基于流体介电质的可变电容器制造技术

揭示了一种具有被运输或经受相变的流体介电质材料的电容器（１０、２０、４０、５０、７０、８０）。介电质介质变化导致电极（１２、１４、７２、７４、８１、８２）之间材料的总介电常数的变化，从而改变电容器的电容。运输或相变介电质流体成为电容器的电场，改变电容器的有效介电常数和电容。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术针对于可变电容器。具体地说，本专利技术是利用流体介电质作为电容器的介质材料。当流体变位或相变时，电容器的有效电容和总电容发生改变。
技术介绍
不同种类的可变电容器已经被用在电子行业，包括物理可变电容器。电容器的两个平板错位以调节平板之间的有效面积或改变平板之间的距离都可以用来改变电容器的电容值。这类电容器可以有很大的电容调节范围，但是它们常常需要驱动器来自动控制调节。其他可变电容器包括使用电激活材料作为介电质，当加上一定的电场时，这些材料的介电常数会发生变化。这些材料可以是铁电或顺电的。尽管这些材料的介电常数能很快发生变化，但是它们的变化范围相对较小。这些可变电容器在电力，射频，或微波领域的一般性应用包括替代可变电容二极管，可变滤波器，相变器，多路调制器(包括二路调制器)，电压控制振荡器，功率放大器的可调匹配网络，低噪声放大器，热电效应包括电力系统，一般阻抗匹配网络，和升压电路。在移动通讯系统中设计器件，子系统，或系统时，可以开发可变电容器来实现1)增加大频宽的新容量和改善电子性能(射频或微波)。频率范围大多介于300兆赫兹到30千兆赫兹。2)容积小。3)减小能量消耗。4)重量轻。或者是以上四种的任意组合。这将由系统设计的特殊要求来决定。电子设备包括手机通常需要低直流电压(小于40伏)，最好是小于3伏。所以任何可调器件必须能够把一个小的直流电压转换成适当的电场。一个办法就是设计使用铁电材料的可变电容器，两个电极应该非常靠近。小直流电压还有利于减小射频和电光器件的能量消耗(和热损耗)。另一个使用可变电容器获得需要的可调比的办法就是使用电压增益电路来获得高电压。传统上，一组电容首先被并联充电，然后将它们串联起来来获得高电压。这些技术可用作制造可变电容器，从而避免了对铁电材料的限制。本专利技术的另外一个应用是压力或温度传感器。温度或压力的变化影响许多应用领域，很多工业象水力和风力系统都需要小型温度或压力传感器。目前这些器件采用一系列的基本原理包括电容的一个电极相对于另外一个电极的移动。电极之间的相对运动引起电容的变化，这个变化产生了一个电信号。人们利用这个电信号来探测或驱动系统的运行。电容的变化越大，反馈的信号越大，系统的可控性越高。专利技术概述为了获得高的可控性和适当的变换速度，本专利技术的可变电容器通过一种介电材料的变位或相变来实现变容。一种物质的气态介电常数小于同种物质的液态介电常数。所以当一个电容器的介电物质在一个温度时是液态，在另一个高温度时是气态，在介电材料从液态转换到气态时电容器的电容会减少很多。多种方法可以用来实现这个相变。在一定的周围环境下，相变会发生在一个特定的温度。人们可以剪裁介电材料使得它能在这个特定的温度下发生相变。显然，加上一个加热器可以把介电材料加热到蒸发温度。最好是需要很少量的介电材料，譬如薄膜电容器，这样蒸发介电材料所需的能量会很少。这个能量可以通过电极和邻近电阻或介电材料以漏电流的形式来提供。很多种激活的形式都可以引起相变，包括(但不限于)搅拌激活，热量(电极和靠近电极的阻抗，或高电压应用时的漏电流)，电场，机械激活如超声波或声子。压力变化能引起气态和液态之间的相变。当介电材料从液态变到气态时，电容会减少很多。这个变化远远比温度引起的在同一固态，液态或气态的相变所造成的电容变化要大的多。这个变化可以作为周围环境系统的反馈的函数来实现，也可以反过来用于控制系统的操作。在化学过程或其它工业领域，发生化学反应所需的压力可能是一个很重要的因素。流体的流动同样需要压力传感器。大气科学，空间应用，和移动通讯系统要求更小而集约的传感器。在任何化学过程或系统中，死空间和体积都应当减小。通过利用小体积传感器和介电材料从液态变到气态的转换，死空间应当会减小。因为这些传感器提供更大的单位面积电容变化因而引起更大的控制电路的反馈信号，所以它们也会比现有系统所用的传感器要小。电容的其中一个电极可以固定在一个固体基体，另一个电极暴露于被测压力的介质。液态/气态混合物的变化会提供比单一流体相更大的电容变化。不是所有的介电材料都可以发生相变。气态和液态共存的双相流体也能提供电容的变化，只是变化要小一些而已。当双相流体变得含有更多气态时，它的介电常数会更低。具有不同沸点的一系列液体也可以来用作介电材料，这样能实现电容的阶梯函数。当每一个液体汽化时，总的介电常数会降低到预先一个个计算好的值，因而实现电容的阶梯函数。通过对介电材料和(或)电容结构的设计，可以实现大的阶梯电容的改变和接近连续电容的改变。通过这种方式，可以设计特定范围的异常灵敏的温度监视器件和温度矫正电容。当液体在汽化之后体积膨胀时，会需要额外的体积来容纳气体。电容可以包括一种多孔材料，既能提供足够空间给气体，也能用来容纳材料的液态。除此之外，也可以用一个分开的容体来提供所需的空间。进一步说，电容的壁扩张，当液体变成气体时，电容的平板被推开一定的距离。根据C＝kA/d，(C是电容，k是介电常数，A是平板面积，d平板之间的距离)，结果是电容的进一步减小。因此，电容的改变是通过介电质的介电常数和电容平板之间的距离来实现的。本专利技术的另外一个改变电容的方法是通过运输介电流体流进和流出电容电极之间的电场。一般来讲，这些介电质之一是液体，而具有低介电常数的气体将造成大的电容变化。尽管气体适用于下面例子中的流体运输，两种具有不同介电常数的互不相溶的液体也能提供同样的可调电容。一个或多个空腔被放置在电容电极之间，它(们)作为窄的流体通道。另一个或多个空腔被放置在电极之外的一定距离，用于储存流体。输运器件将用于运输介电流体进出于两个空腔之间来改变电容电极之间的介电常数。运输介电流体的一个方式是适用微型电子机械系统(MEMS)器件。MEMS技术包括压电泵和膜片。另外一个运输介电流体的方式是通过悬浮在介电流体中的磁性或导电性的颗粒。通过外加磁场或电场来移动这些颗粒，介电流体会随着颗粒移动。热同样能用于将介电流体从一个地方转移到另外一个地方。移动介电流体所需的热量远远小于相变所需的热量，因此改变电容所需的能量大大降低。一般来讲，对大多数的应用，电极之间的距离必须很小以实现大的电容值。由于表面张力效应而引起的流阻，液体可能很难在非常小的截面之间流动。但是，电极之间距离的增加又会减小单位电极长度的电容器电容。因此，使用叉指式电容或较大截面面积的电极能够实现大电容小面积。为了使介电质材料和电极能接近，而且还能够封装液体，一种方法是把一部分电极伸进流体槽里。所以当没有液体时，空气会存在于对立的电极之间和电极本身的两个表面之间。这种设计的另外一个好处是电极安装于的非流动介电质的介电常数要比气体本身高。如果非流动介电质临近电极而电极之间的距离很小时，电场将优先经过它们而不是气体。所以本专利技术一个很重要的方面是这些电极伸入流体区而封装介电质离电极空隙之间保持一定的距离(是电极之间距离的25％)，最好是此距离的50％或100％。利用这种安排，介电质会与电容的电场发生作用，而与电极之间是否有流体无关。将电极伸入流体通道，周围介质材料所具有的比气体材料高的介电常数的影响大大减小。电场进入介质材料的通路长度最好是与其介电常数和气体的比成比例的。因此，假设介质材料的介电常数是4，那么通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容器包含：第一电极；第二电极；　介电材料；通过相变来改变介电材料介电材料的方式，这包括从液体到固体，从液体到气体，从固体到气体，或改变超临界流体的特性。

【技术特征摘要】
US 2001-10-19 60/346,172;US 2002-3-22 60/366,7041.一种电容器包含第一电极；第二电极；介电材料；通过相变来改变介电材料介电材料的方式，这包括从液体到固体，从液体到气体，从固体到气体，或改变超临界流体的特性。2.权利要求1中所述的电容器，其特征是改变介电常数的方式是通过靠近介电材料的加热器。3.权利要求1中所述的电容器，其特征是改变介电常数的方式是通过介质，器件或元件周围的环境温度与介电材料的热连接来实现的，改变温度改变其介电常数。4.权利要求3中所述的电容器，其特征是所述的改变温度是环境温度。5.权利要求1中所述的电容器，其特征是改变介电常数的方式是通过介质，器件或元件周围的环境压力与介电材料的压力连接来实现的，改变介质压力改变介电质的介电常数。6.权利要求5中所述的电容器，其特征是所述的改变压力是气体压力。7.一种电容器包含第一电极；第二电极，所述电极可以在两个位置之间移动，这样第一和第二电极之间的距离在最大和最小距离之间改变；介于两电极之间的介电材料；移动第二电极的方式，因而产生介电材料的相变或改变超临界流体元件的物理特性来改变所述电容器的电容。8.权利要求7中所述的电容器，其特征是所述的移动第二电极的方式是通过介电材料的膨胀。9.权利要求7中所述的电容器，其特征是所述的移动第二电极的方式是通过机械方式来造成介电材料的物理变化。10.一种电容器包含第一电极；第二电极；至少两种流体介电质。11.权利要求10中所述的电容器，其特征是所述的至少两种流体介电质由同一种材料组成，其中至少有一个是气体，至少有一个是液体，两种流体的体积由电容器的工作范围来决定。12.权利要求10中所述的电容器，其特征是所述的两种流体介电质是互不溶液体。13.权利要求10中所述的电容器，其特征是所述的两种流体介电质至少有一种是胶体或悬浮物。14.权利要求10中所述的电容器进一步包含运输两种流体介电质中至少一种流体的方式。15.权利要求14中所述的电容器运输至少一种流体的方式包含一个泵。16.权利要求15中所述的电容器进一步包含一个靠近第一和第二电极的腔和一个储存腔，权利要求15中所述的泵用于从靠近第一和第二电极的腔到储存腔运输至少一种介电流体，和从储存腔到靠近第一和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：AT胡恩特，MG埃伦，
申请(专利权)人：微涂技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]