传感器和电子设备的制作方法

本技术涉及传感器和包括该传感器的电子设备。具体涉及将电能转换为机械能的传感器。

背景技术：

期望的是将电能转换为机械能的传感器(变换器)例如作为天线、移动设备、人工肌肉以及扬声器的致动器应用于多种领域。

非专利文献1描述了一种介电弹性致动器，该介电弹性致动器通过用两个柔性电极夹持弹性材料(其杨氏模量是100MPa或以下)而操作机电传感器。

非专利文献2描述了为了在介电弹性致动器中提高绝缘破坏耐力，通过仅仅使用小位移量的区域而降低电场强度、并且通过浸没到硅油等中减少无效部分。

专利文献1描述了将基于植物的炭黑用作导电填充物，该导电填充物混合在导电聚合物复合材料的母材的复合物中。而且，还描述了基于植物的炭黑具有中空结构，并且母材的聚合物处于该中空结构的内部中。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP 2010-53250A

非专利文献

非专利文献1:R.Pelrine,R.Kornbluh,Q.Pei and J.Joseph,SCIENCE 287,5454,(2000)

非专利文献2:T-G.La and G-K.Lau,Appl.Phys.Lett.102,192905(2013)

技术实现要素：

技术问题

本技术的目的是提供一种在施加高电压的时候具有高绝缘破坏耐力的传感器以及包括该传感器的电子设备。

技术方案

为了解决上述问题，第一技术提供了一种将电能转换为机械能的传感器，该传感器包括：介电层；设置在该介电层的一个表面上的第一电极；设置在该介电层的另一个表面上的第二电极。在该介电层由于施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电压而出现绝缘破坏之前，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个变成绝缘体。

第二技术提供了一种电子设备，其包括将电能转换为机械能的传感器。该传感器包括：介电层；设置在该介电层的一个表面上的第一电极；设置在该介电层的另一个表面上的第二电极。在该介电层由于施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电压而出现绝缘破坏之前，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个变成绝缘体。

本发明的技术效果

如上所述，本技术可以构成一种在施加高电压时具有高绝缘破坏耐力的传感器。

附图说明

图1是用于描述根据本发明的实施例的介电致动器的示例性配置的横截面视图。

图2是用于图示工作示例1的介电致动器中的理论电场强度和面积变换率之间的关系的图。

具体实施方式

本技术的实施例或以下列顺序进行描述。

1介电致动器的配置

2介电致动器的操作

3介电致动器的制造方法

4效果

5变型例

[1介电致动器的配置]

如图1所示，介电致动器包括介电层11、设置在介电层11的一个表面上的电极12a以及设置在介电层11的另一个表面上的电极12b。电极12a直接设置在介电层11的一个表面上，并且电极12b直接设置在介电层11的另一个表面上。需要注意，尽管未描述，在电极12a和介电层11之间可以设置连接层，在电极12b和介电层11之间可以设置连接层。这里，从概念上定义，连接层包括粘接层。电极12a、12b各自经由线路13a、13b电连接至电源14。该介电致动器是将电能转换为机械能的传感器的示例。

尽管图1图示的示例中的介电致动器具有平板状，介电致动器的形状不限于此，而可以是卷曲状等等。介电致动器对于包括预定波长带的光是透明的或者是不透明的。优选的是，根据介电致动器所应用的对象来选择介电致动器是透明的还是不透明的。这里，预定波长段例如是可见光的波长带，或者是红外光的波长带。可见光的波长带是350nm或以上以及850nm或以下的波长带，并且红外光的波长带是850nm或以上1mm或以下的波长带。

介电致动器是优选地用在人工肌肉、医疗设备、人口色素、天线、电子设备、声变换器(扬声器等等)、康复设备、机器人、机器人套件、微型设备、手移动校正模块、振动器等等中的设备。电子设备例如是个人电脑、移动设备、移动电话、平板电脑、显示设备、摄像设备、音频设备、游戏机等等，但是不限于此。

(介电层)

介电层11是可伸缩的。介电层11例如具有膜状，但是不特别限定于该形状。这里，从概念的定义来看，膜状包括片状和板状。介电层11例如包括作为绝缘可伸缩材料的绝缘弹性体。介电层11例如可包括作为绝缘可伸缩材料的胶体等等。如有必要，介电层11可包括添加剂。例如，交联剂、塑化剂、抗老化剂、表面活性剂、粘度调节剂、加强剂、着色剂等等中的一个或者多个可以用作添加剂。例如，硅树脂、丙烯酸树脂以及聚氨酯树脂中的一个或者多个可以用作绝缘弹性体。预应力可以施加在介电层11上。优选的是，介电层11的杨氏模量是100MPa或以下。优选的是，介电层11的介电常数等于或者大于2。

(电极)

电极12a、12b设置的方式是：电极12a、12b的主表面相互面对，并且介电层11设置于电极12a、12b的主表面之间。电极12a、12b是可伸缩的。于是，电极12a、12b可以随着介电层11的变形而变形。电极12a、12b各自可具有整体或者基本上整体上覆盖介电层11的两个表面的薄膜状，并且可以具有预定图案。预定图案例如是诸如条形、点状、栅格(矩阵)、同心圆以及螺旋状等的图案。电极12a、12b例如具有膜状或者薄膜状，但是不特别限定于这些形状。

电极12a、12b包括导电粒子以及粘接剂(如有必要)。优选的是，电极12a、12b包括粘接剂时，导电粒子分散到该粘接剂中。如有必要，电极12a、12b还可以进一步包括添加剂。优选的是，在表面上包括大量孔隙的多孔碳颗粒被用作导电粒子。多孔碳颗粒在表面上包括孔径(大小)优选为2nm或以上和100nm或以下，更优选为2nm或以上和50nm或以下，再优选为4nm或以上和20nm或以下的中孔。除了中孔以外，多孔碳颗粒在表面上还包括孔径优选为小于2nm，更优选地为0.5nm或以上和小于2nm的微孔。优选的是，包括微孔和中孔的多孔碳颗粒包括孔径为0.5nm或以上和小于2nm的微孔以及孔径为4nm或以上和20nm或以下的中孔。

在表面上具有或以上孔径的孔隙的多孔碳颗粒例如是生物炭。优选的是，生物炭是由源于植物的材料的原材料制成，其中，硅的含量是5wt％或以上，并且通过氮BET方法的比表面积的值是10m²/g或以上，并且包括含量为1wt％或以下的硅，并且通过BJH方法和MP方法孔体积为0.1cm³/g或以上(参考JP2008-273816A)。

中孔的孔径例如可以基于BJH方法从相对于孔径的孔体积变化率计算为孔隙的分布。BJH方法是广泛用作孔径分布分析方法的方法。当基于BJH方法进行孔径分布分析时，首先，通过吸收氮作为吸附分子，并且从多孔碳颗粒解析氮，计算出解析等温线。然后，基于算出的解析等温线，从孔隙被填充有吸附分子(例如氮)的状态开始以逐步方式吸收并且解析吸附分子时，求出吸附层的厚度，并且算出随后产生的孔洞的内径(核半径的两倍)，然后基于公式(1)算出孔隙半径r_p，并且基于公式(2)算出孔体积。然后，通过从孔隙半径和孔隙体积画出相对于孔径(2rp)的孔隙体积变化率(dV_p/dr_p)，获得孔径分布曲线(参见the manual of BELSORP-mini and BELSORP analysis software produced by BEL Japan Inc.,pp.85-88)。

r_p＝t+r_k (1)

V_pn＝R_n·dV_n-R_n·dt_n·c·ΣA_pj (2)

其中

R_n＝r_pn²/(r_kn-1+dt_n)² (3)

这里，

r_p是孔隙半径；

r_k是当厚度为t的吸附层在压力下被吸附在孔隙半径为r_p的孔隙的内壁上时的核半径(内径/2)；

V_pn是当第n次氮吸收和解析发生时的孔隙体积；

dV_n是此时的变化量；

dt_n是当氮的第n次吸收和解析发生时的吸附层的厚度tn的变化量；

r_kn是此时的核半径；

c是固定值；并且

r_pn是当氮的第n次吸收和解析发生时的孔隙半径。而且，ΣA_pj表示了孔隙的壁表面的面积从j＝1到j＝n-1时的积分值。

微孔的孔径例如可以基于MP方法从相对于孔径的孔体积变化率计算为孔隙的分布。当通过MP方法进行孔径分布分析时，首先，通过将氮吸收到多孔碳颗粒上，计算吸收等温线。然后，将吸收等温线转换(t绘图)为相对于吸附层的厚度t的孔隙体积。然后，可以基于曲率(相对于吸附层的厚度t的变化量的孔隙体积的变化量)获得孔径分布曲线(参见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”中规定的非局部密度功能方法(NLDFT方法)中，BEL Japan Inc生产的与自动比表面积和孔径分布测量设备配合使用的软件“BELSORP-MAX”用作分析软件。作为前提条件，将炭黑(CB)假定为模型中的柱状，并且孔径分布参数的分布函数设定为“no-assumption”，并且对获得的分布数据进行十次平滑化。

多孔碳颗粒的平均颗粒直径优选为20μm或以下，更优选为1μm或以上20μm或以下。这里，平均颗粒直径计算如下。首先，通过使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄导电粒子的SEM图像。然后，从SEM图像任意地选出10个导电粒子，并且通过使用图像分析软件测量那些粒子的粒子直径。这里，粒子直径意味着粒子的最大伸缩长度(即最大粒子直径)。对十个SEM图像执行该步骤，并且简单地对获得的粒子直径进行平均(算术平均)从而计算出平均粒子直径。

优选的是，多孔碳颗粒的纵横比是10或以下。这里，纵横比计算如下。首先，通过使用SEM拍摄导电粒子的SEM图像。然后，使用图像分析软件从SEM图像中任意选出10个导电粒子，并且测量这些粒子在长轴方向(主方向)的直径以及在短轴方向(次方向)的直径。这里，在长轴方向的直径意味着粒子的最大伸缩长度(即最大粒子直径)，在短轴方向的直径意味着在垂直于主轴的方向上最长的部分的长度。为了简单地对在长轴方向上获得的直径和在短轴方向上的直径求平均(算术平均)，从而计算出在长轴方向上的平均直径以及在短轴方向上的平均直径，对十个SEM图像进行该步骤。接下来，计算出的在长轴方向上的平均直径(平均主直径)与在短轴方向上的平均直径(平均次直径)的比例计算为纵横比(即：(长轴方向上的平均直径/在短轴方向上的平均直径))。

例如，弹性体被用作粘接剂。例如，硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂等等中的一个或者多个可被用作弹性体。

[2介电致动器的操作]

下面，将要描述根据本技术的实施例的介电致动器的操作的示例。

(在施加额定电压时的操作)

当在电极12a、12b二者之间施加额定电压时，通过库仑力将吸引力作用于电极12a、12b上。从而，位于电极12a、12b之间的介电层11在厚度方向上被按压，从而变薄，并且在面内方向上伸缩。从而，介电致动器在介电层11的厚度方向上以及面内方向上提供驱动力。

(在施加过大电压时的操作)

在介电层11由于施加在电极12a、12b之间的电压而出现绝缘破坏之前，电极12a、12b变成绝缘体。具体地，当诸如尖峰电压的过高电压施加在电极12a、12b之间时，在介电层11的绝缘破坏之前，由于阻抗的急剧上升，电极12a、12b变成绝缘体。而且，当电极12a、12b之间的施加电压从过高电压返回至额定电压时，或者当电极12a、12b之间的过高电压停止施加时，电极12a、12b的阻抗降低，并且电极12a、12b从绝缘体返回至导体。

例如，当施加电压使得电极12a、12b之间的电场强度为100[MV/m]或以上时，电极12a、12b变成绝缘体。已经变成绝缘体的电极12a、12b的表面阻抗优选为1Mω/□或以上，更优选为10MΩ/□或以上，再优选为100MΩ/□或以上。

如上所述，在施加过高电压的时候，在介电层11出现绝缘破坏之前，电极由于阻抗急剧上升而变成绝缘体，这没有明显的原因，但是该原因可以猜测如下。可以猜测，当过高电压施加在电极12a、12b之间时，由于电极12a、12b的伸缩，电极12a、12b中包括的多孔碳颗粒之间的接触点和/或其中集合有多个多孔碳颗粒的颗粒组(例如聚集)之间的接触点在介电层11出现绝缘破坏之前急剧下降。而且，可以猜测，接触点的急剧下降是由于特定的多孔碳颗粒(生物炭)的结构。

[3介电致动器的制造方法]

下面，将要描述根据本技术的实施例的介电致动器的制造方法的示例。

首先，导电粒子被添加并且分散到溶剂中，并且从而制备用于形成电极的涂料的导电墨。如有必要，粘接剂和/或添加剂也可以添加到溶剂中。例如，有必要，为了改善针对介电层11的涂覆性以及组合物的适用期，可以添加诸如表面活性剂、粘度调节剂以及分散剂的添加剂。优选的是，搅拌、超声波分散、珠散、揉捏、均质处理等等可以用作分散方法。

可以使用分散导电粒子的任何溶剂，并且该溶剂不作具体限定。例如列出了水、乙醇、甲乙酮、异丙醇、丙酮、酮(环己酮、环戊酮)、烃(己烷)、酰胺(DMF)、硫化物(DMSO)、丁基溶纤剂、丁基三甘醇、丙二醇单甲醚、丙二醇单乙醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丙醚、乙二醇单异丙醚、二甘醇单丁醚、二甘醇单乙醚、二甘醇单甲醚、二甘醇二乙醚、二丙二醇单甲醚、三丙二醇单甲醚、丙二醇单丁醚、丙二醇异丙基醚、二丙二醇异丙基醚、三丙二醇异丙基醚、甲基二醇、萜品醇、丁基卡必醇乙酸酯等。

然后，通过使用如上制备的导电墨，在介电层11的一个表面上形成涂覆膜。涂覆膜的形成方法不作具体限定，并且考虑到物理属性、便利性、生产成本等等，湿膜形成方法是优选的。例如，诸如涂覆法、喷涂法以及打印法的众所周知的方法可以用作湿膜形成方法。涂覆法不限于此，并且可以使用众所周知的涂覆法。众所周知的涂覆法例如是微凹版涂覆法、线棒涂覆法、直接凹版涂覆法、模板涂覆法、浸渍法、喷涂法、反向辊涂覆法、帘涂覆法、逗号涂覆法、刀涂覆法、旋涂法等等。印刷法例如是凸版印刷法、胶版印刷法、凹版印刷法、凹印法、橡胶板印刷法、丝网印刷法、喷墨印刷法等等。

然后，通过干燥形成于介电层11的一个表面上的涂覆膜而使得溶剂蒸发。干燥条件不作具体限定，并且可以是自然干燥和通过加热干燥中的任何一种。从而，电极12a形成于介电层11的表面上。

然后，与形成于介电层11的一个表面上的电极12a的方式一样，电极12b形成于介电层11的另一个表面上。如上所述，获得目标介电致动器。

尽管，在介电致动器的制备方法的上述示例中，已经描述了一个示例，其中，电极12a形成于介电层11的一个表面上，然后，电极12b形成于介电层11的另一个表面上，介电致动器的制备方法不限于该示例。例如，通过使用导电墨在介电层11的两个表面上同时形成涂覆膜，并且然后通过同时地或者顺序地干燥那些涂覆膜而制备电极12a、12b。而且，可以提前将电极12a、12b制备为自支撑膜(诸如绿片)，并且经由粘接层将那些电极12a、12b分别粘接在介电层11的两个表面上。

[4效果]

根据本技术的实施例，当诸如尖峰电压的过高电压(例如几千伏)施加在电极12a、12b之间时，在介电层11出现绝缘破坏之前，电极12a、12b由于阻抗的急剧上升而变成绝缘体。而且，当电极12a、12b之间的施加电压从过高电压返回至额定电压时，或者当电极12a、12b之间的过高电压停止施加时，电极12a、12b的阻抗降低，从而电极12a、12b返回至导体。于是，甚至当诸如尖峰电压的过高电压施加在电极12a、12b之间时，防止了介电层11的绝缘破坏，并且可以防止介电致动器的故障和毁坏。而且，可以提高介电致动器的工作寿命。

[5变型例]

尽管在上述实施例中描述了一种配置示例，其中，当施加过高电压时，在介电层出现绝缘破坏之前，设置在介电层的两个表面上的两个电极由于阻抗的急剧上升而变成绝缘体，本技术不限于此。即，可以是这样的配置，其中，当施加过高电压时，在介电层出现绝缘破坏之前，设置在介电层的两个表面上的两个电极之一由于阻抗的急剧上升而变成绝缘体。

而且，尽管在上述实施例中已经描述了一个示例，其中的介电致动器具有单层结构，介电致动器可以具有交替重复地叠放电极和介电层的叠层结构。

[工作示例]

下面，结合工作示例具体地描述本技术，但是本技术不仅仅限于这些工作示例。

在本工作示例中，通过上述实施例中描述的方法计算生物炭的孔径、平均颗粒直径以及纵横比。

[工作示例1]

首先，制备出生物炭(BC)的粉末。所使用的生物炭由源于植物的材料的原材料制成，其中，硅的含量是5wt％或以上，并且包括孔径为2nm或以下的微孔以及孔径为2nm或以上50nm或以下的中孔，并且平均颗粒直径为20μm或以下，并且纵横比为10或以下。

然后，通过在作为介电弹性膜(介电层)的丙烯酸树脂膜的两个表面上涂覆制备好的生物炭粉末而形成电极。如上所述，获得目标介电弹性致动器。

[对比示例1]

除了代替生物炭的粉末而使用蒸汽生长碳纤维(VGCF)之外，可以以与工作示例1相同的方式获得介电弹性致动器。

[对比示例2]

除了代替生物炭的粉末而使用厨房黑(KB)之外，可以以与工作示例1相同的方式获得介电弹性致动器。

(评价)

针对上述获得的工作示例1和对比示例1、2的介电弹性致动器进行下面的评价。

(面积变化率)

测量介电弹性致动器的面积变化率相对于理论电场强度的变化。结果如图2所示。这里，理论电场强度意味着从施加于介电弹性致动器的电压(电源电压)计算出的电极之间的电场强度，并且与真实电极之间的电场强度(下面称之为“真实电场强度”)做出区分。

(表面阻抗)

通过四个探头方法来测量表面阻抗相对于介电弹性致动器的面积变化率的变化。

下面披露上述评价结果。

在工作示例1的介电弹性致动器中，在理论电场强度从0[Mv/m]到100[Mv/m]的范围内，面积变化率随着理论电场强度的增加而增加。另一方面，在理论电场强度从100[Mv/m]到300[Mv/m]的范围内，面积变化率相对于理论电场强度的增加而基本上保持恒定。而且，在工作示例1的介电弹性致动器中，电极的表面阻抗随着面积变化率的增加而增加，并且超出测量设备的测量范围(MΩ级)。

由于或以下原因考虑上述趋势。即，可以认为，在理论电场强度从100[Mv/m]到300[Mv/m]的范围内，生物炭制成的电极用作导体，于是真实电场强度上升，并且面积变化率随着理论电场强度的增加而增加。另一方面，在理论电场强度从100[Mv/m]到300[Mv/m]的范围内，生物炭制成的电极不用作导体，并且保持在理论电场强度到达100[Mv/m]之前累积的电荷。于是，即使理论电场强度增加，真实电场强度保持基本上恒定值，于是面积变化率也基本上保持恒定值。

和工作示例1的介电弹性致动器相比，在对比例1、2的介电弹性致动器中，不存在面积变化率相对于理论电场强度的增加基本上恒定的电场强度区域，并且面积变化率随着理论电场强度的增加而快速增加。而且，在对比例1、2的介电弹性致动器中，电极的表面阻抗相对于面积变化率的增加没有明显增加，并且保持电极的电导率。

认为上述趋势是由于以下原因。即，可以认为无论理论电场强度的范围如何，VGCF或者KB制成的电极用作导体，于是，真实电场强度随着理论电场强度的增加而持续上升，并且保持面积变化率的增加。

上面，已经具体地描述了本技术的实施例、示例性变型例以及工作示例，但是本技术不限于上述实施例、示例性变型例以及工作示例，但是基于本技术的技术构思可以进行各种变化。

例如，在上述实施例、示例性变化例以及工作示例中的配置、方法、步骤、形状、材料以及数值仅仅是示例，如有必要，可以使用不同的配置、方法、步骤、形状、材料、数值等等。

而且，在上述实施例、示例性变化例以及工作示例中的配置、方法、步骤、形状、材料以及数值可以相互组合，只要不偏离本技术的精神即可。

另外，本技术还可以配置如下：

(1)一种将电能转换为机械能的传感器，所述传感器包括：

介电层；

第一电极，其设置于所述介电层的一个表面上；

第二电极，其设置于所述介电层的另一个表面上，

其中，通过施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电压，在所述介电层出现绝缘破坏之前，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个变成绝缘体。

(2)根据(1)所述的传感器，其中

所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括多孔碳颗粒。

(3)根据(2)所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒在表面上包括各自具有2nm或以上、100nm或以下的孔径的孔隙。

(4)根据(3)所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒在所述表面上还包括各自具有0.5nm或以上、小于2nm的孔径的孔隙。

(5)根据(2)所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒包括各自具有0.5nm或以上、小于2nm的孔径的孔隙以及各自具有4nm或以上、20nm或以下的孔径的孔隙。

(6)根据(2)～(5)中的任一项所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒的平均颗粒直径为1μm或以上、20μm或以下。

(7)根据(2)～(6)中的任一项所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒的纵横比是10或以下。

(8)根据(2)～(7)中的任一项所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒由源于植物的材料的原材料制成，其中的硅含量是5质量％或以上。

(9)根据(2)～(8)中的任一项所述的传感器，其中

所述多孔碳颗粒是生物炭。

(10)根据(2)～(9)中的任一项所述的传感器，其中

所述第一电极和所述第二电极还包括粘接剂。

(11)根据(1)～(10)中的任一项所述的传感器，还包括：

第一粘接层，其设置于所述第一电极和所述介电层之间；以及

第二粘接层，其设置于所述第二电极和所述介电层之间。

(12)一种电子设备，其包括：

根据(1)～(11)中的任一项所述的传感器。

附图标记列表

11 介电层

12A、12b 电极

13A、13b 线路

14 电源。