傳感器和電子設備的製作方法

2023-11-11 07:20:17

本技術涉及傳感器和包括該傳感器的電子設備。具體涉及將電能轉換為機械能的傳感器。

背景技術：

期望的是將電能轉換為機械能的傳感器(變換器)例如作為天線、行動裝置、人工肌肉以及揚聲器的致動器應用於多種領域。

非專利文獻1描述了一種介電彈性致動器，該介電彈性致動器通過用兩個柔性電極夾持彈性材料(其楊氏模量是100MPa或以下)而操作機電傳感器。

非專利文獻2描述了為了在介電彈性致動器中提高絕緣破壞耐力，通過僅僅使用小位移量的區域而降低電場強度、並且通過浸沒到矽油等中減少無效部分。

專利文獻1描述了將基於植物的炭黑用作導電填充物，該導電填充物混合在導電聚合物複合材料的母材的複合物中。而且，還描述了基於植物的炭黑具有中空結構，並且母材的聚合物處於該中空結構的內部中。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：JP 2010-53250A

非專利文獻

非專利文獻1:R.Pelrine,R.Kornbluh,Q.Pei and J.Joseph,SCIENCE 287,5454,(2000)

非專利文獻2:T-G.La and G-K.Lau,Appl.Phys.Lett.102,192905(2013)

技術實現要素：

技術問題

本技術的目的是提供一種在施加高電壓的時候具有高絕緣破壞耐力的傳感器以及包括該傳感器的電子設備。

技術方案

為了解決上述問題，第一技術提供了一種將電能轉換為機械能的傳感器，該傳感器包括：介電層；設置在該介電層的一個表面上的第一電極；設置在該介電層的另一個表面上的第二電極。在該介電層由於施加在所述第一電極和所述第二電極之間的電壓而出現絕緣破壞之前，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個變成絕緣體。

第二技術提供了一種電子設備，其包括將電能轉換為機械能的傳感器。該傳感器包括：介電層；設置在該介電層的一個表面上的第一電極；設置在該介電層的另一個表面上的第二電極。在該介電層由於施加在所述第一電極和所述第二電極之間的電壓而出現絕緣破壞之前，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個變成絕緣體。

本發明的技術效果

如上所述，本技術可以構成一種在施加高電壓時具有高絕緣破壞耐力的傳感器。

附圖說明

圖1是用於描述根據本發明的實施例的介電致動器的示例性配置的橫截面視圖。

圖2是用於圖示工作示例1的介電致動器中的理論電場強度和面積變換率之間的關係的圖。

具體實施方式

本技術的實施例或以下列順序進行描述。

1介電致動器的配置

2介電致動器的操作

3介電致動器的製造方法

4效果

5變型例

[1介電致動器的配置]

如圖1所示，介電致動器包括介電層11、設置在介電層11的一個表面上的電極12a以及設置在介電層11的另一個表面上的電極12b。電極12a直接設置在介電層11的一個表面上，並且電極12b直接設置在介電層11的另一個表面上。需要注意，儘管未描述，在電極12a和介電層11之間可以設置連接層，在電極12b和介電層11之間可以設置連接層。這裡，從概念上定義，連接層包括粘接層。電極12a、12b各自經由線路13a、13b電連接至電源14。該介電致動器是將電能轉換為機械能的傳感器的示例。

儘管圖1圖示的示例中的介電致動器具有平板狀，介電致動器的形狀不限於此，而可以是捲曲狀等等。介電致動器對於包括預定波長帶的光是透明的或者是不透明的。優選的是，根據介電致動器所應用的對象來選擇介電致動器是透明的還是不透明的。這裡，預定波長段例如是可見光的波長帶，或者是紅外光的波長帶。可見光的波長帶是350nm或以上以及850nm或以下的波長帶，並且紅外光的波長帶是850nm或以上1mm或以下的波長帶。

介電致動器是優選地用在人工肌肉、醫療設備、人口色素、天線、電子設備、聲變換器(揚聲器等等)、康復設備、機器人、機器人套件、微型設備、手移動校正模塊、振動器等等中的設備。電子設備例如是個人電腦、行動裝置、行動電話、平板電腦、顯示設備、攝像設備、音頻設備、遊戲機等等，但是不限於此。

(介電層)

介電層11是可伸縮的。介電層11例如具有膜狀，但是不特別限定於該形狀。這裡，從概念的定義來看，膜狀包括片狀和板狀。介電層11例如包括作為絕緣可伸縮材料的絕緣彈性體。介電層11例如可包括作為絕緣可伸縮材料的膠體等等。如有必要，介電層11可包括添加劑。例如，交聯劑、塑化劑、抗老化劑、表面活性劑、粘度調節劑、加強劑、著色劑等等中的一個或者多個可以用作添加劑。例如，矽樹脂、丙烯酸樹脂以及聚氨酯樹脂中的一個或者多個可以用作絕緣彈性體。預應力可以施加在介電層11上。優選的是，介電層11的楊氏模量是100MPa或以下。優選的是，介電層11的介電常數等於或者大於2。

(電極)

電極12a、12b設置的方式是：電極12a、12b的主表面相互面對，並且介電層11設置於電極12a、12b的主表面之間。電極12a、12b是可伸縮的。於是，電極12a、12b可以隨著介電層11的變形而變形。電極12a、12b各自可具有整體或者基本上整體上覆蓋介電層11的兩個表面的薄膜狀，並且可以具有預定圖案。預定圖案例如是諸如條形、點狀、柵格(矩陣)、同心圓以及螺旋狀等的圖案。電極12a、12b例如具有膜狀或者薄膜狀，但是不特別限定於這些形狀。

電極12a、12b包括導電粒子以及粘接劑(如有必要)。優選的是，電極12a、12b包括粘接劑時，導電粒子分散到該粘接劑中。如有必要，電極12a、12b還可以進一步包括添加劑。優選的是，在表面上包括大量孔隙的多孔碳顆粒被用作導電粒子。多孔碳顆粒在表面上包括孔徑(大小)優選為2nm或以上和100nm或以下，更優選為2nm或以上和50nm或以下，再優選為4nm或以上和20nm或以下的中孔。除了中孔以外，多孔碳顆粒在表面上還包括孔徑優選為小於2nm，更優選地為0.5nm或以上和小於2nm的微孔。優選的是，包括微孔和中孔的多孔碳顆粒包括孔徑為0.5nm或以上和小於2nm的微孔以及孔徑為4nm或以上和20nm或以下的中孔。

在表面上具有或以上孔徑的孔隙的多孔碳顆粒例如是生物炭。優選的是，生物炭是由源於植物的材料的原材料製成，其中，矽的含量是5wt％或以上，並且通過氮BET方法的比表面積的值是10m2/g或以上，並且包括含量為1wt％或以下的矽，並且通過BJH方法和MP方法孔體積為0.1cm3/g或以上(參考JP2008-273816A)。

中孔的孔徑例如可以基於BJH方法從相對於孔徑的孔體積變化率計算為孔隙的分布。BJH方法是廣泛用作孔徑分布分析方法的方法。當基於BJH方法進行孔徑分布分析時，首先，通過吸收氮作為吸附分子，並且從多孔碳顆粒解析氮，計算出解析等溫線。然後，基於算出的解析等溫線，從孔隙被填充有吸附分子(例如氮)的狀態開始以逐步方式吸收並且解析吸附分子時，求出吸附層的厚度，並且算出隨後產生的孔洞的內徑(核半徑的兩倍)，然後基於公式(1)算出孔隙半徑rp，並且基於公式(2)算出孔體積。然後，通過從孔隙半徑和孔隙體積畫出相對於孔徑(2rp)的孔隙體積變化率(dVp/drp)，獲得孔徑分布曲線(參見the manual of BELSORP-mini and BELSORP analysis software produced by BEL Japan Inc.,pp.85-88)。

rp＝t+rk (1)

Vpn＝Rn·dVn-Rn·dtn·c·ΣApj (2)

其中

Rn＝rpn2/(rkn-1+dtn)2 (3)

這裡，

rp是孔隙半徑；

rk是當厚度為t的吸附層在壓力下被吸附在孔隙半徑為rp的孔隙的內壁上時的核半徑(內徑/2)；

Vpn是當第n次氮吸收和解析發生時的孔隙體積；

dVn是此時的變化量；

dtn是當氮的第n次吸收和解析發生時的吸附層的厚度tn的變化量；

rkn是此時的核半徑；

c是固定值；並且

rpn是當氮的第n次吸收和解析發生時的孔隙半徑。而且，ΣApj表示了孔隙的壁表面的面積從j＝1到j＝n-1時的積分值。

微孔的孔徑例如可以基於MP方法從相對於孔徑的孔體積變化率計算為孔隙的分布。當通過MP方法進行孔徑分布分析時，首先，通過將氮吸收到多孔碳顆粒上，計算吸收等溫線。然後，將吸收等溫線轉換(t繪圖)為相對於吸附層的厚度t的孔隙體積。然後，可以基於曲率(相對於吸附層的厚度t的變化量的孔隙體積的變化量)獲得孔徑分布曲線(參見the manual of BELSORP-mini and BELSORP analysis software produced by BEL Japan Inc.,pp.72-73and 82)。

在JIS Z8831-2:2010「Pore size distribution and porosity of solid materials-Part 2:Analysis of mesopores and macropores by gas adsorption」和JIS Z8831-3:2010「Pore size distribution and porosity of solid materials-Part 3:Analysis of micropores by gas adsorption」中規定的非局部密度功能方法(NLDFT方法)中，BEL Japan Inc生產的與自動比表面積和孔徑分布測量設備配合使用的軟體「BELSORP-MAX」用作分析軟體。作為前提條件，將炭黑(CB)假定為模型中的柱狀，並且孔徑分布參數的分布函數設定為「no-assumption」，並且對獲得的分布數據進行十次平滑化。

多孔碳顆粒的平均顆粒直徑優選為20μm或以下，更優選為1μm或以上20μm或以下。這裡，平均顆粒直徑計算如下。首先，通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝導電粒子的SEM圖像。然後，從SEM圖像任意地選出10個導電粒子，並且通過使用圖像分析軟體測量那些粒子的粒子直徑。這裡，粒子直徑意味著粒子的最大伸縮長度(即最大粒子直徑)。對十個SEM圖像執行該步驟，並且簡單地對獲得的粒子直徑進行平均(算術平均)從而計算出平均粒子直徑。

優選的是，多孔碳顆粒的縱橫比是10或以下。這裡，縱橫比計算如下。首先，通過使用SEM拍攝導電粒子的SEM圖像。然後，使用圖像分析軟體從SEM圖像中任意選出10個導電粒子，並且測量這些粒子在長軸方向(主方向)的直徑以及在短軸方向(次方向)的直徑。這裡，在長軸方向的直徑意味著粒子的最大伸縮長度(即最大粒子直徑)，在短軸方向的直徑意味著在垂直於主軸的方向上最長的部分的長度。為了簡單地對在長軸方向上獲得的直徑和在短軸方向上的直徑求平均(算術平均)，從而計算出在長軸方向上的平均直徑以及在短軸方向上的平均直徑，對十個SEM圖像進行該步驟。接下來，計算出的在長軸方向上的平均直徑(平均主直徑)與在短軸方向上的平均直徑(平均次直徑)的比例計算為縱橫比(即：(長軸方向上的平均直徑/在短軸方向上的平均直徑))。

例如，彈性體被用作粘接劑。例如，矽樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂等等中的一個或者多個可被用作彈性體。

[2介電致動器的操作]

下面，將要描述根據本技術的實施例的介電致動器的操作的示例。

(在施加額定電壓時的操作)

當在電極12a、12b二者之間施加額定電壓時，通過庫侖力將吸引力作用於電極12a、12b上。從而，位於電極12a、12b之間的介電層11在厚度方向上被按壓，從而變薄，並且在面內方向上伸縮。從而，介電致動器在介電層11的厚度方向上以及面內方向上提供驅動力。

(在施加過大電壓時的操作)

在介電層11由於施加在電極12a、12b之間的電壓而出現絕緣破壞之前，電極12a、12b變成絕緣體。具體地，當諸如尖峰電壓的過高電壓施加在電極12a、12b之間時，在介電層11的絕緣破壞之前，由於阻抗的急劇上升，電極12a、12b變成絕緣體。而且，當電極12a、12b之間的施加電壓從過高電壓返回至額定電壓時，或者當電極12a、12b之間的過高電壓停止施加時，電極12a、12b的阻抗降低，並且電極12a、12b從絕緣體返回至導體。

例如，當施加電壓使得電極12a、12b之間的電場強度為100[MV/m]或以上時，電極12a、12b變成絕緣體。已經變成絕緣體的電極12a、12b的表面阻抗優選為1Mω/□或以上，更優選為10MΩ/□或以上，再優選為100MΩ/□或以上。

如上所述，在施加過高電壓的時候，在介電層11出現絕緣破壞之前，電極由於阻抗急劇上升而變成絕緣體，這沒有明顯的原因，但是該原因可以猜測如下。可以猜測，當過高電壓施加在電極12a、12b之間時，由於電極12a、12b的伸縮，電極12a、12b中包括的多孔碳顆粒之間的接觸點和/或其中集合有多個多孔碳顆粒的顆粒組(例如聚集)之間的接觸點在介電層11出現絕緣破壞之前急劇下降。而且，可以猜測，接觸點的急劇下降是由於特定的多孔碳顆粒(生物炭)的結構。

[3介電致動器的製造方法]

下面，將要描述根據本技術的實施例的介電致動器的製造方法的示例。

首先，導電粒子被添加並且分散到溶劑中，並且從而製備用於形成電極的塗料的導電墨。如有必要，粘接劑和/或添加劑也可以添加到溶劑中。例如，有必要，為了改善針對介電層11的塗覆性以及組合物的適用期，可以添加諸如表面活性劑、粘度調節劑以及分散劑的添加劑。優選的是，攪拌、超聲波分散、珠散、揉捏、均質處理等等可以用作分散方法。

可以使用分散導電粒子的任何溶劑，並且該溶劑不作具體限定。例如列出了水、乙醇、甲乙酮、異丙醇、丙酮、酮(環己酮、環戊酮)、烴(己烷)、醯胺(DMF)、硫化物(DMSO)、丁基溶纖劑、丁基三甘醇、丙二醇單甲醚、丙二醇單乙醚、乙二醇單乙醚、乙二醇單丙醚、乙二醇單異丙醚、二甘醇單丁醚、二甘醇單乙醚、二甘醇單甲醚、二甘醇二乙醚、二丙二醇單甲醚、三丙二醇單甲醚、丙二醇單丁醚、丙二醇異丙基醚、二丙二醇異丙基醚、三丙二醇異丙基醚、甲基二醇、萜品醇、丁基卡必醇乙酸酯等。

然後，通過使用如上製備的導電墨，在介電層11的一個表面上形成塗覆膜。塗覆膜的形成方法不作具體限定，並且考慮到物理屬性、便利性、生產成本等等，溼膜形成方法是優選的。例如，諸如塗覆法、噴塗法以及列印法的眾所周知的方法可以用作溼膜形成方法。塗覆法不限於此，並且可以使用眾所周知的塗覆法。眾所周知的塗覆法例如是微凹版塗覆法、線棒塗覆法、直接凹版塗覆法、模板塗覆法、浸漬法、噴塗法、反向輥塗覆法、簾塗覆法、逗號塗覆法、刀塗覆法、旋塗法等等。印刷法例如是凸版印刷法、膠版印刷法、凹版印刷法、凹印法、橡膠板印刷法、絲網印刷法、噴墨印刷法等等。

然後，通過乾燥形成於介電層11的一個表面上的塗覆膜而使得溶劑蒸發。乾燥條件不作具體限定，並且可以是自然乾燥和通過加熱乾燥中的任何一種。從而，電極12a形成於介電層11的表面上。

然後，與形成於介電層11的一個表面上的電極12a的方式一樣，電極12b形成於介電層11的另一個表面上。如上所述，獲得目標介電致動器。

儘管，在介電致動器的製備方法的上述示例中，已經描述了一個示例，其中，電極12a形成於介電層11的一個表面上，然後，電極12b形成於介電層11的另一個表面上，介電致動器的製備方法不限於該示例。例如，通過使用導電墨在介電層11的兩個表面上同時形成塗覆膜，並且然後通過同時地或者順序地乾燥那些塗覆膜而製備電極12a、12b。而且，可以提前將電極12a、12b製備為自支撐膜(諸如綠片)，並且經由粘接層將那些電極12a、12b分別粘接在介電層11的兩個表面上。

[4效果]

根據本技術的實施例，當諸如尖峰電壓的過高電壓(例如幾千伏)施加在電極12a、12b之間時，在介電層11出現絕緣破壞之前，電極12a、12b由於阻抗的急劇上升而變成絕緣體。而且，當電極12a、12b之間的施加電壓從過高電壓返回至額定電壓時，或者當電極12a、12b之間的過高電壓停止施加時，電極12a、12b的阻抗降低，從而電極12a、12b返回至導體。於是，甚至當諸如尖峰電壓的過高電壓施加在電極12a、12b之間時，防止了介電層11的絕緣破壞，並且可以防止介電致動器的故障和毀壞。而且，可以提高介電致動器的工作壽命。

[5變型例]

儘管在上述實施例中描述了一種配置示例，其中，當施加過高電壓時，在介電層出現絕緣破壞之前，設置在介電層的兩個表面上的兩個電極由於阻抗的急劇上升而變成絕緣體，本技術不限於此。即，可以是這樣的配置，其中，當施加過高電壓時，在介電層出現絕緣破壞之前，設置在介電層的兩個表面上的兩個電極之一由於阻抗的急劇上升而變成絕緣體。

而且，儘管在上述實施例中已經描述了一個示例，其中的介電致動器具有單層結構，介電致動器可以具有交替重複地疊放電極和介電層的疊層結構。

[工作示例]

下面，結合工作示例具體地描述本技術，但是本技術不僅僅限於這些工作示例。

在本工作示例中，通過上述實施例中描述的方法計算生物炭的孔徑、平均顆粒直徑以及縱橫比。

[工作示例1]

首先，製備出生物炭(BC)的粉末。所使用的生物炭由源於植物的材料的原材料製成，其中，矽的含量是5wt％或以上，並且包括孔徑為2nm或以下的微孔以及孔徑為2nm或以上50nm或以下的中孔，並且平均顆粒直徑為20μm或以下，並且縱橫比為10或以下。

然後，通過在作為介電彈性膜(介電層)的丙烯酸樹脂膜的兩個表面上塗覆製備好的生物炭粉末而形成電極。如上所述，獲得目標介電彈性致動器。

[對比示例1]

除了代替生物炭的粉末而使用蒸汽生長碳纖維(VGCF)之外，可以以與工作示例1相同的方式獲得介電彈性致動器。

[對比示例2]

除了代替生物炭的粉末而使用廚房黑(KB)之外，可以以與工作示例1相同的方式獲得介電彈性致動器。

(評價)

針對上述獲得的工作示例1和對比示例1、2的介電彈性致動器進行下面的評價。

(面積變化率)

測量介電彈性致動器的面積變化率相對於理論電場強度的變化。結果如圖2所示。這裡，理論電場強度意味著從施加於介電彈性致動器的電壓(電源電壓)計算出的電極之間的電場強度，並且與真實電極之間的電場強度(下面稱之為「真實電場強度」)做出區分。

(表面阻抗)

通過四個探頭方法來測量表面阻抗相對於介電彈性致動器的面積變化率的變化。

下面披露上述評價結果。

在工作示例1的介電彈性致動器中，在理論電場強度從0[Mv/m]到100[Mv/m]的範圍內，面積變化率隨著理論電場強度的增加而增加。另一方面，在理論電場強度從100[Mv/m]到300[Mv/m]的範圍內，面積變化率相對於理論電場強度的增加而基本上保持恆定。而且，在工作示例1的介電彈性致動器中，電極的表面阻抗隨著面積變化率的增加而增加，並且超出測量設備的測量範圍(MΩ級)。

由於或以下原因考慮上述趨勢。即，可以認為，在理論電場強度從100[Mv/m]到300[Mv/m]的範圍內，生物炭製成的電極用作導體，於是真實電場強度上升，並且面積變化率隨著理論電場強度的增加而增加。另一方面，在理論電場強度從100[Mv/m]到300[Mv/m]的範圍內，生物炭製成的電極不用作導體，並且保持在理論電場強度到達100[Mv/m]之前累積的電荷。於是，即使理論電場強度增加，真實電場強度保持基本上恆定值，於是面積變化率也基本上保持恆定值。

和工作示例1的介電彈性致動器相比，在對比例1、2的介電彈性致動器中，不存在面積變化率相對於理論電場強度的增加基本上恆定的電場強度區域，並且面積變化率隨著理論電場強度的增加而快速增加。而且，在對比例1、2的介電彈性致動器中，電極的表面阻抗相對於面積變化率的增加沒有明顯增加，並且保持電極的電導率。

認為上述趨勢是由於以下原因。即，可以認為無論理論電場強度的範圍如何，VGCF或者KB製成的電極用作導體，於是，真實電場強度隨著理論電場強度的增加而持續上升，並且保持面積變化率的增加。

上面，已經具體地描述了本技術的實施例、示例性變型例以及工作示例，但是本技術不限於上述實施例、示例性變型例以及工作示例，但是基於本技術的技術構思可以進行各種變化。

例如，在上述實施例、示例性變化例以及工作示例中的配置、方法、步驟、形狀、材料以及數值僅僅是示例，如有必要，可以使用不同的配置、方法、步驟、形狀、材料、數值等等。

而且，在上述實施例、示例性變化例以及工作示例中的配置、方法、步驟、形狀、材料以及數值可以相互組合，只要不偏離本技術的精神即可。

另外，本技術還可以配置如下：

(1)一種將電能轉換為機械能的傳感器，所述傳感器包括：

介電層；

第一電極，其設置於所述介電層的一個表面上；

第二電極，其設置於所述介電層的另一個表面上，

其中，通過施加在所述第一電極和所述第二電極之間的電壓，在所述介電層出現絕緣破壞之前，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個變成絕緣體。

(2)根據(1)所述的傳感器，其中

所述第一電極和所述第二電極中的至少一個包括多孔碳顆粒。

(3)根據(2)所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒在表面上包括各自具有2nm或以上、100nm或以下的孔徑的孔隙。

(4)根據(3)所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒在所述表面上還包括各自具有0.5nm或以上、小於2nm的孔徑的孔隙。

(5)根據(2)所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒包括各自具有0.5nm或以上、小於2nm的孔徑的孔隙以及各自具有4nm或以上、20nm或以下的孔徑的孔隙。

(6)根據(2)～(5)中的任一項所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒的平均顆粒直徑為1μm或以上、20μm或以下。

(7)根據(2)～(6)中的任一項所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒的縱橫比是10或以下。

(8)根據(2)～(7)中的任一項所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒由源於植物的材料的原材料製成，其中的矽含量是5質量％或以上。

(9)根據(2)～(8)中的任一項所述的傳感器，其中

所述多孔碳顆粒是生物炭。

(10)根據(2)～(9)中的任一項所述的傳感器，其中

所述第一電極和所述第二電極還包括粘接劑。

(11)根據(1)～(10)中的任一項所述的傳感器，還包括：

第一粘接層，其設置於所述第一電極和所述介電層之間；以及

第二粘接層，其設置於所述第二電極和所述介電層之間。

(12)一種電子設備，其包括：

根據(1)～(11)中的任一項所述的傳感器。

附圖標記列表

11 介電層

12A、12b 電極

13A、13b 線路

14 電源。