[发明专利]介电复合物和制造介电复合物的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及微机电系统(MEMS)和微机械设计结构领域。更具体地，本发明涉及一种实质上改变了其宏观机电性能的机械结构的微机械设计。更为具体地，本发明涉及微机械成形一介电膜以提供该介电膜独特的机械性能，其影响到了由该薄膜制造的换能器的宏观机电性能。

背景技术

位于一弹性体的相对表面上的两个电极之间的电位差产生引起吸引力的电场。结果，电极间的距离产生变化，该变化导致弹性体材料的压缩，由此该弹性体材料变形。由于与肌肉的某种类似，弹性体驱动器有时也称作人造几肉。

US6376971公开了一种柔顺电极，该柔顺电极通过以下方式与聚合物接触放置，使得当在电极间施加一电位差时，电极间产生的电场使电极相对彼此收缩，因此使聚合物偏转。由于电极实质上为刚性材料，它们必须制成为有结构的以使得它们柔顺。

该电极被描述成具有“平面内”或“平面外”柔性。在US6376971中，可通过在驱动期间以高于其正常能够拉伸的程度拉伸一聚合物，从而提供该平面外的柔顺电极，且刚性材料层沉积于被拉伸的聚合物表面上。例如，该刚性材料可为当该电活化聚合物被拉伸时被固化的聚合物。在固化后，该电活化聚合物被松弛，且该结构被弯曲以提供有结构的表面。该刚性材料的厚度可被改变以提供任何尺寸的结构，包括亚微米级。可选地，有结构的表面可通过反应离子蚀刻(RIE)来制造。例如，RIE可在包括硅的预应变的聚合物上采用RIE气体来进行，以形成具有波谷和波峰深达4-5微米的表面，该RIE气体包括90％的四氟化碳和10％的氧。作为又一可选的，该电极可粘接到聚合物的表面上。粘接到聚合物的电极优选为柔顺的并遵从聚合物的改变的形状。有结构的电极可提供多于一个方向上的柔性。有粗糙结构的电极可在正交的平面方向提供柔性。

同样在US6376971中公开了一被构造和提供一个方向柔性的平面柔顺电极，其中金属迹线在电荷分布层上被构图为平行线，两者覆盖了聚合物的有效区域。该金属迹线和电荷分布层被涂布到聚合物的相对面。该电荷分布层有助于金属迹线之间的电荷分布，并且是柔顺的。结果，该被构造的电极允许在垂直于平行的金属迹线的柔顺方向上偏转。一般地，该电荷分布层具有大于电活化聚合物但小于金属迹线的电导率。

该聚合物可在一个或多个方向上被预应变。预应变可通过在一个或多个方向上机械拉伸一聚合物并在应变时将该聚合物固定到一个或多个实心构件(例如刚性板)而实现。保持预应变的另一技术包括使用一个或多个加强材。该加强材为置于当其处于预应变状态例如其被拉伸时的聚合物上的长刚性结构。该加强材沿其轴线方向保持预应变。该加强材可排列为平行或根据其它配置以实现换能器的定向柔性。

在US6376971中公开的柔顺电极可以包括导电脂，如碳脂或银脂，提供多个方向上的柔性，或者该电极可包括碳原纤维，碳纳米管，离子化导电材料或胶体悬浮物的混合物。胶体悬浮物包含亚微米尺寸颗粒，如液体载体中的石墨、银和金。

该聚合物可为商业性可获得的产品，比如商业性可获得的丙烯酸弹性体膜。它可为通过浇铸、浸渍、旋涂或喷涂而得的膜。

可选地，现有技术中已知的柔顺电极可被光刻法构图。在该情形，光致抗蚀剂被沉积于预应变的聚合物上且采用掩膜来构图。等离子体蚀刻可以移除未被期望的图案的掩膜保护的电活化聚合物的部分。而后掩膜通过合适的湿蚀刻被移除。该聚合物的活性表面被例如通过溅射沉积的金薄层覆盖。

采用在US6376971和US6891317中描述的技术制造电活化聚合物，尤其卷绕驱动器具有波纹状电极的柔顺方向非常难于控制的缺点。

最后，为了使用现有技术获得需要的柔性，需要对电极使用具有相对高电阻的材料。由于具有大量绕数的卷绕驱动器将无疑具有很长的电极，电极的总电阻将非常高。这种类型的驱动器的响应时间由τ＝R·C给出，其中R为电极的总电阻，C为该复合物的电容。因此，高总电阻将导致该驱动器非常长的响应时间。因此，为了获得可接受的响应时间，绕数必须被限制，且因此，驱动力也被限制，即在设计驱动器时，必须权衡响应时间和驱动力。

发明内容

本发明的一个优选实施例的一个目的在于提供一种换能器的复合物，该复合物相对于类似的现有技术换能器的复合物有助于增加的驱动力。本发明的进一步目的在于提供一种复合物，相对于类似的现有技术换能器的复合物，其有助于增加换能器在一个方向上的柔性，有助于改善的反应时间，并潜在的提供了应用该复合物的换能器增加的寿命。就此而言，柔性意味着容易在一方向上拉伸该复合物。