載體層和駐極體層的聚合物層基底元件可具有^ 20微米至< 250微米，優(yōu)選> 30微米至< 150微米，例如> 50微米至< 100微米的總層厚度。在另一實(shí)施方案中，駐極體層的層厚度相對于載體層的層厚度更薄。另外在此，載體層可以由較便宜的材料制成。此外，與無載體層的單個(gè)的無支承的駐極體層相比，根據(jù)本發(fā)明可以使根據(jù)本發(fā)明的駐極體層各自比無載體層的實(shí)施方案中更薄，因?yàn)橛奢d體層提供了必要的穩(wěn)定性。因此，根據(jù)本發(fā)明可以明顯更節(jié)省材料地制作駐極體層。由此可以提供可更便宜制造，同時(shí)具有同樣好或甚至改進(jìn)的機(jī)電和機(jī)械性質(zhì)的所得機(jī)電轉(zhuǎn)換器。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，所述第二聚合物層元件可包含至少一層含有間隙的第一聚合物層和一層連續(xù)的聚合物層，即在該層內(nèi)沒有間隙或中空空間。換言之，根據(jù)本發(fā)明因此提供作為夾層結(jié)構(gòu)的聚合物層復(fù)合材料，所述夾層結(jié)構(gòu)由至少一個(gè)聚合物層基底元件、一層連續(xù)的聚合物層和一層布置于其間含有間隙的聚合物層構(gòu)成。所述含有間隙的聚合物層可以賦予整個(gè)布置撓性并且沿其厚度使其更柔軟。由此可提高該機(jī)電轉(zhuǎn)換器的壓電常數(shù)d33并因此提高靈敏度。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的范圍內(nèi)，所述第二聚合物層元件可包含至少一個(gè)第二聚合物層基底元件或形成它，所述第二聚合物層基底元件包含具有軟化溫度TgA的載體層和大范圍與其粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層，其中TgA > TgE。換言之，根據(jù)本發(fā)明，例如兩個(gè)聚合物層基底元件可以一起形成具有其中形成中空空間的聚合物復(fù)合材料。在此優(yōu)選將駐極體層各自直接相互粘合。 根據(jù)本發(fā)明，在這一實(shí)施方式范圍內(nèi)，兩個(gè)相同的聚合物層基底元件可以一起形成聚合物復(fù)合材料。在這種情況下，相應(yīng)的聚合物層由各自相同的聚合物材料構(gòu)成。因此，例如兩個(gè)基底元件的駐極體層由相同材料制成。這同樣適用于此實(shí)施方式中的載體層。如果如根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的那樣，駐極體層彼此面對，則可有利地由此得到這些層特別好的可粘合形和因此改進(jìn)的該粘合的機(jī)械穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明，同樣包括兩個(gè)不同的由不同聚合物層，即載體和/或駐極體層，構(gòu)成的聚合物層基底元件一起形成聚合物層復(fù)合材料。在這兩個(gè)基底元件中可以例如使用相同的載體層但具有相同或不同的軟化溫度TgE的不同駐極體層，或反之亦然。因此，根據(jù)本發(fā)明，例如考慮到所得機(jī)電轉(zhuǎn)換器的具體用途，有利地產(chǎn)生所需要的和所希望的性能良好的可調(diào)節(jié)性。根據(jù)本發(fā)明，第一基底元件例如可特別好地儲存正電荷的駐極體層，而第二基底元件可具有特別適合儲存負(fù)電荷的駐極體層，反之亦然。相應(yīng)地，可由此優(yōu)化所得機(jī)電轉(zhuǎn)換器的電性質(zhì)。在一個(gè)替代實(shí)施方式的范圍內(nèi)，作為根據(jù)本發(fā)明的聚合物層復(fù)合材料，還可提供例如，由兩個(gè)聚合物層基底元件與一層布置于其間含有間隙的聚合物層構(gòu)成的夾層布置。換言之，該第二聚合物層元件由含有間隙的聚合物層和第二基底元件構(gòu)成。在這種情況下，各駐極體層優(yōu)選與含有間隙的中間聚合物層粘合。相應(yīng)地，所述間隙優(yōu)選被駐極體層封閉，形成中空空間。在這樣的聚合物層復(fù)合材料中，載體層由此形成遠(yuǎn)離含有間隙的層的聚合物層基底元件的一側(cè)。在這種實(shí)施方式中，基底元件也可以相同或不同。含有間隙的聚合物層可以包含例如熱塑性彈性體，如熱塑性聚氨酯或熱塑性聚酯形成或由其形成。這樣的材料有利地特別適合實(shí)現(xiàn)中空空間中的極化過程和在充電過程后分離在聚合物薄膜中形成的電荷層，例如具有小的導(dǎo)電性。由此可賦予整個(gè)布置改進(jìn)的撓性。此外，可就其柔軟度調(diào)節(jié)該聚合物層復(fù)合材料。因此，可再次提高該機(jī)電轉(zhuǎn)換器的壓電常數(shù)d33并因此提高靈敏度。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的范圍內(nèi)，所述含有間隙的聚合物層可具有軟化溫度TgB，其低于基底元件的相鄰聚合物層的各自的軟化溫度，例如低于駐極體層的各自的軟化溫度TgE，因此所述含有間隙的中間層可另外充當(dāng)用于例如與駐極體層粘合的粘合層。在根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)實(shí)施方式的范圍內(nèi)，含有間隙的第一聚合物層可具有> 10微米至< 250微米的層厚度。特別地，該含有間隙的第一聚合物層可具有^ 50微米至< 150微米，優(yōu)選> 75微米至< 100微米的層厚度。根據(jù)本發(fā)明，所述含有間隙的聚合物層的間隙可以以相同或不同的形狀來形成。在根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施方式中，在此以不具有圓形橫截面的形狀形成至少部分間隙。通過以不同形狀形成的間隙的組合，一方面可以有利地使所產(chǎn)生的中空空間的總中空空間體積最大化，而另一方面可任選根據(jù)一定的用途調(diào)整該機(jī)電轉(zhuǎn)換器的機(jī)電性質(zhì)，特別是壓電性質(zhì)。所述間隙可以均勻或不均勻地分布在該機(jī)電轉(zhuǎn)換器的含有間隙的聚合物層中。特別地，所述間隙可以均勻地分布在含有間隙的第一聚合物層中。但是，取決于要制造的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用領(lǐng)域，也可以有利地有針對性地使間隙以空間分辨方式不均勻分布在含有間隙的聚合物層中。通常特別是在朝向連續(xù)的聚合物層，特別是聚合物層基底元件的駐極體層的方向上形成貫穿所述含有間隙的聚合物層的所述含有間隙的聚合物層的間隙。至少所述含有間隙的第一聚合物層可具有多個(gè)以第一形狀形成的間隙和多個(gè)以第二形狀形成的間隙，且可能地，多個(gè)以第三形狀形成的間隙等等。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所述間隙例如可以部分或完全地以這樣的形狀來形成，即該形狀具有選自下述的橫截 面:基本圓形，例如圓形、橢圓或卵形，多邊形，例如三角形、矩形、梯形、菱形、五邊形、六邊形，特別是蜂窩形、十字形、星形和部分圓形和部分多邊形，例如S形。含有間隙的層的間隙還可例如具有蜂窩形橫截面或形成和/或布置成蜂窩形。形成和布置成蜂窩形間隙一方面產(chǎn)生極大的總中空空間體積。另一方面，可以隨蜂窩形間隙的形成和布置實(shí)現(xiàn)特別高的機(jī)械穩(wěn)定性。在含有間隙的聚合物層的所有間隙中，橫截面的尺寸可以相同或不同?？梢砸韵率鲂螤顏硇纬伤鲩g隙和由間隙形成的中空空間:具有小面積的形狀，如線，例如曲線或直線、單線或交叉線或幾何圖形的周線，例如十字形的環(huán)線或周線，或作為具有較大面積的結(jié)構(gòu)，如矩形、圓形、十字形等。優(yōu)選如此調(diào)節(jié)中空空間的形狀和尺寸以使第一和第二連續(xù)聚合物層，特別是聚合物箔不能垂直于該層的走向在中空空間內(nèi)互相接觸，和/或在制成機(jī)電轉(zhuǎn)換器后獲得的總中空空間體積盡可能大。換言之，意在使由極化施加于中空空間內(nèi)表面的正和負(fù)電荷尤其不能接觸。在根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施方式中，聚合物層基底元件和/或第二聚合物層元件可以結(jié)構(gòu)化，特別是三維成型，以在形成具有凸起和/或凹進(jìn)的垂直輪廓的情況下形成聚合物層復(fù)合材料中的中空空間。由于能夠以不同的方式形成中空空間，因此可以根據(jù)各自的用途可變調(diào)節(jié)共振頻率和壓電活性，且特別是壓電常數(shù)d33。有利地，用根據(jù)本發(fā)明制成的聚合物層復(fù)合材料系統(tǒng)即使在較大面積也可以實(shí)現(xiàn)高和均勻的壓電效率。這原則上開拓了這些機(jī)電轉(zhuǎn)換器的許多用途。此外，根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器可優(yōu)選包含兩個(gè)電極，特別是電極層，其中一個(gè)電極與聚合物層基底元件的載體層接觸，而另一電極在每種情況下在遠(yuǎn)離聚合物層基底元件的表面?zhèn)壬吓c第二聚合物層元件接觸。根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器還可包含兩個(gè)或更多個(gè)具有在其中形成中空空間的相互堆疊的聚合物層復(fù)合材料，它們各自具有聚合物層基底元件和第二聚合物層元件。換言之，可以由兩個(gè)或更多個(gè)本發(fā)明的聚合物復(fù)合材料作為單獨(dú)布置形成堆疊體，這些聚合物復(fù)合材料任選已具有電極和/或用相反電荷極化。例如，在一個(gè)堆疊中彼此疊置布置的單個(gè)聚合物層復(fù)合材料可以是夾層布置，其中第二聚合物層元件由含有間隙的聚合物層和第二聚合物層基底元件構(gòu)成，且其中所述含有間隙的聚合物層布置在第一和第二聚合物層基底元件的駐極體層之間。所述含有間隙的聚合物層的間隙在一側(cè)上被第一聚合物層基底元件的駐極體層封閉，和在另一側(cè)上被第二聚合物層基底元件的駐極體層封閉，形成中空空間。在此，在一個(gè)堆疊中，第一聚合物層復(fù)合材料的載體層和第二聚合物層復(fù)合材料的載體層可以分別與電極接觸。在此，不同的單個(gè)布置的兩個(gè)相鄰聚合物層優(yōu)選具有相同的電荷極化。特別地，不同的單個(gè)布置的兩個(gè)相鄰聚合物層，例如載體層可與相同的電極接觸。根據(jù)本發(fā)明，上述各種實(shí)施方式可任選互相結(jié)合實(shí)現(xiàn)。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步特征，明確參考聯(lián)系本發(fā)明的方法和本發(fā)明的用途給出的解釋。本發(fā)明還涉及機(jī)電轉(zhuǎn)換器，特別是單獨(dú)地或互相結(jié)合地根據(jù)上述各種實(shí)施方式的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的制造方法。用于制造至少包含具有在其中形成中空空間的聚合物層復(fù)合材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的方法包括步驟:
A)提供聚合物層基底元件 ，其包含具有軟化溫度TgA的載體層和與其大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層，其中TgA > TgE，
B)提供第二聚合物層元件，
C)將所述聚合物層基底元件布置在第二聚合物層元件上，其中所述駐極體層面向第二聚合物層元件；和
D)借助層壓將所述聚合物層基底元件與第二聚合物層元件粘合，形成具有在其中形成中空空間的聚合物層復(fù)合材料，其中所選層壓溫度I；低于軟化溫度TgA并大于或等于軟化溫度TgE。根據(jù)本發(fā)明的方法可便宜而簡單地實(shí)施，因?yàn)榧榷üに嚥襟E稍加改造就可以使用。令人驚訝地，按照根據(jù)本發(fā)明的方法可以獲得機(jī)械特別穩(wěn)定并具有良好壓電性質(zhì)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器。有利地，根據(jù)本發(fā)明的對聚合物層的選擇，特別是選擇具有比載體層低的軟化溫度TgE的聚合物層基底元件中的駐極體層，使得聚合物層復(fù)合材料的層壓變得容易并使聚合物層特別好地互相粘合成為可能。優(yōu)選如此選擇層壓溫度以使其接近駐極體層的軟化溫度TgE。在此，層壓溫度IY與駐極體層的軟化溫度TgE之間的溫度差Λ T (TL, TE)可以小于10°C，優(yōu)選小于5°C。根據(jù)本發(fā)明，在此 Υ <彡TgE適用于層壓溫度。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)工藝方案中，可以通過共擠出或通過溶劑澆鑄技術(shù)在步驟A)中提供包含載體層和與其大范圍粘合的駐極體層的聚合物層基底元件。這些基本確立的制膜法可易于根據(jù)本發(fā)明來使用，并且此外可有利地自動(dòng)化。在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方式范圍內(nèi)，步驟A)和/或步驟B)可包括聚合物層基底元件和/或第二聚合物層元件的結(jié)構(gòu)化和/或三維成型以形成垂直輪廓，即用以形成凸起和凹進(jìn)。這例如可通過沖壓工藝實(shí)現(xiàn)。同樣優(yōu)選使用結(jié)構(gòu)化輥或借助于沖壓模進(jìn)行沖壓工藝。在使用結(jié)構(gòu)化輥時(shí)和在使用結(jié)構(gòu)化沖壓模時(shí)，在每種情況下都可以將垂直輪廓轉(zhuǎn)移至聚合物層。在此，也可以在沖壓工具(即輥或沖壓模)的表面上施加凸形-或凹形模具，和/或?qū)⒃摻Y(jié)構(gòu)化三維轉(zhuǎn)移至聚合物層基底元件和/或第二聚合物層元件上或僅轉(zhuǎn)移至聚合物層，例如駐極體層的一個(gè)表面?zhèn)取？梢栽跀D出聚合物層后直接進(jìn)行或作為單獨(dú)工藝，例如在熱壓中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。根據(jù)本發(fā)明也包括可用沖壓工具加工各聚合物層元件和/或兩個(gè)表面?zhèn)壬系母骶酆衔锊?。例如，聚合物層基底元件?或第二聚合物層元件可以在每種情況下使用結(jié)構(gòu)化輥從上側(cè)和下側(cè)沖壓并由此結(jié)構(gòu)化。在該方法的另一替代實(shí)施方式中，聚合物層元件和/或聚合物箔的結(jié)構(gòu)化可以在步驟A)或步驟B)中通過在具有任選預(yù)回火的輪廓沖模的模具中在例如用壓縮空氣或另一氣體施壓下通過使任選加熱的聚合物層或聚合物層元件(即基底元件或第二聚合物層元件)變形來進(jìn)行。例如，可以將聚合物層元件加熱至與其至少一個(gè)聚合物層，例如載體層的軟化溫度(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)接近的溫度，然后通過施以> 20至< 300巴的壓縮空氣使其驟然變形。例如，可以將聚碳酸酯箔(例如來自Bayer MaterialScience AG的Macrofol)加熱至剛好低于130-140°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。隨后對該箔施以250巴的壓縮空氣并壓到模具上并能適應(yīng)該工具的輪廓和永久變形。根據(jù)本發(fā)明，這也可以轉(zhuǎn)移至雙層聚合物層基底元件和/或第二聚合物層元件上。所述結(jié)構(gòu)化方案的優(yōu)點(diǎn)在于，可以位置精確地將各所需輪廓轉(zhuǎn)移至聚合物層，特別是聚合物箔上。用上述方法可以有利地幾乎隨意選擇隨后在聚合物層復(fù)合材料中形成的中空空間的形狀和尺寸，并依賴于所選聚合物層材料和它們的性質(zhì)和各自的層厚可適應(yīng)所需用途的所需機(jī)械和電要求。在此如此選擇聚合物層性質(zhì)和形成的中空空間的形狀和尺寸的組合，以使保持距離的箔片在任何用途中都不能接觸。所述結(jié)構(gòu)化方法此外具有可以自動(dòng)化并任選可作為連續(xù)工藝進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn)。此外在另一實(shí)施方式中，該方法可包括工藝步驟E):將工藝步驟D)中獲得的布置，特別是聚合物層復(fù)合材料中形成的中空空間的內(nèi)表面用相反電荷充電?？梢岳缤ㄟ^摩擦充電、電子束轟擊、對已存在的電極施加電壓或電暈放電進(jìn)行充電。特別可以通過雙電極電暈布置進(jìn)行充電。在此觸針電壓可以為至少彡20 kV，例如至少彡25 kV，特別是至少彡30 kV。充電時(shí)間在此可以為至少彡20秒，例如至少彡30秒，特別是至少彡I分鐘。也可以有利地大規(guī)模成功使用電暈處理。在步驟E)中的聚合物層復(fù)合材料中形成的中空空間的內(nèi)表面充電之前和/或之后，該方法可進(jìn)一步包括工藝步驟F):將電極施加到聚合物層基底元件，特別是施加到優(yōu)選連續(xù)的載體層上，和將電極施加到第二聚合物層元件上。但是，在本發(fā)明范圍內(nèi)，也可以提供已與聚合物層基底元件和/或第二聚合物層元件一起的電極，特別在每種情況下已在其上形成。
可以借助本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法施加電極。為此合適的是例如既定方法，如濺射、噴涂、氣相沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)、印刷、刮涂、旋涂。也可以以預(yù)制形式粘貼電極。所述電極材料可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的導(dǎo)電材料。為此合適的是例如金屬、金屬合金、半導(dǎo)體、導(dǎo)電低聚物或聚合物，如聚噻吩類、聚苯胺類、聚吡咯類，導(dǎo)電氧化物或混合氧化物，如氧化銦錫(ITO)或用導(dǎo)電填料填充的聚合物。作為用導(dǎo)電填料填充的聚合物用的填料合適的例如是金屬、基于導(dǎo)電碳的材料，例如炭黑、碳納米管(Car b onano tub e s(CNTs))或?qū)щ姷途畚锘蚓酆衔?。在此，該聚合物的填料含量?yōu)選高于滲濾閾值，其特征在于該導(dǎo)電填料形成連續(xù)導(dǎo)電路徑。在本發(fā)明范圍內(nèi)，電極也可以結(jié)構(gòu)化。結(jié)構(gòu)化電極例如可以制為以條帶或以格柵形式的導(dǎo)電涂層。由此可以另外影響該機(jī)電轉(zhuǎn)換器的靈敏度并使其適應(yīng)特定的用途。例如，可以如此結(jié)構(gòu)化電極以使該轉(zhuǎn)換器具有有源和無源區(qū)。特別地，可以如此結(jié)構(gòu)化電極以至于特別在傳感器模式中，以空間分辨方式檢測信號，和/或特別在致動(dòng)器模式中，可以有目的地觸發(fā)有源區(qū)。這可以例如通過為有源區(qū)提供電極而無源區(qū)沒有電極來實(shí)現(xiàn)。在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方式中，步驟A)、B)、C)、D)、E)和/或F)特別可作為連續(xù)卷到卷工藝進(jìn)行。有利地，該機(jī)電轉(zhuǎn)換器的制造因此可以至少部分作為連續(xù)工藝，優(yōu)選作為卷到卷工藝進(jìn)行。這特別有利于以商業(yè)和工業(yè)規(guī)模使用該方法。至少一部分制造工藝的自動(dòng)化簡化了所提供的方法并能夠便宜地制造機(jī)電(特別是壓電)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明，該方法的所有步驟都能夠有利地自動(dòng)化進(jìn)行。在另一根據(jù)本發(fā)明的工藝方案的范圍內(nèi)，工藝步驟G)中可包括一個(gè)在另一個(gè)上堆疊兩個(gè)或更多個(gè)在工藝步驟D)、E)或F)中獲得的布置。換言之，可有利地由任選已帶有電極并極化的兩個(gè)或更多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的聚合物復(fù)合材料形成堆疊。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的方法的進(jìn)一步特征，明確參考聯(lián)系本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器及其用途給出的解釋。本發(fā)明進(jìn)一步提供根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電(特別是壓電)轉(zhuǎn)換器作為例如機(jī)電和/或聲電領(lǐng)域中的傳感器、發(fā)生器和/或致動(dòng)器的用途。特別地，根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器可用在由機(jī)械振動(dòng)(能量收集)、聲學(xué)、超聲、醫(yī)療診斷、聲學(xué)顯微術(shù)、機(jī)械傳感器技術(shù)，特別是壓力-力-和/或應(yīng)變傳感器技術(shù)、機(jī)器人學(xué)和/或通訊技術(shù)，特別是揚(yáng)聲器、振動(dòng)傳感器、光偏轉(zhuǎn)器、膜、玻璃纖維光學(xué)調(diào)節(jié)器、熱電檢測器、電容器和控制系統(tǒng)獲得能量的領(lǐng)域中。關(guān)于本發(fā)明的用途的進(jìn)一步特征，明確參考聯(lián)系本發(fā)明的方法和本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器給出的解釋。借助于附圖、下文中的


和下文中的試驗(yàn)說明進(jìn)一步詳細(xì)解釋根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電(例如壓電)轉(zhuǎn)換器的根據(jù)本發(fā)明的制造和結(jié)構(gòu)。在此要指出，附圖和試驗(yàn)描述僅是描述性表征并且無意以任何方式限制本發(fā)明。在附圖中:
圖1顯示穿過聚合物層基底元件的示意性橫截面；
圖2顯示穿過第二聚合物層元件的一個(gè)實(shí)施方式的示意性橫截面；
圖3a顯示穿過作為夾層布置的聚合物層復(fù)合材料的示意性橫截面，該復(fù)合材料具有兩個(gè)聚合物層基底元件和一個(gè)布置于其中包含間隙的聚合物層；
圖3b顯示充電過程后穿過圖3a中所示的布置的示意性橫截面；
圖3c顯示充電過程后和施加電極后穿過圖3b中所示的布置的示意性橫截面； 圖4顯示穿過包含與未結(jié)構(gòu)化基底元件粘合的三維結(jié)構(gòu)化基底元件的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的示意性橫截面。圖1顯示穿過聚合物層基底元件I的示意性橫截面，聚合物層基底元件I包含具有軟化溫度TgA的載體層Ia和與其大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層lb。圖1表明，聚合物層基底元件I是雙層聚合物元件，其中聚合物層，即載體層Ia和駐極體層Ib優(yōu)選連續(xù)形成，即基本上沒有間隙或氣體夾雜物。根據(jù)本發(fā)明，駐極體層Ib的軟化溫度TgJS于載體層Ia的軟化溫度TgA。因此，載體層Ia的聚合物材料可導(dǎo)致熱和機(jī)械穩(wěn)定性，而駐極體層Ib可如此布置，使其一方面能有利地充當(dāng)另一聚合物層元件的粘合層，和另一方面能提供良好的電荷儲存性質(zhì)。因此，用根據(jù)本發(fā)明的這種雙層基底元件1，可以將互相結(jié)合的有利性質(zhì)引入聚合物復(fù)合材料，特別是壓電轉(zhuǎn)換器中。圖2顯示穿過第二聚合物層元件2的一個(gè)實(shí)施方式的示意性橫截面。該聚合物層元件2形成得自聚合物層基底元件I和與其粘合的聚合物層3的聚合物層復(fù)合材料，其中聚合物層3包含間隙4。圖2表明，在第二聚合物層元件2的這一實(shí)施方式中的聚合物層基底元件I經(jīng)其駐極體層Ib與包含間隙4的聚合物層3粘合。圖3a顯示穿過作為夾層布置的聚合物層復(fù)合材料的示意性橫截面，該復(fù)合材料具有兩個(gè)聚合物層基底元件I和一個(gè)布置于其中包含間隙4的聚合物層。換言之，根據(jù)本發(fā)明的第二聚合物層元件2在這一實(shí)施方式中包含含有間隙4的聚合物層3和與其粘合的第二聚合物層基底元件I。圖3a表明，該聚合物層復(fù)合材料中的兩個(gè)聚合物層基底元件I都經(jīng)它們的駐極體層Ib與含有間隙4的聚合物層3粘合。聚合物層3的間隙4在一側(cè)上被第一基底元件I的駐極體層Ib封閉，且在另一側(cè)上被第二基底元件I的駐極體層Ib封閉，由此形成中空空間5。圖3b顯示在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟E)極化后，穿過圖3a中所示的布置的示意性橫截面。圖3b表明，第一連續(xù)駐極體層Ib上的負(fù)電荷和第二連續(xù)駐極體層Ib上的正電荷彼此分離并定位。由于根據(jù)本發(fā)明，可根據(jù)它們良好的電荷儲存性質(zhì)選擇駐極體層lb，由此可實(shí)現(xiàn)所得機(jī)電轉(zhuǎn)換器的特別好的壓電性質(zhì)。在這方面，可通過使用不同材料用于兩個(gè)駐極體層Ib且其中之一是特別好的正電荷儲存器，而另一個(gè)是特別好的負(fù)電荷儲存器來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。圖3c顯示在充電過程后和施加電極6后，穿過圖3a中所示的布置的示意性橫截面。第一和第二基底元件I的載體層Ia各自與電極6接觸。在此情況下，電極6各自在第一和第二載體層Ia的表面?zhèn)壬闲纬蔀殡姌O層，其布置在聚合物層基底元件I的遠(yuǎn)離含有間隙4的聚合物層3的一側(cè)。包含與未結(jié)構(gòu)化基底元件粘合的三維結(jié)構(gòu)化基底元件的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的示意性橫截面
圖4顯示穿過包含與未結(jié)構(gòu)化基底元件I粘合的三維結(jié)構(gòu)化基底元件10的根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的示意性橫截面。圖4表明，兩個(gè)基底元件1，10優(yōu)選借助于層壓以其駐極體層lb，IOb彼此接近互相粘合，形成中空空間5。根據(jù)本發(fā)明，這兩個(gè)基底元件1、10各自的載體層la、10a和/或駐極體層lb、10b可以由相同材料或由不同的聚合物材料制成。如果駐極體層lb、10b使用相同聚合物材料，則駐極體層lb、10b可以獲得特別好的互相粘合。相反，在不同的駐極體層lb、10b的情況下，如果為第一結(jié)構(gòu)化基底元件10選擇例如可特別好地儲存正電荷的聚合物材料的駐極體層IOb且第二基底元件I的駐極體層Ib由可特別好地儲存負(fù)電荷的聚合物材料形成，則可以優(yōu)化所得機(jī)電轉(zhuǎn)換器的電性質(zhì)?？梢岳缤ㄟ^沖壓工藝實(shí)現(xiàn)第一基底元件10的結(jié)構(gòu)化。實(shí)施例1 壓電轉(zhuǎn)換器的制造
由得自各自相同的聚碳酸酯APEC作為載體層和各自相同的聚碳酸酯Makrolon 3108作為駐極體層的共擠出物制備具有總厚度為60微米的第一和第二連續(xù)聚合物層基底元件，其中載體層具有軟化溫度TgA = 180°C和50微米的厚度和駐極體層具有軟化溫度TgE =150°C和10微米的厚度。第一聚合物層基底元件通過輥沖壓三維結(jié)構(gòu)化，形成垂直輪廓，而第二基底元件，作為第二聚合物層元件，保持平坦和未結(jié)構(gòu)化。這兩個(gè)基底元件以它們的駐極體層彼此接近，借助于在140°C下的層壓粘合，形成中空空間，以獲得如圖3中所示的聚合物層復(fù)合材料。為了使該布置充電，選擇在30 kV下電暈處理60 S，這導(dǎo)致在形成的中空空間中帕刑(Paschen)放電并導(dǎo)致在對面的聚合物層上形成相反電荷。如果在根據(jù)本發(fā)明的布置上施加壓力，則由其產(chǎn)生電壓。實(shí)現(xiàn)70 pC/N的壓電常數(shù)d33。該聚合物層復(fù)合材料表現(xiàn)出驚人好的機(jī)械穩(wěn)定性、聚合物層彼此良好的粘合和良好的壓電性質(zhì)。實(shí)施例2
根據(jù)本發(fā)明的聚合物層基底元件的制造
為了制造基底元件，共擠出具有軟化溫度TgA = 180°C的聚碳酸酯薄膜APEC和具有軟化溫度TgE = 170°C的環(huán)烯烴共聚物(COC)的聚合物薄膜。獲得具有總厚度為60微米的基底元件，其中載體層的厚度為50微米，而駐極體層的厚度為10微米。環(huán)烯烴共聚物(COC)具有特別好的電荷儲存性質(zhì)，但另一方面易碎，因此其可用性通常有限。根據(jù)本發(fā)明，通過在該聚合物層基底元件中使用載體層，可以令人驚訝地克服這一點(diǎn)，從而可以將環(huán)烯烴共聚物的優(yōu)異駐極體性質(zhì)與良好的機(jī)械和熱性質(zhì)一起轉(zhuǎn)化到本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器中。
權(quán)利要求
1.機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其至少包含具有在其中形成中空空間(5)的聚合物層復(fù)合材料， 其特征在于， 所述聚合物層復(fù)合材料至少包含 -聚合物層基底元件(1)，其包含具有軟化溫度184的載體層(Ia)和與其大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層(Ib)，其中TgA > TgE，和-第二聚合物層元件(2)，其中 所述聚合物層基底元件(I)以其駐極體層(Ib)至少部分與第二聚合物層元件(2)粘合，形成中空空間(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于， 所述載體層(Ia)包含至少一種聚合物或由其形成，所述聚合物選自聚碳酸酯和這些聚合物的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于， 所述駐極體層(Ib)包含至少一種聚合物或由其形成，所述聚合物選自聚碳酸酯、全氟化或部分氟化的聚合物和共聚物，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基乙烯(PFA)，聚酯，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亞胺，特別是聚醚酰亞胺，聚醚、聚甲基丙烯酸甲酯、環(huán)烯烴聚合物、環(huán)烯烴共聚物(COC)、聚烯烴，如聚丙烯和這些聚合物的混合物。`
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于， 在成品機(jī)電轉(zhuǎn)換器中， -載體層(Ia)具有> 6微米至< 125微米的層厚度，和/或-成品機(jī)電轉(zhuǎn)換器中的駐極體層(Ib)具有> 6微米至< 125微米的層厚度，和/或-包含載體層(Ia)和駐極體層(Ib)的聚合物層基底元件(I)具有> 6微米至< 250微米的總層厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于， 在成品機(jī)電轉(zhuǎn)換器中，駐極體層(Ib)的層厚度相對于載體層(Ia)的層厚度更薄。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于， 所述第二聚合物層元件(2)包含至少一層含有間隙(4)的第一聚合物層(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于， 所述第二聚合物層元件(2)包含或形成為至少一個(gè)第二聚合物層基底元件(1)，所述第二聚合物層基底元件(I)包含具有軟化溫度TgA的載體層(la，10a)和與其大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層(lb，10b)，其中TgA > TgE。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器， 其特征在于，將聚合物層基底元件(I)和/或第二聚合物層元件(2)在形成凸起和/或凹進(jìn)的情況下結(jié)構(gòu)化和/或三維成型以在所述聚合物層復(fù)合材料中形成中空空間(5)。
9.機(jī)電轉(zhuǎn)換器的制造方法，所述機(jī)電轉(zhuǎn)換器至少包含具有在其中形成中空空間(5)的聚合物層復(fù)合材料， 其特征在于， 步驟: A)提供聚合物層基底元件(I)，其包含具有軟化溫度載體層(Ia)和與其大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層(Ib)，其中TgA > TgE, B)提供第二聚合物層元件(2)， C)將聚合物層基底元件(I)布置在第二聚合物層元件(2)上，其中駐極體層(Ib)朝向第二聚合物層元件(2);和 D)借助層壓使所聚合物層基底元件(I)與第二聚合物層元件(2)粘合，形成具有在其中形成中空空間(5)的聚合物層復(fù)合材料，其中所選層壓溫度I；低于軟化溫度TgA并大于或等于軟化溫度TgE。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法， 其特征在于， 所述層壓溫度 Υ與駐極體層(Ib)的軟化溫度TgE之間的溫度差Λ T (Tu TgE)(10。。。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法， 其特征在于， 在步驟A)中，通過共擠出或通過溶劑澆鑄技術(shù)提供聚合物層基底元件(1)，所述聚合物層基底元件(I)包含載體層(Ia)和與其大范圍粘合的駐極體層(lb)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11任一項(xiàng)的方法， 其特征在于， 步驟A)和/或步驟B)包括聚合物層基底元件(I)和/或第二聚合物層元件(2)的結(jié)構(gòu)化和/或三維成型。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12任一項(xiàng)的方法， 其特征在于， 所述方法包括進(jìn)一步步驟 E)用相反電荷使所述聚合物層復(fù)合材料中形成的中空空間(5)的內(nèi)表面充電。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13任一項(xiàng)的方法， 其特征在于， 在步驟E)中的使形成的中空空間(5)的內(nèi)表面充電之前和/或之后，所述方法包括步驟 F)將電極(6)施加到聚合物層基底元件(I)上和/或施加到第二聚合物層元件(2)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14任一項(xiàng)的方法， 其特征在于， 作為工藝步驟其包括G)將兩個(gè)或更 多個(gè)得自工藝步驟D)、E)或F)的布置彼此堆疊。
全文摘要
本發(fā)明涉及至少包含具有在其中形成中空空間(5)的聚合物層復(fù)合材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其中所述聚合物層復(fù)合材料包含至少一個(gè)聚合物層基底元件(1)，其包含具有軟化溫度TgA的載體層(1a)和與其大范圍粘合的具有軟化溫度TgE的駐極體層(1b)，其中TgA>TgE，和第二聚合物層元件(2)，其中聚合物層基底元件(1)以其駐極體層(1b)至少部分與第二聚合物層元件(2)粘合，形成中空空間(5)。本發(fā)明還涉及機(jī)電轉(zhuǎn)換器，例如壓電轉(zhuǎn)換器的制造方法及其用途。
文檔編號H01L41/45GK103201868SQ201180052070
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者D.洛維拉-普里托, E-U.賴斯納, W.延寧格, J.瓦格納 申請人:拜耳知識產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司