專利名稱：離子聚合物金屬復合電容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括離子聚合物金屬復合結構。更具體地，本發明涉及離子聚合物金屬復合電容器的結構，其中該電容器包括一薄條或薄片，該薄條或薄片可以簡單地、不貴地制造成特定應用中理想的多種形狀和大小。
背景技術：
用于在電子產品和其他電路的儲電的常用電容器是已知的，包括各種類型的適于各種應用的電解式和非電解式電容器，但是絕大多數的現有電容器的設計通常導致相對固定的形狀和大小，例如圓盤形或圓柱形，這限制了它們在一些大小和/或形狀受限的空間或應用中的價值，尤其在需要較大的電容儲存能力時。而且，絕大多數的現有電容器的設計在可擴展性上受限，這會導致大小和電容級別之間的非線性關系，這尤其對于需要很小的電容尺寸和/或較大的電容的應用不是期望的。許多現有的電容器還限制了它們可以使用的溫度的范圍，不適于在約100°C至 200°C的高溫下使用。普通的電解型電容器通常也受到它們對電連接的極化的敏感度的限制。一些更高級的電容器設計，例如高級或超級電容器，也需要相對復雜而且可能昂貴的制造技術，以提供提高的電容性能，例如高單位電容評級。離子聚合物復合結構已經開發用于致動器、傳感器和靈巧材料領域，例如在一些電化學超級電容器設計中。現有的離子聚合物金屬復合(IPMC)結構通常依賴于和離子流體水合的水合離子聚合物材料，以允許離子的遷移和水分子密度穿過離子聚合物的相應濃縮以響應施加的電勢差，該電勢差源自IPMC結構的理想的機械變形或制動。在許多水合IPMC結構中，維持離子性聚合物材料在離子流體和注入通常昂貴的金屬(例如鉬)電極到離子聚合物材料的結構的要求已經導致了通常復雜的制造過程，導致增加的生產成本和所得的水合IPMC結構的機械和電學性能上的變化。因此，需要一種可以簡單地、不貴地制造的電容器，其適于很多種形狀和大小，同時提供理想的特定電容存儲性能以及擴大的操作溫度范圍。
發明內容
本發明的一個目的是，提供一種離子聚合物金屬復合電容器，其克服了現有技術的某些缺陷。本發明的另一個目的是，提供一種制造薄的離子聚合物金屬復合電容器的方法， 其克服了現有技術的某些缺陷。本發明的又一個目的是，提供一種離子聚合物金屬復合電容器，其克服了現有技術的某些缺陷而且可以制造成許多種大小、形狀和設置，包括可以成型為裝置的形狀并集成為該裝置的一個部件的離子聚合物金屬復合電容器。根據本發明的一個實施例，提供一種離子聚合物金屬復合電容器，其包括一薄的單層非水合離子聚合物基體，所述基體包括第一和第二基本上平行的主表面，和第一和第二傳導性(conductive)薄膜電極，該電極分別涂覆(apply)在所述薄的單層非水合離子聚合物基體的所述第一和第二主表面的至少一部分上，其中每個傳導性薄膜電極包括至少一導電材料。根據本發明的另一個實施例，所述離子聚合物金屬復合電容器還包括第一和第二電連接，所述電連接分別傳導性連接到所述第一和第二傳導性薄膜電極。根據本發明的又一個實施例，所述離子聚合物金屬復合電容器還包括第一介電層和第二介電層，所述第一介電層位于離子聚合物基體的第一表面和第一傳導性薄膜電極之間，所述第二介電層位于離子聚合物基體的第二表面和第二傳導性薄膜電極之間。根據本發明的又一個實施例，所述離子聚合物金屬復合電容器還包括一個或多個納米陣列和/或至少一保護涂層，每一納米陣列包括一納米特征的圖案，所述納米特征成型在至少一所述傳導性薄膜電極上，所述涂層涂覆在至少一所述傳導性薄膜電極上。根據本發明的又一個實施例，提供一種制造離子聚合物金屬復合電容器的方法， 該方法包括提供一薄的單層非水合離子聚合物基體，該基體包括第一和第二基本上平的主表面；分別涂覆(apply)第一和第二傳導性薄膜電極到所述第一和第二主表面的至少一部分上，所述第一和第二傳導性薄膜電極包括至少一導電材料；將至少一電連接固定至第一和第二傳導性薄膜電極中的每一個。在一個實施例中，該方法還包括在至少100°C固化所述離子聚合物復合金屬電容器，以移除所述非水合離子聚合物基體中的濕氣的至少一部分；用保護涂料涂覆所述離子聚合物金屬復合電容器的至少一部分，所述離子聚合物金屬復合電容器包括所述傳導性薄膜電極至少一部分，以提供至少一保護涂層。結合附圖和詳細描述，本發明的進一步的優點更明顯。
現在參考附圖描述本發明的離子聚合物金屬復合電容器。附圖中圖1示出了根據本發明的一個實施例的示例性離子聚合物金屬復合電容器的剖視圖；圖2示出了根據本發明的另一個實施例的示例性離子聚合物金屬復合電容器的剖視圖；圖3示出了根據本發明的一個實施例的離子聚合物金屬復合電容器的電子掃描電鏡(SEM)下的立體圖；圖4示出了根據本發明的一個實施例的離子聚合物金屬復合電容器的邊緣的電子掃描電鏡(SEM)下的立體圖；圖5示出了根據本發明的又一個實施例的并入納米陣列的離子聚合物金屬復合電容器的電子掃描電鏡(SEM)下的立體圖；圖6示出了根據本發明的又一個實施例的包括表面涂層的示例性離子聚合物金屬復合電容器的剖視5
圖7示出了根據本發明的一個實施例的示例性離子聚合物金屬復合電容器的單位電容對溫度圖。在不同視圖中類似的附圖標記代表相應的部分。 具體實施例本發明提供示例的離子聚合物金屬復合(IPMC)電容器，該電容器可以使用現有設備和技術容易地制造，該電容器理想地可以在一薄膜離子聚合物復合結構提供可擴展的電容儲電能力，該復合結構可以制成多種形狀、大小和設置。本發明還提供制造這種示例的離子聚合物的方法。根據本發明的實施例的離子聚合物金屬復合電容器可以有益地廣泛用于需要電容儲電的應用。根據本發明的實施例的IPMC電容器應用的例子包括但不限于低能電子器件的短期儲電性能，低能電子器件例如是發光二極管(LED)、有機發光二極管(OLED)、小的顯示或屏幕(小的顯示或屏幕例如是手表、手機、數字音樂播放器、數字圖像系統和其他電子裝置的顯示或屏幕)、射頻識別(RFID)系統、射頻(RF)傳感器、微傳感器和微電子機械(MEM)系統；用于可佩帶微電子系統的持續性儲電性能和/或感應性能，包括用于可佩帶的發電系統，該發電系統集成發電和/或儲電性能在柔性織物或其他紡織材料內；傳感器和感應系統，例如對壓力提供電容耦合性能和其他傳感器，包括用于需要高精確度的傳感器的極端環境；以及用于極端環境在極端溫度、壓強、和/或應力條件下電容儲電部件，例如用于航空和汽車應用中。特別地，根據本發明的實施例的IPMC傳感器可以用于這樣的應用中，其中需要薄的柔性和或高溫儲電裝置可以設置為基本上任何理想形狀。現在參考附圖進一步描述本本發明。圖1示出了根據本發明的一個實施例的示例性離子聚合物金屬復合(IPMC)電容器10的剖視圖。該IPMC電容器10優選提供為薄的柔性片形式，并優選制成或切成意在應用所需要的任何理想的尺寸，例如上面描述的應用中的一個或多個。IPMC電容器10包括一薄的單層非水合離子聚合物基體1 (形成該IPMC電容器的主干或核心)和傳導性薄膜電極2，該電極用在薄的單層非水合離子聚合物基體1的第一和第二相對的、基本上平的主表面(或側面)的至少一部分上，例如所述非水合離子聚合物材料的薄膜或片的兩個基本上平的側面。非水合離子聚合物基體1可以由幾種現有的適當非水合離子聚合物材料形成，其可以提供為薄膜或薄片的形式，例如基于非水合氟聚合物的離子聚合物材料，或者基于聚乙烯或聚酰胺的離子聚合物材料。特別地，非水合全氟磺酸(PFSA)/聚四氟乙烯(PTFE)共聚物可以用于形成非水合離子聚合物基體1。一個適當的這種示例性PFSA/PTFE非水合離子聚合物為Nafion N-115離子聚合物，其可以從Ε. I. Dupont et Nemours公司商業購買。 根據本發明的一個實施例，這種N-115非水合離子聚合物通常可商業購買作為厚度約127 微米的薄膜基體并可以用作非水合離子聚合物1。類似的Nafion 非水合離子聚合物薄膜可商業購買的厚度范圍為約80微米至250微米，例如厚度約為183微米的Nafion N-117。 或者，適當的非水合離子聚合物材料可以生產為適于用作基體1的薄膜形式，例如通過旋轉涂布或沉積適當的液體離子聚合物材料再干燥/固化以形成非水合離子聚合物薄膜以用作基體1。在一個這樣的實施例中，用作基體1的薄的非水合離子聚合物薄膜例如在1500 至1800RPM(轉/分鐘)通過噴涂適當的液體離子聚合物材料到玻璃表面形成。在本IPMC電容器的特定實施例中，非水合離子聚合物基體1優選包括厚度小于約 400微米的薄片或薄膜，進一步優選厚度在100微米至200微米。但是，在另一個實施例中， 非水合離子聚合物基體1可以為任何適當的厚度，例如對于非常薄的電容器厚度約10微米至約75微米，或者例如厚度大于400微米而同時仍提供理想的性質，例如薄的片狀形態和柔性。傳導性薄膜電極2可以由任何適當的、可以形成包括傳導性薄膜的導電材料制成。示例性導電材料可以包括金屬材料(例如金、銀、鉬、銅)、碳(石墨、多晶或納米晶體的碳)、鋁、其他已知的導電材料、它們的合金，和/或傳導性聚合物材料(例如氧化銦錫、聚吡咯(PPY)或其他傳導性聚合物)。在一個實施例中，每個傳導性薄膜電極2可以包括一層適當的導電材料，該導電材料以厚度約50納米(nm)至500納米的薄膜或涂層涂覆(apply) 在非水合離子聚合物基體1的表面的至少一部分上。在一個特定實施例中，傳導性薄膜電極2可以包括厚度約75納米至150納米的金(Au)膜，應用在非水合離子聚合物基體1的表面的至少一部分上。在又一個實施例中，傳導性薄膜電極2可以包括厚度約100納米至 125納米的金和/或鉻膜，涂覆在非水合離子聚合物基體1的表面上。在又一個實施例中， 傳導性薄膜電極2可以包括適當厚度的導電材料的薄膜或涂層，該薄膜或涂層涂覆在非水合離子聚合物基體1的表面的至少一部分上。傳導性薄膜電極2可以任何適當的裝置或方法涂覆在非水合離子聚合物基體1的表面，以將傳導性薄膜電極2附著、粘貼或適當的方式連接到非水合離子聚合物基體1的兩個主表面的至少一部分上，以形成IPMC電容器結構10。在一個實施例中，傳導性薄膜電極2 可以通過由一個或多個理想導電材料的源濺射到非水合離子聚合物基體1的表面，例如通過物理濺射、電子濺射、勢能濺射、化學濺射、射頻(RF)濺射、直流濺射或其他濺射技術。在一個特定實施例中，傳導性薄膜電極2可以通過RF濺射形成并涂覆到非水合離子聚合物基體1的表面，例如通過冠型RF濺射涂覆厚度約100納米的金膜到基體1的每一側。在另一個實施例中，RF濺射可以涂覆兩種或多種傳導性材料到非水合離子聚合物基體1的表面， 例如涂覆金和鉻的組合，以形成傳導性薄膜電極2。在又一實施例中，傳導性薄膜電極2可以獨立成型，然后貼到非水合離子聚合物基體1的表面，例如通過粘貼，以形成IPMC電容器 10。在又一個實施例中，一種或多種適當的傳導性材料可以通過化學沉積、氣相沉積、 電化學沉積(例如電鍍)或者它們的組合涂覆到非水合離子聚合物基體1的表面的至少一部分，以形成傳導性薄膜電極2。在本發明的一些實施例中，非水合離子聚合物基體1的一個或多個表面可以在沉積或涂覆傳導性薄膜電極2之前處理，以改進傳導性薄膜電極2和基體1之間的粘貼、貼附和/或界面。在一個這樣的實施例中，非水合離子聚合物基體1的表面的至少一部分可以在涂覆傳導性薄膜電極2之前糙化，例如通過摩擦性或其他適當的糙化裝置(例如紗布或其他的摩擦介質)進行表面物理糙化。在其他實施例中，可以通過其他方式在涂覆傳導性薄膜電極2之前對非水合離子聚合物基體1的一個或多個表面的至少一部分糙化，例如化學、離子或等離子體摩擦、轟擊或燒蝕方法。在本發明的一個實施例中，傳導性薄膜電極2(例如約100納米厚的金電極2)可以涂覆在非水合離子聚合物基體1的單個薄片或薄膜兩側的至少一部分，例如通過RF濺射，以形成根據本發明的單層非水合離子聚合物金屬復合電容器結構。單個薄片的IPMC電容器10隨后可以切成多個任何適當大小的單獨條和/或塊，以提供定制的單獨IPMC電容器部件。由于IPMC電容器10中的非水合離子聚合物基體1和傳導性薄膜電極2的基本上均勻的結構和分布，已經發現，對于給定規格的基體1和電極2，電容器10的單位電容隨著 IPMC電容器的表面面積基本上線性變化。因此，這種單獨定制的IPMC電容器10可以由制成單片的大的IPMC電容器結構切成，以形成具有理想尺寸和相應定制電容儲電能力的單獨定制IPMC電容器10，該單獨定制IPMC電容器10是特定應用所期望的。在一個實施例中，可以使用刀或其他帶邊緣的切割裝置、切割光束裝置(例如激光和/或離子束)或任何其他適當的切割裝置，將單層的非水合離子聚合物金屬復合電容器結構10切成任何適當的尺寸，以將單個的IPMC電容器10分成特定應用期望的一個或多個小的IPMC電容器。根據本發明的另一個可選實施例，提供一多室IPMC電容器，該電容器包括兩個或多個單獨的電極-基體-電極IPMC電容室，所述電容室彼此電連接。在一個這樣的實施例中，兩個或多個單層IPMC電容器(例如上面所述)堆積在彼此之上，之間有電絕緣層，其中每個單層IPMC電容器平行電連接到堆內的其他電容器，以形成帶有加和電容儲電能力的多室電容器。在另一個這樣的實施例中，多個單層IPMC電容器可以水平連接并平行連接， 以提供薄的多室電容器。在有一個這樣的實施例中，多個單獨層的IPMC電容器可以物理連接并且電學上并聯或串連以提供多室電容器，這在例如需要增大的電容儲電能力和/或電容儲存冗余時是理想的。現在參考圖2，示出了根據本發明的另一個實施例的示例性離子聚合物金屬復合電容器20的剖視圖。與上述參考圖1類似，IPMC電容器20包括一薄的單層非水合離子聚合物基體11和傳導性薄膜電極12，所述基體11形成IPMC電容器的主干或核心，所述電極 12涂覆在所述單層非水合離子聚合物基體11的兩側的至少一部分上。IPMC電容器20還包括一位于所述非水合離子聚合物基體11和主傳導性薄膜電極12之間的次傳導性薄膜電極13，其在涂覆電極層12之前涂覆在基體11上。另外，IPMC電容器20還包括連接到主傳導性薄膜電極12的電連接或導線19。在一個實施例中，傳導性薄膜電極層13可以用于提高主傳導性薄膜電極層12對 IPMC電容器的非水合離子聚合物基體1的粘貼或附著。在另一個實施例中，次傳導性電極層12可以用于提高其他理想的特征，例如提高IPMC電容器20的物理、傳導、電容和或其他理想的特征。在又一個實施例中，傳導性薄膜電極可以包括依次涂覆在非水合離子聚合物基體11上的兩層或多層傳導性材料，其中每一層可以是同樣的傳導性材料或者不同層傳導性材料不同。在又一個實施例中，兩層或多層傳導性材料可以分別沉積或沉降并隨后應用在基體11上以形成傳導性薄膜電極層，例如IPMC電容器20的層12和13。在一個特定實施例中，非水合離子聚合物基體1可以包括約127微米厚的Nafion N-115材料，次傳導性薄膜電極層13可以包括涂覆在基體1表面上的厚度約5納米的鉻膜， 主傳導性薄膜電極層12可以包括涂覆在鉻膜13上的厚度約100納米的金膜。在一個這樣的實施例中，可以通過電暈RF濺射涂覆鉻膜13到非水合離子聚合物基體1，通過RF濺射涂覆金膜12到鉻膜13，以形成IPMC電容器20。在一個替代實施例中，其他適當的傳導性材料也可以形成傳導性薄膜電極層，可以通過任何適當的涂覆、沉積方法涂覆，例如如上參考圖1所描述。在又一個實施例中，在涂覆鉻的次傳導性薄膜電極層13之前可以處理非水合離子聚合物基體1的至少一個表面的至少一部分，以提高對基體1的黏附性，例如通過使用摩擦媒介(例如砂紙)來物理糙化基體1的表面。在一個實施例中，電連接或導線19可以包括線或其他適當的裝置，以提供電連接到IPMC電容器20的主傳導性薄膜電極12。在一個特定實施例中，電連接19包括常用的電線，該電線包括至少一種電導體，例如銅、鎳、鋁或其他適當的導體元件以提供電連接。在一個這樣的實施例中，電連接19可以理想地用于連接電流的源和/或匯聚點到IPMC電容器 20，以允許在電回路內連接IPMC電容器20并對電容器20充電和/或放電。在一個實施例中，電連接19可以通過適當的連接方式附到傳導性薄膜電極12，例如粘附劑、焊料、鍵合劑和化學和/或物理焊接。在傳導性薄膜電極12包括薄的濺射的含金屬的薄膜的特定實施例中，電連接19可以通過導電性粘合劑(例如含銀環氧樹脂)連接到電極12，以提供電極 12和電連接19之間的牢固附著和電連接。參考圖3，示出了根據本發明的一個實施例的離子聚合物金屬復合電容器30的電子掃描電鏡(SEM)下的立體圖。在圖3所示的實施例中，IPMC電容器30包括一薄的單層非水合離子聚合物基體21，該基體包括標稱厚度127微米的非水合Nafion N-115PFSA/PTFE 共聚物。隨后通過人工使用砂布來輕微糙化表面來處理N-115非水合離子聚合物基體的表面。在表面處理之后，通過電暈RF濺射涂覆傳導性薄膜電極22到非水合離子聚合物基體 21的兩側。在圖3所示的實施例中，傳導性薄膜電極22包括第一層厚度約5納米的金屬鉻，所述金屬鉻直接濺射在基體1的糙化的表面，和隨后的第二層約100納米的金屬金，所述金屬金濺射在鉻層表面上，以形成完整的傳導性薄膜電極22。在圖3所示的實施例中，非水合離子聚合物基體21是用刀刃切割較大的一片 Nafion N-115材料，以制備要涂覆傳導性薄膜電極的約2厘米乘5厘米的標稱(nominal) 基體21。在通過電暈RF濺射涂覆鉻和金傳導性薄膜電極22形成IPMC電容器30后，通過傳導性含銀環氧粘合劑將導線附著到傳導性聚合物電極22，以允許連接IPMC電容器到電回路來進行電容測試。連接IPMC電容器30到電源和伏特計測試顯示，在0. 5毫安輸入電流下，IPMC電容器30幾秒內很快儲電到1. 2V(伏)。在充電60秒后的放電測試中，IPMC 電容器30在約4-6分鐘很快放電至0. 5V，隨后電壓水平穩定維持在約0. 3-0. 4V直至放電測試在200分鐘后結束。因此，上述描述的根據本發明的一個實施例的、圖3所示的示例性 IPMC電容器30表現出理想的電容性能，包括快速的放電行為。另外，根據本發明的實施例的IPMC電容器30對充電的極性不敏感，可以不考慮極性來充電和放電，這不像許多其他類型的極性敏感電容器(例如常見的電解質電容器)。參考圖4，示出了根據本發明的一個實施例的離子聚合物金屬復合電容器40的邊緣的電子掃描電鏡(SEM)下的立體圖。類似于上面參考圖3描述的實施例，在圖4所示的實施例中，IPMC電容器40包括一薄的單層非水合離子聚合物基體31，該基體包括標稱厚度 127微米的非水合Nafion N-115PFSA/PTFE共聚物。在通過電暈RF濺射涂覆傳導性薄膜電極32到非水合離子聚合物基體31的兩側之前，通過使用砂布來輕微糙化N-115非水合離子聚合物基體的表面。在圖4所示的實施例中，IPMC電容器40包括薄的電雙層34，其位于非水合離子聚合物基體31和傳導性薄膜電極32之間。這樣的介電層或間隙34在IPMC 電容器40的兩側將非水合離子聚合物基體31和傳導性薄膜電極32分開(圖4中僅示出
9了一側)。在一個實施例中，離子聚合物基體31和電極32之間的介電層34厚度約5納米至 50納米。在圖4所示的特定實施例中，介電層34厚度約5納米至10納米。在一些實施例中，IPMC電容器40中的介電層34的厚度可以由涂覆傳導性薄膜電極32之前的非水合離子聚合物基體31的表面特性來確定。特別地，要涂覆傳導性薄膜電極32的非水合離子聚合物基體31的表面的相對光潔度或粗糙度可以決定基體31和電極32之間是否有介電層 34和/或介電層34的厚度，即較光潔的基體31的表面會導致較薄的介電層34或者甚至沒有介電層34，較粗糙的基體31的表面會導致較厚的介電層或間隔34。在另一個實施例中，用于向非水合離子聚合物基體31涂覆傳導性薄膜電極32的涂覆或沉積技術也可以變化，以影響基體31和電極32之間的介電層34的相對厚度。在一些實施例中，介電層或間隔34可以理想地起作用以提供在IPMC電容器40結構內的雙介電層。圖4所示的示例性IPMC電容器40可以如上面所述制造，隨后用刀刃切成不同尺寸的數個單獨的IPMC電容器，包括表面積約lcm2、2cm2和5cm2的IPMC電容器樣品。類似于上面參考圖3所示的實施例所描述，通過含銀的環氧樹脂32將電導線固定到所制得的IPMC 電容器樣品的傳導性薄膜電極32，以允許電容測試的電連接。隨后測試IPMC電容器樣品的電容儲存能力，其用來計算表面積lcm2、2cm2和5cm2的IPMC電容器樣品的單位電容值。已經確定，IPMC電容器樣品的電容存儲能力相對樣品的表面積基本上線性變化，不同大小和形狀的樣品呈現基本上恒定的相對電容約0. 98mF/cm2 (微法拉第每平方厘米)。另外，考慮到離子聚合物的特定質量，鉻和金材料用于構成圖4所示的示例性IPMC電容器，發現質量特定電容通常約40至300mF/g(微法拉第每克)。因此，根據本發明的實施例的IPMC電容器可以理想地制成任何期望的標準形狀和/或尺寸，例如相對大的標準片，然后切成任何期望的形狀和尺寸，切制成的IPMC電容器的電容僅取決于電容器的表面積，這在許多應用中是理想的，在所述應用中IPMC電容器可以模制和/或切成以匹配疑難應用的幾何形狀。參考圖5，示出了根據本發明的又一個實施例的并入納米陣列的離子聚合物金屬復合電容器50的電子掃描電鏡(SEM)下的立體圖。在一個實施例中，IPMC電容器50包括單層的非水合離子聚合物基體核心(圖5中未示出)和涂覆在基體每一側的傳導性薄膜電極42，該電容器還包括成型在至少一個傳導性薄膜電極42的至少一部分上的一個或多個納米陣列。通過理想地在IMPC電容器50的傳導性薄膜電極42的表面上提供額外的納米級靜電儲電元件，所述納米陣列可以理想地增大IPMC電容器50的電容存儲能力。在一個特定實施例中，一個或多個納米陣列成型在傳導性薄膜電極42的至少一部分上，其中所述納米陣列理想地包括納米級孔的圖案以形成示例性的納米孔陣列46，或者可以包括納米級的狹縫或小槽以形成示例性的納米槽陣列47。在一個實施例中，每個納米陣列中的納米孔和/或納米槽可以規則地和/或幾何地朝向，例如在格柵圖案，如圖4所示的示例的納米孔陣列46和納米槽陣列47。在一個替代實施例中，納米陣列可以包括隨機的納米特征(例如孔和/或槽)而不帶任何規則或幾何朝向。在一個實施例中，納米陣列46和47可以包括多個單獨的納米孔和或納米槽特征， 這些特征的尺寸范圍從約50納米到500納米。在一個特定實施例中，納米陣列46和47可以例如包括多個直徑約200納米的納米孔。和/或200納米寬的納米槽。這些納米陣列可以以基本上幾何設置在傳導性薄膜電極42上朝向(如圖5所示)，或者基本上無規地設置在IPMC電容器50的至少一個電極42的至少一部分上。在本發明的一個實施例中，納米陣列46和47可以包括多個單獨的納米孔和或納米槽特征，這些特征通過納米蓋印平板印刷技術或聚焦離子束(FIB)銑削成型在傳導性薄膜電極42上，FIB銑削例如是使用聚焦鎵離子束的鎵離子束FIB銑削。在一個特定實施例中，可以控制鎵FIB來銑削納米孔、納米槽和/或其他納米特征，使得FIB穿透的深度限于傳導性薄膜電極42的厚度。因此，這樣的納米特征可以理想地包括在傳導性薄膜電極42 內，而不延伸到電極42和下層的IPMC電容器50的非水合離子聚合物基體之間的界面。在一個這樣的實施例中，納米陣列可以通過FIB銑削形成在傳導性薄膜電極42上，隨后應用電極42到IPMC電容器50的非水合離子聚合物基體。在一個替代實施例中，納米陣列可以成型在一層傳導性薄膜材料上，該薄膜材料可以沉積在非水合離子聚合物基體材料上，或者與之分別成型，這種包括納米陣列的傳導性薄膜隨后可以應用到離子聚合物基體以形成傳導性薄膜電極42。在又一個實施例中，納米陣列可以通過其他納米制造技術成型在傳導性薄膜電極42上，例如納米平板印刷技術和/或刻蝕，和/或電子束或電子束銑削技術。參考圖6，示出了根據本發明的又一個實施例的包括表面涂層的示例性離子聚合物金屬復合電容器的剖視圖。類似于上面參考圖1和圖2所描述，IPMC電容器60包括一單層的非水合離子聚合物基體51以形成電容器60的核心，還包括一傳導性薄膜電極52，該電極通過例如上述的濺射技術涂覆在離子聚合物基體51的兩側的至少一部分上以形成IPMC 電容器60的結構。IPMC電容器60還包括電連接或導線59，其通過例如上述的導電粘合劑固定在傳導性薄膜電極52上。IPMC電容器60還包括至少一保護涂層58，該涂層涂覆在傳導性薄膜電極52的至少一部分上。在適于高溫使用(例如溫度高至約300°C )的一個實施例中，保護涂層理想地提供耐潮濕保護，更理想地，提供密封保護給IPMC電容器60，以減少少量濕氣對非水合離子聚合物基體51的可能穿透或吸附。已經發現，在100°C下少量濕氣對聚合物基體51的可能滲透或吸附會負面影響IPMC電容器在溫度高于約100°C操作時的電容性能。特別地，已經發現，由于困在或者吸收在離子聚合物基體51的少量濕氣的汽化，隨著IPMC電容器的操作溫度接近100°C時，IPMC電容器的單位電容下降。圖7示出了根據本發明的一個實施例的示例性離子聚合物金屬復合電容器的單位電容對操作溫度圖，示出了上述的由于出現在電容器60的離子聚合物基體51的濕氣，隨著溫度接近和超過100°C時，在約80°C _85°C處電容開始有可以看到的下降。因此，已經確定在100°C下減少任何量的濕氣滲透和/或吸附均能有益地減小IPMC電容器60在100°C以上的高溫工作時隨操作溫度的升高單位電容減小的程度。因此，防潮濕涂層58可以理想地涂覆在電容器60的傳導性薄膜電極52上，以提供防止濕氣滲透進入電容器60的屏障，尤其是進入非水合離子聚合物材料51。在一特定實施例中，防潮濕涂層58可以理想地涂覆在IPMC電容器60的整個外表面，包括電極52和離子聚合物51材料的邊緣，以提供繞整個電容器60的抗潮濕包覆。在一優選實施例中，在加熱到100°C以上時或者處于干燥環境時，將防潮濕涂層58涂覆在電極52上和電容器60的任何其他外表面，以避免將微量的濕氣封進電容器60內部。在一個實施例中，防潮濕涂層58涂覆理想地是耐熱的，以在極端高溫操作環境下(例如溫度高于200°C)提供對IPMC電容器60的耐熱保護。因此，根據本發明的一個實施例，提供耐熱IPMC電容器60，其在100°C以上的高溫，尤其在200至300°C范圍內的極端溫度，能提供例如0. 1-lOmF/cm2和約40_300mF/g的有效電容儲存。在一個實施例中，防潮濕和也耐熱的涂層58可以包括任何適當的防潮、耐熱涂層材料，例如但不限于硅-鋁熱涂料。根據本發明的一個實施例，提供制備或制造離子聚合物復合電容器的方法。在一個實施例中，該方法可以容易地實施為生產基本上任何理想尺寸或形狀的薄帶或薄片。根據一個實施例，提供單層的非水合離子聚合物基體作為IPMC電容器的核心或主干。如上面參考圖1所描述，單層的非水合離子聚合物材料包括任何適當的非水合離子聚合物材料， 例如PFSA/PTFE共聚物、聚乙烯和/或聚酰胺的離子聚合物。在一個特定實施例中，單層的非水合Nafion N-115離子聚合物薄片可以作為適當的基體。在一個可選實施例中，在涂覆電極之前，可以處理單層非水合離子聚合物基體，例如糙化基體的一個或多個表面。在一個這樣的實施例中，使用摩擦媒介(例如砂布)的物理摩擦來糙化基體的表面。在第二步，涂覆傳導性薄膜電極到單層非水合離子聚合物基體的兩個主表面或側部的至少一部分。傳導性薄膜電極可以包括任何適當的導電材料，包括金屬性材料例如金、 銀、鉬、銅、碳(例如石墨、多晶或納晶碳)、鋁等及其合金，和/或傳導性聚合物材料，例如氧化銦錫、聚吡咯(PPy)或其他傳導性聚合物。在一個實施例中，涂覆在非水合離子聚合物基體表面的傳導性薄膜電極為厚度約為50-500nm的薄膜或層。在一個特定實施例中，傳導性薄膜電極可以包括直接涂覆在非水合離子聚合物基體上的厚度約5nm的鉻(Cr)膜和涂覆在鉻膜上的厚度約75-150nm的金(Au)膜。在另一個實施例中，傳導性薄膜電極可以包括涂覆在非水合離子聚合物基體表面的一個或多個薄膜或層的任何適當厚度的任何適當的導電材料。可以通過任何適當或合適的方式或方法，將傳導性薄膜電極應用(apply)在非水合離子聚合物基體的主表面的至少一部分，以貼附、粘貼或其他適當的連接方式將傳導性薄膜電極連接到非水合離子聚合物的表面。在一個實施例中，傳導性薄膜電極通過從一個或多個理想的導電材料的源濺射到基體上來形成在或涂覆在非水合離子聚合物基體的表面，例如物理濺射、電子濺射、電勢濺射、化學濺射、射頻(RF)濺射或直流(DC)濺射或其他濺射技術。在一個特定實施例中，傳導性薄膜電極通過RF濺射來形成在或涂覆在非水合離子聚合物基體的表面，例如如上所述使用RF濺射設備涂覆傳導性的鉻膜和金膜到基體的每一側。在一個實施例中，可以使用其他形式的物理汽相沉積，例如電子束沉積和熱沉積。在一個可選實施例中，制造IPMC電容器的方法還包括連接電連接或導線到每一個傳導性薄膜電極的步驟，以提供IPMC電容器到電回路的連接。在一個實施例中，電連接或導線可以包括電線或其他適當的裝置，以提供到傳導性薄膜電極的電連接。所述電連接或導線可以通過適當的連接方式或方法連接到傳導性薄膜電極，例如通過粘合劑、焊料、鍵合劑和化學和/或物理焊接。在一個特定實施例中，在傳導性薄膜電極包括薄的濺射的金屬膜(例如金和/或鉻膜)的情形，電連接可以使用導電粘合劑(例如含銀環氧樹脂)連接到電極，以提供電極和電連接器之間的牢固電連接。在另一個實施例中，在一個或多個傳導性薄膜電極層上的電連接可以有一定格式，以允許IPMC電容器的電連接的標準連接，例如線連接或焊接。在又一個實施例中，制造IPMC電容器的方法還包括加熱固化IPMC電容器的步驟。在一個這樣的實施例中，加熱固化步驟包括加熱IPMC電容器到至少100°C，優選到至少120°C，保持足以蒸發IPMC電容器內的至少一顯著量的濕氣的一段時間，尤其是吸附在非水合離子聚合物內的濕氣。在一個這樣的實施例中，IPMC電容器到約120°C保持約10分鐘，該時間足以蒸發這種濕氣的大部分。在又一個實施例中，制造IPMC電容器的方法還包括在上述加熱固化IPMC電容器的步驟后的用至少一保護涂層涂覆IPMC電容器的額外步驟。在一個這樣的實施例中，電容器的傳導性薄膜電極的至少一部分，優選電容器的整個外表面包括電極和非水合離子聚合物基體的任一側，涂有至少一保護涂層。在一個實施例中，保護涂層可以包括防潮濕涂層， 該防潮濕涂層適于減小IPMC電容器對濕氣的任何滲透和/或吸附，尤其是電容器的非水合離子聚合物基體對對濕氣的任何滲透和/或吸附。在一個優選實施例中，所述至少一保護涂層包括依次涂覆在IPMC電容器所有外表面上的防潮濕涂和耐熱涂層，以提供理想的防潮和耐熱保護涂層和密封，以減少或防止濕氣對IPMC電容器的任何滲透和/或吸附，如上所述，所述濕氣的任何滲透和/或吸附對IPMC電容器的高溫操作有害。所述的一個或多個保護涂層可以包括任何適當防潮濕、理想地也耐熱的涂料，例如基于硅-鋁的航天保護涂料。所述的一個或多個保護涂層可以用任何適當的裝置或方法涂覆到IPMC電容器以生成理想的防潮濕和/或耐熱涂層，例如浸涂、刷涂和/或噴涂方法。在又一個實施例中，在涂覆傳導性表面電極到單層非水合離子聚合物基體之前， 離子聚合物基體可以進行離子交換，以交換離子聚合物材料中的至少一部分H+離子。在一個這樣的實施例中，在涂覆傳導性表面電極到非水合離子聚合物基體之前，非水合離子聚合物基體可以用至少一單價陽離子進行離子交換，單價陽離子例如是鋰、銣、鉀或鈉。這種制造前的離子交換對于調整非水合離子聚合物基體的電容負荷移動和濃度性質是理想的。在此描述的示例性實施例并不意在窮舉或限制本發明的范圍為公開的精確形式。 它們是選來描述和解釋本發明的原理、應用和實際使用，以允許本領域技術人員理解其教導。基于前面的公開，本領域技術人員在實施本發明時可以進行改變或修改而不背離本發明的主旨或范圍。因此，本發明的范圍由所附的權利要求書定義的內容形成。
權利要求
1.一種離子聚合物金屬復合電容器，其包括一薄的單層非水合離子聚合物基體，所述基體包括第一和第二基本上平行的主表面；第一和第二傳導性薄膜電極，該電極分別涂覆在所述薄的單層非水合離子聚合物基體的所述第一和第二主表面的至少一部分上，其中每個傳導性薄膜電極包括至少一導電材料。
2.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，還包括第一和第二電連接，所述電連接分別傳導性連接到所述第一和第二傳導性薄膜電極。
3.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述非水合離子聚合物基體選自下組基于氟聚合物的離子聚合物材料、基于聚乙烯的離子聚合物材料、基于聚酰胺的離子聚合物材料和基于全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物離子聚合物材料。
4.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述非水合離子聚合物基體包括厚度約20微米到400微米的薄片。
5.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述非水合離子聚合物基體包括厚度約100微米到200微米的全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物薄片。
6.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述至少一導電材料選自下組金、銀、鉬、銅、碳、鋁、傳導性聚合物材料、氧化銦錫和它們的組合。
7.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，每一所述傳導性薄膜電極包括至少一約50nm至500nm厚的導電膜。
8.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，每一所述傳導性薄膜電極包括涂覆在所述非水和離子聚合物基體的所述表面的至少一部分上的厚度約5nm 的第一鉻膜和涂覆在所述第一膜上的厚度約IOOnm的第二金膜。
9.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，還包括第一介電層和第二介電層，所述第一介電層位于所述離子聚合物基體的所述第一表面和所述第一傳導性薄膜電極之間，所述第二介電層位于所述離子聚合物基體的所述第二表面和所述第二傳導性薄膜電極之間。
10.如權利要求9所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述第一和第二介電層包括厚度約5nm到50nm的空氣間隔。
11.如權利要求1所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述第一和第二傳導性薄膜電極的至少一部分還包括一個或多個納米陣列，每一納米陣列包括一納米特征的圖案，所述納米特征成型在所述傳導性薄膜電極上。
12.如權利要求11所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述納米特征包括以下的一個或多個直徑約5nm至500nm的納米孔；寬度約50nm至500nm的納米槽；其中所述納米特征基本上延伸穿過至少一個所述傳導性薄膜電極的厚度。
13.如權利要求2所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，還包括至少一保護涂層，所述涂層涂覆在所述第一和第二傳導性薄膜電極中至少一個上。
14.如權利要求13所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述至少一保護涂層包括一防潮濕涂層，所述防潮濕涂層涂覆在所述第一和第二傳導性薄膜電極和所述離子聚合物基體的任何暴露邊緣上。
15.如權利要求13所述的離子聚合物金屬復合電容器，其特征在于，所述至少一保護涂層包括防潮濕和耐熱的硅/鋁保護涂料。
16.一種制造離子聚合物金屬復合電容器的方法，其包括提供一薄的單層非水合離子聚合物基體，該基體包括第一和第二基本上平的主表面； 分別涂覆第一和第二傳導性薄膜電極到所述第一和第二主表面的至少一部分上，所述第一和第二傳導性薄膜電極包括至少一導電材料；將至少一電連接固定至第一和第二傳導性薄膜電極中的每一個。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括在至少一所述傳導性薄膜電極上形成至少一納米陣列，所述至少一納米陣列包括直徑約5nm至500nm的納米孔和寬度約 50nm至500nm的納米槽中的至少一個。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在至少100°C固化所述離子聚合物金屬復合電容器，以移除所述非水合離子聚合物基體內的濕氣的至少一部分；用保護涂料涂覆所述離子聚合物金屬復合電容器的至少一部分，包括所述傳導性薄膜電極的至少一部分，以提供至少一保護涂層。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂覆步驟包括分別涂覆第一和第二傳導性薄膜電極到所述第一和第二表面的至少一部分，所述涂覆為濺射至少一導電材料到所述第一和第二表面的至少一部分。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述濺射步驟包括RF濺射包括約5nm厚的鉻的第一傳導性薄膜層和RF濺射包括約IOOnm厚的金的第二傳導性薄膜層到所述第一和第二表面的至少一部分。
全文摘要
本發明公開一種離子聚合物金屬復合(IPMC)電容器，其包括一薄的單層非水合離子聚合物基體，傳導性薄膜電極分別涂覆在所述薄的單層非水合離子聚合物基體每一側的至少一部分上。所述電容器適于提供薄的電容結構，該結構可以制成基本上任何尺寸和形狀，尤其適于低能電器、傳感器、微電子器件、MEM和高溫應用的短期儲電。還公開了一種制造IPMC電容器的方法，其包括提供一薄的單層非水合離子聚合物基體；分別涂覆傳導性薄膜電極到基體的兩側；將至少一電連接固定至所述電極。所公開的制造方法還可以包括熱固化所述電容器和對該電容器涂覆至少一防潮濕保護涂層的步驟。
文檔編號H01G4/33GK102460618SQ201080027153
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者克林頓·K.·蘭德洛克, 寶澤那·卡米斯卡 申請人:Idit技術集團