Entwicklung temperaturstabiler Ferroelektretfolien und elektroakustischer Anwendungen auf Basis dieser Folien
Final Report Abstract
Aus dem Stand der Forschung ergaben sich die drei Hauptziele des nun abgeschlossenen DFG-Forschungsvorhabens: 1.) Herstellung von Ferroelektretfolien mit möglichst optimalen, anwendungsrelevanten Eigenschaften hinsichtlich der Größe der d33-Koeffizienten, deren Temperaturstabilität und der mechanischen Stabilität der Folien. 2.) Herstellung und Charakterisierung verschiedener, auf den Ferroelektretfolien basierenden Anwendungen. 3.) Direkte Herstellung von Wandlern unter Umgehung des Zwischenschritts der Folienherstellung aber unter Ausnutzung von Erkenntnissen aus der Folienherstellung. Temperaturstabile Ferroelektretfolien: Die ersten von uns hergestellten thermisch verklebten und periodischen Ferroelektretfolien auf Fluorpolymerbasis hatten den Nachteil, dass hohe Piezokonstanten oder gute mechanische Stabilität erreicht werden konnte aber nicht beides gleichzeitig. Der wichtigste im Antrag beschriebene Lösungsansatz war, dafür Sorge zu tragen, dass während des thermischen Verklebens genügend Restluft vorhanden ist, die ein Verkleben zwischen den Gitterdrähten zuverlässig verhindert, selbst wenn mit hoher Temperatur und hohem Druck gearbeitet wird, die zu einer stabilen Verklebung unterhalb der Drähte führen. Mehrere Variationen der beschriebenen Vorgehensweise wurden zur Herstellung von zweiund dreilagigen periodischen FEP-Verbundfolien eingesetzt. Es konnten dabei mechanisch sehr stabile Ferroelektretfolien hergestellt werden mit maximalen quasistatischen d33-Koeffizienten um 500 pC/N. Die Herstellung dieser Verbundfolien war allerdings signifikant aufwändiger, als die Herstellung der ursprünglichen Folien. Daher wurde im späteren Verlauf der Untersuchungen ein Verfahren eingesetzt, welches zum Zeitpunkt der Antragsstellung noch nicht bekannt war. Die Grundidee dabei ist, dass im Gegensatz zu früheren Vorgehensweisen nicht flache Folien thermisch verklebt werden sondern bereits periodisch verformte Folien. Diese Ausformungen schließen genügend Restluft ein, um das unerwünschte Verkleben der späteren Hohlräume zu verhindern. Zwei entscheidende Vorteile sind dabei die viel größere Gleichmäßigkeit der eingeschlossenen Restluftvolumina, die zu hohen Piezokonstanten und mechanischer Stabilität führt und die relativ einfache Herstellungsprozedur. Die zweite Herangehensweise zum Erhalt von temperaturstabilen Ferroelektretfolien liegt im Anlegen einer äußeren Gleichspannung, die die interne Elektretspannung verstärkt. Bei diesen gleichspannungsverstärkten Ferroelektretfolien konnte gezeigt werden, dass im Aktorbetrieb der Folien die Schwingungsamplituden (bzw. die „effektiven d33-Koeffizienten“ des Stapels) durch Faltung und Mehrfachfaltung der Folien vervielfacht werden können. Faltung der Folien bietet gegenüber einer normalen Stapelung dabei den Vorteil, dass die benötigte Gleichspannung nicht vervielfacht werden muss. Anwendungen von Ferroelektretfolien, Piezoelektretwandler: Die Entwicklungen und Untersuchungen an Piezoelektret-Mikrofonen wurden in unterschiedliche Richtungen weitergeführt. Zum einen wurden unsere früheren Mikrofone signifikant vereinfach, indem die Ferroelektretfolien bzw. die Folienstapel direkt auf einer Platine neben dem FET platziert wurden. Dabei wurde zusätzlich das Rauschverhalten dieser ersten Verstärkerstufe deutlich verbessert. Zum anderen wurden diese neuen Mikrofontypen nicht nur als omnidirektionale Mikrofone eingesetzt sondern auch zu Nahbesprechungsund Gradientenmikrofonen weiterentwickelt. Eine weitere Neuentwicklung waren Piezoelektret-Beschleunigungsaufnehmer, die als akustische Sensoren zur Körperschalldetektion aber auch in vielen anderen Anwendungen (Airbag, PDA, Tablet PC, ...) eingesetzt werden können. Unterschiedliche Varianten mit einer oder mehreren gestapelten oder gefalteten Folien, mit Ladungs- oder Spannungsausgang und mit im Gehäuse integriertem FET wurden entwickelt und charakterisiert. Es konnten sehr hohe Empfindlichkeiten von bis zu 200 pC/g und 6000 mV/g und weitere ausgezeichnete technische Daten erzielt werden. Elektretwandler: Neben Wandlern auf Ferroelektret-Basis flossen Erkenntnisse aus der Ferroelektretfolien- Erforschung auch direkt in die Entwicklung neuartiger Elektretwandler ein. Bei letzteren werden die Rückstellkräfte mittels weichen zellularen Folien erzeugt, während die Ladungsspeicherung in normalen (soliden und flachen) Elektretfolien erfolgt. Diese Aufteilung bringt gegenüber Ferroelektretfolien, die beide Funktionen erfüllen müssen, einige Vorteile. Insbesondere ist eine gute Temperaturstabilität problemlos zu erzielen. Es wurden sowohl Beschleunigungsaufnehmer als auch erste Mikrofone nach diesem Prinzip realisiert und untersucht, mit teilweise ausgezeichneten Ergebnissen. Die Elektret-Beschleunigungsaufnehmer wurden bereits systematisch untersucht. Unterschiedliche Typen mit Ladungs- und Spannungsausgang wurden gebaut und untersucht und ein theoretisches Modell der Aufnehmer erstellt. Die gemessenen Werte liegen etwa auf dem Level der Piezoelektret-Aufnehmer und sind in guter Übereinstimmung mit den berechneten Werten. Sowohl Piezoelektret-Mikrofone und -Beschleunigungsaufnehmer als auch ihre Elektret-Pendants sind inzwischen Gegenstand eines neuen DFG-Projekts und werden in diesem Rahmen weiter erforscht werden. Jeder der vier Sensortypen hat spezifische Vorteile die genauer erforscht und optimiert werden sollen. Gegenüber MEMS-Beschleunigungs-Aufnehmern besteht der große Vorteil in der möglichen Verwendung von viel größeren seismischen Massen und den damit einhergehenden höheren Empfindlichkeiten und besserem Rauschverhalten. Analoges gilt für die Mikrofontypen. Die räumlich enge Kombination von Mikrofonen und Beschleunigungsaufnehmern erlaubt die gleichzeitige Messung von Luft- und Körperschall und auch deren gegenseitige Kompensation. Wir erwarten, dass derartige Sensorkombinationen in Zukunft beispielsweise in adaptronischen Anwendungen oder aktiven Schall- und Schwingungsdämpfungssystemen in Form von Arrays eingesetzt werden. Bei der großen Anzahl derartiger Kombi-Sensoren spielt dann auch die Möglichkeit der kostengünstigen Herstellung der Elektret- und Piezoelektret-Sensoren eine gewichtige Rolle.
Publications
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"Ferroelectret-film accelerometers with high sensitivities" in International Conference on Acoustics, NAG/DAGA '09, Deutsche Gesellschaft für Akustik, pp. 144-145, 2009
M. Kodejska, J. Hillenbrand, and G. M. Sessler
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Broadband Ferroelectret Transducers, in 2009 IEEE International Ultrasonics Symposium, pp. 393-397 (Roma, 2009)
G. M. Sessler and J. Hillenbrand
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"Electret transducers for measuring acceleration and structure-borne sound", Proc. ISMA 2010, Int. Conf. on Noise and Vibration Engineering, Leuven, Belgium, September 20-22, pp. 571-579, (2010)
J. Hillenbrand, S. Haberzettl, T. Motz, and G. M. Sessler
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"Ferroelectret-film accelerometers", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 17, Issue 4, pp. 1021-1027, 2010
J. Hillenbrand, M. Kodejska, Y. Garcin, H. v. Seggern, and G. M. Sessler
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"Close-talking piezoelectret microphone-arrays", in Proc. of the 14th Int. Symposium on Electrets, pp. 27 - 28 , (Montpellier, 2011)
J. Hillenbrand, S. Haberzettl, and G. M. Sessler
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"Electret accelerometers: Physics and dynamic characterization", J. Acoust. Soc. Am. Vol. 129, Issue 6, pp. 3682- 3689 (2011)
J. Hillenbrand, S. Haberzettl, T. Motz, and G. M. Sessler
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"Modale Beschleunigungsaufnehmer-Arrays auf Basis von Piezoelektret-Folien", in Fortschritte der Akustik, DAGA’10 (Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V., 2011), pp. 197 - 198
P. Pondrom, L. Stein, L. Kurtze, J. Hillenbrand, J. Bös, H. Hanselka und G. M. Sessler
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"Voltage sensitivity of electretand piezoelectret-accelerometers", in Proc. of the 14th Int. Symposium on Electrets, pp. 219 - 220, (Montpellier, 2011)
J. Hillenbrand, S.Haberzettl, T. Motz, and G. M. Sessler
