一种电容式换能器以及一种用于制造换能器的方法技术

披露了一种电容式换能器(1)以及一种制造电容式换能器(1)的方法。该电容式换能器(1)包括具有一个第一表面和一个第二表面的一个聚合物膜(2)、安排在该聚合物膜(2)的第一表面上的一个第一导电层(3)，以及安排在该聚合物膜(2)的第二表面上的一个第二导电层(3)。该聚合物膜(2)是至少部分地由一种分子量为至少21,000g/mol的材料制成。诸位发明专利技术人已经出人意料地发现具有高分子量的硅酮聚合物材料，如液体硅酮橡胶(LSR)或高温固化(HTV)弹性体，具有高的电击穿强度，即使来自制造商的技术数据表声明类似于RTV-2弹性体的几乎相同的电击穿强度。在电容式换能器中使用此类材料因此允许向该换能器施加高电场而没有电击穿的风险。由此该换能器显示出提高的性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及一种使聚合物膜安排在两个电极之间的类型的电容式换能器，这些电极以导电层的形式安排在该聚合物膜的相对表面上。本专利技术进一步涉及一种用于制造这种电容式换能器的方法。专利技术背景之前已经提供了电容式换能器，这些电容式换能器包括聚合物薄膜，其中一个第一电极(以第一导电层的形式)被安排在该聚合物膜的一个第一表面上，以及一个第二电极(以第二导电层的形式)被安排在该聚合物膜的一个第二相对的表面上。由此这些电极形成了一种使聚合物膜安排在其中的电容器。如果在电极之间施加势差，这些电极彼此吸弓丨，并且该聚合物膜在与电极垂直的方向上压缩，并在与电极平行的方向上拉长。如果以仔细的方式设计换能器，这导致来自该换能器的机械行程、即供给到电极的电能转化成机械功，即该换能器充当一种致动器。类似地，如果这些电极彼此机械地吸引，并且如果然后在电极之间施加势差，那么通过机械地减小电极之间的距离，即通过在与电极垂直的方向上压缩聚合物膜，并在与电极平行的方向上拉长聚合物膜，有可能将机械能转化为电能。如果以仔细的方式设计换能器，这导致机械功转化成电能，即该换能器充当一种电能发生器。类似地，如果电极被推向彼此或从彼此拉开，由于电极之间改变的距离，电容器的电容发生变化。此种机制可用于传感目的，其中在该换能器中的任何尺寸变化可以通过读取所产生的电容变化来监测。令人希望的是能够在长且薄的网状物上，优选地使用适合的制造技术(包括旋涂、喷涂、流延和/或卷对卷方法)制造此类电容式换能器，以便能够以一种简单且成本效益的方式大量生产换能器。之前已被选取用于该聚合物膜的材料在固化该聚合物膜之前具有相对低的粘度(在1，000-100, OOOmPa-s的范围内)，以使该聚合物材料在上述方法中易于处理。当该换能器是以这种方式操作使得电能被转换为机械功时，或反之亦然，该换能器的性能取决于跨过该换能器的聚合物膜所施加的电场的强度，在这种意义上达到的电场强度越高，在该转换器充当致动器的情况下换能器的伸长率越大，或者在该转换器充当发电机的情况下得到的电能越多。然而，当施加跨过聚合物膜的高电场强度时，存在换能器中发生电击穿，从而导致损坏电极和/或聚合物膜的风险。聚合物膜抵抗电击穿的能力被称为电击穿强度或介电击穿强度。这是一种材料特性。然而，材料中的杂质、瑕疵或缺陷倾向于降低电击穿强度。当操作换能器时，外加电压应该保持足够低以防止施加到该电容式换能器的电场强度超过聚合物膜的电击穿强度。因为所施加的电场强度确定换能器的伸长率、最大可能的伸长率，并且由此可以通过充当致动器的换能器传递的最大机械功受聚合物膜的电击穿强度限制。类似地，对于充当发电机的换能器得到的最大可能的电能受聚合物膜的电击穿强度限制。因此，在一些实例中，有可能不能充分地利用换能器的最大潜力。
技术实现思路
本专利技术的实施例的一个目的是提供一种电容式换能器，其中与现有技术的电容式换能器相比电击穿强度增加。 本专利技术的实施例的另一个目的是提供一种电容式换能器，该电容式换能器在单个行程中能够比现有技术的电容式换能器产生更多的机械功。 本专利技术的实施例的再另一个目的是提供一种电容式换能器，该电容式换能器在单次循环中能够比现有技术的电容式换能器产生更多的电能。 本专利技术的实施例的再另一个目的是提供一种用于制造电容式换能器的方法，其中所产生的电容式换能器具有与现有技术的电容式换能器相比增加的电击穿强度。 根据第一方面，本专利技术提供了一种电容式换能器，包括: -具有一个第一表面和一个第二表面的一个聚合物膜， -安排在该聚合物膜的第一表面上的一个第一导电层，以及 -安排在该聚合物膜的第二表面上的一个第二导电层， 其中该聚合物膜是至少部分地由一种分子量为至少21，OOOg/mol的材料制成。 如上所述,该第一导电层形成一个第一电极，并且该第二导电层形成一个第二电极。该聚合物膜被安排在这些电极之间，并且由此形成一个电容器。 该聚合物膜是至少部分地由一种分子量为至少21，OOOg/mol的材料制成。此类材料通常具有相对高的粘度，典型地高于100，OOOmPa.s,并且它们因此通常被认为不适合在包括凹版印刷、狭缝式模头(slot-die)、旋涂、喷涂、流延或类似技术的制造工艺中使用。具体地，为了能够将高粘度材料用于以上提及的过程，有必要向该材料施用溶剂，并且有必要在固化步骤之前包括一个干燥该材料以除去溶剂的额外的工艺步骤。此外，大多数溶剂要求ATEX认证的设备。这是不利的，因为它使制造工艺变复杂。此外，使用高粘度材料被认为增加了将杂质或缺陷(针孔或气泡)引入材料中的风险，并且技术人员将因此认为此类材料的使用将降低电击穿强度。 已知的是使用具有高分子量的聚合物材料，如在例如Sankar等人，“电活性纳米结构化的聚合物的机械和致动行为”，传感器和致动器A，第151卷第I期(2009)46-52页(Sankar et al.“Mechanical and actuat1n behav1ur of electroactivenanostructured polymers”，Sensors and Actuators A vol.151nr.1 (2009)pages46-52)描述的。在此SEBS(苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯)形成了电活性致动器(EAP)的电介质。SEBS属于热塑性弹性体是三嵌段橡胶并由于聚苯乙烯端基相分离成由乙烯丁二烯链连接的富苯乙烯的域而交联。此相分离引起该弹性体的物理交联。 热塑性弹性体有时也被称为热塑性橡胶并且是一类由具有热塑性和弹性体特性这两者的材料组成的聚合物(通常是塑料和橡胶)的共聚物或物理混合物。虽然大多数弹性体是热固性材料，热塑性塑料相比之下相对易于在制造中使用，例如通过注射模制。热塑性弹性体显示出橡胶材料和塑料材料这两者的典型优点。 热固性弹性体与热塑性弹性体之间的主要区别是在其结构中的交联键的类型。实际上，交联是有助于赋予高弹性特性的一个关键的结构因素。热固性聚合物的交联是在固化过程中产生的共价键，是化学交联的弹性体，与物理交联的弹性体(如SEBS，其中该交联是更弱的偶极子或氢键或发生在材料一个阶段)相反。 然而，此类热塑性弹性体(像SEBS)仅展现出与传统上被用于电容式换能器的、如具有约16，OOOg/mol分子量的聚合物材料的电击穿强度在相同范围内的介电击穿强度，并属于一组具有在40-90V/μ m范围内的击穿的、有时被称为室温固化(RTV-2)弹性体的硅酮弹性体。它们极少被观察到超过100V/ μ m。 介电击穿强度的SEBS测量的一个实例可以在Killosche等人的“在聚-苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯热塑性弹性体的电击穿中机械特性的影响”，电活性聚合物致动器和设备(EAPAD) 2009，Proc.0f SPIE [国际光学工程学会进展]卷7287,729729中找到，例如示出了略高于10V/ μ m的几个测量，但其中与邻近相关的测量相比这些测量可以看出是有争议的，并且可能是错误的测量。 (有关降低使用SEBS的击穿和其他缺点的争论，你可以帮忙吗？) 然而，本专利技术的诸位专利技术人已经出人意料地发现分子量为至少21，000g/mol的化学交联的(和/或热固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式换能器(1)，包括：‑具有一个第一表面和一个第二表面的一个聚合物膜(2)，‑安排在该聚合物膜(2)的第一表面上的一个第一导电层(3)，以及‑安排在该聚合物膜(2)的第二表面上的一个第二导电层(3)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的分子量为至少21,000g/mol的化学交联的材料制成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.14 DK PA2012001181.一种电容式换能器(1)，包括: -具有一个第一表面和一个第二表面的一个聚合物膜(2)， -安排在该聚合物膜(2)的第一表面上的一个第一导电层(3)，以及 -安排在该聚合物膜(2)的第二表面上的一个第二导电层(3)， 其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的分子量为至少21，000g/mol的化学交联的材料制成。2.根据权利要求1所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的聚合度为至少300的材料制成。3.根据权利要求2所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的聚合度为至少500的材料制成。4.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的S12填充剂含量为按重量计至少10%的材料制成。5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的热解硅石填充剂含量为按重量计至少10%的材料制成。6.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种包含添加剂的材料制成，该添加剂增加了该聚合物膜(2)的相对电容率或介电常数。7.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是由一种弹性体制成。8.根据权利要求7所述的电容式换能器(I)，其中该弹性体是一种硅酮弹性体。9.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的分子量为至少35，000g/mol的材料制成。10.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是至少部分地由一种具有的分子量为至少350，000g/mol的材料制成。11.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)的第一表面和/或该聚合物膜(2)的第二表面包括凸起的和凹陷的表面部分的表面图案，并且其中该第一导电层(3)和/或该第二导电层(3)沉积在该第一和/或第二表面的表面图案上，该第一导电层(3)和/或第二导电层(3)由此具有波纹形状。12.根据权利要求11所述的电容式换能器(I)，其中该第一和/或第二表面的凸起的和凹陷的表面部分具有沿着对应的表面的至少一个方向周期性地改变的形状和/或大小。13.根据权利要求11或11所述的电容式换能器(I)，其中该表面图案包括形成实质上在一个共同方向延伸的波峰和波谷的波，每个波定义了一个高度，该高度为在一个波峰和邻近波谷之间的最短距离。14.根据权利要求13所述的电容式换能器(I)，其中该波的平均高度是在1/3μπι与20 μ m之间。15.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该第一导电层(3)和/或该第二导电层(3)具有在0.01-0.2μπι范围内的厚度。16.根据前述权利要求中任一项所述的电容式换能器(I)，其中该聚合物膜(2)是一种包括至少两个聚合物材料层的结...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德·叶海亚·本苏莱曼，
申请(专利权)人：丹佛斯聚能公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK