DE2511438A1 - Verfahren zum herstellen eines homopolaren elektrets aus einer folie - Google Patents

Description

PHN.7467. VIJN/EVH.

fci.V.Philips' Gloeilampenfabriekee 6.2.1975.

λϊ.ϊ>-Ν3. PHN- 7467

Anmeldung vomt 13. März 1974

Verfahren zum Herstellen eines homopolaren Elektrets aus einer Folie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines homopolaren Elektrets aus einer Folie eines nicht-polaren Polymers, das nach Erwärmung bis über den Glas-Gummi-Uebergang und unter die Schmelztemperatur des Polymers in einem elektrostatischen Feld geformt und die Folie bis Zimmertemperatur abgekühlt wird.

Derartige Elektrete werden durch Injektion von Ladungen, die ausserhalb des Dielektrikums gebildet werden, mit einer homopolaren Ladung versehen.

Bei Verwendung von Elektroden, bei denen die

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Folie zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden gelegt wird und welche Elektroden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden, wird das elektrostatische Feld so sehr erhöht, dass in der Luftschicht zwischen der Folie und einer der Elektroden ein elektrischer Durchschlag stattfindet, wobei Ionen und Elektronen entstehen, die durch das elektrostatische Feld in das Folienmaterial injiziert werden.

Andere Möglichkeiten zur Injektion von homopolarer Ladung in die Folie ist die Anwendung des Corona-Effektes5 die Verwendung einer Flüssigkeit als Ladungsbehälter und die Anwendung eines Elektronenbeschusses im Vakuum,

Es hat sich herausgestellt, dass sich nichtpolare Dielektriken durchaus zum Speichern einer homopolaren Ladung eignen. Sie kennzeichnen sich durch eine äusserst niedrige elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Affinität gegen Feuchtigkeit,

Typische Beispiele nicht-polarer Polymere sind polymerisierte Fluor-Kohlenstoffverbindungen, die unter dem Handelsnamen TEFLON auf dem Markt erschienen sind.

Die Elektretfolien aus diesen Materialien weisen eine gute thermische Stabilität auf.

Die Erfindung bezweckt nun, Elektretfolien aus diesen Materialien mit'ausserordentlicher thermischer

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und FeuchtigkeitsStabilität zu schaffen und weist das Kennzeichen auf, dass bevor bei Abkühlung die Glas-Gummi-Uebergangstemperatur erreicht wird, das elektrostatische Feld ausgeschaltet wird, wobei das elektrostatische Feld eine derartige Grosse hat, dass eine grössere homopolare Ladung in die Elektretfolie injiziert wird als der gewünschte Wert und das Uebermass an Ladung nach Ausschaltung des Feldes abgeführt wird«

Dadurch wird es möglich, nach der homopolaren Ladungsinjektion die weniger stark gebundene Ladung in der Folie durch die hohe Temperatur abfliessen'zu lassen. Die injizierte Ladung wird in Auffangzentren (traps) verschiedener Energie festgehalten. Nach der Aufladung und bei der eingestellten hohen Temperatur verschwinden die Ladungen von der Aussenseite zum Inneren der Folie und zwar aus denjenigen Auffangzentren, wo die Ladungen die geringste Bindung aufweisen. Dies erfolgt wahrscheinlich infolge einer Vergrösserung der Beweglichkeit der Ladungen durch die hohe Temperatur, Je höher diese Temperatur ist, umso leichter erfolgt der Ladungstransport, Auch die Zeit, während der die Elektretfolie auf einer höheren Temperatur gehalten wird, spielt eine Rolle, Je länger dies dauert, umso mehr Ladungen bewegen sich einwärts. Nur diejenigen Ladungen der Elektretfolie, die sich in den sogenannten tieferen Auffangzentren befinden,

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bleiben übrig, deim diese sind am stärksten gebunden.

Da Feuchtigkeit nur bis zu einer sehr geringen Tiefe auf die Elektretfοlie einwirken kann, ist ihr Einfluss auf die homopolare Ladung, wenigstens auf die stark gebundene Ladung, (Ladungen in den tieferen Energiefangstellen) praktisch vernachlässigbar. Die auf diese Weise gebildete Elektretfolie hat durch diesen "Alterungs"· Prozess eine besonders gute thermische Stabilität und ist ausserdem gegen Feuchtigkeit sehr ladungsstabil geworden.

Eine Abwandlung des erfindungsgemässen Verfahrens weist das Kennzeichen auf, dass nach Beendigung der Aufladung die Temperatur noch weiter erhöht wird. Dadurch entsteht die Möglichkeit, den Abfluss der schwach gebundenen Ladung wesentlich zu beschleunigen.

Vers^¹Γ,he haben gezeigt, dass die Aufladezeit zwischen 0,01 s und 1 min, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 s liegen muss.

Bei der Herstellung des Elektrets nach der Erfindung wird das elektrostatische Feld auf einen gewissen Wert gebracht. Die dadurch entstandene homopolare Ladung liegt viel höher - um beispielsweise 50 % - als die gewünschte Ladung, Der Unterschied wird infolge der eingestellten Temperatur und der Zeitdauer derselben abgeführt. Unter dieser Abfuhr wird, wie bereits beschrieben, die Verringerung der Ladung verstanden,

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Beim erfindungsgemässen Verfahren ist es besonders vorteilhaft, dass die Folie zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden gelegt wird, von denen mindestens eine mit einer gewebeartigen Zwischenschicht versehen ist, wobei während der Formung des Elektrets die Elektroden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. Meistens wird von einer Folie mit einer nicht-oxydierenden aufgedampften Metallschicht, wie Gold oder Nickelchrom, ausgegangen. Besteht diese Folie aus dem obengenannten Material TEFLON, so hat es sich herausgestellt, dass dieses Material mit einer negativen homopolaren Ladung eine viel bessere Ladungsstabilität aufweist als mit einer positiven Ladung.

Um eine derartige Elektretfolie mit negativer Ladung herzustellen weist ein Ausftihrungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens das Kennzeichen auf, dass beim Anbringen der Folie zwischen den Elektroden die Metallschicht der Folie unmittelbar an einer Elektrode anliegt, welche Elektrode an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, während sich zwischen der Folie und der anderen Elektrode die Zwischenschicht befindet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen»

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Fig. 1 eine* schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Formen eines Elektrets nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Formungsprozesses,

Fig. 3 einige versuchsweise gefundene Stabilität skurven einer nach der erfindungsgemässen Formung hergestellten Elektretfolie.

In Fig. 1 sind in einem Thermostaten 1 zwei einander gegenüber angeordnete Elektroden 2 und 3 angebracht, welche Elektroden mit der Spannungsquelle k verbunden sind, wobei die Elektrode 2 den positiven Pol und die Elektrode 3 den negativen Pol bildet. Zwischen den Elektroden wird eine Folie 5 aus beispielsweise dem obengenannten Material TEFLON-FEP angeordnet. Diese Folie ist einseitig mit einer sehr dünnen aufgedampften Metallschicht 6 aus Nichrom versehen, welches Material in einer feuchten Atmosphäre nahezu oxydiert. Diese Metallschicht liegt an der positiven Elektrode 2 an.

Zwischen der Folie 5 und der negativen Elektrode befindet sich eine Zwischenschicht 7 aus Glasfasergewebe, Die Folie 5 ist zwischen den Elektroden eingeklemmt. Der Thermostat 1 ist mit einer Heizspirale 8 versehen, an der entlang in Richtung des Pfeiles Luft in den Thermostaten geblasen wird und er ist weiter

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mit einer Temperaturregelung 9 versehen.

Die Dicke der Folie beträgt 25 /um. Die Dicke des Glasfasergewebes 0,25 mm. Dadurch ist es möglich, dass ein elektrischer Durchschlag stattfinden kann. Es entstehen Ionen und Elektronen in der Zwischenschicht, d.h., in den Lufträumen im Gewebe, welche Ionen und Elektronen infolge des elektrostatischen Feldes in der Folie injiziert werden und dadurch eine homopolare Ladung bilden.

Das Eingehaltene Temperatur-Zeitprogramm ist in Fig. 2 dargestellt. Die Temperatur wird bis zu einer gewissen empirisch bestimmten Maximaltemperatur T₁ gesteigert, welche Temperatur über der Glas-Gummi-Uebergangstemperatur T und unter der Schmelztemperatur der Folie liegen muss. Zwischen den Zeiten t^ und t₂, die zu der Glas-Gummi-Uebergangstemperatur T gehören, die im Anwärm- und Abkühlungsteil des Temperaturzyklus liegen, werden die Elektroden 2 und 3 an die Spannungsquelle 4 angeschlossen, wodurch während einer Zeit t^. zwischen den Elektroden und folglich im Folienmaterial ein elektrostatisches Feld entsteht. Die Grosse dieses Feldes wird durch die Ladungsmenge, die man der Folie zuordnen will, bestimmt.

Die Temperaturkurve wird durch A bezeichnet} die dazu gehörende Ladungskurve durch a, wobei ersichtlich

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1st, dass zwischen den Zeitpunkten t₁ und t_ ein Teil der Ladung abfliesst. Die Grosse dieses Teiles wird durch die maximale Temperatur T- und den Zeitunterschied (to - *i ) bestimmt. Eine andere Formungsrnöglichkeit wird durch die Kurve B angegeben, wobei die maximale Temperatur T^ bis zum Zeitpunkt t„ konstant gehalten wird. Die geformte Ladung hat einen Verlauf, wie dieser durch die Kurve b angegeben ist. Der Ladungsabfluss dauert nun länger und zwar bis zum Zeitpunkt tu, der zu der Glas-Gummi-Uebergangstemperatur T gehört und in der Abkühlungsstrecke der Kurve B liegt.

Nach diesem Ladungsabflussprozess stellt es sich heraus, dass die thermische Ladungsstabilität sowie die Feuchtigkeitsstabilität wesentlich verbessert sind.

Die Stabilitätskurven werden nach der TSD-Methode (thermally stimulated discharge) gemessen. Dabei wird die geformte Elektretfolie um jeweils einen Grad Celsius pro Minute erhitzt, wobei die ständige Ladungsmenge gemessen wird. Dies erfolgt entsprechend der sogenannten Ausgleichsmethode und in diesem Zusammenhang wird die gemessene homopolare Ladung in äquivalente VoIt-Einheiten V ausgedrückt,

eq

In Flg. 3a werden Stabilitätskurven einer TEFLON-FEP- Elektretfolle unter normalen Umständen

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(Kurven 11 und 12) und unter speziellen Feuchtigkeitsuraständen. (Kurven 13 "und Ik) dargestellt. Die normalen Umstände sind: 22"C - 4o$ RH, die. speziellen Umstände sind 70⁰C - 100$ RH, Dabei ist senkrecht die homopolare Ladung in V VoIt-Einheiten und waagerecht die Zeit in Tagen aufgetragen.

Die gealterte Elektretfolie, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren geformt worden und durch die gestrichelten Kurven angegeben ist, ist während 1 Minute mit einer Gleichspannung von 1 kV" bei 200⁰C geformt, wonach die Temperatur auf eine Maximaltemperatur T₁ = 220⁰C gesteigert wurde.

Die nicht-gealterte Elektretfolie - durch die gezogenen Kurven angegeben - ist nach einem bekannten Verfahrengeformt, wobei die Gleichspannung erst nachdem die Zimmertemperatur bei Abkühlung erreicht worden ist, ausgeschaltet wird.

In Fig. 3t> werden die Stabilitätskurven dargestellt als Funktion der Temperatur. Die Kurve I5 nach einem nicht-Alterungsprozess, die Kurve 16 nach dem Alterungsprozess nach der Ex'findung, welche Kurve weitergeht.

Aus den Kurven dürfte es einleuchten, dass die Stabilitätskurven der gealterten Elektretfolie bei hoher Feuchtigkeit von 100$ RH und 70⁰C wesentlich besser

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sind als die der nicht-gealterten Elektretfolie. Diese äusserst ungünstigen Umstände werden jedoch in der Praxis bei Verwendung von Elektretfolie als Membran in einem Mikrophon niemals auftreten.

Bei Messungen an TEPLON-FEP-Folien wurden weiter die untenstehenden Daten gefunden:

Normale	Umstände	Elektrettyp	Ladungsverlust °-	h	Zeit
		nicht gealtert	6,7	1	,5 Jr.
k5*c -	100$ RH	nicht gealtert	11	1	Jr.
		gealtert	*·5	2	Jr.
70°c -	100$ RH	nicht gealtert	h6		Jr.
		gealtert	30

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Claims (1)

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   PATENTANSPRUECHE ί

   1. ) Verfahren zum Herstellen eines homopolaren Elektrets aus einer Folie eines nicht-polaren Polymers, das nach Erwärmung bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Polymers in ein elektrostatisches Feld gebracht wird, wobei das Polymer zu einem Elektret geformt wird und die Folie bis zur Zimmertemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bevor die Abkühlung die G-las-Gummi-Uebergangstemperatur erreicht wird, das elektrostatische Feld ausgeschaltet wird, wobei das elektrostatische Feld eine derartige Grbsse hat, dass eine grbssere homopolare Ladung in die Elektretfolie injiziert wird als der gewünschte Wert und das Uebermass an Ladung nach dem Ausschalten des Feldes abgeführt wird.

   2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung der Aufladung die Temperatur noch weiter gesteigert wird,

   3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladezeit zwischen 0,01 s und 1 Minute liegt,

   4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladezeit weniger ist als 5 s.

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   5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Folie zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden angebracht wird, von denen mindestens eine mit einer gewebeartigen Zwischenschicht versehen ist, wobei während der Formung des Elektrets die Elektroden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden.

   6. Verfahren nach Anspruch 5» wobei von einer Folie eines nicht-polaren Polymers, das aus polymerisierten Fluor-Kohlenstoffverbindungen besteht, ausgegangen wird, das einseitig mit einer sehr dünnen aufgedampften Metallschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anbringen der Folie zwischen den Elektroden die Metallschicht der Folie unmittelbar an einer Elektrode anliegt, welche Elektrode.mit dem positiven Pol der Gleich-Spannungsquelle verbunden ist, während sich zwischen der Folie und der anderen Elektrode eine Zwischenschicht befindet.

   8. Elektretfolie nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,

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