專(zhuān)利名稱(chēng)：電活性聚合物換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及介電彈性體或電活性聚合物膜換能器和通過(guò)最小化能引起局部放電和電暈的高電場(chǎng)梯度來(lái)優(yōu)化它們的性能。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今使用的很多種裝置依靠一種或另一種致動(dòng)器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。相反地， 許多發(fā)電應(yīng)用通過(guò)將機(jī)械作用轉(zhuǎn)換成電能來(lái)操作。被用來(lái)以此方式來(lái)收獲機(jī)械能的相同類(lèi)型的致動(dòng)器可被稱(chēng)為發(fā)電機(jī)。同樣地，當(dāng)該結(jié)構(gòu)用于將物理刺激(例如振動(dòng)或壓力)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)用于測(cè)量目的時(shí)，它可被稱(chēng)為傳感器。然而，一般地術(shù)語(yǔ)“換能器”可用于指代這些裝置中的任一種。許多設(shè)計(jì)考慮青睞選擇和使用高級(jí)介電彈性體材料(也被稱(chēng)為“電活性聚合物”(EAP))用于制造換能器。這些考慮包括有勢(shì)力(potential force)、功率密度、功率轉(zhuǎn)換/消耗、大小、重量、成本、響應(yīng)時(shí)間、占空因數(shù)、服務(wù)要求、環(huán)境影響等。因此，在許多應(yīng)用中，EAP技術(shù)提供壓電的、形狀記憶合金(SMA)和電磁裝置(例如電動(dòng)機(jī)和螺線(xiàn)管)的理想替換。EAP換能器包括具有彈性特性且由薄的彈性介電材料分開(kāi)的兩個(gè)薄膜電極。當(dāng)電壓差施加到電極時(shí)，帶相反電荷的電極相互吸引從而壓縮它們之間的聚合物介電層。隨著電極被拉得更靠近，介電聚合物膜由于在平面方向中擴(kuò)張(X軸和y軸部分?jǐn)U張)變得更薄 (Z軸部分收縮)而它在平面方向擴(kuò)展。EAP裝置的例子和它們的應(yīng)用被描述在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7, 394, 282 ；7，378，783 ；
7，368，862；7,362，0327，320，4577，259，5037，233，0977，224，1067，211，9377，199，501；7,166，9537，064，4727,062，0557，052，5947，049，7327,034，4326，940，221；6,911，7646，891，3176，882，0866，876，1356，812，6246.809，4626，806，621；6,781，2846，768，2466，707，2366，664，7186，628，0406，586，859
6，583，533 ；6，545，384 ；6，543，110 ；6，376，971 和 6，343，129 ；和在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公告號(hào):2008/0157631 ；2008/0116764 ；2008/0022517 ；2007/0230222 ；2007/0200468 ； 2007/0200467 ； 2007/0200466 ； 2007/0200457 ； 2007/0200454 ； 2007/0200453 ； 2007/0170822 ；2006/0238079 ；2006/0208610 ；2006/0208609 ；和 2005/0157893,所有這些
通過(guò)參考整體地結(jié)合到本文中。 許多EAP換能器在高電壓處操作，例如，在約0. 5KV至約50KV的范圍內(nèi)。如同任何高電壓裝置，EAP換能器易受局部放電的影響。能量從高電勢(shì)區(qū)移到低電勢(shì)區(qū)，例如，從高壓電極到接地電極。當(dāng)少量電荷(即，皮庫(kù)侖)并未橋接(bridge)在電極之間的整個(gè)空間時(shí)，發(fā)生局部放電。電勢(shì)中的陡的梯度區(qū)域傾向于局部放電。這些區(qū)域包括電極邊緣、從電極延伸的突出部、電極內(nèi)部的裂縫和介電材料內(nèi)的填充有氣體的微空洞。通常，電極幾何構(gòu)造的曲率半徑越小，開(kāi)始和維持局部放電所需的電壓越低。換句話(huà)說(shuō)，電極表面越光滑， 發(fā)生局部放電的可能性就越小。
穿過(guò)空氣的局部放電對(duì)介電彈性體換能器特別有害。放電可從電極進(jìn)到空氣(空氣用作虛擬接地)內(nèi)一通常被稱(chēng)做“電暈放電”的現(xiàn)象。另一方面，電荷在其從電極跳到電介質(zhì)表面的鄰區(qū)時(shí)可穿過(guò)空氣。無(wú)論在哪種情況下，電荷通過(guò)空氣的運(yùn)動(dòng)是高能的，產(chǎn)生熒光、電離氣體、和在電弧內(nèi)大約幾千攝氏度的溫度。電離氣體起反應(yīng)而產(chǎn)生腐蝕性材料如臭氧和在高濕度條件下生成硝酸的氮氧化物。這些反應(yīng)性物種結(jié)合在電弧內(nèi)存在的高溫將會(huì)腐蝕電極和介電材料且能縮短換能器的使用期限。本發(fā)明的發(fā)明人并不知道被設(shè)計(jì)成禁止或抑制局部放電和電暈的任何現(xiàn)有技術(shù)的介電彈性體/電活性聚合物換能器。因此，制造和提供具有這種特征的EAP換能器將非
常有利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供被配置成或設(shè)計(jì)成抑制或最小化局部放電的EAP膜、換能器膜和換能器，以及制造這種換能器的方法。這些膜部分地通過(guò)用局部放電抑制劑來(lái)涂覆或封裝膜的至少一部分來(lái)制造，局部放電抑制劑用于排除空氣以最小化電暈效應(yīng)和/或減少電應(yīng)力梯度的高度集中且因此最小化由局部放電所致的電介質(zhì)退化。通常，局部放電抑制劑或局部放電抑制材料在本文中也被互換地稱(chēng)為封裝料 (encapsulent)或涂層，其被放置于具有陡的電梯度的膜的區(qū)域，由此在膜的一個(gè)或多個(gè)位置或區(qū)域分布電場(chǎng)和最小化電應(yīng)力。本發(fā)明的膜可被用作換能器，用于在致動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、傳感器等中，或作為其部件。通過(guò)閱讀如將在下文中更全面地描述的本發(fā)明的細(xì)節(jié)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明的這些和其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。


當(dāng)結(jié)合所附的示意性圖來(lái)閱讀下文的詳細(xì)描述時(shí)將最佳地理解本發(fā)明，其中設(shè)想到附圖所示情形之外的本發(fā)明的變型。為了便于理解本發(fā)明的描述，已經(jīng)使用相同的附圖標(biāo)記(若可行)來(lái)指代附圖中共有的相似元件。其中，提供了截面圖(圖2B-7B)，那些視圖是沿著相對(duì)應(yīng)的頂視圖(圖2A-7A)中的線(xiàn)B-B截取的。在附圖中包括以下圖圖IA和IB顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在施加電壓之前和之后的換能器的頂部透視圖；圖2A和2B分別為用于本發(fā)明的換能器中的EAP膜的頂視圖和截面圖，具有覆蓋電極的整個(gè)暴露的或朝向外的部分和介電彈性體的一部分的局部放電抑制劑；圖3A和;3B分別為用于本發(fā)明的換能器中的EAP膜的頂視圖和截面圖，具有覆蓋電極的整個(gè)暴露的或朝向外的部分和介電彈性體的局部放電抑制劑；圖4A和4B分別是用于本發(fā)明的換能器中的EAP膜的頂視圖和截面圖，具有置于介電材料與電極之間的局部放電抑制劑，由此覆蓋介電彈性體材料兩側(cè)的大部分；圖5A和5B分別是用于本發(fā)明的換能器中的EAP膜的頂視圖和截面圖，具有覆蓋電極的整個(gè)暴露的或朝向外的側(cè)和介電彈性體的至少微小部分的局部放電抑制劑以跨越電極邊緣橋接；圖6A和6B分別是用于本發(fā)明的換能器中的EAP膜的頂視圖和截面圖，具有覆蓋頂部電極的整個(gè)暴露的或朝向外的側(cè)和介電彈性體頂側(cè)的一部分但未覆蓋EAP膜底側(cè)的任何部分的局部放電抑制劑；圖7A和7B分別是用于本發(fā)明的換能器中的EAP膜的頂視圖和截面圖，具有僅覆蓋電極邊緣和介電彈性體兩側(cè)的相對(duì)小的部分的局部放電抑制劑；以及圖8顯示了制造根據(jù)本發(fā)明具有局部放電抑制劑的EAP換能器的工藝流程。
具體實(shí)施例方式在描述本發(fā)明的材料、裝置和系統(tǒng)的具體實(shí)施例之前，提供了順從性(compliant) 的電活性的電容性結(jié)構(gòu)和它們的材料性質(zhì)與性能特性的討論。圖IA和IB顯示了以電活性膜或隔膜10的形式的電容性結(jié)構(gòu)。薄的彈性體介電膜或?qū)?2夾在順從性或可拉伸的電極板或?qū)?4與16之間，由此形成電容性結(jié)構(gòu)或膜。介電層長(zhǎng)度“1”和寬度 ”以及復(fù)合結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度“1”和寬度 ”比其厚度“t”大很多。通常， 介電層的厚度在約IOym到約IOOym的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)總厚度在約25 μ m到約IOcm的范圍內(nèi)。此外，如果可能的話(huà)，期望的是選擇電極14、16的彈性模量、厚度、和/或微觀幾何形態(tài)使得它們貢獻(xiàn)給致動(dòng)器的額外硬度通常小于介電層12的硬度，介電層12具有相對(duì)小的彈性模量，即，小于約IOOMpa并且更通常地小于約lOMPa，但可能比每一個(gè)電極厚。適用于與這些順從性的電容結(jié)構(gòu)一起使用的電極是那些能夠耐受大于1 %的循環(huán)應(yīng)變而不會(huì)由于機(jī)械疲勞出現(xiàn)故障的電極。如圖IB所示，當(dāng)跨電極施加電壓時(shí)，在兩個(gè)電極14、16中的不同電荷相互吸引且這些靜電吸引力壓縮介電膜12(沿著Z軸)。由此，造成介電膜12隨著電場(chǎng)變化而偏轉(zhuǎn)。 當(dāng)電極14、16為順從性的時(shí)，它們隨著介電層12改變形狀。一般而言，偏轉(zhuǎn)涉及任何位移、 膨脹、收縮、扭轉(zhuǎn)、線(xiàn)性應(yīng)變或區(qū)應(yīng)變，或介電膜12的一部分的任何其它變形。取決于在其中采用電容性結(jié)構(gòu)10(統(tǒng)稱(chēng)作“換能器”)的形式配合架構(gòu)，例如，框架，這種偏轉(zhuǎn)可用于產(chǎn)生機(jī)械功。在上述確定的專(zhuān)利參考文獻(xiàn)中公開(kāi)并描述了各種不同的換能器架構(gòu)。當(dāng)施加電壓時(shí)，換能器膜10繼續(xù)偏轉(zhuǎn)直到機(jī)械力平衡驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)的靜電力。機(jī)械力包括介電層12的彈性恢復(fù)力、電極14、16的順從性或拉伸和由耦合到換能器10的裝置和/ 或負(fù)載提供的任何外部阻力。由于施加的電壓而產(chǎn)生的換能器10的偏轉(zhuǎn)也可取決于許多其它因素，例如，彈性體材料的介電常數(shù)和其大小及硬度。移除電壓差和感應(yīng)的電荷造成相反的效果。在一些情況下，電極14與16可覆蓋介電膜12相對(duì)于膜總的面積的有限部分。 這樣做可防止電介質(zhì)邊緣周?chē)碾姄舸┗蛟谄淠承┎糠种袑?shí)現(xiàn)定制偏轉(zhuǎn)?？墒够顒?dòng)區(qū)域 (active region)(活動(dòng)區(qū)域是介電材料的一部分，該部分具有足以使該部分偏轉(zhuǎn)的靜電力)之外的介電材料在偏轉(zhuǎn)期間作為外部彈性力作用于活動(dòng)區(qū)域上。更具體而言，活動(dòng)區(qū)域之外的材料可通過(guò)其收縮或膨脹而抵抗活動(dòng)區(qū)域偏轉(zhuǎn)。介電膜12可為預(yù)應(yīng)變的。預(yù)應(yīng)變改進(jìn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，即，預(yù)應(yīng)變?cè)试S介電膜12偏轉(zhuǎn)更多并且提供更大機(jī)械功。膜的預(yù)應(yīng)變可被描述為在預(yù)應(yīng)變之后在一方向的尺寸相對(duì)于預(yù)應(yīng)變之前在該方向的尺寸的變化。預(yù)應(yīng)變可包括介電膜的彈性變形且可 (例如)通過(guò)拉伸緊張的膜和在拉伸的同時(shí)固定邊緣中的一個(gè)或多個(gè)而形成?？墒褂脛傂钥蚣軐㈩A(yù)應(yīng)變強(qiáng)加于膜的邊界處或可僅對(duì)膜的一部分實(shí)施。
圖IA和IB的換能器結(jié)構(gòu)與其它類(lèi)似的順從性結(jié)構(gòu)及它們構(gòu)造的細(xì)節(jié)更全面地描述于上文引用的專(zhuān)利和公告中的多個(gè)中。本發(fā)明提供被配置成或設(shè)計(jì)成抑制或最小化局部放電的EAP膜、換能器膜和換能器，與制造這種換能器的方法。這些EAP換能器部分地通過(guò)利用局部放電抑制劑來(lái)涂覆或封裝形成換能器的EAP膜的至少一部分來(lái)制造，局部放電抑制劑用于排除空氣來(lái)最小化電暈效應(yīng)，從而最小化由局部放電引起的電介質(zhì)退化。通常，在本文中也被互換地稱(chēng)為封裝料或涂層的局部放電抑制劑或局部放電抑制材料，被放置于具有陡的電梯度的膜的區(qū)域，例如，在電極材料邊緣，由此在膜的一個(gè)或多個(gè)位置或區(qū)域分布電場(chǎng)且最小化電應(yīng)力。抑制劑材料可覆蓋形成EAP膜的整個(gè)電極或其部分，例如，僅覆蓋電極材料的邊緣。抑制劑材料可被提供為在EAP膜一側(cè)或兩側(cè)上的外層，或可插置于電極與介電材料之間。此外，涂層或封裝材料可覆蓋形成EAP膜的整個(gè)介電材料或其部分?？商鎿Q地，涂層或封裝物可僅覆蓋介電材料且不覆蓋電極的任何部分。然而，整個(gè)電極和介電材料可被涂覆抑制劑材料?？蛇x地，涂層，特別是那些具有高介電擊穿強(qiáng)度的涂層可被部分地注入到介電和/或電極材料內(nèi)，例如通過(guò)變壓器級(jí) (transformer-grade)介電油從密封劑(encapsulant)到下層的電介質(zhì)內(nèi)的遷移。圖2-7顯示了被設(shè)計(jì)用于局部放電抑制的EAP換能器膜的多種示范性配置，其中， 根據(jù)本發(fā)明，將局部放電抑制材料、封裝料或共形的(conformal)涂層涂布到EAP膜。這些附圖的每一個(gè)附圖的EAP膜包括置于頂部電極2 與底部電極24b之間的介電彈性體層 22。封裝料/涂層覆蓋一個(gè)或兩個(gè)電極的致動(dòng)表面的至少一部分和/或電極材料的邊緣。 每個(gè)電極具有一個(gè)徑向延伸的短小突出部(tab) 26 (從相應(yīng)頂視圖中可觀察到)，該短小突出部沈未被封裝或涂覆以使得換能器能電連接到電源(未圖示)。為了清楚地顯示，支持換能器EAP膜的框架構(gòu)件在附圖中未示出。圖2A與2B顯示了在兩側(cè)封裝/涂覆有封裝料/涂層^a，28b的換能器膜20。密封劑材料覆蓋整個(gè)暴露的或朝向外的電極表面Ma，24b (除了電極短小突出部沈外)和介電彈性體22兩側(cè)的一部分，即，封裝料在換能器膜的兩側(cè)提供局部外層。全封裝適合抑制在電極邊緣處的局部放電，且也抑制可能在電極主體內(nèi)缺陷處(如，在裂縫、凹陷、包括灰塵處等)發(fā)生的放電。而且，全涂層給易在空氣中腐蝕的電極(例如，薄膜金屬)提供某些保護(hù)，且提供電絕緣層，如果電絕緣層足夠厚且結(jié)實(shí)，那么可使該裝置適合于在無(wú)其它包裝的情況下直接人接觸。圖3A與;3B顯示了換能器膜30，其中全部?jī)蓚€(gè)電極Ma，24b與介電彈性體22的兩側(cè)全部都由封裝料/涂層38a，38b封裝/涂覆，即，封裝料在換能器膜上提供了完整外層。 這種變型提供了密閉地(hermetically)密封換能器的潛在的額外益處。圖4A與4B顯示了換能器膜40，其中介電彈性體22兩側(cè)的大部分由密封劑/涂層48a，48b覆蓋而未封裝或涂覆電極Ma，Mb的任何暴露的或朝向外的部分。而是密封劑的底料(primer)層位于一個(gè)電極或兩個(gè)電極之間，即與電極的朝向內(nèi)的側(cè)和介電層表面接觸?？蛇x地，密封劑層/涂層也可涂布到膜40—側(cè)或兩側(cè)上的電極材料頂部。這種配置具有使介電表面更均勻的益處。這可通過(guò)在添加電極材料和可選地添加涂層的頂層之前首先將介電層浸漬于涂層中而實(shí)現(xiàn)。如果底料層足夠薄，(例如，電介質(zhì)厚度的約十分之一)，那么它能比電介質(zhì)更硬，由此充當(dāng)軟電介質(zhì)與相對(duì)較硬的電介質(zhì)之間的機(jī)械應(yīng)力分級(jí)(grading)。機(jī)械應(yīng)力分級(jí)可適用于金屬電極，因?yàn)樗诳臻g上低通過(guò)濾可使金屬開(kāi)裂的應(yīng)力集中?？商鎿Q地，如果底料層為具有良好應(yīng)力分級(jí)性質(zhì)的材料，即，介電常數(shù)大于3且電阻率在約1E6到約lE13ohm · m的范圍內(nèi)，那么它能起到電應(yīng)力分級(jí)的功能。圖5A和5B顯示了換能器膜50，其中整個(gè)電極Ma、24b和介電彈性體22的至少微小部分由局部放電抑制劑58a、58b封裝/涂覆以跨越電極邊緣橋接。這種變型非常適合傾向于遷移并干擾剛性部件到電介質(zhì)的粘附的封裝料，例如含油封裝料。在裝置周邊上的加強(qiáng)部件與活動(dòng)區(qū)域之間的無(wú)封裝區(qū)確保如框架(在圖解中未繪出)的其它部件的充分粘附，其遠(yuǎn)離封裝區(qū)被附連，超過(guò)受油遷移影響的區(qū)域。圖6A與6B 5B顯示換能器膜60，其中頂部電極2 的整個(gè)朝向外的側(cè)和介電彈性體22頂側(cè)的一部分由局部放電抑制劑68封裝/涂覆而未封裝/涂覆EAP膜底側(cè)的任何部分。雖然EAP膜的未封裝的/未涂覆的側(cè)可能經(jīng)受局部放電，但僅封裝/涂覆EAP膜的一側(cè)比封裝/涂覆兩側(cè)更容易，需要更少的步驟與更短的時(shí)間。此外，一側(cè)封裝的膜的順從性和柔性不太可能受到抑制。圖7A與7B 5B顯示換能器膜70，其中僅有電極Ma、Mb的邊緣由局部放電抑制劑78a、78b封裝/涂覆且僅有暴露的介電彈性體22的微小部分被封裝/涂覆。這種設(shè)計(jì)未向大部分活動(dòng)區(qū)域添加寄生硬度，但卻抑制在電極邊緣處的局部放電。這個(gè)辦法適合于在活動(dòng)區(qū)域內(nèi)相對(duì)沒(méi)有缺陷的電極。在本發(fā)明的換能器膜的其它實(shí)施例中，EAP膜提供多于一個(gè)的活動(dòng)區(qū)域或多個(gè)活動(dòng)區(qū)域，其中每個(gè)活動(dòng)區(qū)域在介電彈性體上具有至少兩個(gè)電極。每個(gè)活動(dòng)區(qū)域響應(yīng)于各自的活動(dòng)區(qū)域的電極所提供的電場(chǎng)變化而偏轉(zhuǎn)或者響應(yīng)各自的活動(dòng)區(qū)域的偏轉(zhuǎn)而引起電場(chǎng)變化。在這些換能器實(shí)施例中，活動(dòng)區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)區(qū)域也可采用在本發(fā)明的任何電極-電介質(zhì)-封裝布置或配置中的封裝材料。因?yàn)镋AP換能器膜是高度順從的和可拉伸的，所以涂層/封裝材料也必須也是順從的，即，具有大于約5%的最小線(xiàn)性應(yīng)變，且向電活性聚合物膜添加相對(duì)小的硬度，使得不妨礙換能器膜片(diaphragm)的位移。因此，當(dāng)以所需厚度涂覆封裝材料時(shí)，封裝材料應(yīng)具有至少與電介質(zhì)一樣低的彈簧常數(shù)。即使涂覆為相對(duì)厚的層時(shí)，低模量密封劑也添加很少的硬度，便于無(wú)缺陷制造。為此，期望使用具有至少與介電材料一樣低的彈性模量的密封劑。在多種應(yīng)用中，涂層的彈性模量通常小于約IMPa，例如，具有低交聯(lián)(cross linking) 的PDMS凝膠。在所期望的機(jī)械響應(yīng)主要為黏性的應(yīng)用中，涂層基本上具有為零的彈性模量，例如，高分子量PDMS油脂。用于本發(fā)明的適當(dāng)?shù)耐繉?封裝材料包括但不限于低模量固體、粘彈性凝膠、和介電液，可選地填充提高介電常數(shù)和/或降低電阻率的顆粒。適當(dāng)?shù)牡湍Ａ抗腆w的例子包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、苯乙烯-乙烯/ 丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚氨酯(PU)、 聚丙烯酸正丁酯、聚異丁烯。這些固體的模量可通過(guò)減少交聯(lián)密度、或通過(guò)添加兼容的介電液以形成粘彈性凝膠來(lái)進(jìn)一步被降低。適當(dāng)?shù)慕殡娨喊?，例如，PDMS油和礦物油。當(dāng)完全未交聯(lián)的介電液足夠粘(例如，長(zhǎng)鏈PDMS油脂)、或填充了足夠多的顆粒以形成糊時(shí)，也可能使用完全未交聯(lián)的介電液。即使未添加任何填料，包括聚合物和/或介電液的局部放電抑制劑將具有大于空氣(ε AIR=S1.0)的介電常數(shù)的介電常數(shù)(O。高介電常數(shù)是期望的，因?yàn)樘岣唠?br> 8極邊緣附近材料的介電常數(shù)使電場(chǎng)中的梯度不太陡，由此減小了電荷自電極跳出的趨勢(shì)。未填充的聚合物通常具有介電常數(shù)至4.5,然而，填充的聚合物可具有介電常數(shù)=^至200。涂層還優(yōu)選地具有在半導(dǎo)電到絕緣范圍內(nèi)的、或約1E5至約 1Ε14Ω ·πι的電阻率。可提高涂層材料的介電常數(shù)，例如，通過(guò)合并具有更高的介電常數(shù)的材料的顆粒，例如二氧化鈦、鈦酸鋇、氧化鋅、氧化鋁、碳化硅等。以類(lèi)似的方式，基本上不導(dǎo)電的涂層的導(dǎo)電率可通過(guò)添加導(dǎo)電顆粒(例如，炭黑、納米管、PED0T、PAN1、金屬片等)或者半導(dǎo)電顆粒(例如，硅、碳化硅等)而被提高到所期望的值。在一些構(gòu)造中，特別是其中隨后的EAP換能器的包裝基本上減緩水蒸汽和氧氣的進(jìn)入的那些構(gòu)造中，期望向密封劑層添加填料以隔絕在組裝后仍留在包裝中的水蒸汽或氧氣。用于清除水蒸汽的適當(dāng)填料包括4A分子篩、硅膠、蒙脫石粘土、沸石 (zeolites)等。用于清除氧氣的適當(dāng)填料包括，例如，鐵粉、亞硫酸鈉、丁羥甲苯(butylated hydroxytoluene)、禾口丁(butylated hydroxyanisolc)?？紤]到換能器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的廣大范圍，以及選擇電極、電介質(zhì)和局部放電抑制材料的大范圍，制造本發(fā)明的EAP膜和換能器的工藝和技術(shù)會(huì)顯著不同。本發(fā)明的換能器可整個(gè)地或部分地通過(guò)批量加工和/或連連卷材制造 (continuous web fabrication)技術(shù)來(lái)制造，通過(guò)這些技術(shù)，單個(gè)地或以平面陣列提供換能器。圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)制造方法制造具有至少一個(gè)介電彈性體層的EAP裝置的工藝流程80。根據(jù)本發(fā)明的工藝可包括此處未描述或圖示的多達(dá)幾個(gè)額外步驟。在一些情況下，本發(fā)明的制造工藝可包括常規(guī)材料和技術(shù)，例如可從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)到的介電彈性體和電極材料以及在微電子和電子制造科技中所用的技術(shù)。工藝流程80始于提供、接收或制造介電彈性體(8 ?？筛鶕?jù)若干方法提供或制造介電彈性體。在一個(gè)實(shí)施例中，介電彈性體為市場(chǎng)上可購(gòu)買(mǎi)到的產(chǎn)品，例如市場(chǎng)上可購(gòu)買(mǎi)到的硅酮(silicone)或丙烯酸(acrylic)彈性體膜。在其它實(shí)施例中，介電彈性體為通過(guò)涂覆、鑄造、浸漬(dipping)或噴涂技術(shù)而產(chǎn)生的膜。例如，卷對(duì)卷(roll-to-roll)或基于卷材(web-based)的涂層涉及在涂覆了脫模劑的剛性載體上形成未固化的(imcured)聚合物層。典型的涂覆工藝(例如，逆轉(zhuǎn)輥(reverse roll)、刀、槽模(slot-die)、隔板(curtain) 等)產(chǎn)生約10微米至約100微米厚范圍的膜，膜通過(guò)穿過(guò)隧道式爐而固化。聚合物膜然后可通過(guò)機(jī)械剝離而釋放。優(yōu)選地，在最小化厚度變動(dòng)或可有損施加在介電彈性體上的最大電場(chǎng)且因此有損性能的任何其它缺陷的同時(shí)，產(chǎn)生介電彈性體。如前面提到的那樣，介電材料可以一個(gè)或多個(gè)方向(84)預(yù)應(yīng)變。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)以一個(gè)或多個(gè)方向機(jī)械地拉伸聚合物且在施加應(yīng)變的同時(shí)將它固定到一個(gè)或多個(gè)固體構(gòu)件(例如，剛性板)上而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)變。維持預(yù)應(yīng)變的另一技術(shù)包括使用一個(gè)或多個(gè)加強(qiáng)件。加強(qiáng)件為當(dāng)聚合物處于拉伸狀態(tài)時(shí)置于聚合物上的長(zhǎng)剛性結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)件沿著它們的軸線(xiàn)保持預(yù)應(yīng)變。加強(qiáng)件可平行布置或布置為其它配置以實(shí)現(xiàn)換能器的方向順從性。應(yīng)該指出沿著加強(qiáng)件軸線(xiàn)的增加的硬度包括由加強(qiáng)件材料提供的增加的硬度以及在預(yù)應(yīng)變方向的聚合物增加的硬度。預(yù)應(yīng)變介電材料上的表面可被紋理化(texture)以提供材料的方向順從性。通常，紋理化的表面可包括任何均勻的(例如，波紋狀的)或非均勻的(例如，粗糙的)表面形態(tài)，其允許聚合物以所期望的方向偏轉(zhuǎn)。提供紋理化的一個(gè)方式是當(dāng)聚合物材料被致動(dòng)時(shí)拉伸該聚合物材料超過(guò)其可拉伸的程度且然后在拉伸的聚合物表面上沉積薄的硬質(zhì)材料層。硬質(zhì)材料例如可為在沉積后被固化的聚合物。當(dāng)放松時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)彎曲以提供紋理化的表面?？筛淖冇操|(zhì)材料的厚度以提供任何規(guī)模的紋理化，包括亞微米水平。在另一實(shí)施例中，紋理化的表面通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)而產(chǎn)生。在某些換能器膜的實(shí)施例中，期望提供局部放電抑制劑的底料層，例如圖4A與 4B的膜實(shí)施例。利用這些實(shí)施例，在提供電極材料(88)之前沉積局部放電抑制劑(86)。 如果不使用底料層，那么在介電材料(88)上直接形成一個(gè)或多個(gè)電極。如果電介質(zhì)已被紋理化或波紋化，適當(dāng)金屬(例如，鉻、鋁、銦、錫、銀、金等)的一個(gè)或多個(gè)薄層可被濺射沉積到表面上以提供紋理化的電極。在另一實(shí)施例中，可使用適當(dāng)?shù)墓に嚕缧桶鎳娝?stenciling)、絲網(wǎng)印刷、凹版移印(pad printing)、柔性版印刷(f Iexographic printing)等，可圖案化并沉積填充碳的電極。對(duì)于如圖2A/B、3A/B、5A/B、6A/B與7A/B中的那些換能器膜實(shí)施例來(lái)說(shuō)，局部放電抑制劑層然后被沉積在電活性聚合物表面(88)的一部分上或基本上整個(gè)電活性聚合物表面(88)上，除了一個(gè)或多個(gè)電極接觸件沈外。適當(dāng)?shù)囊种苿┩坎?涂覆方法包括但不限于型版噴刷、噴涂、浸涂(dip coating)、絲網(wǎng)印刷、凹版移印、柔性版印刷、刮刀涂覆 (knife-vercoating)、邁耶棒涂料(meter-rod coating)等，之后是固化步驟。為了最小化封裝料中的空隙，期望在涂覆之前對(duì)封裝料除氣，且以最小化夾帶空氣的方式涂布它。取決于換能器應(yīng)用，剛性框架、剛性構(gòu)件或其它電連接器與機(jī)械連接器，在沉積電極材料之前或者之后附連到EAP膜以形成換能器結(jié)構(gòu)(步驟未示出)。包括一個(gè)或多個(gè) EAP膜層的換能器然后被包裝或配置為在選定的形狀因數(shù)(form factor) (90)內(nèi)，例如，作為致動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、傳感器等操作。包裝還可包括機(jī)械地連接或堆疊為多層的多個(gè)換能器的組件。包裝還可包括將換能器封閉于帶惰性氣體(例如，N2、SF6、Hc、Nc、Ar)的空間中的阻擋層組件，或者包括通過(guò)在其包裝或密封劑內(nèi)合并顆粒固體(即干燥劑)而改性的干燥空氣。這種干燥劑材料可包括有化學(xué)反應(yīng)性的絡(luò)合劑，例如，用于清除氧氣的鐵粉，用于清除水的硅石等。該材料可為分子篩或沸石?？商娲?，所包括的顆?？蔀槠鹋輨?，例如，生成 CO2的Calogen或Mfoam(例如，見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利第7，314，895號(hào)，其作為參考結(jié)合到本文中)， 氮?dú)?，或其它氣體，和/或諸如為丙烯酰胺凝膠(例如，見(jiàn)W01991/000316，其作為參考結(jié)合到本文中)的濕度緩沖劑。盡管，已相對(duì)于少數(shù)幾個(gè)具體例子簡(jiǎn)要描述了本發(fā)明的EAP換能器與換能器膜的制造，但對(duì)于上文所述的任何致動(dòng)器或應(yīng)用，本發(fā)明的制造工藝和技術(shù)可相應(yīng)地不同。例如，根據(jù)具體實(shí)施例制造膜片致動(dòng)器的工藝可包括在形成電極(86)之前添加一些加強(qiáng)的包裝部件。同樣，處于拉伸狀態(tài)的金屬電極的沉積可向電介質(zhì)/電極界面提供波紋化的紋理，使得步驟(84)和(86)組合。關(guān)于本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)，可如在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員水平內(nèi)采用材料和替代的相關(guān)配置。關(guān)于本發(fā)明的基于方法的方面，就常用或邏輯上采用的額外行為而言，同樣如此。此外，盡管已經(jīng)參考可選地合并了各種特征的若干例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不限制為所描述或指示的情形，正如相對(duì)于本發(fā)明的每個(gè)變動(dòng)所預(yù)期的那樣。在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明做出各種變化且可替代等效物(無(wú)論是否在本文中陳述或者為了簡(jiǎn)要起見(jiàn)而未包括)。所示出的任意數(shù)目的個(gè)別部件或子組件可整合于其設(shè)計(jì)中。這些變化或其它變化受到組件設(shè)計(jì)原理指導(dǎo)或引導(dǎo)。而且，設(shè)想到所描述的有創(chuàng)造性的變型的任何可選特征可獨(dú)立地陳述和被要求保護(hù)，或者與本文所描述的特征中的一個(gè)或多個(gè)特征組合。對(duì)于單數(shù)物品的提及包括存在復(fù)數(shù)個(gè)相同物品的可能。更具體而言，如在本文中所用和權(quán)利要求中所用的單數(shù)形式“一”、 “一”、“所述”和“該”包括復(fù)數(shù)個(gè)參考物，除非另外地具體地陳述。換言之，這些冠詞的使用允許上文的描述中以及下面的權(quán)利要求中的“至少一個(gè)”那種物品。還應(yīng)當(dāng)指出的是權(quán)利要求可以被起草為排除任何可選的元件。因此，這些陳述旨在于用作如“唯一”、“僅僅”和與所要求保護(hù)的元件詳述有關(guān)的類(lèi)似詞的這種排他性術(shù)語(yǔ)使用的前置基礎(chǔ)、或者用作“否定的”限制的使用的前置基礎(chǔ)。在不使用這種排他性術(shù)語(yǔ)的情況下，權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)“包括”應(yīng)允許包括任何額外元件，而無(wú)論在該權(quán)利要求中是否列舉了給定數(shù)量的元件，或者特征的添加可被認(rèn)為改變權(quán)利要求中陳述的元件的性質(zhì)。舉例而言，向權(quán)利要求中所呈現(xiàn)的 “換能器”添加緊固件或凸臺(tái)(boss)、復(fù)雜表面幾何構(gòu)造或另一特征不應(yīng)通過(guò)閱讀所指控的結(jié)構(gòu)而使該權(quán)項(xiàng)無(wú)效。換句話(huà)說(shuō)，除非在本文中具體地定義了，本文中所用的所有技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科技術(shù)語(yǔ)在維持權(quán)利要求有效性的同時(shí)被給予盡可能寬廣的通常理解的意思。總之，本發(fā)明的寬度不應(yīng)受到所提供例子的限制。
權(quán)利要求
1.一種換能器膜，包括介電彈性體材料，其具有小于約IOOMPa的彈性模量； 在所述介電彈性體材料的至少一側(cè)上的電極材料；以及局部放電抑制劑，其與所述介電彈性體材料或電極材料中的至少一個(gè)的至少一部分接觸，所述局部放電抑制劑具有比空氣的介電常數(shù)大的介電常數(shù)和不大于所述介電彈性體的彈性模量的彈性模量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑僅接觸電極材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑與所述電極材料的朝向外的部分接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑與所述電極材料的朝向內(nèi)的部分接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑僅與所述介電彈性體材料接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑與所述介電彈性體材料的朝向外的部分接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑與所述介電彈性體材料的朝向內(nèi)的部分接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑位于所述介電彈性體材料與所述電極材料之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑與所述介電彈性體材料的至少一部分和所述電極材料的至少一部分接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述電極材料在所述介電彈性體材料的兩側(cè)上，且其中所述局部放電抑制劑的接觸范圍在所述介電彈性體材料的兩側(cè)上基本上相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述電極材料在所述介電彈性體材料的兩側(cè)上，且其中所述局部放電抑制劑的接觸范圍在所述介電彈性體材料的每一側(cè)上不同。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑包括低模量固體、粘彈性凝膠和介電液中的一種或多種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑包括具有進(jìn)行以下項(xiàng)中的一種或多種的顆粒提高介電常數(shù)、降低抑制劑的電阻率、清除水蒸汽和清除氧氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑有大于約5% 的最小線(xiàn)性應(yīng)變。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑的彈性模量小于約IMpa0
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜，其特征在于，所述局部放電抑制劑的電阻率在約 1Ε5Ω ·πι到約1Ε14Ω ·πι的范圍內(nèi)。
17.—種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜的換能器裝置。
18.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器膜的方法，所述方法包括； 提供介電彈性體材料；然后在所述介電彈性體材料上形成一個(gè)或多個(gè)電極；以及在所述介電彈性體材料或電極材料中的至少一個(gè)的至少一部分上形成局部放電抑制劑層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述局部放電抑制劑層在形成一個(gè)或多個(gè)電極之前形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述局部放電抑制劑由下列方式之一形成型版噴刷、噴涂、浸涂、絲網(wǎng)印刷、凹版移印、柔性版印刷、刮刀涂覆和邁耶棒涂料。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法的至少一些步驟是通過(guò)基于卷材的制造技術(shù)來(lái)執(zhí)行。
22. 一種包裝根據(jù)權(quán)利要求18所述的換能器膜的方法，所述方法包括封閉所述換能器膜以提供惰性氣體。
23. 一種封裝根據(jù)權(quán)利要求18所述的換能器膜的方法，所述方法包括在空氣中封閉所述換能器膜，其中所述空氣已通過(guò)在其中合并化學(xué)反應(yīng)性的固體而被改性。
全文摘要
介電彈性體或電活性聚合物膜換能器，其被配置成最小化可能導(dǎo)致局部放電和電暈的高電場(chǎng)梯度。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102215743SQ200980146811
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者E·F·約翰遜, G·魯塞爾, L·L·懷特三世, S·J·比格斯 申請(qǐng)人:拜爾材料科學(xué)股份公司