多层复合物及其制造方法

专利名称：多层复合物及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种多层复合物及其制造方法，该多层复合物具有彼此交替 设置的导电层和介电材料层。该多层复合物能用于电能和机械能之间的转 换，并能由此用作传感器，驱动器，发电机，或变压器-在下文中，该四种 结构将被称作换能器。
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 造肌肉。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RJE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 其巻绕驱动器具有波紋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巻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t=R《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目的在于提供一介电结构，该介电结构有助 于相对于现有技术中的介电结构增加在电能和机械能之间转换的的比值。根据本发明的第一方面，上述和其他目的通过具有至少两个复合物的多 层复合物所实现，每个复合物包括膜，由介电材料制造并具有前表面和后 表面，该前表面包括凸出和凹陷的表面区域的表面图案，和第一导电层，被 沉积于该表面图案上，该导电层具有由膜表面图案形成的波紋状。由于该多层结构，相对于现有介电结构具有多种优势。多个复合物的叠 置提供了电能和机械能之间的增加的转换，这不仅仅由于每一层的效果的倍 增，同样也由于该多层结构自身使得该多层复合物比相应的具有相同的物理 尺寸的"单层设备"更具有刚性的事实。此外，该多层结构有助于在该结构 的更薄的部分施加电场，由此与相应的具有相同的物理尺寸的"单层设备" 的情形相比，电极间需要更小的电位差。波紋状电活性复合物的多层结构的发明也有助于建造相对于现有技术 的换能器功率更为强大的换能器。如具有无穷数量的层的高效电活性复合物 的叠置的发明产生用于非常大功率换能器的无限大的横截面面积的情形。上述复合物的堆叠同样提供了 一种在膜的两表面上设置导电层的简单和高效的方法，由于一膜的导电层相邻于一相邻复合物的一膜。在具有10 个复合物的多层复合物中，9个复合物都为电活性，即，它们在两个表面上具有导电层，由此，通过在导电层之间施加一电位差可使该多层复合物变形。 当该多层复合物用于换能器时，带具有低表面电阻的金属电极的多层复合物的发明也提供了低响应时间。该介电材料可为任意能够维持一电场而不导通电流的材料，如具有相对介电常数sr大于等于2的材料。该介电材料可为聚合物，如弹性体，如硅酮 弹性体，如弱粘性硅酮或通常就弹性变形而言具有类似弹性体特征的材料。 例如，Elastosil RT 625、 Elastosil RT 622、 Elastosil RT 601 ，三种均由Wacker -Chemie制造的产品，都能用作介电材料。在介电材料不为弹性体的情形下，必须注意该介电材料必须具有类似弹 性体的性能，如，在弹性方面。因此，该介电材料必须可变形到一定程度从 而能由于介电材料的变形使得该多层复合物能推和/或拉。该导电层可包括如银、金和镍的一种金属，或导电合金。该多层复合物能通过将该复合物层排列为一叠层来制成，且在叠层中的 每个相邻的导电层之间施加一电位差，使得各层向彼此偏置，而且各层同时 被展平。由于膜的物理或特征性能，上述方法可将各层结合在一起。作为替 代或附加地，各层可通过在各层之间设置的粘接剂而结合。优选地，该粘接 剂被选择成不损伤该多层结构的柔性。因此，对于膜和粘接剂优选地选择相 同的材料，或至少选择弹性模量小于膜的弹性模量的粘接剂。为在一明确定义的方向上能够延长复合物，即提供柔性，该导电层具有 一波紋形状，使得该导电层沿纵向的长度长于同样的复合物沿纵向的长度。 该导电层的波紋形状由此有利于复合物能够沿纵向拉伸而无需在该方向拉 伸导电层，可仅仅通过使导电层的波紋形状展平即可。根据本发明，该导电 层的波紋形状为膜的表面图案的复制品。由于该导电层被沉积于膜的表面图案上并通过其形状成形，由此可确定 导电层的波紋的非常精确的形状，且通过合理设计膜上的表面图案，可以提 供向一特定的方向的变形的更好的柔性。因此，当该复合物用于一换能器时， 该复合物能有助于增加的驱动力，或普遍而言机械能和电能之间增加的转换 率，增加的寿命和改善的反应时间。在现有技术的复合物中，该膜和电极的图案通过在该膜的表面上施加电 极应之前拉伸膜而提供。当膜的拉伸被释放后，电极皱褶，且由于电极被结 合于膜上，该膜的表面随电极皱褶。由于根据本发明的导电层的形状为膜表 面图案的复制品，所以可以设想这样复合物的形状不受导电层和膜之间的接 触和结合的影响。另外可以设想该形状实质上不受导电层和膜的弹性模数的 影响。另外该形状也不受导电层和膜的厚度的影响。这对于膜和导电层的材 料的选择上提供了更大的自由度，且由此当该复合物用于换能器时能改善复 合物的性能。为限制复合物在与柔顺方向不同的其他方向上的变形，该导电层的弹性 模量可以远高于膜的弹性模量。因此，该导电层抵抗延长，由此防止在导电 层的长度对应于复合物的长度的方向上的复合物的变形。多层复合物层中的复合物层应优选为相同的以确保当施加电场时贯穿 各层的多层复合物的均匀变形。另外，有利的是提供每层的波紋图案，以致 于使得一层的波峰相邻于相邻层的波峰或一层的波峰相邻于相邻层的波谷。有利的是设置各层使得后表面彼此相向。以该方法，该多层复合物对于膜上的缺陷变得更不易受损伤。如果一层的膜具有使得在其相对表面上的电 极短路的缺陷，则将非常不可能其后表面抵靠上述膜设置的层在相同位置也 具有缺陷。换句话说，两个膜的至少之一提供了该两导电层的电隔离。该多层结构通过另外的复合物扩展，由此该复合物成对地后对后(rear to rear) 和前对前(front to front)叠置。该结构中，彼此接触的两相邻膜减少了每个膜 中的缺陷的影响，和彼此接触的两相邻导电层减少了每个导电层中的缺陷的影响。作为替代，该复合物可被设置，使得一复合物的前表面面对相邻复合物 的后表面。多层复合物的 一特别的优点在于叠置的结构的特征能用于使得多层复 合物比单个复合物远为刚性，该多层复合物具有大量的复合物，足以实现使 得该多层复合物弯曲的横截面面积矩为每个单个复合物的面积转动惯量的 平均值的至少1.5 _ 3倍，如2倍。该复合物可用一材料膜来制成，例如具有粘接特征的聚合物材料。当该 复合物被堆叠时，膜的粘接特征可以由此将复合物稍微结合在一起，例如， 不强于有助于在不损伤每个复合物的情况下分层的程度。为增加多层复合物 的刚性，该复合物也能通过附加的粘接剂相互粘接接合。在一实施例中，它 们被接合到一程度使得在不破坏该复合物的情况下不可能分层。如使用了一 附加的粘接剂，该粘接剂可以具有类似于膜的弹性特征。该粘接剂可以例如 包括或组成为构成该膜的至少一主要部分的相同材料。尤其，该粘接剂具有 该复合物的膜的至多同一量级的硬度。复合物的表面图案和波紋状应优选地实质上相同，从而提供多层复合物 种每层的相同延展特征。即，对于横跨所述膜施加的电场使得每层扩展得相 同。但是，在某些情形，例如通过每个复合物的导电层的不同的波紋状，也 可期望建立各层不同的延展特征。该膜和导电层可以具有相对均匀的厚度，例如最大厚度小于膜平均厚度 的110%，且最小厚度为膜平均厚度的至少90%。相应地，该第一导电层可 以具有低于该第一导电层平均厚度的110%的最大厚度，和为该第一导电层 平均厚度的至少90%的最小厚度。在用绝对长度描述时，该导电层具有0.01 微米到0.1微米的范围得厚度，如在0.02微米到0.09微米范围，如0.05微 米到0.07微米范围。由此，该导电层优选地应用于非常薄层的膜。这有助于良好的性能，且有助于导电层能依照膜表面的波紋图案。该导电层可具有0.01微米到0.1微米范围的厚度，该膜可以具有10微米和200微米之间的厚度，如20微米和150微米之间，30微米和100微米 之间，40微米和80微米之间。本文中，该膜的厚度被定义为从膜的一表面 上的 一 点到位于膜的波紋表面上的波峰和波谷之间 一 半的 一 中间点的最短距离。该导电层每层具有低于104^cm的电阻率或具有低于10"Q'cm每复合 物的电阻率。通过提供具有的极低电阻率的导电层，即使使用了很长的导电层，该导 电层的整个电阻将不会过大。因此，当该复合物被用于一驱动器时，在机械 能和电能之间转换的响应时间能够维持在可接受的水平，同时允许复合物的 大表面面积，并由此获得大的驱动力。在现有技术中，不可能提供具有足够 低电阻的波紋状的导电层，主要因为需要充分考虑材料的其它属性来为现有 技术的导电层选择材料以提供柔性。通过本发明，因此可以由具有非常低电 阻率的材料提供柔顺的导电层，因为这允许在维持换能器的可接受的响应时 间时获得大的驱动力。该导电层可优选地由金属或导电合金制成，例如选自由银、金和镍组成 组的一种金属。可选地，也可以选择其它的合适金属和导电合金。因为金属 和导电合金通常具有非常低的电阻率，上述优点可通过由一金属或导电合金 制造导电层而被获得。该介电材料可以具有大于10"Q'cm的电阻率，或者具有大于101QQ'cm 每复合物的电阻率。优选地，该介电材料的电阻率远高于该导电层的电阻率，优选为至少为 1010-10'8倍高。该波紋图案可包括沿 一共同方向延伸的形成波峰和波谷的波形，该波形 确定了有助于沿垂直于共同方向的方向上的移动的各向异性的特征。根据本 实施例，该波峰和波谷类似于驻波，具有本质上平4于的波前。然而，该波形 不必要为正弦波，但可具有合适的形状，只要界定了波峰和波谷。根据本实 施例，波峰(或波谷)确定实质上线性等高线，即， 一般而言沿具有相对于 复合物等高的波紋的部分的线。该至少实质上的线性线将至少实质上平行于 由其它波峰和波谷所形成的相似的等高线，和该至少实质的线性线的方向确在垂直于共同方向的方向上复合物的移动，即该复合物，或设置在该波紋状 表面上至少一导电层在垂直于该共同方向的方向上是柔顺的。连同潜在无限 的网，该波峰和波谷可例如沿长度方向或横向延伸。优选地，在柔顺方向上复合物的柔性为其在共同方向垂直于柔顺方向上的至少5(H咅大。该波形可以具有周期性重复的形状。在一个实施例中，这可能意味着每 个波峰和波谷至少实质上是相同的。可选地，该周期性可在较大的尺度获得， 即，该重复图案可为几个"波长"长。例如，波峰/波谷的波长、幅度、形状 等可周期性的重复。作为替代，波形的形状可为非周期性的。每个波形可定义为波峰和相邻的波谷之间的最短距离的一个高度。在该 情形，每个波形可定义具有高度为最多110 %的平均波形高度的最大的波形， 和/或每个波形可定义具有高度为至少90 %的平均波形高度的最小的波形。 根据本实施例，波形高度的变化非常小，即，获得了非常均匀的图案。根据一实施例，波形的平均波形高度可以为1/3微米到20微米之间，比 如为1微米和15微米之间，比如2微米和10微米之间，比如4微米和8微 米之间.替代地，或附加地，该波形可以具有定义为两波峰之间最短距离的波长， 且波形的平均高度和平均波长之间的比值可以为1/30和2之间，比如1/20 和3/2之间，比如1/10和1之间。该波形可以具有1微米到20微米的范围的平均波长，比如2微米到15 微米的范围，5微米到10微米的范围。波形的平均高度和膜的平均厚度之间的比值可以为1/50和1/2之间，比 如1/40和1/3之间，比如1/30和1/4之间，比如1/20和1/5之间。导电层的平均厚度和波形的平均高度之间的比值可以为1/1000和1/50 之间，比如1/800和1/100之间，比如1/700到1/200之间。在本发明的优选实施例中，该复合物通过以这样的方式优化上述参数而 被设计，即考虑了膜以及导电层材料的介电和机械性能，和获得了具有期望 性能的复合物。因此，膜的平均厚度可以在一方面适当考虑膜的相对介电常 数和击穿电场，且在另一方面考虑导电层之间的电位差而选择。相似地，波 峰的高度可以相对于膜的厚度被优化，从而横跨设置在导电层之间的介电材料膜获得相对均匀的电场分布。另外，导电层厚度、平均波长、和波形高度 可被优化以获得期望的柔性。这将参照附图在后进一步描述。该多层复合物可包括用电隔离层覆盖的外周边，例如防止多层复合物的 导电层之间的短路，或通常保护多层复合物的边缘。为从该复合物获得最大利益，例如在包含复合物的换能器内，该复合物 被弯曲或缠绕以形成具有大量的层或绕圈的巻绕结构，优选地提供该复合物 为很长的网。本文中，网表示在长度上可能无限的物品，因此其可以被提供成类似于粘着包装(cling wrap )，粘着膜(cling film )，家用箔的巻轴产品。 一般的，网在长度方向上为垂直横向方向上的至少十倍长，但也甚至可在长 度方向上为100、 1000倍长或更长。该波紋状可沿相对于纵向和横向的任意 方向延伸。然而，优选地，构成该多层复合物的所有的复合物均沿同一方向延伸。为由该多层复合物形成换能器，该多层复合物必须给予一形状和刚度。 由此该多层复合物才可以期望的方式与周围系统交互作用，例如作为能够将 对于相邻物体施加压力的驱动器，感测压力的传感器，或变压器或发电机。为提供形状和结构，该多层复合物可例如在至少一个方向上被预应变， 例如通过在一刚性框架即相对于该多层复合物为刚性的框架中拉伸该多层 复合物。特别地，优选沿其柔顺方向即垂直于波峰和波谷延伸的方向拉伸该 多层复合物。为拉伸该多层复合物，可设置一弹性元件于刚性框架和多层复 合物之间，例如弹簧或相似的可变形元件。该多层复合物可例如相对于可移 动刚性梁或相对于另一多层复合物设置，使得该复合物能保持预拉伸，且使 得多层复合物的变形可以被感测为在两导电层之间的电容的变化，或使得电 场能使该膜变形从而延长被拉伸的多层复合物。提供形状和结构的另 一方式为折叠，巻绕或其他方法使得该多层复合物 变硬。这为该多层复合物提供了足够的硬度以对相邻的物体施加一力，从而 能应用该多层复合物为 一 能推或拉的驱动器。多层复合物可应用作为驱动，感测，和控制比如阀、挡板、泵、间歇操 作泵等的组件的换能器。该控制组件可应用在工业，民用和国防，比如水利， 工业自动化和控制，制热和制冷，通风和空调，海事，医疗，汽车和非干线 设备中使用。该多层复合物的电容作为复合物的偏转的函数变化。当该多层复合物结合电子控制电路使用时，电容的变化能转换成指示换能器偏转的控制信号。 该控制信号能用改进换能器位置的闭环(反馈)控制的输入等。结合用于换能器定位的控制电子设备使用的多层复合物能应用于上述 应用中以用于上述组件精确的反应控制。在一具体实施例中，该多层复合物由单个连续膜制成，该单个连续膜由介电材料制成。该膜提供有一前表面，该前表面具有凸起和凹陷表面部分的 表面图案。例如具有波紋状的第 一导电层被沉积于该表面图案的第 一部分。 例如具有波紋状的第二导电层被沉积于该表面图案的第二部分。该第 一导电 层和第二导电层之间相互电绝缘，例如通过提供在膜上没有沉积导电材料的 线或带来实现。该膜而后被折叠、巻绕或另外成形为一多层复合物结构，其 中第一和第二导电层在膜层之间交替设置。换言之，多层复合物的该"单个 连续膜"版本的巻绕或折叠即提供了硬度且将两导电层相对彼此设置。应当 注意当折叠该"单个连续膜"时，必须注意折叠膜以使得防止电极的短路， 同时确保相反极性的电极彼此相对设置，且介电膜层在其之间。为形成一换能器，需要导电层和电子电路或电源之间的电连接。上述"单 个连续膜"可以仅具有两个这样的导电层，因为其为被折叠或巻绕的一单层。 然而，其它类型的多层复合物包括多个单个导电层一对于多层复合物中每个 复合物有一导电层。在该情形，通过提供其中所述导电层对于每个第二层相 对于彼此平移的多层复合物，可以建立每个第二层的和电子电路或电源的连 接器之间的连接，和每个中间导电层和电子电路或电源的另 一连接器之间的 连接。例如，复合物的膜形成了具有面对导电层的第一和第二表面的介电层。该导电层可定义驱动器的活性部分，其中导电层的电极部分覆盖了该介电层的两表面；第一钝性部分和第二钝性部分，在第一和第二钝性部分中，仅介电层的 一个表面被导电层之一覆盖；其中该第一钝性部分由第一表面上的导电层的接触部分所定义，且该第 二钝性部分由第二表面上的导电层的接触部分所定义。电连接器可随后用于连接到每个接触部分以将接触部分连接到电源或 电子电路。例如，导电杆、栓、钉、螺钉或铆钉可通过每个接触部分穿透该 多层复合物的所有层，由此被用于将多层复合物电连接到电源或电子电路。第二方面，本发明提供了一种提供介电膜和导电层的多层复合物的方法，该方法包括提供第一复合物，该第一复合物包括介电材料膜，该膜具有前表面和相 对的后表面，该前表面包括凸起和凹陷表面部分的表面图案， 沉积导电层到该表面图案上，提供第二复合物，该第二复合物包括介电材料膜，该介电材料膜具有前 表面和相对的后表面，该前表面包括具有凸起和凹陷表面部分的表面图案， 沉积导电层以覆盖该表面图案的至少 一部分， 在该第二复合物上设置该第一复合物，和 相对于该第二复合物固定该第一复合物的位置。最终的固定位置的步骤能通过使用膜自身的粘接特性或通过使用提供 于复合物之间的附加的粘接剂而实现。可选地，该层能固定到一共同的固定 装置，例如通过将所有层贴附到 一共同框架或凸缘或类似的能将各层保持在 一起的组件。优选地，该多层结构被制成一巻轴产品-潜在地无限长。为此，提供复 合物和设置复合物为叠层的步骤能在一连续工艺中进行，其中，多层复合物 的 一部分被制成同时多层复合物的另 一部分被精加工且被巻绕。该复合物能够例如通过提供具有凸起和凹陷表面部分的表面图案的形 状定义元件，和提供一液态聚合物成分到该表面图案上，以形成具有凸起和 凹陷表面部分的复制图案的表面的第 一膜来提供。这可以在例如通过涂布、 成型、刷涂或喷涂或其中液体聚合物能被引入到具有表面图案的表面上的任 何相似工艺中来实，。为在多层复合物中提供相同的层，同一的或相同形状 定义元件可被在整个工艺中被使用。该导电层能通过使用物理气相沉积工艺、溅射工艺或电子束工艺沉积到复制的表面图案上。该导电层以0.01-0.1微米的厚度沉积到该膜上，且该 厚度被石英晶体微量天平控制。石英晶体微量天平为在物理气相沉积中普遍采用的厚度测量技术。它允许以亚纳米范围的精度控制沉积涂层例如金属涂层等的厚度。在施加导电层之前，该膜可用等离子体处理，因为这可以改善导电层到膜的粘接力。该等离子体处理通过已知可产生温和等离子体的辉光放电而执行，且优选氩等离子体。等离子体清洗为弹性体膜的金属化工艺中的关键步骤。它增强了被沉积材料的粘接力。然而，不是任何的等离子体都适用于处理弹性体膜，因此应 当仔细选择该等离子体。如上所述，优选氩等离子体。已知等离子体在弹性 体界面上形成薄而非常硬的硅酸盐"玻璃态'，层。当随后施加了导电层时， 所得的是具有有限柔性的波紋状的电极和由于刚性电极产生裂纹的危险而 不能很大拉伸的复合物。我们选择非反应性的氩等离子体处理，因为氩为惰 性气体。然而，在真空沉积室内氧气和其它反应气体的残留且与氩等离子体 的结合可能对于小的反应性负责。我们优化了真空室中的氩的压强和温和辉 光放电的参数，以及处理的时间，使得被沉积的金属涂层非常好地粘贴到弹 性体膜上。根据在前述段落中所述的设计原则，所得的波紋状的电极非常柔 顺且该复合物可以尽可能被拉伸而不损伤电极。粘接促进剂在等离子体处理后被施加在膜上。该粘接促进剂可包括一层 铬或一层钛。该粘接促进剂可在物理气相沉积工艺中被施加到膜上。在一可选的工艺中， 一液态聚合物成分直接提供到第 一膜上或导电层 上，从而通过成型或涂布将第二膜直接提供到第一膜上。在该情形，该复制 图案可通过采一沖压工具同时压印到该还尚未固化或部分固化的聚合物中 而提供。当聚合物被固化后，其图案的至少一部分用第二导电层涂布。该工 艺能被重复以提供具有大量层数的多层复合物。


现将参考附图进一步详细描述本发明，在附图中图la和lb示出根据本发明的实施例示意了巻轴复合物的连续巻， 图1 c是根据本发明的 一个实施例的复合物的 一部分的透视图， 图2a _ 2f是根据本发明的实施例的复合物的一部分的横截面图， 图2g为图2a/2b/2c/2d/2e/2f的方文大截面，图3a和3b显示了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性复合物， 图4a-4c示出了将图3a中的电活性复合物暴露于图3b中所示的高电 位差的效果，图5a和5b示出了根据本发明的实施例的复合物叠层的一个例子，由此 形成了电活性多层复合物，图5c和5d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性多层复合物，图6a和6b示出了根据本发明的实施例的复合物叠层的另一例子，由此形成了电活性多层复合物，图6c和6d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的另一电活性多层 复合物，图7a-9示出了根据本发明的实施例的复合物的叠层原理的例子， 图10a和10b示出了巻绕的电活性复合物的例子，图lla示出了根据本发明的实施例示意了复合物的一部分的例子，该复合物特别适用于具有巻绕结构的复合物，图llb根据本发明的实施例的复合物的一部分的例子，该复合物特别适用于具有折叠结构的复合物，图12a-12c示出了图11的复合物的制造工艺和生产所需的一些工具，图13a示出了被形成为巻绕的复合物的图lla的复合物，图13b示出了被形成为折叠的复合物的图llb的复合物，图14a和14b示出了通过复合物的折叠的图ll所示的复合物的叠层，图15a - 15c为根据本发明的实施例的直接轴向驱动换能器的透视图，图16a_ 16c为根据本发明的实施例的直接轴向换能器的力作为行程的函数的曲线图，图17a和17b为根据本发明的实施例的直接径向驱动换能器的透视图，图18a示出了形成平管状结构的复合物的叠层，图18b示出了被预应变的图18a中的扁平管状结构，图19a- 19c示出了具有平结构的驱动换能器的透视图，图20a-20e示出了提供有预载荷的驱动换能器，图21a和21b示出了具有平管状结构的两个驱动换能器，所述换能器提 供有机械连接，图22示出了复合物的空间移位的层叠的层的原理，图23示出了提供有电接触部分和电连接器的叠层的电活性多层复合物，图24和25示出了提供有电接触部分的电活性多层复合物的两个例子，图26 - 29示出了提供有电接触部分的换能器的例子，图30示出了不同的电连接器，图31-35示出了提供有接触电极的电活性复合物，和图36a-36c为描述根据本发明的实施例的换能器的制造工艺的工艺简图。
具体实施方式
图la和lb示出了根据本发明的实施例的巻轴的复合物1的连续巻，且 图1C为复合物1的一部分的透视图。该复合物的比例失真以示出复合物1的不同的元件。复合物1包括由介电材料制成的膜2，该膜2具有设置有突 起和凹陷的表面部分的图案的表面3，由此形成了表面3的设计的波紋状的 轮廓。导电层4已经被施加到表面3,导电材料被沉积使得导电层根据突起 和凹陷的表面部分的图案而被形成。就日常物件而言，膜2在某些方面相似 于家用包装膜。它具有相似的厚度而且相对柔软。然而，它比这种膜更具有 弹性，具有明显的机械各向异性，将如下所述。介电材料可为一种弹性体或具有相似特征的其它材料。由于突起和凹陷表面部分的图案，导电层4可以随着膜2扩展被平坦， 且当膜2沿箭头5所定义的方向收缩时恢复其原始形状，而不导致导电层4 的损伤，由此该方向定义了柔顺方向。因此，复合物l被适于形成能承受大 应变的柔性结构的 一 部分。如上所述，在沉积导电层之前，该波紋表面轮廓被直接压印或成型到介 电膜2中。该波紋允许采用高弹性模量的电极材料制造柔顺的复合物，例如 金属电极。这可以被获得而不需要当施加导电层4时对于介电膜2施加预拉 伸或预应变，且形成的复合物1的波紋状的轮廓不依赖于介电膜2中的应变， 也不依赖于导电层4的弹性或其它特征。因此，该波紋轮廓以一致的方式在 实质上整个介电膜2的表面3上复制，并可以控制该复制。另外，该方法提 供了采用标准复制和巻到巻(reel to reel)涂布的可能性，由此使该工艺适于 大规模生产。例如，导电层4可采用标准商用的物理气相淀积(PVD)技术 施加到介电膜2的表面3上。该方法的优点为各向异性通过设计被确定，实 际的各向异性由于在介电膜2的表面3上提供的波紋轮廓和依照该波紋轮廓 的导电层4的特性而被获得。如图lc所示的复合物1被设计成具有在箭头5所定义的方向上在介电 膜2的柔性范围内的柔性，和在箭头6所定义的方向上导电层4的刚性范围 内的刚性。在图la中，柔顺方向沿复合物1的长度方向，而图lb中的柔顺 方向为横过复合物1。这在图la中通过横过复合物1和图lb中沿复合物1的细线表示，细线代表了形成波紋轮廓的突起和凹陷的表面部分的图案。该 复合物1可制成很长的长度，所谓的"无限长"复合物，其可作为图la和 lb所示的巻轴而被存储。这种半成品可被用于换能器等例如驱动器的制造。图2a-2f示出了根据本发明的实施例的复合物1的截面图的一部分，为 清楚起见省略了阴影线。如在每个部分底部的对称线10所示，每个部分仅 示出了一半复合物l。另外，导电层4可被沉积于介电膜2的下表面上，下 表面也可定义波紋表面，由此形成电活性复合物，即，至少两个导电层被介 电膜所隔离。另外，每个部分仅仅示出了每个复合物长度方向的一小部分。 为了图示的目的，图2a - 2g的比例失真。图2g示出了图2a72b/2c/2d/2e/2f 的一个放大截面。图2a-2g中示出的复合物可以例如为图la中的复合物1。 由此，复合物1包括由介电材料制成的介电膜2，该介电膜2具有设置有突 起和凹陷的表面部分的图案的表面3,由此形成了表面3的波紋状的轮廓。 该表面3提供有形成如上所述的方向性柔顺复合物的导电层(如图2g所示)。 如图2a-2f所示，突起和凹陷的表面部分的图案可被设计成具有各种形状。该波纹轮廓可通过一 系列定义好和周期性的正弦波状的三维微观结构 所表示。可选地，该波紋轮廓可具有三角形或方形轮廓。该波紋电极的机械 柔性因数Q由波紋的深度d和导电层4的厚度h (如图2g所示)之间的比 例因数，和波紋的深度d和其周期P之间的比例因数来确定。最占主导的因 素为波紋的深度d和导电层4的厚度h之间的比例因数。柔性因数越大，该 结构柔性越大。本发明的发明人发现，如果假定理想的柔性，则对于波紋的 深度d和其周期P之间的比例因数，与原始长度相比，理论上正弦轮廓可延 长大约32%,三角形轮廓大约可延长28%,方形轮廓大约可延长80%。然 而，事实上情况并不如此，因为方形轮廓包括将导致不同的柔性的垂直和水 平梁，因为垂直梁将弯曲且由此在位移方向上产生非常柔顺的移动，而水平 梁刚性大很多，因为它们在位移方向延伸。因此通常期望选择正弦轮廓。在图2a-2f中所示的复合物1中，压印或成型到介电膜2上的波紋图案 可通过一系列定义好和周期性的类似于正弦波的三维微观结构所表示。该波 紋轮廓形成于膜2的上表面3,如图2a-2f中所示。如对称线10所示，第 二波紋轮廓形成于膜的下表面(未显示)。图2a-2f内，该截面沿柔顺方向 延伸。与柔顺方向垂直的平行直线表示了突起和凹陷表面部分的顶部和底 部，即，正弦波状微观结构的波峰和波谷。这从图la和lc看上去更清楚。沿这些平行直线，柔性非常低，即对于所有实际目的，复合物l沿该方向不 柔顺。换句话说，该设计代表了一维波紋，其在施加导电层后将介电膜2转 换为具有各向异性的柔性的电活性复合物1，其中该膜可自由收缩或延长， 而由于由导电层4的机械阻力给出的内在边界条件，垂直排列的的横剖面方 向#皮'"疑固"。在图2a-2g中，d表示平均或代表性波紋深度，即，该图案的突起部分 和相邻的凹陷部分之间的平均或代表性距离。H表示介电膜2的平均厚度， 且h表示导电层4的平均厚度。在优选实施例中，介电膜2的平均厚度H为 IO微米到100微米的范围。图2a-2c显示了具有不同波紋深度d的复合物 1,然而，对所示的三种复合物而言，波紋周期P都是实质上相同的。与图 2d和2e的复合物1相比，波紋深度d实质上是相同的，然而图2e中的复合 物1的波紋周期P大于图2d中的复合物1的波紋周期P。与其比较，图2f 的复合物1具有更小的波紋深度d和更大的波紋周期P。具有根据本发明所述的以导电层4的形式的各向异性的波紋状的柔顺的化。该设计原则考虑了介电材料和导电层材料的介电和机械性能。一方面，介电材料的相对介电常数和击穿电场，和另一方面电极之间的电位差为确定介电膜2的平均厚度H的范围的设计参数。该介电材料的特征性能典型地由介电材料生产商所提供，如Wacker - Chemie和Dow Corning。 波紋深度d，相对于介电膜的厚度H而优化，以获得横跨位于电极间的介电膜上相对均匀的电场分布。该优化步骤可通过有限元模拟进行。高d/H各向异性和柔性性能为一方面通过成型工艺而赋予介电膜例如弹性膜 的表面形状和形貌，而另一方面采用波紋形状的导电层的共同结果。电极层 厚度h和波紋周期P相对于波紋深度d被优化，从而获得具有金属电极的介 电膜，该膜在一个"平面内"方向上柔顺，而在横跨"平面内"方向上几乎 不柔顺。在一个方向上非常柔顺的膜为在该方向上通过施加相对低水平的力 就能够在该方向很大地拉伸或延长而没有损坏电极的危险的膜，和在在横方 向上施加力时在该横方向上将具有非常有限的延长的膜。为了优化电极柔 性，比值d/P和h/d必须被优化。高d/p比值导致了非常柔顺的电极，而低 d/P比值导致了较少柔顺的电极。高h/d比值导致了较少柔顺的电极，而低h/d比值导致了非常柔顺的电极。具有波紋电极的介电膜的各向异性程度由 复合物柔顺的方向和复合物几乎不柔顺的横方向之间的柔性比值所确定。高一旦设计参数(H、 d、 h和P)的范围根据上述说明被规定，就可以预测出具有导电层形式的金属电极的介电膜在柔顺程度以及其能承受的柔顺 的方向上最大延长，和驱动力将如何的方面的性能。同样可以预测横方向上 的刚性。如果需要，也能执行对这些参数的改进工艺。应当注意对于给定的驱动力，根据本发明制造的驱动器，即由具有在其 上沉积的电极的介电材料制成的驱动器，比能够提供相当的驱动力的常规驱动器，比如磁驱动器，具有低得多的重量，即至少为l/5小。这对于驱动器体积和重量是相关的应用而言是非常重要的。一旦所有的设计参数被优化，根据波紋形貌的准确规格设计模具。基于有限元静电模拟，本发明的发明人发现比值d/H应在1/30到1/2的 范围内。例如，具有1/5的比值并且大约4微米的波紋深度，介电膜2的厚 度将大约为20微米。另外，波紋深度d和波紋周期P之间的比值d/P，和导 电层的厚度h和波紋深度d之间的比值h/d,为直接影响电极的柔性的重要 的比值。在优选实施例中，比值d/P在1/50到2的范围内，而比值h/d在1/1000 到1/50的范围内。当定义介电膜2的平均厚度H时另一考虑因素为所谓的介电材料相关的 击穿电场。当导电层4沉积于介电膜2的每个表面从而形成电活性复合物时， 对于给定的材料厚度H,即相应于介电膜2的厚度H的距离，在这些导电层 之间有一个最大的电压值V,从而不超过材料的击穿电场，V/H。当介电膜 2在表面区域3上的厚度表现大的变化时，则对于导电层之间给定的电压， 电场和厚度变化将为相同的数量级。因此，具有较高的局部电场的介电膜2 的部分将比具有较小的局部电场的部分延长得更多。另外，在换能器中的复 合物1在接近击穿电场工作的情形，这样变化可能损坏该换能器，因为介电 膜2的部分将承受大于击穿电场的电场。因此，当处理介电膜2时，非常重 要的是最大可能地减少平均厚度的变化。为了处理的缘故，10%的平均厚度能器时，这些数值能以相对精确的方式控制。图3a和3b示出了暴露于零电位差(图3a)和暴露于高电位差(图3b )的包括由介电膜2隔离的两导电层4的电活性复合物1。如图3b所示，当暴 露于电位差时，介电膜2被扩展，而导电层4被平坦。这详细地显示于图4a -4c中，图4a-4c示出了随时间的不同步骤中电活性复合物1的剖面的部 分，为清楚起见省略了阴影线。在每图的底部示出了对称线10,示出复合物 1为具有沉积于每个表面上的导电层4的电活性复合物。图4a示出了暴露于 零电压差的电活性复合物1,波紋深度为设计深度d，波紋周期为设计周期P。 在图4b中示出，介电膜2沿柔顺方向扩展，导致了减小的膜厚度H，。另夕卜， 导电层4被平坦，导致更小的波紋深度d，和更大的波紋周期P，。图4c示出 了后一时间步骤的电活性复合物1，膜2的厚度H，，被更为减少，波紋深度d" 更小，波紋周期P"更大。应当注意，根据本发明制造的电容呈现"自恢复"机理。自恢复机理为 具有非常薄电极的电容的特性。当电容的介电材料呈现缺陷，比如夹杂物、针孔等时其出现。对于具有给定厚度的这样的电容，当电极间施加的电位差 达到上述界定的所谓的击穿电压时，平均电场接近临界击穿电场。然而，在 具有缺陷的区域中，其将确实超过临界击穿电场，且由于在缺陷位置上横跨 介电膜的厚度的加速和碰撞的电荷的级联效应将出现，因此引起横跨介电材 料的高涌入瞬时电流。这导致了局部瞬时过热，其特征时间为微妙范围内或 更低，这足够"耗尽/蒸发"在缺陷及其近邻附位置的非常薄的相对电极的材 料。这导致环绕缺陷的区域不再有电极材料。另外，电极材料被耗尽的区域 的尺寸随局部电场而增加。然而，电容本身并没有损坏，且继续工作。这就 是"自恢复"。只要被耗尽的区域总共代表为电容的整个面积的非常可忽略 的一小部分，这就将对电容的性能具有非常小的影响。当电容由厚电极制成 时，自恢复不发生，因为局部过热的水平不足以耗尽缺陷处的厚电极材料。 在该情形，当达到临界击穿电场时，随之发生的电容的瞬间损伤出现。实际 上，本发明的发明人制作了厚度达0.2微米的金属电极，且经常观察到自恢 复，即使当在高于击穿电场下操作该电容时。这并没有对电容产生实质性损 害，且因此该电容继续工作。图5-9示出了复合物1的叠层结构的例子，由此产生了多层复合物。 如图5a和6a所示，电活性多层复合物15、 16包括至少两个复合物1,每个 复合物1包括具有前表面20和后表面21的介电膜2,后表面21与前表面 20的相对。前表面20包括具有突起和凹陷部分的表面图案3和覆盖表面部分3的至少一部分的第一导电层(未显示)。图5a和6a仅显示了多层复合 物15、 16的一部分，为示出目的，上述部分的比例失真。图5a和5b显示了具有第一复合物1的电活性多层复合物15，该第一复 合物1的前表面20面对相邻的复合物1的后表面21,后文将一般称为前对 背(Face-to-Back)多层复合物15。在该类型的叠层工艺中，第一复合物1 的导电层直接与第二复合物1的后表面相接触。该复合物1或者采用制造介 电膜2所用的同样类型的弹性体来叠层，或者可选的，两个复合物1叠层而 不使用粘接剂。出于某些目的，优选该多层复合物由堆叠的复合物制成而不 使用粘接剂。在某些场合，波谷仅用空气充满。由于突起和凹陷的表面部分3的图案，每个复合物的导电层可随膜扩展 而被平坦，并且随膜沿由箭头5(见图5b)所界定的方向收缩而恢复其原状， 而不损坏导电层，该方向由此定义了柔顺方向。因此，如图5b所示的多层 复合物15被设计为在箭头5所定义的方向上非常柔顺，在由箭头6所定义 的横方向上设计非常刚性。图5c和5d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性多层复合 物15。如图5d所示，当暴露于电位差时，介电膜被扩展，而且导电层被平 坦。可以进一步看到，当该多层复合物暴露于电位差时，波谷的深度(波紋 深度d)减少。该复合物可以通过施加高电位差到堆叠的复合物而被结合， 由此， 一个复合物的膜和相邻复合物的导电层相互粘接而无需使用附加的粘 接剂。因此，它们能通过静电力实现紧密接触。可选地，由于当介电膜由弹 性体制成时具有稍许的粘性的特征，它们也可通过将它们压在一起而相互粘 接，例如，通过使用滚筒。作为对其的替代，图6a和6b示出了第一复合物1的电活性多层复合物 16，第一复合物1设置为其后表面21面对相邻的第一复合物1的后表面21 的，后文将一般称为背对背(Back-to-Back)多层复合物16。该复合物1或 者通过使用具有类似于复合物1的介电膜2的特征的弹性体粘接剂被粘接结 合。可选地，两个复合物1 ;故叠层而不使用粘接剂。在图6a中所示的电活性多层复合物16中，该波紋表面3在叠置复合物 1之前或之后用导电层涂布。该背对背多层复合物16的优点在于若相邻层不 具有紧邻的相似缺点时，介电膜2的缺陷，例如导电层的针孔等的影响将变 得不那么重要。若该单个复合物1在相同的生产步骤制成，在每个复合物1的同一位置 上存在同样缺点的可能性将增大。为减少该缺点的影响，将复合物l相对于 相邻复合物1移动位置将是有利的，或者相对彼此旋转复合物1。该叠层工艺代表了制作工艺中的关键步骤。因此，将使用具有张力控制 的精密叠层机器。类似于多层复合物15,图6b中示出的多层复合物16在箭头5所定义的 方向上被设计成非常柔顺，在由箭头6所定义的横方向上设计成非常刚性。图6c和图6d示出了暴露于零电位差和暴露于高电位差的电活性多层复 合物16。如图6d所示，当暴露于电位差时，介电膜被扩展，而且导电层被 平坦。图7a示出了，依据特别的需要，图5a中所示类型的电活性多层复合物 15可还包含无穷个复合物1。图5a中的该多层复合物包含两个介电膜2中 的一个介电膜2，其为非活性的，即，两介电膜2的仅一个位于两导电层(未 显示)之间。图7a示出了，大量的复合物减少了电活性多层复合物15本身 上非活性层的影响，因为除最低的复合物15外全部均被位于电极之间。图7b示出了形成包含无穷数目的复合物1的电活性多层结构15的另一 可选方式。复合物1通过排列在复合物1之间粘接剂层22被叠层，从而复 合物1相互之间不直接接触。粘接剂层22的材料就拉伸能力而言具有和复 合物1的介电材料相似的性能。这是为了允许当多层结构15工作时，粘接 剂层22与介电材料一起拉伸。由此，粘接剂层22可有利地由弹性体制成， 或由具有弹性体状性能的材料制成。在图8中，该类型的两电活性多层复合物16也同样在图6a中示出，即， 背对背复合物被堆叠在彼此顶部。在该电活性多层复合物中，导电层为成对 相互接触。两介电膜2位于两个导电层的这样的组的两个之间。该叠层提供 了单层中的产生缺陷的减少的影响。另外，示出了第三或甚至更多的电活性 多层复合物16可被添加到该多层复合物中。图9示出了类似于图8中所示的叠层的多层复合物16的叠层。然而， 在图9所示的情形中，该背对背多层复合物16被成对堆叠，该成对堆叠的 多层复合物16而后再堆叠到一起。在图9中所示的叠层中，确保了相互面 对的相邻成对的叠层的导电层具有同样的极性。因此，该叠层能被巻绕而没 有电极短路的危险，且因此该叠层也适于被巻绕，例如形成管状换能器。图10a示出了被巻绕的图5a中所示的前对背电活性多层复合物15。由 于复合物1可被制造成很长的长度，所谓的"无穷"复合物，该多层复合物 15也可被制成很长的长度，由此允许生产包括多个绕数的巻绕的多层复合物。图10b示出了围绕杆23巻绕多层复合物15。该杆23位于多层复合物 15的一端，该复合物15则如所示围绕杆23巻绕。由此该多层复合物15获 得了巻绕的管状。图lla和lib示出了复合物24的一部分，其适于形成巻绕的或其它叠 置的换能器。该复合物24包括由介电材料构成的膜2，该膜具有设置有突起 和凹陷表面部分的图案的表面，由此形成设计的波紋的表面轮廓，即，该膜 2类似于图lc中的复合物1的膜2。该情形下，膜2设置有导电层，该导电 层包括以交叉图案模式排列的负电极部分25和正电极部分26,即负电极25 和正电极26交替出现，在其之间有一间隙。在间隙中，导电层没有沉积于 介电膜上。箭头27指示该复合物24可以非常长，如图13a中所示的"无穷 长"复合物，和如图13b中所示的被折叠的复合物。图12a-12c示出了制造图11的复合物24的一种可能方法。图12a示 出了在两个巻30上的非常长的膜2。该导电层(未显示)利用不连续的气相 沉积巻到巻方法沉积于膜2上。箭头31示出了工艺方向。该导电层通过阴 影掩模32沉积，使得在电极部分25、 26之间提供间隙。当导电层沉积于膜 2的一区域上之后，该膜2沿箭头31的方向被巻绕且停止。闸门(未显示) 被打开，且该导电层被沉积于膜2的下一区域上。该区域相邻于前述的区域， 并确保在具有相同极性的电极之间的连续过渡接触。该闸门在达到所需要的 导电层厚度后关闭。电极通过阴影掩模被沉积的电极沉积原则，出于实际原 因，更适合于制造具有恒定宽度和间隙的电极。作为替换，该间隙也可通过 激光烧蚀的方式制造。实际上，优选通过激光烧蚀的方式制造间隙，因为当 使用该技术时非常易于提供每个间隙间的可变距离，且由此提供了导电层的 每个部分的可变宽度。这将在后进一步详述。图13a示出了形成为巻绕的复合物35的图lla和图12a- 12b中的复合 物24a。 D和R表示了复合物24巻绕于其上的巻36的直径和半径。实线表 明正电极，虛线表明负电极。应当注意，为清楚起见，该被巻绕的复合物通 过同心圓的方式示出。然而，应当理解，实际上该巻绕的复合物形成螺旋图案。电极25和26的宽度w和这些电极部分之间的间隙宽度基于巻36的横 截面而确定2兀(R一w+间隙，其中该间隙相对于w非常小。另外，优选的 是复合物24a的厚度t小于该间隙。否则，由该巻绕工艺形成的换能器的效 率将变低。当由巻绕复合物24a制成绕数n时，间隙被在切线方向上相对于 前一绕数移动了膜厚的数量级，2兀.n。由此如果间隙移动超过了间隙宽度， 具有相同极性的电极将趋于重叠，且这使得电容的对应部分非活性。该方法 对于制造具有有限绕数的驱动器且在预应变配置工作或平管状配置是优选 的，该所述配置中电极部分和间隙在相应于平管状驱动器的平部分的介电网 的部分中沉积。可替换的方法为采用激光烧蚀来设计具有可变宽度的电极， 但恒定间隙宽度更适于巻绕的管状驱动器。该情形下，间隙和耗尽区的宽度 由移动的激光光点尺寸所确定，且与驱动器的增长的圆周的给定绕数相关的 给定电极的宽度使得宽度和间隙匹配缠绕周长。相似地，图13b示出了为折叠复合物37的图11b的复合物24b。从图 13b中可知该复合物24b被仔细地折叠从而确保相反极性的电极25、 26不直 接接触。图14a和14b通过折叠复合物24示出了图11中所示的复合物的叠层。 可选地，该复合物可为图la和2中所示的类型。该复合物1、 24被制成长 结构，由此确定复合物l、 24的长度和宽度，以及具有表面3，表面3具有 突起和凹陷表面部分的图案。该图案定义了波峰和波谷，';M同方向延伸， 且该共同方向实质上沿该长结构的宽度排列。因此，复合物l、 24在垂直于 该共同方向的方向即沿该长结构的长度方向上是柔顺的。图14a的该复合物l、 24通过沿长度折叠该长结构而被层叠，使得所得 的电活性多层复合物40的宽度与复合物1、 24的宽度相同。由于复合物l、 24的柔顺方向的取向，该电活性多层复合物40在箭头41所示的方向上是柔 顺的。图14b示出了根据本发明的另一实施例的复合物1、 24的叠层。这非常 类似于图14a中所示的实施例。然而，在该情形，该共同方向被实质上沿该 长结构的长度排列，且复合物1、 24因此在沿长结构的宽度方向上是柔顺的， 如图lb的复合物。因此，所得的电活性叠层42将在由箭头43所示的方向上是柔顺的。因此，图14a中所示的叠置的复合物沿叠置的复合物的长度方向上是柔顺的。这意味着图14a的结构能制成任意长度，以及由此的任意期望的行程 长度。相似地，图14b的叠置的复合物沿叠置复合物的宽度是柔顺的。这意 味着图14b的结构能制成任意宽度。由此，可以根据预定应用的几何要求设 计具有任何合适尺寸的换能器。图15a-15c为根据本发明的实施例的直接驱动换能器50的透视图。图 15a- 15c的该直接驱动换能器50已经通过巻绕例如图la或图5中所示类型 的多层复合物而被制造。图15a中的该换能器50a为实心，而图15b中的该 换能器50b为空心。该换能器50可具有任意延长的形式，例如实质上具有 实质上形成为圓，椭圓或如图15c所示的曲线的横截面的柱状。在图15a-15c中，该复合物被巻绕形成柱状的换能器50,该复合物具 有平行于由箭头51所指示的方向的柔顺方向。因此，当电能施加到直接驱 动换能器50的电极时，该换能器50将沿箭头51的方向在轴向延长。现已 经发现，如果换能器50根据本发明的某些方面被合理制造和设计尺寸，它 们能够产生抵抗轴向负载的显著的力，该轴向负载趋于抵抗轴向延长。如本说明书中在前所述，本发明的电活性复合物是非常柔顺的，在柔韧 性上类型于普通的家用粘着膜或聚乙烯购物袋片材料。该复合物与这些材料 的区别在于其高弹性和机械各向异性，如前所解释，其在某一方向上易延伸 而在垂直方向上则远不易延伸。发明人现已意识到尽管复合物的柔软，柔韧性和弹性，通过巻绕足够长 度的复合物而形成的巻将是相当刚性的。如果该巻相对于膜的机械各向异性 被合理的缠绕，它将具有由机械各向异性而产生的轴向柔性，且它也能在轴 向负载下对于纵向弯曲(buckling)有相当的抵抗力。因此，具有导电电极层的波紋状各向异性介电膜层的复合物可以被巻绕 为具有足够的绕数的管状，使得该管状元件的所得结构足够刚性以避免纵向 弯曲。前文中，术语"纵向弯曲"意味由于施加的轴向负栽，延长的结构通 过弯曲而变形的情形。已经发现，在延长的结构中无需任何比如加强杆或弹 簧的附加组件，以获得足够的刚性以避免处于轴向负载的技术有用水平下的 纵向弯曲。该所需的刚性仅通过巻绕足够绕数的复合物材料而获得。图15a - 15c中所示的巻绕的结构被设计以承受特定的最大水平的负载， 此时上述刚性足以避免纵向弯曲。该特定的最大水平的负载可以例如为在某 一延长水平的某一水平的力，或可以为最大水平的驱动力、阻挡力、或当换能器沿箭头51的反方向被压缩到更短的长度时所产生的更高水平的力。如本申请中所述的直接驱动换能器的设计参数根据由本发明人开发的设计原则来优化。该设计原则允许基于驱动器性能规格确定巻绕的驱动器 (换能器)的最优尺寸。电活性复合物的机械和静电性能被用作估计每单位面积的驱动力和行 程的基础。如根据本发明所记载的巻绕的驱动器通过巻绕/缠绕如图la和lb 所示的具有微米范围厚度的非常薄电活性复合物而制成。该类型的典型的驱动器可由成千个绕数制成，并且可以包含多至每微米IOO个绕数的驱动器壁厚。当被激活时，直接/推进驱动器可以将电能转换为机械能。部分该能量以 势能的形式存储于该驱动器材料中，且当驱动器被释放时该能量又被获得。 机械能的剩余部分被有效地用于驱动。将该机械能的剩余部分完全转换成驱 动能只有在该驱动器结构不为机械不稳定时才有可能，该不稳定类似于公知 的由于轴向压缩的引起的失效的纵向弯曲模式。这可以通过恰当地设计驱动 器横截面面积相对于驱动器长度的尺寸而实现。数学上这相应于柱稳定性的欧拉理论；根据本发明，该理论也适用于通过巻绕足够绕数的电活性多层复 合物所形成的驱动器柱。该优化工艺始于对于给定的应用所需要的力水平的定义。然后，基于每 单元面积的驱动力，可以估计出需要的横截面面积以达到上述力的水平。对于柱状结构，对于圆柱体的长度和半径之间的给定比值，该临界轴向 负载压力Fc由以下给出t_阔2 其中c为取决于边界状态的常数，E为弹性^t量，A为圓柱的4黄截面面积，L为圓柱的长度，且R为圓柱的半径。现考虑通过对其电极施加电压V来驱动的柱状电活化聚合物换能器。在 无载状态下，该换能器仅能延长。如果被轴向负载限制，则该换能器将对负作电压。图形化电极202的形状应使得电流的分布均匀。在N类型限制层201中蚀刻出图形化的沟槽212以便提高光取出效率；图形 化的沟槽212的底部是所述的N+/N++类型限制层205，因此，图形化的沟槽212 并不影响活化层206的功能。对于LED， N类型限制层201的功能之一是作为光 导，因此，沟槽212縮短了全内反射光的路径的长度，减轻了光吸收，提高了 光取出效率。选择图形化的沟槽212的形状和位置，使的沟槽212不影响电流 的流动。另外，图形化的窗口210的底部是N+/N++类型限制层205，因此，当图形化 电极202的厚度比图形化的窗口 210的深度小时，图形化的窗口 210的未被图 形化电极202填充的部分也起到沟槽212的作用，S卩，縮短了光路径的长度， 提高了光取出效率。导电反射/欧姆/键合层208的作用如下(1)对于半导体发光二极管，反射从 活化层发出的光，形成良好的欧姆接触，易于与支持衬底键合。(2)对于其它 半导体器件，形成良好的欧姆接触，易于与支持衬底键合。图形化电极可以具有其他形状(见图5)，形状设计的目的是使电流分部更均 匀和遮挡更少的光。图2d展示的垂直结构半导体芯片的第二个具体实施例。垂直结构半导体芯片 200的结构包括钝化层213, N类型限制层201， N+/N++类型限制层205，活 化层206， P类型限制层207，导电反射/欧姆/键合层208，导电支持衬底209， 图形化窗口210，图形化电极202。 N类型限制层201的表面被粗化204 (或形 成光子晶体结构)。在钝化层213和N类型限制层201中形成图形化的沟槽212。 钝化层213的表面被粗化214 (或形成光子晶体结构)。制造图2d展示的图形化电极202的工艺首先，在N类型限制层201上层叠加稍许的力时将弯曲。然而，通过在宽度方向巻绕它，则需要大得多的力使3 w ■>得其纵向弯曲。巻绕的对平的弯曲刚性比例由2 。这样的例子为耳又w = 40 mm， h = 1 mm,则比例为约245。抵抗任何机械不稳定性的驱动器稳定化需要通过增加横截面的面积转 动惯量I来设计其横截面尺寸。低I值导致不稳定的结构，高I值导致抵抗 纵向弯曲的非常稳定的结构。设计结构尺寸的设计参数为与横截面A和面积 转动惯量I相关的回转半径rg。低rg值导致不稳定的驱动器结构，高rg值导 致非常稳定的驱动器结构。在定义了面积A和回转半径rg的最优范围后，可 以定义以t/rg形式相对于rg的巻绕的驱动器壁厚t的最优范围。面积A、半 径rg和壁厚t是为最大稳定性而设计驱动器横截面尺寸的设计参数。低*g 导致非常稳定的驱动器结构，高t/rg值表明不稳定的驱动器结构。一旦横截面参数被确定，需要对于所需的力的水平，估计由轴向压缩引 起的纵向弯曲不会出现的驱动器的最大长度。定义为长度L和回转半径rg 的比值的长细比是与欧拉理论相关的普遍使用的参数。低L/rg导致抗纵向弯 曲弯曲的非常稳定的驱动器结构，高L/rg值导致不稳定的驱动器结构。一旦确定该优化工作的直接驱动器的所有设计参数，对于具有特定的微 米范围厚度的给定的电活性复合物，可以基于驱动器壁厚t和每毫米绕数n 估计出建造该驱动器所需的总绕数。在一优选实施例中，绕数n和换能器的壁厚t之间的比值n/t,应该在 10绕/毫米到50绕/毫米的范围内。另外，换能器的长度L和换能器的回转 半径rg之间的长细比应当小于20。该回转半径rg定义为^ =^/7/，其中I 为横截面的面积转动惯量，A为换能器的横截面面积。由此，通过根据本发明仔细地设计换能器，可以获得大驱动力，即使使 用非常软的介电材料。驱动力甚至可以到达相对于由更硬的材料制成的常规 换能器例如磁换能器的水平。这是个很大的优点。图16a为示出了在根据本发明的 一个实施例的直接驱动换能器中力作为 行程的函数的曲线图。当电压施加到换能器的各向异性的柔顺导电层时，电 场引发的横跨膜厚的压缩被转换成沿换能器的柔顺方向上的延长/行程。相应 的应力称作麦克斯维应力，P，且相应的驱动力被称作静电力Feleetrostatie。如 图16a所示，在延长时，介电材料施加了随换能器行程增加的反作用力因此，如图16b所示，直接驱动可获得的有效力Fact为所述两力的结果， 且Faet=Feleetr。statk:-Felast。mer。表示力相对于直接驱动换能器的行程的特征曲线对 于力传感器而言是典型的，其中驱动力随行程增加而减少，直到达到行程的最大值，其对应于如图16b所示"零"驱动力。图16c示出了对于直接作用的容性换能器即巻绕的换能器的不同外直径，作为换能器行程的函数的计算的直接驱动力的范围。可以产生几百到几千牛顿范围内的大驱动力。阻挡力典型地比10 %换能器行程界定的额定驱动 力大四个量级。对于3000伏的典型的驱动电压，由40微米厚的具有弹性模 量范围为0.5-1 Mpa的介电材料制成的直接作用容性换能器将产生0.1-0.2N/mn^范围中的每单位面积上的力。当考虑大换能器横截面时，这对应于 如图16c所示的大驱动力。图17a和17b为根据本发明的可选实施例的直接驱动换能器52的透视 图。图17a和17b的换能器52具有沿圆柱切线方向的柔性。因此，换能器 52的延长发生在管状结构的周边上，由箭头53所示，即该换能器52被导致 在径向上扩展和收缩。图18a示出了复合物1的叠层以形成平管状结构60。该复合物1可以有 利地为图la和图2中所示的类型。换能器60为足够高数量的粘接结合的复 合物的叠层，以确保换能器的刚度，该刚度足以使得换能器无需被预应变即 可作为驱动器工作。换能器60通过绕制例如图la和2中所示类型的连续复 合物为非常平的管状结构而制成。采用该设计，消除了与上述层数相关的限 制。因此，换能器60可以被制成按需要的大功率，类似于参考图15a-15c 的上述内容。图18a中所示的换能器60的平管状结构可通过围绕两个分开的棒61巻 绕复合物1以形成复合物1的线圈模式而荻得。由于复合物1的柔顺方向的 取向，该平管状结构60将在由箭头62所示的方向上柔顺。图18b示出了图 18a中的换能器被两弹簧63预应变。图19a_ 19c为具有平结构的换能器70的透视图。换能器70为足够高 数量的粘接结合的复合物的多层复合物，以确保换能器的刚度，该刚度可足 以使得换能器无需预应变即可作为驱动器工作。换能器70通过叠层图la和 2中所示类型的连续复合物为平结构而制成。采用该设计，消除了与上述层 数相关的限制。因此，换能器70可以被制成按需要的大功率，类似于参考图15a-15c的上述内容。。换能器70a为足够高数量的粘接结合的复合物的 多层复合物，以确保换能器的刚度，该刚度可足以使得换能器无需预应变即 可作为驱动器工作。换能器70b通过堆叠许多的换能器70a而设计尺寸大小。 可选地，换能器70c可被弹簧71或其它弹性可变形元件预应变。换能器70a和70b提供有固定凸缘72以在应用中贴附换能器，例如为 使换能器作为驱动器工作。箭头73表明了柔顺方向。图20a-20e示出了提供有预负载的驱动换能器80。图20a为提供有固 定凸缘81的平换能器80的透视图。图20a的平换能器80被弹簧82预应变。 因此，平换能器80具有由箭头83所示的驱动方向。图20b示出了相似的平 换能器80，其中弹簧被相似的第二平换能器80所代替。图20c示出了半个 换能器，该换能器类似于图20b的换能器，通过使用许多相同的换能器(仅 示出了它们的一半)来设计尺寸。图20d和20e示出了两个可选换能器84 和85，每个包括许多平换能器80，其由类似于图18b的换能器的相邻换能 器预应变。换能器84和85横向驱动，在图20d中为地毯状结构，图20e中 为壁式结构。应当注意图18-20的换能器仅要求沿一个方向即柔顺方向上预应变。 因此，根据本发明，在换能器中不要求沿柔顺方向的横向上的预应变，这在 现有技术的换能器中则需要。图21a示出了具有平管状结构的两个预应变换能器90，该换能器90在 长度方向上驱动，且由此旋转驱动轴91。图21b示出了设置有机械连接94的两个被机械预应变平换能器92、93， 机械连接94通过用于滑动目的的导向部件支撑。显示了三种状态下的换能 器92、 93。第一种状态下，换能器92、 93都不是活性的。然而，它们都被 机械预应变。第二种状态下，换能器93为活性的。由于换能器92为非活性， 换能器93使得换能器92弛豫，从而释放了换能器92的一些机械预应变。 在第三种状态下，换能器92为活性而换能器93为非活性。换能器92使得 换能器93弛豫，从而释放了换能器93的一些机械预应变。由此，换能器92、 93结合机械连接94形成了双重作用的换能器，其中换能器之一使另一换能 器弛豫并释放了机械预应变。图22中示出了一种电活性复合物，该电活性复合物包括具有第一表面 100和与第一表面100相对的第二表面101的介电膜2。介电膜2的两个表面都部分用导电层覆盖。由于导电层的形状和位置，活性部分A存在，其中导电层的电极部分102、 103覆盖了介电膜2的两表面100、 101。该导电层 还定义第一被动部分B,其中仅介电膜2的第二表面IOI被导电层之一的接 触部分104覆盖，和第二被动部分C，其中仅介电膜2的第一表面IOO被另 一导电层的接触部分105覆盖。似乎，通过将导体结合到接触部分104、 105, 电活性复合物可以被电连接到电源或连接到用于控制复合物的驱动的控制 装置。即使该被示出的复合物被叠置、巻绕、或折叠以形成具有大量层的换 能器，电极部分102、 103可以容易地连接到电源，例如通过在每个接触部 分104、 105采用导电线或杆穿透这些层，并将所述线和杆连接到电源。介 电膜2的厚度和导电层的厚度的比值仅仅为说明目的。图22中所示出的工 艺被称作"偏移"，因为接触部分104、 105通过在介电膜2的表面100、 101 上相对于彼此"偏移"地施加电极部分102、 103而获得。图23a-23c示出了空间移位形成换能器的多层复合物的两个复合物1 的三种不同方法，其中每个复合物1包括在介电膜上的导电层。该示出的复 合物1具有当换能器被激活时它们扩展或收缩的柔顺方向。在图23a中，该 接触部分沿柔顺方向被空间移位，图23b中，该接触部分垂直于柔顺方向被 空间移位，图23c中，该接触部分在柔顺方向和垂直于柔顺方向上均被空间 移位。在任何设置中，均期望将多层复合物和连接线、杆或相似导体之间形 成物理接触的区域保持远离任何应力源或移动部件。图23d示出了多层复合 物的侧视图。由此，图22和图23a-23c示出了提供接触部分104、 105的两个不同 原则，即图22中所示的"偏移"原则和图23a-23c中所示的"空间移位" 原则。这些原则可与各种叠层工艺组合，并且可以相应地选择适于期望的应 用的原则。图24示出了接触部分104， 105形成了部分的导电层部分且形成了在电 极部分102和103的一侧的延伸岛。在多层复合物中的两个相邻复合物的岛 置于不同位置，使得相邻复合物的接触部分104、 105相互远离。图25示出了两复合物，每个复合物提供有导电层。当复合物结合为多 层结构时，它们相对于彼此偏移，使得每个复合物上的导电层的一部分形成 接触部分104，该接触部分104与另 一复合物上的相应接触部分105远离。图26和27示出了如还在图15a和15b中示出的管状换能器50。该管状换能器在指定的接触部分104、 105连接到电源。
图28示出了具有平管状结构的换能器110。该换能器包括在内表面上的 接触部分104、 105。该接触部分可例如经由具有导电接触部分的延长杆111 而连接到电源。该杆111在图29中被放大显示，其中可以看出杆111包括 两个接触部分112、 113,当杆111插入到管状结构内时，两个接触部分112、 113与平管状结构的接触部分104、 105接触。杆111可形成换能器在其上操 作的装置的 一部分。空间移位原则和偏移原则都能用于接触上述换能器结 构。
图30示出了三种不同的连接器，即，软连接器120、金属涂布的塑料连 接器121、和金属或金属涂布的格带连接器122。软连接器120包括涂布有 一层导电材料124的弹性体膜123。相似地，金属涂布塑料连接器121包括 涂布有金属层126的塑料部分125。
图31 - 35示出了提供有电接触的复合物1。因为本发明的复合物1非常 软，将复合物l接合到有些刚性的比如线、带、格等的普通电连接器具有挑 战性。
图31示出了连接到复合物1的软连接器120,该复合物1包括具有波紋 表面3的介电膜2，表面3设置有一层导电材料4。软连接器120和复合物1 的各自的导电部分124、 4经由导电粘接剂层127结合在一起，由此电连接 复合物1和软连接器120。
图32示出了如上所述即经由导电连接剂层127已经被结合在一起的两 个复合物1，且位于顶部上的复合物1被用作主电极而连接到电源。
图33示出了连接到复合物1的金属或金属涂布线或带128。该金属或金 属涂布线或带128适于连接到主电源。与上述的内容相似，金属或金属涂布 线或带128通过导电粘接剂127结合到复合物1的导电层4。然而，在该情 形，导电粘接剂127被设置使得其环绕金属或金属涂布线或带128的周边， 由此提供了金属或金属涂布线或带128和复合物1的导电层4之间的非常高 效的电4妻触。
图34示出了经由导电粘接剂127连接到复合物1的金属或金属涂布的 格带连接器122。如上所述，参考图33，导电粘接剂127被设置使得其完全 环绕金属或金属涂布的格带连接器122的一部分，由此提供非常好的电接触。
图35示出了经由层导电粘接剂127连接到复合物1的金属涂布塑料连接器121。如上所述，参考图31， 32，该导电粘接剂127层被设置于金属涂 布塑料连接器121的金属层126和复合物1的导电层4之间，由此提供两者 之间的电4妻触。
图36a示出了制造用于制造复合物例如图1中所示的复合物1的工具或 模的工艺。图36b示出了采用该工具制造复合物的工艺，且图36c示出了由 该复合物制造换能器的工艺。
由此，我们通过制造具有期望波紋轮廓的母模来开始所述工艺。我们可
刻法来制造该模。
对于硅片上的标准的光刻法，该曝光掩膜相对简单且可以优选呈现等间 距和平行的线，例如具有5樣i米宽和5微米间距。标准的石圭樣史机加工 (micromachining )方法而后用于蚀刻硅以形成所谓的V槽，即具有类似于 "V"的横截面形状的槽。 一系列的氧化和氢氟酸的蚀刻步骤然后被执行以 将该V槽结构转变成准正弦波紋，如果这是期望形状的话。
32cm。在激光干涉蚀刻中，两激光束，每个具有以扩展的光斑直径和沿光束 的剖面上具有均匀的能量分布，被用于在光致抗蚀剂涂布的玻璃衬底上导致 干涉。该工艺不需要任何曝光掩膜，并依赖于光学领域所公知的干涉现象。 曝光，显影和最终硬烤的结果就是被写入光致抗蚀剂中的直接正弦波形轮 廓，其中轮廓周期和幅值由激光束波长、激光束照射到光致抗蚀剂上的入射 角和光致抗蚀剂的厚度来决定。
在图36中所示的工艺的下一个步骤中，我们采用标准的无应力电4i工 艺制造所需的足够数量的镍拷贝或模，以在塑料巻上获得波紋状的微结构复 制品。这些镍复制品同样也被称作垫片(shim)，具有IOO微米范围的厚度。
圓周的一条"带"。使用薄垫片有助于弯曲它们而无需建立太大的应力而， 并随后围绕鼓的圆周巻绕该"带"。每个垫片相对于其邻居被放置，使得波 紋线以微米精度被调整，从而减少相邻垫片的线之间的任何角度失准。然后， 由镍模得到的该压印鼓的波紋状的微结构被精确的复制到塑料巻上。我们也 可以通过巻到巻(roll-to-roll)的微压印(紫外线或热固化)来这样作。巻到 巻压印允许生产具有几百米范围的长度的微压印的塑料材料的巻。我们使用以带或模的形式的该微压印的塑料巻作为载体网，用于生产具有单面或双面 波紋的介电膜，例如具有几百米长度范围的弹性体膜。
我们可通过已知的旋涂制造有限尺寸的波紋弹性体膜或片。这是一个不 连续的工艺，且膜或片的最大尺寸被模的尺寸所确定。生产工艺可选的类型 为对于聚合物工业开发的类型，比如粘接带，喷涂等， 一般称作"巻到巻涂 布"或"网涂布"。这些生产工艺是大规模、大容量和连续的工艺。
下一步，我们使用被微压印的塑料辊，例如采用巻到巻、逆转辊、凹印、
槽模(slot die)、珠(bead)或其它任何合适类型的涂布技术来制造弹性体 膜。结果，获得弹性体涂布的塑料膜。为此，逆转辊和凹印辊涂布技术被认 为在其它已知的技术中最有希望的，因为它们提供具有均匀和相对良好定义 的厚度的涂层。我们选择被压印的塑料辊或模和压印树脂的表面性能以至于 其允许被弹性体材料润湿。我们在洁净室环境中进行弹性体膜的生产工艺以 制造高品质的无针孔的弹性体膜。
我们暴露如上所述形成模上的没有固化的弹性体膜于热、紫外光或任何 其它能初始化交联的源，从而导致弹性体模固化。所选4奪的源将取决于所使 用的弹性体材料的类型，特别是所使用材料的固化机制。
而后我们在分层工艺中从模脱模固化的膜。为此使用合适的脱模工具。 优选地，我们可以选择模材料和弹性体材料以便于脱模工艺。固化的弹性体 对于衬底模的非常弱的粘接力是优选的。如果粘接力非常好，该脱模工艺会 失败并损坏该膜。单面波紋状的弹性体膜巻是该分层工艺的产品。
下一步，我们通过真空网金属化将金属电极沉积到弹性体膜的波紋表面 上。因此，将例如银、镍、金等的涂层的金属涂层施加到该波紋状表面。由 此，形成了复合物。
在具有数公里范围的长度的弹性体膜的大规模制造中的挑战不在于平 膜的生产，而是在于具有精确的和非常良好界定的微结构的单面或双面波紋 膜的生产。另 一挑战是使用比聚合物工业上通常出现的控制张力小几个量级 的受控张力来处理这些非常软的材料。当涂层的厚度仅为波紋图案的深度的 1/100时，具有可靠涂层的波紋状弹性体膜的金属化是生产工艺中的另一挑 战。
下一步，我们叠置涂布的弹性体膜即复合物，由此形成了如上所述的多 层复合物。然后我们巻绕该多层复合物以形成最终的巻绕的换能器结构。该巻绕的换能器结构经过精加工和切割，并施加了电连接。
最后，我们可以将完成的换能器与控制电子装置 一起集成到最终的产品 中，且该换能器就可以用了。
权利要求
1、一种多层复合物，包括至少两个复合物，每个复合物包括由介电材料制成的膜，且该膜具有前表面和后表面，该前表面包括凸起和凹陷表面部分的表面图案，和第一导电层，该第一导电层沉积于该表面图案上，该导电层具有由该膜的表面图案形成的波纹状。
2、 如权利要求1所述的多层复合物，其中该介电材料为聚合物。
3、 如权利要求1或2所述的多层复合物，其中该多层复合物被设置成 后表面相互面对。
4、 如权利要求3所述的多层复合物，其中该多层复合物包括一复合物， 该复合物被设置成其前表面面对所述至少两复合物之一的前表面。
5、 如权利要求1或2所述的多层复合物，其中该多层复合物被设置， 以使得一复合物的后表面面对一相邻复合物的前表面。
6、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该多层复合物由大量 复合物制成以足以实现使得该多层复合物弯曲的横截面积矩为每个单独的 复合物的面积转动惯量的平均值的至少2倍。
7、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该复合物被彼此粘接 接合。
8、 如权利要求7所述的多层复合物，其中该复合物通过使用粘接剂而 被粘接接合，该粘接剂具有至多与每个单个复合物的同一数量级的硬度。
9、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中每个复合物的膜的表 面图案实质相同。
10、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中每个复合物的膜的表 面图案包括形成沿一共同方向上延伸波峰和波谷的波形，该波形定义了导电 层的一柔性以在垂直于该共同方向的方向上变形，且由此确定了多层复合物 的各向异性的特征。
11、 如权利要求IO所述的多层复合物，其中该波形具有周期性重复的 形状。
12、 如权利要求10或11所述的多层复合物，其中所述波形具有沿实质 垂直于该共同方向的方向周期地变化的形状和/或尺寸。
13、 如权利要求10-12的任一所述的多层复合物，其中每个波形定义位于波峰和相邻的波谷之间的最短距离的高度，最大的波形具有最多平均波形高度的110%的高度。
14、 如权利要求10-13的任一所述的多层复合物，其中每个波形定义 了位于波峰和相邻的波谷之间的最短距离的 一个高度，最小的波形具有至少 平均波形高度的90%的高度。
15、 如权利要求10-14的任一所述的多层复合物，其中该膜具有10微 米和200微米之间的平均厚度。
16、 如权利要求10-15任一所述的多层复合物，其中波形的平均高度 和膜的平均厚度之间的比值处于1/50和1/2之间。
17、 如权利要求10-16任一所述的多层复合物，其中该波形的平均高 度为1/3微米和20微米之间。
18、 如权利要求10-17任一所述的多层复合物，其中该波形具有定义 为两波峰之间最短距离的 一波长，以及其中该波形的平均高度和平均波长之 间的比值为1/30和2之间。
19、 如权利要求10-18任一所述的多层复合物，其中第一导电层的平 均厚度和该波形的平均高度之间的比值处于1/1000和1/50之间。
20、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该第一导电层具有 0.01微米到0.1微米的范围的厚度。
21、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，包括实质上沿纵向方向长 于垂直的横向方向的复合物。
22、 如权利要求21所述的多层复合物，其中该表面图案形成了实质上 沿纵向方向延伸的波峰和波谷。
23、 如权利要求21所述的多层复合物，其中该表面图案形成了实质上 沿横向方向延伸的波峰和波谷。
24、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该表面图案包括多个 同样的子图案。
25、 如权利要求10-24任一所述的多层复合物，其中复合物层被相对 于彼此设置以提供一层波峰和另 一层波峰之间的最短可能距离。
26、 如权利要求10-25任一所述的多层复合物，其中复合物层被相对 于彼此设置以提供一层波峰和另 一层波峰之间的最长可能距离。
27、 如权利要求10-26任一所述的多层复合物，其中该多层复合物在 垂直于波峰和波谷的方向上纟皮预应变。
28、 如权利要求27所述的多层复合物，其中该多层复合物被一弹性可 变形结构拉伸。
29、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该多层复合物被设置 成与电控制装置连接以在电能和机械能之间转换。
30、 如权利要求29所述的多层复合物，其中该多层复合物被相对于一 物体设置以通过静电场力对该物体施加 一 压力。
31、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该多层复合物包括用 电隔离层覆盖的外周边。
32、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该膜由硅酮弹性体， 丙烯酸弹性体，或其组合制成。
33、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中复合物的膜被粘接以 直接接合到 一相邻复合物上。
34、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该第一导电层为金属。
35、 如权利要求34所述的多层复合物，其中该金属选自银、金、和镍 的纟且成的纟且。
36、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该两复合物形成一单 个连续膜的一部分，该单个连续膜由介电材料制成，该单个连续膜具有一前 表面，该前表面具有凸起和凹陷表面部分的表面图案，第一导电层被沉积于 该表面图案的第一部分上，第二导电层被沉积于该表面图案的第二部分上， 且该第一导电层和第二导电层彼此电隔离，其中该膜被折叠，巻绕或被另外 形成为多层结构，在该多层结构中第一和第二导电层在该膜的各层之间交替 设置。
37、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该复合物的膜形成具 有面对该导电层的第一和第二表面的介电层，该导电层定义驱动器的活性部分，其中导电层的电极部分覆盖了该介电层的两表面； 第一钝性部分和第二钝性部分，在第一和第二钝性部分中，仅介电层的一个表面被导电层之一覆盖；其中该第一钝性部分由第一表面上的导电层的接触部分所定义，且该第二钝性部分由第二表面上的导电层的接触部分所定义。
38、 如权利要求37所述的多层复合物，还包括电连接器，该电连接器 连接到每个接触部分，该电连接器延伸超出了该多层复合物的边缘部分以有 助于导电层到电源的电连接。
39、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中每个复合物具有一形 状，该形状实质上不受该膜和该导电层之间的接触的影响。
40、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该介电材料的电阻率 大于101GQ'cm。
41、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中该导电材料的电阻率 小于l(T4Q-cm。
42、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中每个复合物的介电材 料的电阻率大于10IDQ'cm。
43、 如上述任一权利要求所述的多层复合物，其中每个复合物的导电材 料的电阻率小于l(T4Q'cm。
44、 一种提供介电膜和导电层的多层复合物的方法，该方法包括 提供第一复合物，该第一复合物包括介电材料膜，该膜具有前表面和相对的后表面，该前表面包括凸起和凹陷表面部分的表面图案， 沉积导电层到该表面图案上，提供第二复合物，该第二复合物包括介电材料膜，该介电材料膜具有前 表面和相对的后表面，该前表面包括具有凸起和凹陷表面部分的表面图案， 沉积导电层以覆盖该表面图案的至少 一部分， 在该第二复合物上设置该第一复合物，和 相对于该第二复合物固定该第一复合物的位置。
45、 如权利要求44所述的方法，其中该位置通过使用提供于复合物之 间的粘接剂而固定。
46、 如权利要求45所述的方法，其中该位置通过使用位于复合物的边 缘部分的固定装置而固定。
47、 如权利要求44-46任一所述的方法，其中该复合物在一工艺中被 彼此叠置，在该工艺中，当该复合物向彼此偏置时，该复合物沿工艺方向向 前移动。
48、 如权利要求44-47任一所述的方法，其中通过提供具有凸起和凹 陷表面部分的表面图案的形状定义元件，并且提供一液态聚合物成分到该表面图案上以形成具有一表面的第一膜，该表面具有凸起和凹陷表面部分的复 制图案，从而提供了每个复合物的膜。
49、 如权利要求48所述的方法，其中通过使用相同的形状定义元件或使用同一形状定义元件而提供每个复合物的膜，和其中该复合物被相对于彼 此位移以将由形状定义元件产生的膜误差相对于彼此移位。
50、 如权利要求48或49所述的方法，进一步包括步骤 沉积第 一 导电层到该复制的表面图案上。
51、 一种制造多层复合物的方法，该方法包括提供一形状定义元件，该形状定义元件具有凸起和凹陷表面部分的表面 图案，提供一液态聚合物成分到该表面图案上，固化该液态聚合物成分以形成具有一表面的第一膜，该表面具有凸起和 凹陷表面部分的复制图案，用第一导电层涂布该复制图案的至少一部分，直接提供一 液态聚合物成分到该第 一膜上或到导电层上以提供第二膜， 预固化该液态聚合物成分，将形状定义元件压印到该第二膜上以提供第二复制图案， 固化该第二膜的聚合物成分，和 用第二导电层涂布该第二复制图案的至少一部分。
52、 如权利要求51所述的方法，其中至少下述步骤直接提供一 液态聚合物成分到该多层复合物的膜或到导电层以提供另 一膜，预固化该液态聚合物成分，将形状定义元件压印到该第二膜中以提供另 一复制图案， 固化该第二膜的聚合物成分，和 用导电层涂布到复制图案的至少一部分， 被重复执行以提供该多层复合物中的多个层。
53、 如权利要求51或52所述的方法，其中提供形状定义元件的步骤采 用具有不同表面图案的元件来重复。
54、 如权利要求44 - 53任一所述的方法，其中用第一导电层涂布膜的 步骤包括使用该膜的形状的步骤以成形该导电层。
55、 如权利要求44-54任一所述的方法，其中该导电层在物理气相沉 积工艺中^f皮沉积到该膜上。
56、 如权利要求44 - 55中任一所述的方法，其中该导电层以0.01-0.1 微米的厚度沉积到该膜上
57、 如权利要求56所述的方法，其中该厚度被石英晶体微量天平控制。
58、 如权利要求56或57所述的方法，其中该导电层在賊射工艺中制造。
59、 如权利要求56或57所述的方法，其中该导电层在电子束工艺中制造。
60、 如权利要求44- 59任一所述的方法，其中该沉积导电层的步骤包 括沉积第一导电层和在该第一导电层的顶部上沉积第二导电层。
61、 如权利要求60所述的方法，其中沉积该第一导电层的步骤和沉积 第二导电层的步骤以不同的沉积速率来进行。
62、 如权利要求60或61所述的方法，其中沉积第一导电层的步骤包括 沉积第 一材料，且沉积第二导电层的步骤包括沉积第二材料。
63、 如权利要求44-62任一所述的方法，其中该膜用等离子体处理以 提高导电层的粘接力。
64、 如权利要求63所述的方法，其中该处理用已知产生温和等离子体 的辉光放电而^l丸行。
65、 如权利要求63或64所述的方法，其中在等离子体处理的步骤后和 在该膜上沉积导电层的步骤之前，将粘接促进剂施加到该膜的至少所述部分 处。
66、 如权利要求65所述的方法，其中该粘接促进剂通过在该膜和该导 电层之间施加一层铬或钛而提供。
67、 如权利要求65或66所述的方法，其中粘接促进剂在物理气相沉积 工艺中施加到该介电材料的膜上。
68、 一种换能器，包括如权利要求1 - 43的任一的多层复合物。
全文摘要
本发明提供一种多层复合物及其制造方法。该多层复合物至少包括两复合物。每个复合物包括由介电材料制成的膜，且该膜具有前表面和后表面。该前表面包括凸起和凹陷表面部分的表面图案。另外，每个复合物包括第一导电层，该第一导电层沉积于该表面图案上。该导电层具有由该膜的表面图案形成的波纹状。该多层复合物能用于电能和机械能之间的转换，并由此用作一换能器。
文档编号H01L41/18GK101222016SQ20071030078
公开日2008年7月16日 申请日期2007年11月5日 优先权日2006年11月3日
发明者莫哈梅德·Y·本斯利梅恩 申请人:丹佛斯公司