具有電活性層的層復(fù)合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種層復(fù)合物(2、2.1、2.2、18)，包括至少兩個在第一導(dǎo)電層(12)和第二導(dǎo)電層(14)之間設(shè)置的電活性層(4、6)，其中在至少兩個電活性層(4、6)之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層(8)，并且其中至少兩個電活性層(4、6)中的至少一個是壓電層(6)，其中至少兩個電活性層(4、6)中的至少另一個是介電的彈性體層(4)。
【專利說明】具有電活性層的層復(fù)合物
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種層復(fù)合物，包括至少兩個在第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間設(shè)置的電活性層，其中在至少兩個電活性層之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層，并且其中至少兩個電活性層中的至少一個是壓電層。此外本發(fā)明涉及一種包括該層復(fù)合物的機(jī)電的變換器設(shè)備以及一種用于制造層復(fù)合物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]塑料復(fù)合材料在許多應(yīng)用中使用。例如將相應(yīng)的層復(fù)合物用作為包裝材料、絕緣材料或者用作為建筑材料。除這種常規(guī)的使用目的以外，層復(fù)合物更多地用作為傳感器應(yīng)用中的活性部件或者用于能量獲取或者能量變換、即所謂的能量采集。
[0003]例如W02010 / 066347A2公開了一種具有多個壓電層的層復(fù)合物，所述壓電層亦即由壓電材料組成的層。可以使用壓電材料來將作用于層復(fù)合物的機(jī)械的力變化線性地變換為電信號。通過將機(jī)械的力變化變換為電氣參量——如電流、電壓或者能量——的能力，壓電層適合用于傳感器應(yīng)用或者能量采集。
[0004]層復(fù)合物現(xiàn)今例如以結(jié)構(gòu)化的壓力傳感器的形式用于鍵盤或者觸摸板、加速度傳感器、話筒、揚(yáng)聲器、醫(yī)藥技術(shù)、海洋技術(shù)中應(yīng)用的超聲變換器或者用于材料檢驗。
[0005]從歐洲專利文獻(xiàn)EPl 312 171B1中例如已知一種具有壓電元件作為變換器設(shè)備的高頻發(fā)送器。在此情況下將作用于壓電元件的機(jī)械的力變化變換為電能并且用于高頻發(fā)送器的自給自足的運(yùn)行。
[0006]然而現(xiàn)有技術(shù)中的缺點是，具有包括提高的壓電常數(shù)的壓電層的層復(fù)合物雖然適合傳感器應(yīng)用和能量采集。然而相應(yīng)的壓電層由于可能的調(diào)節(jié)行程過小而僅有條件地適合于執(zhí)行器應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此本發(fā)明所基于的任務(wù)在于，提供一種層復(fù)合物，其不僅適合傳感機(jī)構(gòu)和能量采集的應(yīng)用，而且也適合執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用。
[0008]前面導(dǎo)出和說明的任務(wù)根據(jù)本發(fā)明的第一方面由一種層復(fù)合物解決，所述層復(fù)合物包括至少兩個在第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間設(shè)置的電活性層，其中在至少兩個電活性層之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層，并且其中至少兩個電活性層中的至少一個是壓電層，其特征在于，至少兩個電活性層中的至少另一個是介電的彈性體層。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)不同，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，通過在一個唯一的根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物中的至少兩個不同的電活性層使傳感機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和能量采集的功能集于一體。
[0010]壓電層例如可以由適宜的壓電聚合物構(gòu)成并且是壓電聚合物薄膜。根據(jù)一種優(yōu)選的實施方式，壓電層可以是鐵電體層，如鐵電體薄膜。壓電層可以具有持續(xù)壓電特性。該持續(xù)壓電特性例如可以通過壓電層的極化或者充電產(chǎn)生。壓電層由于提高的壓電常數(shù)特別是可以適合用于傳感器應(yīng)用和/或能量采集。例如可以提供具有直至IOOOpC / N的壓電常數(shù)的壓電層。
[0011]此外根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物包括至少一個介電的彈性體層。介電的彈性體層優(yōu)選具有相對高的介電常數(shù)。此外介電的彈性體層優(yōu)選具有低的機(jī)械剛性。這些特征導(dǎo)致直至約300%的可能的延伸值。介電的彈性體層特別是可以用于執(zhí)行器應(yīng)用。
[0012]在壓電層和介電的彈性體層之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層。該部分層應(yīng)該被理解為，導(dǎo)電材料僅部分地在至少兩個電活性層之間存在。例如可以構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的或者分段的層。應(yīng)該理解，該層也可以是完整層。
[0013]此外在層復(fù)合物的上側(cè)設(shè)置導(dǎo)電層并且在層復(fù)合物的下側(cè)設(shè)置導(dǎo)電層。
[0014]導(dǎo)電層特別是可以構(gòu)造為電極。應(yīng)該理解，下側(cè)或者上側(cè)可以僅部分用導(dǎo)電層涂層。
[0015]導(dǎo)電層優(yōu)選可以由選自如下組的材料構(gòu)成，所述組包括金屬、金屬合金、導(dǎo)電的低聚物或者聚合物、導(dǎo)電的氧化物和/或用導(dǎo)電的填充材料填充的聚合物。
[0016]通過根據(jù)本發(fā)明的至少一個介電的彈性體層和至少一個壓電層的組合，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的層類型的特定特征集合到一個層復(fù)合物中。結(jié)果是一種混合的、緊湊的層復(fù)合物，其具有傳感機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和能量采集的功能。
[0017]原則上，層復(fù)合物可以具有許多電活性層，只要設(shè)置至少一個壓電層和至少一個介電的彈性體層。根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物的第一實施方式，可以在第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間設(shè)置至少一個另外的壓電層。通過設(shè)置兩個或者更多個壓電層例如能夠?qū)⒏嗟臋C(jī)械能變換為電能。這些壓電層可以由相同的或者不同的材料構(gòu)成。所述壓電層優(yōu)選可以是鐵電體層。
[0018]替換或者附加地，在第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間設(shè)置至少一個另外的介電的彈性體層。在這種情況下在執(zhí)行器應(yīng)用的情況下層復(fù)合物的可能的厚度改變能夠被匹配并且特別是能夠被放大。應(yīng)該注意，在多個電活性層的情況下優(yōu)選能夠在全部相鄰的層之間至少部分地設(shè)置導(dǎo)電層。
[0019]壓電層可以構(gòu)造為發(fā)泡的聚合物薄膜或者構(gòu)造為由聚合物薄膜或者聚合物織物組成的多層系統(tǒng)并且包括蜂窩狀的空腔結(jié)構(gòu)。此外根據(jù)一種優(yōu)選的實施方式壓電層可以由聚合物層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。聚合物層結(jié)構(gòu)可以包括空腔。所述空腔例如可以包括選自如下組的氣體，所述組包括:氮、一氧化二氮和/或六氟化硫。結(jié)構(gòu)化的壓電層可以包括至少兩個封閉的外部層和例如一個多孔的或者穿孔的中間層。
[0020]在對壓電層激活或者充電后，不同極性的電荷能夠在空腔的相對表面上分布。每一個空腔能夠構(gòu)成一個偶極子。如果在壓電層上施加機(jī)械力，則偶極子大小并且從而偶極矩發(fā)生變化。在壓電層的兩個表面上裝配的兩個電極之間產(chǎn)生電流流動。具有相應(yīng)的聚合物層結(jié)構(gòu)的壓電層特別適合于傳感器應(yīng)用和能量采集。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物的另一種實施方式，壓電層可以有利地包括選自如下組的材料，所述組包括:聚碳酸酯、全氟化的或者部分氟化的聚合物和共聚物、聚四氟乙烯、氟乙烯丙烯、全氟烷氧乙烯、聚酯、聚乙烯對苯二酸酯、聚乙烯萘亞甲鹽、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚、聚醚(甲基)丙烯酸脂、環(huán)烯烴聚合物、環(huán)烯烴共聚物和/或聚烯烴。
[0022]此外根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，介電的彈性體層可以包括例如選自如下組的材料，所述組包括:聚氨酯彈性體、硅樹脂彈性體和/或有機(jī)酸酯彈性體。[0023]本發(fā)明的另一個方面是包括上面說明的層復(fù)合物的機(jī)電的變換器設(shè)備。本發(fā)明的變換器設(shè)備特別可以配置用于將作用于其上的機(jī)械的力改變變換為電能或者變換為電信號，和在施加電信號、特別是電場的情況下相應(yīng)改變幾何形狀。如已經(jīng)描述的那樣，在具有之前所述的層復(fù)合物的機(jī)電的變換器設(shè)備中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感機(jī)構(gòu)和能量采集的功能被集合在一個唯一的設(shè)備中。應(yīng)該理解，機(jī)電的變換器設(shè)備可以具有兩個或者更多個層復(fù)合物。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電的變換器設(shè)備的第一實施方式，層復(fù)合物可以與操縱表面連接，使得作用于該操縱表面上的機(jī)械的力改變被變換為電信號。換句話說可以提供一種傳感器功能。對操縱表面的操作導(dǎo)致層復(fù)合物的形狀改變。層復(fù)合物的形狀改變例如產(chǎn)生電壓，該電壓可以通過合適的裝置被檢測到。
[0025]替換地或者附加地，層復(fù)合物可以與操縱表面連接為，使得作用于該操縱表面的機(jī)械的力改變能夠變換為電能。所述操縱表面特別可以是面，例如開關(guān)的開關(guān)面，該開關(guān)面可以由用戶驅(qū)動。操縱面可以這樣與層復(fù)合物連接，特別與層復(fù)合物的電極連接，使得作用于該操縱面的力也作用于該層復(fù)合物。機(jī)械的力改變，例如通過使用者的手指的壓力，于是可以被變換為電能或者電信號。
[0026]為繼續(xù)處理產(chǎn)生的電信號或者使用產(chǎn)生的電能，根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電的變換器設(shè)備的另一種實施方式可以提供能與層復(fù)合物電連接的電路裝置。該電路裝置可以以合適的方式與導(dǎo)電層連接。該電路裝置可以具有模擬的和/或數(shù)字的部件，以便繼續(xù)處理如電壓或者電流的電信號，和/或至少部分地存儲電能。作為存儲器例如可以在該電路裝置中提供合適的電容元件。此外可以將該電路裝置配置為，使得能夠向?qū)訌?fù)合物的至少一些電極施加電壓。應(yīng)該理解，該電路裝置可以相應(yīng)于機(jī)電的變換器設(shè)備的希望的功能來構(gòu)造。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電設(shè)備的一種優(yōu)選的實施方式，所述電路裝置可自給自足地通過變換為電能的機(jī)械能驅(qū)動。換句話說，所述電路裝置能夠僅用作用于設(shè)備的機(jī)械的力改變特別是與另外的能源無關(guān)地被驅(qū)動。不需要附加的能量存儲器來附加地供給能量。然而應(yīng)該理解，可以提供用于存儲、特別是中間存儲通過機(jī)械的力改變所產(chǎn)生的電能的能量存儲器。例如可以將產(chǎn)生的電能收集在存儲器裝置中，所述存儲器裝置如電容器、超級電容器和/或電池。這在通過機(jī)電的變換器設(shè)備的單次操作不能提供足夠的能量而是需要多次操作時可能是需要的。當(dāng)收集了足夠的能量時，可以執(zhí)行希望的動作。
[0028]替換地，所述電路裝置可以包括能源。當(dāng)能通過層復(fù)合物產(chǎn)生的電能不夠?qū)嵤┮粋€或者多個希望的動作時，可能需要例如能量存儲器形式的附加的能源。能量例如可能由于層復(fù)合物的預(yù)先給定的緊湊的并且特別是平面的實施方式和/或由于要實施的功能而不夠。
[0029]電路裝置優(yōu)選可以配置為，使得電路裝置可通過變換為電能的機(jī)械能從靜止?fàn)顟B(tài)被置于運(yùn)行狀態(tài)。換句話說，電路裝置能夠從睡眠狀態(tài)被喚醒。然后該電路裝置可以由能量存儲器、如電池供給能量。在實施至少一種動作后電路裝置能夠(自動地)被置于靜止?fàn)顟B(tài)。由此能夠顯著地延長能量存儲器的壽命。例如能夠?qū)崿F(xiàn)20年的壽命(例如在使用鋰-二氧化錳電池的情況下)。能夠通過很少的維護(hù)以長的壽命實現(xiàn)多種包括處理器、存儲器等等的電路裝置。
[0030]根據(jù)一種有利的實施方式，電路裝置可以包括用于發(fā)送信號的發(fā)送元件。這特別是可以涉及用于發(fā)送無線電信號——如短脈沖、數(shù)據(jù)電報等等——的發(fā)送元件。發(fā)送元件例如可以具有天線裝置。例如可以向遠(yuǎn)方的接收器發(fā)送無線電信號。所述接收器可以包括執(zhí)行器并且例如可以操控消耗器，如供暖裝置或者照明設(shè)備。
[0031]此外無線電信號例如可以具有單義的標(biāo)識，所述標(biāo)識使得能夠識別發(fā)送器，亦即機(jī)電的變換器設(shè)備。一種相應(yīng)的設(shè)備例如可以在安全系統(tǒng)或者人員監(jiān)視系統(tǒng)中使用。根據(jù)該標(biāo)識能夠進(jìn)行操縱者的定位。
[0032]在變換器設(shè)備中能夠借助機(jī)械的壓力觸發(fā)動作。然而使用者自身特別是在變換器設(shè)備的非常短的操作行程的情況下不能確定，是否實際上檢測到其接觸。為向使用者給出關(guān)于機(jī)電的變換器設(shè)備的驅(qū)動實際上被觸發(fā)的反饋，根據(jù)一種優(yōu)選的實施方式可以將機(jī)電的變換器設(shè)備的層復(fù)合物構(gòu)造為，使得通過操縱表面輸出觸覺反饋。觸覺反饋例如可以通過振動和/或(反)壓力給出。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電的變換器設(shè)備的另一種優(yōu)選的實施方式，可以為了觸覺反饋給至少一個介電的彈性體層如此施加電壓，使得該彈性體層以可預(yù)定的頻率產(chǎn)生至少0.1 μ m、優(yōu)選至少10 μ m的厚度改變?？梢詫㈦妶觥⑻貏e是交變場至少施加到兩個電極上，所述兩個電極設(shè)置在至少一個介電的彈性體層的表面上。已經(jīng)認(rèn)識到，在例如通過使用者的手指操縱機(jī)電的變換器設(shè)備時，足夠的觸覺反饋的實現(xiàn)取決于厚度改變和頻率。特別是已經(jīng)認(rèn)識到，在200和250Hz之間的頻率范圍中具有約0.1 μ m的感覺閾值的人類手指最敏感的。在另外的頻率范圍的情況下例如通過設(shè)置多個介電的彈性體層能夠?qū)崿F(xiàn)較大的厚度改變。在小的操作行程的情況下使用者也獲得良好的觸覺反饋。
[0034]此外操縱表面可以構(gòu)造為用于觸發(fā)一個或者多個動作的段。根據(jù)另一種實施方式，操縱表面可以包括用于觸發(fā)第一動作的第一段和用于觸發(fā)第二動作的至少一個第二段。每一個段例如可以與單獨的層復(fù)合物連接，以便觸發(fā)不同的動作。應(yīng)該理解，操縱元件也可以劃分為三個或者更多個段，例如用于實施另外的動作。
[0035]根據(jù)另一種實施方式，機(jī)電的變換器設(shè)備可以是傳感器裝置，如開關(guān)裝置。例如機(jī)電的變換器設(shè)備可以是按鍵傳感器、平面?zhèn)鞲衅骰蛘叩匕鍌鞲衅鳌?br> [0036]常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的按鍵傳感器優(yōu)選可以用兩個或者更多個壓電層構(gòu)造。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)例如直至約2_的操作行程。此外兩個或者更多個壓電層使得能夠?qū)崿F(xiàn)例如直至約5N的力。在例如直至約2mm的操作行程和直至約5N的力的情況下能夠借助機(jī)械的或者電氣的匹配獲得足夠高的、短時的中間存儲的電能，借助該電能能夠運(yùn)行自給自足的按鍵傳感器，如無線電搖動按鍵。
[0037]平面?zhèn)鞲衅骺梢詾榱艘曈X上吸引人的并且特別是平面的構(gòu)造而僅具有一個壓電層和一個介電的彈性體層。在這種平面?zhèn)鞲衅鞯那闆r下能夠?qū)崿F(xiàn)小于500μπι的(不被注意的)操作行程。平面?zhèn)鞲衅髂軌蛴眯∮贗N的力操作。特別是通過介電的彈性體層能夠提供觸覺反饋來作為對平面?zhèn)鞲衅鞯牟僮鞯拇_認(rèn)。除觸覺反饋外，能夠從要驅(qū)動的元件向使用者傳輸反饋。例如能夠發(fā)送無線電信號。
[0038]機(jī)電設(shè)備的另一種應(yīng)用可能性是地板傳感器，如智能地板元件(智能地毯)。該設(shè)備例如可以以瓷磚的形式構(gòu)成，其例如可以具有IOOcm2或者更大的面積。此外該瓷磚可以具有約Imm的厚度。該地板元件特別是可以具有多個壓電層。約100Ν和更大的操縱力是可能的。由此能夠?qū)崿F(xiàn)大于300 μ J的能量。除獲得能量的功能外，層復(fù)合物可以用作用于定位例如踩在瓷磚上的操縱者的傳感器元件。[0039]按鍵傳感器、平面?zhèn)鞲衅骰蛘叩匕鍌鞲衅骼缈梢栽诮ㄖ镒詣踊到y(tǒng)中或者在人員監(jiān)視、如病人監(jiān)視的情況下使用。相應(yīng)的傳感器能夠在機(jī)械負(fù)載的情況下例如將信號發(fā)送給一個或者多個接受機(jī)。接收的信號然后可以被繼續(xù)處理并且例如觸發(fā)警報的動作或者消耗器被激活或者去激活。
[0040]例如可以在建筑物中提供許多地板傳感器，其中可以給每一個傳感器分配單義的標(biāo)識。在監(jiān)視系統(tǒng)中能夠通過如下方式定位使用者，即通過操作傳感器向處理裝置發(fā)送該操作傳感器的標(biāo)識，該標(biāo)識允許推斷出該傳感器從而該操縱者的位置。
[0041]只要電輸出參量是可復(fù)現(xiàn)的和長期穩(wěn)定的并且例如與人或者物體的重量關(guān)聯(lián)，則可以將所測量的“重量”綁定到無線電電報中并且由此獲得關(guān)于智能地板上的人或者車輛的附加信息。在這種情況下例如在老年病學(xué)技術(shù)中或者為AAUAmbient AssistedLiving(環(huán)境輔助生活))的所有形式得出感興趣的應(yīng)用。
[0042]按鍵傳感器還可以在如汽車鑰匙或者門鑰匙的鑰匙中使用，以便例如每一個無線電激活一個相應(yīng)的設(shè)備。例如相應(yīng)的汽車鑰匙能夠自給自足地被運(yùn)行。
[0043]應(yīng)該理解，根據(jù)另外的變型，本發(fā)明的層復(fù)合物或者本發(fā)明的機(jī)電設(shè)備還可以用于其他的應(yīng)用，如用在鍵盤或者觸摸板的結(jié)構(gòu)化的壓力傳感器、加速度傳感器、話筒、揚(yáng)聲器中、用在醫(yī)藥技術(shù)、海洋技術(shù)應(yīng)用中的超聲變換器中或者用于材料檢驗。作為一般機(jī)械壓力傳感器的應(yīng)用在自動化技術(shù)和汽車技術(shù)中也是可能的，那里例如作為轉(zhuǎn)向輪傳感器或者座椅傳感器。
[0044]此外優(yōu)選使用的材料的高的靈敏性使得該傳感器能夠在僅輕微下陷的但是在其他情況下為硬的板之下運(yùn)行。這例如在具有薄鋼板的不會被損壞的鍵盤中使用，所述鍵盤例如由Screentec公司(芬蘭)制造，但是例如也可以在所述的“智能地毯”傳感器應(yīng)用中使用。
[0045]本發(fā)明的另一方面是一種用于制造層復(fù)合物的方法，所述層復(fù)合物具有至少兩個在第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層之間設(shè)置的電活性層，其中在至少兩個電活性層之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層，其中至少兩個電活性層中的至少一個是壓電層，并且其中至少兩個電活性層中的至少另一個是介電的彈性體層。所述方法包括如下步驟:提供至少一個壓電層、提供至少一個介電的彈性體層、連接壓電層與介電的彈性體層，其中在連接壓電層與介電的彈性體層之前，將至少一個導(dǎo)電層施加到壓電層和/或介電的彈性體層上。
[0046]優(yōu)選地，所提供的壓電層例如可以在兩側(cè)至少部分地配備導(dǎo)電層。然后可以將介電的彈性體層優(yōu)選直接與這些導(dǎo)電層中的至少一個連接。此外可以在另一個步驟中使介電的彈性體層至少部分地配備另一個導(dǎo)電層。應(yīng)該理解，可以首先給介電的彈性體層優(yōu)選在兩側(cè)用導(dǎo)電層涂層。然后接著可以施加壓電層。
[0047]此外應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的另外的變型，可以在另外的步驟中設(shè)置另外的壓電層和/或另外的介電的彈性體層。例如，包括在兩個導(dǎo)電層之間設(shè)置的至少一個壓電層和至少一個介電的彈性體層的層復(fù)合物可以與結(jié)構(gòu)相同的層復(fù)合物級聯(lián)。
[0048]此外根據(jù)本發(fā)明方法的第一實施方式，介電的彈性體層或者壓電層可以層壓到導(dǎo)電層上。這以簡單的方式導(dǎo)致相應(yīng)的層之間的特別良好的接觸。
[0049]根據(jù)本發(fā)明方法的一種優(yōu)選的實施方式，介電的彈性體層或者壓電層可以至少部分地壓上導(dǎo)電層。例如可以壓上結(jié)構(gòu)化的電極。壓合方法能夠以簡單的方式執(zhí)行。特別是能夠以提高的生產(chǎn)率實現(xiàn)層復(fù)合物的批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]現(xiàn)在有許多可能性來構(gòu)造和擴(kuò)展本發(fā)明的層復(fù)合物、本發(fā)明的機(jī)電的變換器設(shè)備和用于制造層復(fù)合物的本發(fā)明的方法。為此一方面參照從屬于獨立權(quán)利要求的權(quán)利要求，另一方面結(jié)合附圖參照實施例的說明。在附圖中:
[0051]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物的第一實施例的示意性視圖，
[0052]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物的第二實施例的示意性視圖，
[0053]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物的第三實施例的示意性視圖，
[0054]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電的變換器設(shè)備的第一實施例的示意性視圖，
[0055]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造層復(fù)合物的方法的第一實施例的流程圖，
[0056]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造層復(fù)合物的方法的第二實施例的流程圖。
[0057]下面相同的附圖標(biāo)記用于相同的元件。
【具體實施方式】
[0058]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物2的第一實施例的示意性視圖。所示層復(fù)合物2包括兩個電活性層4和6。
[0059]電活性層4是介電的彈性體層4。介電的彈性體層4有利地具有相對高的介電常數(shù)。此外介電的彈性體層4有利地具有低的機(jī)械剛性。這導(dǎo)致直至約300%的可能的延伸值。介電的彈性體層4特別可以用于執(zhí)行器應(yīng)用。
[0060]第二電活性層6構(gòu)造為壓電層6。所示的壓電層6例如可以由適宜的壓電聚合物構(gòu)成并且例如可以是壓電聚合物薄膜或者鐵電體薄膜。所示的壓電層6具有聚合物層結(jié)構(gòu)。該聚合物層結(jié)構(gòu)具有(有針對性地)引入的空腔10。
[0061]例如為產(chǎn)生空腔10可以提供一個平面的聚合物層和一個波狀的聚合物層，它們在波谷處彼此連接。在壓電層6的一種替換的構(gòu)造中可以通過橋接片連接兩個平面的聚合物層，以便形成空腔10。
[0062]在將壓電層6設(shè)置在層復(fù)合物2中之前可以對壓電層6充電。該充電或者極化例如可以借助直接充電或者電暈放電來執(zhí)行。通過充電或者極化，壓電層6具有持續(xù)壓電特性。壓電層6特別可以用于傳感器應(yīng)用和/或用于能量采集。
[0063]此外從圖1中可以得知，在介電的彈性體層4和壓電層6之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層8?？梢岳斫?，也可以設(shè)置多個層和/或一個完整層。該導(dǎo)電層8優(yōu)選可以平面地與介電的彈性體層4和/或壓電層6連接。導(dǎo)電的部分層8特別可以構(gòu)造為電極。例如該電極可以由金屬、金屬合金、導(dǎo)電的低聚物或者聚合物、導(dǎo)電的氧化物和/或用導(dǎo)電的填充材料填充的聚合物制成。
[0064]此外兩個電活性層4和6設(shè)置在兩個另外的導(dǎo)電層12和14之間。
[0065]層14施加在壓電層6上并且特別可以幾乎完全地覆蓋壓電層6的表面。導(dǎo)電層12可以施加在介電的彈性體層4上。例如可以提供分段的層12。導(dǎo)電層12和14優(yōu)選也基于金屬地構(gòu)造。
[0066]包括至少一個介電的彈性體層4和至少一個壓電層6的混合的層復(fù)合物2的特點特別在于，三種功能組合在一個唯一的層復(fù)合物中并且能夠提供使用。特別是通過一個唯一的層復(fù)合物提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)、能量采集和傳感技術(shù)的功能。
[0067]在介電的彈性體層的情況下該層的面積由于施加電場改變，而在鐵電體薄膜的情況下基本上(僅)層的厚度改變。兩種層類型的設(shè)置導(dǎo)致，形狀改變基本上僅可在垂直于層4和6的表面的方向X上執(zhí)行。這樣層復(fù)合物2的厚度可以改變，也就是說能夠放大或縮小，而不會在另一方向上發(fā)生明顯的形狀變化。應(yīng)該注意，根據(jù)應(yīng)用情況，在另一方向上的形狀變化可以是允許的。
[0068]此外在圖2中示出根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物2.1的另一個實施例。如從圖2中可以得知的那樣，層復(fù)合物2.1具有兩個根據(jù)圖1的層復(fù)合物2。特別是層復(fù)合物2鏡像反轉(zhuǎn)地相疊設(shè)置?？梢岳斫?，可以僅提供一個導(dǎo)電層12，或者層復(fù)合物2的兩個層12可以彼此連接成一個層12。
[0069]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的層復(fù)合物2.2的第三實施例。層復(fù)合物2.2包括兩個例如級聯(lián)的根據(jù)圖2的層復(fù)合物2.1?？梢岳斫?，繼續(xù)級聯(lián)是可能的。此外應(yīng)該理解，可以僅提供一個層14，或者層復(fù)合物2.2的兩個層14可以彼此連接成一個層14。
[0070]還應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的其他變型，復(fù)合物層可以構(gòu)造成任意其他的形式，只要提供至少一個介電的彈性體層和至少一個壓電層。例如可以提供兩個或者更多個壓電層與一個(或者多個)彈性體層。
[0071]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的機(jī)電的變換器設(shè)備16的一個實施例的簡化視圖。該機(jī)電的變換器設(shè)備16例如可以構(gòu)造為開關(guān)，如按鍵傳感器、平面?zhèn)鞲衅?，或者?gòu)造為智能的地板元件。變換器設(shè)備16特別是可以在建筑物自動化系統(tǒng)中使用。這樣變換器設(shè)備16可以用于操控供暖、照明、遮光裝置等，或者在老年病學(xué)(活動檢測和墜落檢測)中或者在安全技術(shù)中使用。
[0072]機(jī)電的變換器設(shè)備16包括層復(fù)合物18，其為有利于更好的圖示而未詳細(xì)地示出。例如可以使用根據(jù)圖1到3的層復(fù)合物2、2.1或者2.2。
[0073]層復(fù)合物18的構(gòu)造可以特別是針對根據(jù)機(jī)電的變換器設(shè)備16的應(yīng)用。
[0074]常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的按鍵傳感器可以優(yōu)選用兩個或者更多個壓電層6來構(gòu)造。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)例如直到約2mm的操作行程。此外兩個或者更多個壓電層6使得能夠?qū)⒗缰钡郊s5N的機(jī)械力變換為電能。
[0075]相反，平面?zhèn)鞲衅骺梢跃哂斜M可能少的層數(shù)和/或厚度小的層。平面?zhèn)鞲衅骼缈梢跃哂袎弘妼雍徒殡姷膹椥泽w層。在這種平面?zhèn)鞲衅鞯那闆r下實現(xiàn)小于500μπι的(不被注意的)操作行程。平面?zhèn)鞲衅骺梢杂眯∮贗N的力操作。特別是通過給介電的彈性體層施加電壓可以提供觸覺反饋作為對于平面?zhèn)鞲衅鞯牟倏v的確認(rèn)。除觸覺反饋外可以從要驅(qū)動的元件向使用者傳輸反饋。例如這可以通過無線電信號進(jìn)行。
[0076]變換器設(shè)備16的另一種應(yīng)用可能性是地板傳感器，如智能的地板元件。例如變換器設(shè)備16可以以瓷磚的形式構(gòu)造，其例如可以具有IOOcm2或者更大的面積。此外該瓷磚可以具有約Imm的厚度。該地板元件可以特別是具有多個壓電層。100Ν和更大的操縱力是可能的。由此實現(xiàn)大于300 μ J的能量。
[0077]層復(fù)合物18，特別是上面的電極，可以與操縱表面20連接。應(yīng)將操縱表面理解為這樣的面，其由使用者驅(qū)動，也就是說例如可以被施加壓力，以便引起希望的功能。[0078]基本上操縱面20可以任意地構(gòu)造。例如操縱面20可以具有第一段20.1和第二段20.2，它們例如可以在視覺上不同。第一段20.1可以被提供用于第一個動作，并且第二段20.2可以被提供用于第二個動作。應(yīng)該理解，也可以提供比僅兩個段更多的段或者也可以僅提供一個段。
[0079]電路裝置22可以與層復(fù)合物18連接。電路裝置22可以與層復(fù)合物18的電極連接。電路裝置22和層復(fù)合物18可以集成在(未示出的)殼體中或者模塊化地構(gòu)造。模塊化的構(gòu)造例如使得能夠為獲得不同的功能而靈活地組裝不同的元件。
[0080]電路裝置22可以被設(shè)計為，根據(jù)按照機(jī)電的變換器設(shè)備的操作所返回的電信號來引起動作。例如可以在電路裝置22中提供發(fā)送元件24。該發(fā)送元件24可以在從層復(fù)合物18接收到電信號時引起信息被發(fā)送出。特別是可以發(fā)送出無線電信號。應(yīng)該理解，替換地或者附加地也可以提供有線連接的接口。
[0081]所發(fā)送出的信息可以由一個或者多個接收器28.1、28.2接收。接收器28.1、28.2可以包括執(zhí)行器或者與執(zhí)行器連接，以便根據(jù)所接收的信息操控(未示出的)消耗器。如已經(jīng)所述的那樣，例如可以操控供暖等等。此外所接收的信息(例如單義的標(biāo)識)能夠給出對操縱者的位置的推斷。
[0082]一種向電路裝置22供給能量以例如產(chǎn)生無線電信號的可能性在于，使用以機(jī)械方式作用于操縱表面20的力。如已經(jīng)所述的那樣，壓電層6特別適合能量采集。例如在上述按鍵傳感器的情況下，變換成電能的機(jī)械能足以發(fā)送無線電信號。特別是可以收集所產(chǎn)生的電能并且例如借助電容器、超級電容器或者電池對所述電能進(jìn)行中間存儲。當(dāng)已經(jīng)存儲有用于執(zhí)行動作的足夠能量時，于是可以實施該動作?？梢蕴峁┳越o自足的機(jī)電的變換器設(shè)備16。
[0083]電路裝置22可以可選地包括能量存儲器26，如電池。能量存儲器26可能特別是當(dāng)通過機(jī)械的力改變能產(chǎn)生的電能不足以自給自足地運(yùn)行電路裝置22時是特別需要的。這例如在例如僅能包括一個壓電層6的平面?zhèn)鞲衅鞯那闆r下是這種情況。在考慮到結(jié)構(gòu)空間關(guān)系的情況下能夠產(chǎn)生例如約IOOpJ的能量。該能量可以用于將電路裝置22從靜止?fàn)顟B(tài)置于運(yùn)行狀態(tài)，亦即喚醒。然后電路裝置22可以由能量存儲器26供電，以便實施至少一種希望的功能。接著該電路裝置可以優(yōu)選自動地被重新置于靜止?fàn)顟B(tài)。
[0084]靜止電流消耗在這種機(jī)電的變換器設(shè)備16的情況下位于能量存儲器26的自放電的附近。喚醒能量可以僅通過機(jī)械的力改變產(chǎn)生。能夠?qū)崿F(xiàn)例如大于20年的壽命(例如在使用鋰-二氧化錳電池的情況下)。
[0085]此外，當(dāng)由電路裝置要執(zhí)行的操作需要比通過機(jī)械的力改變所能提供的能量更多的能量時，可能需要能量存儲器。在此情況下應(yīng)該理解，電路裝置可以包括另外的部件，如處理器、存儲器或者接口。
[0086]此外電路裝置22可以與介電的彈性體層4的至少電極如此連接，使得能夠為用于產(chǎn)生厚度改變的執(zhí)行器應(yīng)用施加電場。例如可以通過機(jī)電的變換器設(shè)備16的執(zhí)行器功能向使用者給出觸覺反饋。這樣能夠產(chǎn)生具有200到250Hz頻率的交變場。通過該交變場例如可以生成至少0.1 μ m、優(yōu)選10 μ m的機(jī)電的變換器設(shè)備16的厚度改變。已經(jīng)認(rèn)識到，正好在該參數(shù)值的情況下人的手指特別敏感。
[0087]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造層復(fù)合物的方法的第一實施例。[0088]在第一步驟601中可以提供壓電層6，例如鐵電體薄膜。在第二步驟602中可以在壓電層6的至少一側(cè)上例如通過涂層施加導(dǎo)電的部分層8。然后在第三步驟603中可以將所提供的介電的彈性體層4施加到、例如層壓到至少一個導(dǎo)電層8上。可以以簡單的方式制造具有壓電層4和介電的彈性體層6的層復(fù)合物2.1。
[0089]應(yīng)該理解，處理步驟的順序原則上可以是任意的。特別是可以替換地在第一步驟中提供介電的彈性體層4，該介電的彈性體層4然后可以首先被配備導(dǎo)電層8。然后接著可以設(shè)置壓電層6。
[0090]在圖6中示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造層復(fù)合物的方法的另一個實施例。
[0091]在第一步驟701中可以首先提供壓電層6，如鐵電體薄膜。
[0092]在第二步驟702中可以給壓電層6優(yōu)選在兩側(cè)用導(dǎo)電層8、14涂層。特別是可以給壓電層6在兩個表面上全面地涂層。除全面涂層外也可以給壓電層僅部分地用導(dǎo)電層8或14涂層?？梢援a(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的電極。特別是可以由此實現(xiàn)活性的或者惰性的區(qū)域。
[0093]然后可以在步驟703中將介電的彈性體層4、特別是彈性體薄膜層壓到上面的和下面的導(dǎo)電層8、14上。
[0094]可以優(yōu)選的是，介電的彈性體層4(僅)部分地被層壓。這由于介電的彈性體層4和壓電層6的不同的延展可能特別有利。
[0095]介電的彈性體層4可以又在下一步驟704中在其上側(cè)壓上優(yōu)選分段的導(dǎo)電層12，如結(jié)構(gòu)化的電極。結(jié)構(gòu)化的電極的特點特別在于惰性的和活性的區(qū)域。由此能夠在層復(fù)合物2的稍后的運(yùn)行中保證相對于接地層的絕緣。
[0096]此外該層復(fù)合物2可以與結(jié)構(gòu)相同的層復(fù)合物2鏡像反轉(zhuǎn)地連接，特別是層壓(步驟706)。例如層12可以彼此連接。
[0097]可選地，層復(fù)合物可以通過級聯(lián)兩個或者更多個層復(fù)合物2.1來制造(步驟707)。例如可以將兩個層復(fù)合物2.1通過堆疊、粘接或者層壓來級聯(lián)。
[0098]在另一步驟708中可以以希望的形式利用可預(yù)先規(guī)定的大小生成所制造的層復(fù)合物。例如可以沖壓出單個的層復(fù)合物。
[0099]然后可以將所制造的層復(fù)合物在另一方法中與電路裝置電氣連接。特別是可以將電路裝置與構(gòu)造為電極的導(dǎo)電層連接。
[0100]這里還應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明的其他變型，所述步驟的另一種順序是可能的，并且順序特別是可以取決于層復(fù)合物的具體的構(gòu)造。例如可以首先將兩個相同類型的層彼此連接并且然后才裝配另一層類型。
【權(quán)利要求】
1.層復(fù)合物(2、2.1、2.2、18)，包括: -至少兩個在第一導(dǎo)電層(12)和第二導(dǎo)電層(14)之間設(shè)置的電活性層(4、6)， -其中在至少兩個電活性層(4、6)之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層(8)，并且 -其中至少兩個電活性層(4、6)中的至少一個是壓電層(6)， 其特征在于， 至少兩個電活性層(4、6)中的至少另一個是介電的彈性體層(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層復(fù)合物(2、2.1、2.2、18)，其特征在于， -在第一導(dǎo)電層(12)和第二導(dǎo)電層(14)之間設(shè)置至少一個另外的壓電層(6)，和/或 -在第一導(dǎo)電層(12)和第二導(dǎo)電層(14)之間設(shè)置至少一個另外的介電的彈性體層⑷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的層復(fù)合物(2、2.1、2.2、18)，其特征在于，壓電層(6)是鐵電體層。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的層復(fù)合物(2、2.1、2.2、18)，其特征在于， -壓電層(6)包括選自如下組的材料，所述組包括:聚碳酸酯、全氟化的或者部分氟化的聚合物和共聚物、聚四氟乙烯、氟乙烯丙烯、全氟烷氧乙烯、聚酯、聚乙烯對苯二酸酯、聚乙烯萘亞甲鹽、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚、聚醚(甲基)丙烯酸脂、環(huán)烯烴聚合物、環(huán)烯烴共聚物和/或聚烯烴，和/或 -介電的彈性體層(4)包括選自如下組的材料，所述組包括:聚氨酯彈性體、硅樹脂彈性體和/或有機(jī)酸酯彈性體。
5.機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，包括根據(jù)上述權(quán)利要求1至4之一所述的層復(fù)合物(2、2.1,2.2,18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于，層復(fù)合物(2、2.1,2.2、18)與操縱表面(20)連接，使得作用于該操縱表面(20)上的機(jī)械的力改變能夠變換為電信號和/或變換為電能。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于，提供能與層復(fù)合物(2、2.1、2.2、18)連接的電路裝置(22)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求5至7之一所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于， -電路裝置(22)能自給自足地通過變換為電能的機(jī)械能運(yùn)行，或者 -電路裝置(22)包括能源(26)，其中電路裝置(22)能通過變換為電能的機(jī)械能從靜止?fàn)顟B(tài)置于運(yùn)行狀態(tài)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求5至8之一所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于，電路裝置(22)包括用于發(fā)送信號的發(fā)送元件(24)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于，為了觸覺反饋至少向介電的彈性體層(4)施加電壓，使得利用可預(yù)先規(guī)定的頻率產(chǎn)生層復(fù)合物(2、2.1,2.2,18)的至少0.1 μ m的厚度改變。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10之一所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于，操縱表面(20)包括用于觸發(fā)第一動作的第一段(20.1)和用于觸發(fā)第二動作的至少一個第二段(20.2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求5至11之一所述的機(jī)電的變換器設(shè)備(16)，其特征在于，機(jī)電的變換器設(shè)備(16)是機(jī)械式壓力傳感器，特別是按鍵傳感器、平面?zhèn)鞲衅骰蛘叩匕鍌鞲衅鳌?br> 13.用于制造層復(fù)合物(2、2.1,2.2、18)的方法，所述層復(fù)合物(2、2.1,2.2、18)具有至少兩個設(shè)置在第一導(dǎo)電層(12)和第二導(dǎo)電層(14)之間的電活性層(4、6)，其中在至少兩個電活性層(4、6)之間設(shè)置至少一個導(dǎo)電的部分層(8)，其中至少兩個電活性層(4、6)中的至少一個是壓電層(6)，并且其中至少兩個電活性層(4、6)中的至少另一個是介電的彈性體層(4)，所述方法包括: -提供至少一個壓電層(6)， -提供至少一個介電的彈性體層(4)， -連接壓電層(6)與介電的彈性體層(4)， -其中在連接壓電層(6)與介電的彈性體層(4)之前，將至少一個導(dǎo)電的部分層(8)施加到壓電層(6)和/或介電的彈性體層⑷上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，介電的彈性體層(4)或者壓電層被層壓到導(dǎo)電的部分層(8)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14之一所述的方法，其特征在于，介電的彈性體層(4)或者壓電層(6)至少部分地被壓上導(dǎo)電層(12、14)。
【文檔編號】H01L41/083GK103765620SQ201280012235
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月7日
【發(fā)明者】R·格哈德, W·維爾格斯, J·馬斯, C·格拉夫, H·蒙丁格, W·延寧格 申請人:拜耳材料科技股份有限公司, 東威斯特法倫-利普學(xué)院