直接作用容性换能器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种容性换能器及其制造方法。该换能器包括一组电极，在电极之间设置了介电材料。该电极和介电材料构成一电容，其中电容被设置成使得施加到电极的电能能至少部分地直接被换能器转换成驱动的机械功，即，没有释放存储能量。因此，施加的电能直接移动该换能器是源于介电材料的变形，而不是源于存储于预加载物体、一弹簧、或在其它的弹性可变形元件内的势能的释放。由于它允许换能器被设计成无需在驱动方向上施加给换能器一预应变，这是有益的，且也减少了换能器中的能量损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种能够在电能和机械能之间转换的容性换能器及其制造 方法。更具体地，本专利技术涉及具有一组波纟丈状电极的容性换能器，该波纹无 需施加预应变到固定该电极的材料即可获得。有益地，本专利技术的容性换能器 可通过巻绕固定该组电极的介电材料网而形成，该介电材料优选地具有类似 于弹性体的电气和机械性能。
技术介绍
能够响应一电压而执行一偏转的电活性聚合物是一种熟知的技术，如在US6376971中记载的一种柔顺电极，该柔顺电极通过以下方式与聚合物接触 放置，使得当在电极间施加一电位差时，电极间产生的电场使电极相对彼此 收缩，因此使聚合物偏转。由于电极实质上为刚性材料，它们必须制成为有 结构的以使得它们柔顺。该电极被描述成具有"平面内"或"平面外"柔性。在US6376971中， 可通过在驱动期间以高于其正常能够拉伸的程度拉伸一聚合物，从而提供该 平面外的柔顺电极，且刚性材料层沉积于被拉伸的聚合物表面上。例如，该 刚性材料可为当该电活化聚合物被拉伸时被固化的聚合物。在固化后，该电 活化聚合物被松弛，且该结构被弯曲以提供有结构的表面。该刚性材料的厚 度可被改变以提供任何尺寸的结构，包括亚微米级。可选地，有结构的表面 可通过反应离子蚀刻(RIE)来制造。例如，RIE可在包括硅的预应变的聚 合物上采用RIE气体来进行，以形成具有波谷和波峰深达4-5微米的表面， 该R正气体包括90%的四氟化碳和10%的氧。作为又一可选的，该电极可 粘接到聚合物的表面上。粘接到聚合物的电极优选为柔顺的并遵从聚合物的 改变的形状。有结构的电极可提供多于一个方向上的柔性。有粗糙结构的电 极可在正交的平面方向提供柔性。同样在US6376971中公开了 一被构造和提供一个方向柔性的平面柔顺 电极，其中金属迹线在电荷分布层上被构图为平行线，两者覆盖了聚合物的有效区域。该金属迹线和电荷分布层被涂布到聚合物的相对面。该电荷分布 层有助于金属迹线之间的电荷分布，并且是柔顺的。结果，该被构造的电极 允许在垂直于平行的金属迹线的柔顺方向上偏转。 一般地，该电荷分布层具 有大于电活化聚合物但小于金属迹线的电导率。该聚合物可在一个或多个方向上被预应变。预应变可通过在一个或多个 方向上机械拉伸 一聚合物并在应变时将该聚合物固定到 一个或多个实心构 件(例如刚性板)而实现。保持预应变的另一技术包括使用一个或多个加强 材。该加强材为置于当其处于预应变状态例如其被拉伸时的聚合物上的长刚 性结构。该加强材沿其轴线方向保持预应变。该加强材可排列为平行或根据 其它配置以实现换能器的定向柔性。在US6376971中公开的柔顺电极可以包括导电脂，如碳脂或银脂，提供 多个方向上的柔性，或者该电极可包括碳原纤维，碳纳米管，离子化导电材 料或胶体悬浮物的混合物。胶体悬浮物包含亚微米尺寸颗粒，如液体载体中 的石墨、银和金。该聚合物可为商业性可获得的产品，比如商业性可获得的丙烯酸弹性体 膜。它可为通过浇铸、浸渍、旋涂或喷涂而得的膜。可选地，现有技术中已知的有结构的电极可被光刻法构图。在该情形， 光致抗蚀剂被沉积于预应变的聚合物上且采用掩膜来构图。等离子体蚀刻可 以移除未被期望的图案的掩膜保护的电活化聚合物的部分。随后掩膜通过合 适的湿蚀刻被移除。该聚合物的活性表面被例如通过賊射沉积的金薄层覆。US6891317披露了一种巻绕的电活性聚合物，例如，具有或不具有电极 的电活性聚合物，被缠绕或且绕到自身上(例如，像一张海报)或缠绕到其 他物体(例如一弹簧)上。该聚合物可被重复巻绕，且最少包括重叠了至少 聚合物的内层部分的聚合物的外层部分。对于单个电活性聚合物层结构，巻 绕的电活性聚合物可包括大约2和200层之间。在该情形， 一层指沿巻绕的 聚合物的径向横截面上有的聚合物膜或片的数量。弹簧提供导致施加到聚合 物周向和轴向预应变的力。巻绕的电活性聚合物可采用多层结构，其中多个聚合物层在巻绕或缠绕 前被相互布置其上。例如，其上不具有构图的电极的第二电活性聚合物层可 被置于电活性聚合物上，该电活性聚合物在两个表面均具有构图的电极。直接在两聚合物之间的电极为直接接触的两聚合物表面服务。巻绕后，有电极上没有构图的电极的第二电活性聚合物使用第一电极化聚合物上的两个电极。其它的多层结构也是可以的。例如，多层结构可包括任何偶数个聚合物 层，其中奇数聚合物层有电极而偶数聚合物层没有电极。在巻绕后，顶部无电极的聚合物的上表面则依赖于叠层的底部上的电极。采用该技术，具有2、 4、 6、 8等层的多层结构是可行的。某些情形下，多层结构中使用的层数可 能受到巻的尺寸和聚合物层的厚度限制。随着巻半径减小，该允许的层数通 常也减少。不管使用的层数如何，该巻绕的换能器被设置成使得给定极性的 电极不接触相反极性的电极。多层也可被单独地给予电极，且每隔一层聚合 物层可在巻绕前被翻转，使得在巻绕后相互接触的电极具有相似的电压或极 性。采用在US6376971和US6891317中记载的技术制造电活性聚合物，尤 其巻绕的驱动器具有波紋状电极的柔顺方向非常难以控制的缺点。进一步，期望通过巻绕一介电材料网获得该换能器，其中该介电材料网 可为如具有电极设置于其上的聚合物网，因为装置的稳定性提高了，且当被 巻绕结构的绕数增加时获得了一更大的驱动力。由此，欲获得大的驱动力， 必须提供大量的绕数。然而，使用在US6376971和US6891317中所记载的 现有技术时，由于所需要的聚合物膜的必要最小厚度，绕数被限制。最后，为了使用现有技术获得需要的柔性，需要对电极使用具有相对高 电阻的材料。由于具有大量绕数的巻绕驱动器将无疑具有很长的电极，电极 的总电阻将非常高。这种类型的驱动器的响应时间由t=R.C给出，其中R 为电极的总电阻，C为该复合物的电容。因此，高总电阻将导致该驱动器非 常长的响应时间。因此，为了获得可接受的响应时间，绕数必须被限制，且 因此，驱动力也被限制，即在设计驱动器时，必须权衡响应时间和驱动力。由此，基于介电聚合物原则的电活性聚合物驱动器的传统设计至今有四 种不同的配置，即有限尺寸的单驱动器片，有限尺寸和数量的单驱动器片的 叠层，有限尺寸和非常有限的绕数的巻绕的单驱动器片，和有限尺寸和非常 有限的绕数的单驱动器片的巻绕的片。上述所有的驱动器配置具有一共同的工作原则，即它们都必须在预应变模式操作，或者通过采用一物质(恒定负载，典型用于垂直位移)的预应变 或采用处于压缩或拉伸状态下的弹簧或类似弹簧的元件预加载。这两种预应的缺乏。实际上，当对它们施加电能后，正是该物质或弹簧输送了大部分机 械功。由于存储在电活性材料内势能的恢复，该电活性材料仅当从其移除电 能即放电后才输送功。如没有预加载，当对它们施加电能时，由于拉伸应力， 该电活性驱动器易于弯曲或纵向弯曲，而不是施加任何实质的轴向驱动力。
技术实现思路
由此，本专利技术的一个目的在于相对于相似的现有技术容性换能器，提供 一种具有显著增加的驱动力的容性换能器。本专利技术的进一步的目的在于相对于相似的现有技术容性换能器，提供一 种具有改善的响应时间的容性换能器。本专利技术的更进一步的目的在于提供一种无需平衡响应时间和驱动力的 容性换能器。本专利技术的更进一步的目的在于提供一种无需在驱动方向上给换能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种容性换能器，该换能器包括一组电极，在所述电极之间设置了介电材料，所述电极和该介电材料构成一电容，其中该电容被设置成使得施加到电极的电能至少部分地直接由换能器转换成驱动的机械功，且在未支撑状态的该换能器在换能器的通常操作范围内满足稳定性的欧拉准则。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乔根M克劳森，穆罕默德Y本斯里曼，
申请(专利权)人：丹佛斯公司，
类型：发明
国别省市：DK[丹麦]