用于制造多層駐極體部件的方法與流程

本發明涉及一種用于制造多層駐極體部件的方法及一種駐極體結構。

背景技術：

如下材料被稱為駐極體：電荷可在內部或表面上存儲較長時間，使得在所述材料中構造在很大程度上持久的電場。“駐極體”的概念例如也被用于如下材料：所述材料在其表面上具有相反的電荷，如在被充電的聚合物膜的情況下那樣。用于駐極體充電(極化)的方法此外包括熱學過程、氣體放電及借助電子射束的照射。駐極體的技術應用是多方面的，例如用在麥克風、揚聲器中用作輻射檢測器及用在空氣過濾器中。然而駐極體的技術應用可能性在很大程度上與以下相關：在與應用相關的環境條件下在可接受的壽命上在多大程度上可保證足夠穩定的極化。

駐極體可根據材料來劃分。因此，駐極體可由有機材料制造，該有機材料具有差的至中等的電荷穩定性并且以有利的方式可構造為薄膜。由現有技術公知了多種可作為介電材料使用的聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯及聚對苯二甲酸乙二酯及尤其特氟龍變形產品(Teflon-Variaten)、例如聚四氟乙烯。然而駐極體的特性取決于所使用的聚合物的自然特性，其中，尤其這種駐極體的表面電勢在較高溫度時不是很穩定。尤其在較高溫度時載流子漂移穿過駐極體，其中，載流子由駐極體漂移到接通電極中并且被導出或被補償，由此載流子丟失。

此外公知了一種由無機材料構成的駐極體，所述無機材料表現出對熱放電過程的高穩定性并且可以應用于高溫，但對通過表面接觸或污染的放電具有高的敏感性。

然而始終對駐極體存在如下需求：在與應用相關的環境條件下、例如在較高溫度時及關注濕度的情況下在長時期上保證駐極體的駐極體特性、尤其電荷分離的穩定性。尤其在高溫時載流子可從駐極體漂移出來，其中，例如載流子穿過駐極體通過接通電極被導出或被補償，由此載流子丟失。尤其載流子主要存儲在表面上的駐極體在制造期間或在工作中的接觸時以及通過其表面受到導電的或帶相反電荷的材料、例如灰塵的污染陷入電荷損失的危險。

由US 7 706 554 B2公知了一種具有駐極體元件的用于小型化麥克風的駐極體電容器，該駐極體元件包括由二氧化硅構成的層，該層通過電鍍方法成為駐極體；該駐極體元件還包括由氮化硅構成的覆蓋該層的的保護層，以用于抵御濕度。在此，載流子在層結構表面以下束縛在硅氧化物與氮化硅之間的邊界面上，使得駐極體相對于例如空氣濕度及其它環境條件的影響的敏感性下降。

由DE 42 15 983 A1公知了一種駐極體結構，其中，電荷存儲層構造成不均勻的材料組合物。該電荷存儲層構造成具有至少三層的層序列，其中，中間層具有用于載流子的大的捕獲橫截面并且兩個外層起勢壘的作用。不同層的功能通過相應的材料來提供，例如Si₃N₄適用于中間層并且SiO₂適用于外層。

在駐極體材料中存儲下降狀態中的表面電荷和/或空間電荷，所述下降狀態也被稱為勢盆勢槽(Potentialmulden)或陷阱(Traps)，所述下降狀態處于導帶與價帶之間，其中，多層次的駐極體元件使用不同介電材料的導帶的差別。

對于駐極體在汽車領域中的應用要求在長時期上、跨越多年地并在強烈變化的條件下保持不變的表現，使得始終存在對適合的材料、結構及制造方法的需求。

技術實現要素：

根據本發明提出一種用于制造駐極體結構的方法及一種駐極體結構。該駐極體結構包括具有介電材料組合物的電荷存儲層，該電荷存儲層構造成介電材料的層序列，這些電荷存儲層在載流子熱穩定性方面不同。

多層結構中的駐極體結構尤其包括由無機駐極體材料、例如SiO₂構成的第一駐極體層，該第一駐極體層被施加在襯底的表面上或施加到電極的表面上。駐極體材料SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃的特征在于高溫時的高載流子穩定性，它們能夠以小厚度實現并且適合于簡單地固定在襯底表面上。此外可通過植入局部雜質借助外來原子改變駐極體材料。

適用于第一駐極體層的其他合適的駐極體材料是玻璃或陶瓷材料，在所述駐極體材料中，載流子在較高溫度時、尤其在大于100℃的溫度時才示出顯著的遷移率，因此使得玻璃或陶瓷材料的特征在于長時間的載流子穩定性。此外，除了無機材料外，有機材料——如特氟龍也適合于所提出的多層駐極體結構的第一駐極體層，特氟龍的特點是相應良好的載流子穩定性及溫度穩定性。合適的駐極體材料示出低的體導電性，起絕緣體的作用，構成勢壘，但對于載流子提供大的捕獲橫截面。

可通過物理的和/或化學的沉積過程將第一駐極體層的駐極體材料直接施加到電極表面上，或替代地，可通過合適的沉積過程將電極材料施加到駐極體材料上。物理的或化學的沉積過程例如是物理氣相沉積法(PVD)、化學氣相沉積法(CVD)、蒸發、熱噴射法及噴涂作為懸浮液(Suspension)或前體溶液存在的組合物以及印刷。

借助公知的方法，第一駐極體層的駐極體材料可制造成薄的膜片(Folie)或膜(Flim)，所述薄的膜片或膜以合適的方式與電極材料連接，例如粘接。為了避免電極材料與第一駐極體層的駐極體材料之間的邊界層上的電壓降以及為了改善連接或電接通，可借助導電材料——例如金屬來涂覆、例如蒸鍍電極的向著第一駐極體層的一側。

在下一方法步驟中，在第一駐極體層的與電極表面對置的一側上施加合適的駐極體材料的第二層，其中，該第二駐極體層的材料與已施加的第一駐極體層的駐極體材料不同。第二駐極體層的介電材料示出不同的駐極體特性、尤其低的導電性及相比于第一駐極體層的駐極體材料更低的載流子熱穩定性，所述載流子熱穩定性也被稱為電荷儲存性能。因此，適用于第二駐極體層的駐極體材料在較低溫度時就已經示出明顯的載流子遷移率，尤其顯著的體導電性。引入到第二駐極體層中的電荷——所述電荷可作為表面電荷或體電荷被施加或引入——尤其在溫度升高時基于駐極體材料的載流子遷移率及顯著的體導電性穿過第二駐極體層的體積直至漂移到相對于第一駐極體層的駐極體材料的邊界區域中。在該邊界區域中載流子基于低的載流子遷移率被捕獲在第一駐極體層中并且被局部化地存儲在該邊界區域中。因此第一駐極體層的駐極體材料構成勢壘。

多層駐極體結構中的第二駐極體層的合適的駐極體材料可為有機材料，例如在這方面所公知的聚合物，如氟聚合物。可加工成駐極體的、可被用作介電材料的聚合物已由現有技術公知，其中，不足夠穩定的電荷穩定性迄今被認為是不利于轉換成具有可接受的工作壽命的駐極體的。替代地也可使用具有相應的駐極體特性的無機駐極體材料，尤其同樣具有低電荷穩定性的那些無機駐極體材料。

可在相應合適的第二駐極體材料的情況下，例如在Teflon-AF(無定形氟聚物)的情況下借助壓印過程將第二駐極體層施加到第一駐極體層上。替代地，但也可使用公知的結構及連接技術，例如可借助與第一駐極體層的層壓、旋涂或粘接來施加第二層。

根據本發明現在給該駐極體結構充電。對于駐極體材料的靜電式充電公知了不同的物理機制，以便產生過剩電荷并且必要時將這些過剩電荷轉移到介電材料中。所述物理機制包括熱學過程，該熱學過程同時使熱量及電場起作用，但也包括氣體放電、借助電子射束照射或接觸起電。優選地借助電暈放電(Koronaentladung)進行充電。

在下一步驟中，使被充電的駐極體結構經受處理，其中，使所產生的載流子——這些載流子在很大程度上施加在表面上或引入在第二駐極體層的表面附近的體積區域中——侵入到第二駐極體層的體積中并且在其中被繼續轉移。在此，載流子漂移穿過第二駐極體層的體積并且被保持在第二駐極體層與第一駐極體層之間的邊界區域中。

在一種實施變型方案中，在該下一步驟中使被充電的多層駐極體結構經受熱處理。將該駐極體結構加熱到如下溫度上：在該溫度時引入在第二駐極體層的表面上或引入在表面附近的體積區域中的載流子基于其遷移率快速地侵入到第二駐極體材料中并且基于該材料的良好體導電性直至漂移到相對于第一駐極體層的駐極體材料的邊界區域中。因為在第一駐極體層中載流子的遷移率較低，所以載流子被保持在第一駐極體材料與第二駐極體材料之間的邊界區域中，使得通過接觸或表面污染的放電是不可能的。駐極體結構被加熱到的溫度處于如下范圍中：該溫度范圍基于這些駐極體材料的不同的載流子熱遷移率得到。優選地，對于合適的駐極體材料對，該溫度處于50℃至150℃的范圍中。

集中在第一與第二駐極體材料之間的邊界區域中的載流子在那里被保持或穩定地束縛，因為第一駐極體層的優選無機的駐極體材料具有高的載流子穩定性。載流子從邊界區域向著電極方向穿過第一駐極體層的體積的漂移基于該材料的低體導電性在更高溫度時、例如在SiO₂的情況下在200℃以上的溫度時才實現。

在用于第二駐極體層的駐極體材料的情況下——該駐極體材料的特征在于在室溫時載流子的穩定性已經是低的，也就是說在存在足夠高的載流子遷移率的情況下——可通過被充電的多層駐極體結構在室溫時進行的長期存放來代替熱處理。

本發明的優點

根據本發明提出的用于制造多層駐極體結構的解決方案一方面使用尤其無機駐極體材料的良好的載流子穩定性——也就是說低的載流子遷移率及低的體導電性而另一方面使用覆蓋第一駐極體層的第二駐極體層的駐極體材料的低的載流子穩定性。

構造成層結構的根據本發明的駐極體結構的特征總體來說在于高的載流子穩定性、良好的電荷穩定性，相對于濕度的不敏感性以及在接觸或污染時小的電荷損失。

根據本發明的駐極體結構將第一駐極體層的長期載流子穩定性與通過充當保護層的第二駐極體層得到的穩健性相結合。防御空氣濕度及污染的駐極體結構相對于放電過程表現穩定，尤其因為載流子的主要部分集中在兩個駐極體層的邊界區域中，并且因此受保護地集中在多層駐極體結構的表面的下面。

通過巧妙地選擇駐極體結構的材料可使特性適配于對駐極體提出的要求并且降低成本。因此不需要由以下方式來改善駐極體材料的載流子穩定性：即通過用確定的、可能成本較高的材料的涂覆來實現處于無機駐極體材料的表面上的載流子的溫度穩定的能級。相反地，根據本發明的方法巧妙地使用通過無機駐極體材料已給定的非常好的載流子穩定性并將所述載流子穩定性與其他有利的特性相組合。

根據本發明的方法基于成本有利的方法步驟，例如可通過絲網印刷(Siebdruck)、層壓及類似方法來施加兩個駐極體層。這與迄今使用的氣相涂覆法相比表明是顯著有利的。

根據本發明的方法的特征在于：可成本有利地借助公知的方法給多層結構進行表面充電，使所述多層結構經受有針對性的熱處理，其中，載流子基于其遷移率穿過第二駐極體層但不穿過第一駐極體層漂移到第一與第二駐極體層之間的邊界區域中并且在那里受保護地處于整個多層結構的表面之下。因此很大程度上不再有可運動的載流子處于駐極體結構的表面區域中，也就是說處于第二駐極體結構的表面上，這些可運動的載流子在接觸或污染的情況下可能流出。

附圖說明

根據本發明的主題的其他優點及實施方式通過附圖來說明并且在以下的描述中更詳細地加以解釋。

附圖示出：

圖1：以橫截面示出的具有多層結構的原理性的駐極體結構；

圖2：多層駐極體結構的充電；

圖3：在載流子充電和漂移后在充電及熱處理時的根據本發明的駐極體結構。

具體實施方式

由圖1的示圖得知駐極體結構10，該駐極體結構包括載體12。在載體12的表面上存在由導電材料——例如金屬、尤其鋁或導電粘接劑構成的電極14。在電極14的與載體12對置的一側上布置有由第一駐極體材料構成的駐極體層16。第一駐極體層16包括介電材料，該介電材料起絕緣體的作用并且優選地是一種無機材料。合適的材料是SiO₂或以下其他介電材料：這些其他介電材料具有良好的載流子存儲能力，也就是說高的溫度穩定性、低的體導電性及低的載流子遷移率第一駐極體層16的厚度為10至50μm，優選地為10至20μm。尤其要列舉無機材料，例如玻璃或陶瓷，或者也列舉具有非常好的載流子穩定性的有機材料，如PTFE(聚四氟乙烯)或Teflon-FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)。

在第一駐極體層16上存在第二駐極體層18，該第二駐極體層也由介電材料構成，但與第一駐極體層16的介電材料不同。第二駐極體層18的特征尤其在于相比于第一駐極體層16好的體導電性。第二駐極體層18優選由具有相比于第一駐極體層16低的載流子熱穩定性的有機材料——例如Teflon-AF(無定形氟聚物)構成。可成本有利地借助壓印工藝將第二駐極體層18施加到第一駐極體層16上，該第一駐極體層包括無機材料或替代地包括相應特性的有機材料。替代的結構或連接方法是層壓(Auflaminieren)、粘接、旋涂(Spin Coating)等。

圖2中示出駐極體結構10，在層結構形成后使該駐極體結構經受充電過程。在表面20上通過由現有技術公知的方法給駐極體結構10充電。尤其借助電暈放電使載流子22在表面20上——即第二駐極體層18的表面20上沉積。或在借助高能的電子射束給第二駐極體層18充電的情況下將載流子22引入到第二駐極體層18的表面附近的體積區域中。

在一種實施方式中，緊接著充電過程或在充電過程期間使駐極體結構10經受熱處理，其中，將駐極體結構10加熱到更高的溫度上。該溫度處于如下區域中：在該區域中第二駐極體層18的優選有機的材料表現出顯著的載流子遷移率，使得在表面20上放電的載流子22漂移到第二駐極體層的體積中，或這些載流子繼續穿過第二駐極體層18的體積漂移到第二駐極體層18與第一駐極體層16之間的邊界區域中，如圖3中所表明的那樣。同時這樣地選擇溫度，使得第一駐極體層16的材料不表現顯著的電荷遷移率。不期望的是：被充電的載流子22存在于邊界區域中的單個的清晰限界的前沿中，也就是說尤其直接地在第一駐極體層16與第二駐極體層18之間的的邊界面24上。相反地，載流子22將集中在或多或少較寬的邊界區域中并且一些、優選少量的載流子22已通過能量上有利的陷阱(Fangstellen，英文：Traps)捕獲并穩定地被束縛在第二駐極體層18的體積中。對于第二駐極體層18的優選有機的駐極體材料，合適的溫度處于50℃至150℃的范圍中。

因此，漂移到邊界區域中的載流子22處于駐極體結構10的表面20之下并且尤其被穩定地束縛在邊界面24上，因為第一駐極體層的尤其無機的材料在高溫時、尤其在>200℃的溫度時才具有顯著的載流子遷移率。因為載流子22集中在表面20之下，所以對于駐極體結構10得到相對于環境影響——例如濕度和/或污染的更高的不敏感性及相對于接觸的更高的不敏感性。

本發明不受限于這里所述的實施例及實施例中的突出方面上。而在通過權利要求書給出的范圍內可以有許多變型，這些變型在專業人員可處理的范圍內。