СПОСОБ ВНЕДРЕНИЯ ИЛИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В СЛОЕ Российский патент 2018 года по МПК H01L41/18 

Изобретение относится к способу внедрения или диспергирования частиц с пьезоэлектрическими свойствами, например частиц кварца, внутрь слоя или субстрата (предпочтительно содержащий способные поляризоваться полимеры), который выполнен с возможностью изменения посредством электромагнитного поля для варьирования его удельного электрического сопротивления, от диэлектрика к проводнику и наоборот. Изобретение также относится к получаемому субстрату, указанным частицам и их применению.

В другой патентной заявке, на которую ссылаются в данном документе, заявитель описывает субстрат или краску, способную поляризоваться посредством, например, лазера, причем для придания краске также и пьезоэлектрических свойств диспергируется некоторое количество кварца.

Если подвергнутый влиянию внешней силы кварц способен генерировать электрический сигнал (напряжение и ток), который посредством токопроводящей дорожки, осуществленной в краске, перемещается в заданное местоположение. Непосредственно кварц может прикладывать силу к краске или субстрату, если осуществлен подвод электричества с подходящей частотой импульсов посредством вышеупомянутой дорожки.

Остается нерешенной задача, как легко внедрить частицы с пьезоэлектрическим эффектом, такие как вышеупомянутый кварц, в краску или субстрат для достижения желаемого результата.

В данном изобретении предлагается решение задачи посредством способа, изложенного в пункте 1 формулы изобретения.

При применении кварца выгодно диспергировать в матрице или субстрате, преимущественно на основе растворителя, порошковый материал, содержащий кварц, известный как «загруженный кварц», который оснащается микроэлектродами, предпочтительно металлическими, для накопления или подачи электрического заряда. Процесс загрузки кварца включает сублимирование двух листов проводника над и под слоем кварца при высокой температуре (около 700°С), спекание их при 1000°C и дальнейшее охлаждение при температуре около 200°C для того, чтобы затем подвергнуть их воздействию электрического поля порядка 3000 В/см для расположения всех кварцевых частиц с электродами параллельно и вдоль друг друга. В результате из ориентированного кварца, помещенного между двумя листами проводника, образуется структура типа «сэндвич».

В соответствии с идеей изобретения такая структура типа «сэндвич» является основанием для образования частиц кварца Ρ (см. фиг. 1) настолько мелких, насколько необходимо, каждая из которых содержит два электрода Е. Затем в субстрате диспергируются частицы Р.

Кварц в чистом виде действительно является только примером варианта осуществления для пьезоэлектрического компонента частицы. Кварц можно заменить любым материалом с пьезоэлектрическими свойствами. В частности, обоснована выгода применения частиц ΡΖΤ внутри, так как его Pb и Ti компоненты действуют как противоэлектрод по отношению к компоненту из кварца в PZT.

Другая задача, в сущности, заключается в последующей ориентации указанных частиц с пьезоэлектрическими свойствами. На фиг. 1 показаны, например, частицы ориентированного кварца относительно друг друга. В частности, если кварц или PZT генерируют импульсы заряда, возникающие вслед за импульсной силой или нагрузкой, то максимальная выработка энергии достигается только тогда, когда кварц или PZT ориентированы параллельно направлению импульсной силы. Другими словами, эти микроэлектроды каждой из частиц кварца или PZT должны выравниваться по линии действия силы для получения ее максимального компонента. Кроме того, каждое применение может требовать различной ориентации. Например, если сила, вызывающая нагрузку, является транспортным средством, а субстрат расположен на дороге, то ясно, что кварцевые кристаллы или PZT преимущественно должны быть наклонены относительно перпендикуляра к поверхности дороги по направлению к приближающемуся транспортному средству. Только в этом случае компонент, образованной в результате движения, повлияет на эксплуатируемый субстрат.

Описанный выше способ спекания может, по большей части, производить (см. фиг. 1, слева) кварц Q, диспергированный в субстрате 10, который содержит два электрода E, оси X которых ориентированы в основном перпендикулярно основной поверхности S субстрата 10 (параллельно линии Η перпендикулярно S).

Настоящее изобретение ставит задачей решение этой проблемы посредством способа, изложенного в п. 4 или п. 21 формулы изобретения, в которых определен способ для ориентирования обладающих пьезоэлектрическими свойствами частиц, диспергированных в слой материала, который выполнен с возможность изменения посредством электромагнитного поля для варьирования его удельного электрического сопротивления, от диэлектрика к проводнику или наоборот, отличающийся тем, то частицы выравниваются посредством магнитного поля для их ориентации.

Ориентация всех частиц Qinv (см. фиг. 1 справа или фиг. 3, частицы 90 слева) в любом необходимом направлении (ось Y) возможна не при одном только применении магнитного поля, но даже и при очень низких температурах, например, максимум 150°C, при которых субстрат все еще находится в гелеобразном состоянии и на является сухим, а также отсутствует риск повреждений в результате высокой температуры. В предшествующем уровне техники вместо применения электрического поля к твердому «сэндвичу» и не жидкому субстрату, требуется нагрев материала до высокой температуры, что влечет за собой проблемы, связанные с повреждениями. Ось X частиц Qinv, 90 по желанию может быть просто ориентирована направлением магнитного поля в желаемое направление. Частицы Qinv, 90 плавают в субстрате 10 до затвердевания и вращаются для ориентации сами по себе без значительных препятствий.

Как бы то ни было, применение обоих изложенных выше способов возможно либо по отдельности, либо совместно.

Решение задачи по ориентации частиц посредством магнитного поля может также применяться для частиц, содержащих PZT вместо кварца, с преимуществами, которые достигаются внедрением в структуру частиц (см. фиг. 2, частица 90) слоя из или любого ферромагнитного металла (с 1-4 свободными электронами). Частица 90 образована внутренним слоем 60 из PZT, на который помещен слой или компонент 54 из ферромагнитного металла, например железа, которое является недорогим. Конструкция помещается между двумя внешними электропроводными слоями 50, 64, например, из металла, например, из серебра. Для слоя 54, например, могут использоваться феррит кобальта, феррит или общая железистая структура. Слои 50, 64 служат для накопления зарядов, генерируемых в PZT, или для проведения электрического сигнала к частице 90.

Следует отметить, что структура частицы 90 также является инновационной.

Слой или компонент 54 может быть внедрен в частицу 90 после сбора слоев 50, 60, 64 при помощи, например, диффузии в ячейке Эдвардса или электронной привязки.

Частица 90 преимущественно имеет форму практически в виде куба, например имеет стенки, равные 50 мкм, оптимально равные 10-20 мкм. Такая толщина хорошо подходит для покрытия тонким слоем субстрата 10, который распыляется или наносится кисточкой. Кубическая форма достигает подрезанием подложки, например, 1 см × 1 см × 50 мкм.

Частица 90 в лабораторных условиях обеспечивается приблизительно 140 пКл/Н² (на площади 1/20 мм).

Магнитное поле может быть постоянным, но более выгодно, когда оно переменное, генерируемое, например, индукционной катушкой, на частотах порядка, например, кГц, так как оно периодически индуцирует на частицы определенный импульс, и время от времени он может ориентировать кварц, не создавая напряжения в материале.

Для окончательной стабилизации конфигурации частиц загруженного кварца используется простой и эффективный способ обработки субстрата УФ-излучением. Что касается УФ-излучения, то можно применять УФ-изучение обычного типа, например, такое, которое применяется для сушки краски.

Способ ориентирования указанных частиц, например, тех, что обозначены позицией 90 (см. фиг. 3), может быть следующим.

После диспергирования частиц 90 в случайном порядке во все еще жидкий субстрат 10 (на фиг. 3 такие же ссылочные позиции, что и на фиг. 1 или 2 имеют то же вышеуказанное значение), субстрат может подвергаться влиянию источника 80 магнитного поля (например, такого, как для кварца), предназначенного для генерирования в окружающее пространство линий действия силы 82. Путем преобразования и/или вращения источника 80 варьируются оси частиц 90 для изменения их от конфигурации с осью Υ до конфигурации с осью X, в которых уложенные плиты слоев 50, 60, 64 в основном (или почти) параллельны поверхности S.

Вариацией является изменение ориентации осей Υ, если субстрат 10 затвердевает или находится в твердом состоянии. Субстрат 10 может быть размягчен при нагреве посредством, например, расфокусированного лазерного луча, а затем подвергаться воздействию при помощи источника 80, как уже указано выше. После удаления источника, вызывающего нагрев, субстрат 10 повторно затвердевает с частицами, ориентированными внутри. Преимуществом использования лазера, кроме обеспечения низких затрат, является точность, с которой определяется область размягчения, поэтому в субстрате 10 возможно осуществлять влияние в определенном месте с необходимым разрешением.

Указанным субстратом или матрицей, которая содержит все диспергированные элементы, описанные ниже, может быть, в общем, растворитель, преимущественно ароматический. В частности, является преимущественным использование бензола, преимущественно дихлорбензола (так как он хорошо растворяет тиофен), дихлорметана или разбавителя азотного вида.

Следует отметить, что как краска, так и субстрат в общем случае являются достаточными для использования субстрата, выполненного с возможностью изменения снаружи посредством, например, электромагнитного поля или лазера, для варьирования его удельного электрического сопротивления, от диэлектрика до проводника и наоборот. В этом случае можно создавать токопроводящие дорожки внутри субстрата для возбуждения, перемещения или получения сигнала (напряжения или тока) к указанным пьезоэлектрическим частицам.

Наряду с оксидами металлов в субстрате могут быть дополнительные компоненты, такие как, например, графит. Графиты являются превосходными легирующими средствами, в основном из-за своей высокой электропроводности. Фуллерен и графен относятся к специфическому подсемейству графита, использование которого является очень выгодными, так как особо выделяются указанные свойства.

Оксиды металлов могут быть:

- свободно диспергированы в случайном порядке в окрашивающую матрицу, основанную, например, на винилацетате или виниловом эфире, или

- диспергированы также в матрицу из полимеров с сопряженной ковалентной двойной связью, другими словами, из гетероциклических соединений, образованных из η атомов углерода и одного атома другого вида, связанного в соответствии с кольцевой структурой.

Одним предпочтительным семейством этих полимеров является бутадиен, который характеризуется очень устойчивой молекулой.

Другим предпочтительным семейством полимеров является тиофен или политиофен, который замещает винил. Молекулы тиофена обладают отличительными признаками, как будет показано далее, расположения себя пластами, другими словами, полностью на плите без наложения друг на друга. Кроме того, атом серы в тиофене обладает большим электронным сродством с матрицей. По существу, тиофен содержит свободный атом серы, который действует как связующее вещество между изометрическими цепями в процессе полимеризации.

Тиофен и бутадиен также могут смешиваться друг с другом в матрице.

Вышеуказанные полимеры и графиты могут объединяться друг с другом в матрице с оксидами металла. Однако следует отметить, что один или несколько из указанных полимеров также могут использоваться в матрице отдельно без вспомогательных средств в виде оксидов и/или их заменителей (все, описанное для оставшейся части субстрата, по-прежнему имеет место).

Хлорид железа или хлорид алюминия, с или без красящих пигментов, могут добавляться к оксидам металлов в дополнение к полимерам или, если они используются отдельно, только к первым или вторым. Такие хлориды являются сильными лигирующими средствами и оба являются подходящими, так как они устраняют явление гистерезиса, о котором будет говориться ниже, а также потому, что они обладают отличительной способностью испускать/принимать электроны. В частности, хлорид железа или хлорид алюминия являются оксидами, растворенными в хлоре, который хорошо растворяется в тиофене, являющемся пластиком. Отличная гомогенизация обеспечивает отличное сообщение на электронном уровне, что способствует обмену электронов в направлении полимера (например, тиофена).

Оксиды металлов могут, например, состоять из оксидов железа в составе Fe₂O₃, или Fe₃O₄, или еще лучше, для улучшенной кривой намагничивания/магнитного насыщения, из оксидов хрома или диоксидов в составе CrO₂.

Оксиды металлов со вспомогательным графитом и/или вспомогательными полимерами диспергируются в окрашивающей матрице или субстрате.

В смесь краски могут загружаться оксиды металлов или также только один или несколько из указанных полимеров, преимущественно тиофен, и, как указывалось, некоторое количество кварца (один или несколько из его 19 семейств), в частности, BaТiO₃ или PbTiO₃. Компонент, содержащий TiO₃, обладает преимуществом, так как обладает хорошим схватыванием, не сохнет и также обладает возможностью образовывать свободные электроны, обладающие малым количеством энергии.

Как говорилось, сигналы или ток могут генерироваться в определенных местах в вышеупомянутой краске или субстрате, или матрице посредством нажатия на нее пальцем или любым другим элементом, или весом, или другим устройством. При помощи лазерного луча создаются токолроводящие дорожки для накопления от электродов частиц Qinv или 90 электрических сигналов, или же для подачи последних на электроды.

Для увеличения проводимости субстрата также может использоваться кварц с крупным гранулометрическим составом. Однако кварц, диспергированный в матрицу, в частности в матрицу из тиофена, может являться препятствием на пути токопроводящих дорожек. В действительности кварц не проводит ток и дорожка может прерываться. Эта задача решается обеспечением слоя матрицы с заряженным кварцем, уложенным поверх слоя без него. В частности, наносится первый субстрат, скомпонованный как описано, затем, когда он высох, второй субстрат наносится поверх первого субстрата. Указанные частицы заряженного кварца затем диспергируются во втором субстрате, а затем им придается определенная пространственная ориентация, где это необходимо. В конце два слоя образуют единый блок.

Как правило, субстрат или матрица 10 с вышеупомянутыми пьезоэлектрическими частицами могут служить в качестве или образовывать:

датчик обнаружения, или

контактную обратную связь для обеспечения пользователя возможностью взаимодействовать с подсистемой посредством прикосновения или контакта, или

исполнительную систему,

сенсорную систему, или все вместе.

Например, в робототехнике, видеоиграх, сенсорных дисплеях и других интерактивных системах, в которых обеспечивается взаимодействие посредством прикосновения, субстрат или матрица 10, описанные в данном документе, являются идеальными для производства контактного интерфейса и/или генерирования контактной обратной связи (субстрат приводится в действие, таким образом изменяя размеры частиц пьезоэлектрических частиц и/или электрический сигнал, генерируемый нажатием на субстрат или матрицу 10, принимается от пьезоэлектрических частиц). Например, субстрат или матрица 10 могут содержаться или входить в состав сенсорного дисплея или клавиатуры.

Другим предпочтительным применением субстрата или матрицы 10 является производство датчиков обнаружения (например, для определения положения двери автомобиля, присутствия руки на подлокотнике, положения тела пилота относительно поверхности сиденья, присутствия ноги на педели,…). Нажатие на пьезоэлектрические частицы генерирует соответствующий сигнал, который интерпретируется электронной схемой, выполненной с возможностью определения присутствия объектов.

Использование: для внедрения или диспергирования кварца в субстрате. Сущность изобретения заключается в том, что способ внедрения или диспергирования частиц с пьезоэлектрическими свойствами в субстрате, выполненном с возможностью изменения посредством электромагнитного поля для варьирования его удельного электрического сопротивления, от диэлектрика к проводнику и наоборот, частицы, содержащие в структуре типа «сэндвич» два слоя проводников и один слой материала с пьезоэлектрическими свойствами в середине, диспергируют в субстрате. Технический результат: обеспечение возможности внедрения частиц с пьезоэлектрическим эффектом в субстрат. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ внедрения или диспергирования частиц (Р; 90) с пьезоэлектрическими свойствами в субстрате (10), выполненном с возможностью изменения посредством электромагнитного поля для варьирования его удельного электрического сопротивления, от диэлектрика к проводнику и наоборот, отличающийся тем, что

- частицы (Р; 90), содержащие в структуре типа «сэндвич» два слоя проводников (Е; 50, 64) и один слой материала с пьезоэлектрическими свойствами (Qinv; 60) в середине, диспергируют в субстрате.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные частицы получают путем измельчения порошкового материала, содержащего в структуре типа «сэндвич» два слоя (Е) проводников и слой (Qinv) кварца в середине.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что материалом с пьезоэлектрическими свойствами является PZT.

4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что

- частицы (Р; 90), диспергированные в субстрате, пространственно ориентируют посредством магнитного поля.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что магнитное поле является переменным магнитным полем.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют субстрат (10), содержащий полимер с сопряженной ковалентной двойной связью, другими словами, гетероциклическое соединение, образованное из n атомов углерода и одного атома другого вида, связанного в кольцевой структуре.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что включает в качестве полимера тиофен, и/или политиофен, и/или бутадиен.

8. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что

- распределяют субстрат, изготовленный по любому из предыдущих пунктов;

- второй субстрат, изготовленный по любому из предыдущих пунктов, распределяют поверх первого субстрата после высыхания последнего;

- указанные частицы диспергируют во втором субстрате.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к частицам присоединяют слой из ферромагнитного металла.

10. Соединение, содержащее:

- субстрат (10), и

- дисперсию в субстрате, содержащую:

- материал, выполненный с возможностью изменения от проводника до диэлектрика и наоборот под влиянием электромагнитного поля, и

- частицы (Р; 90), оснащенные двумя электродами (Е; 54, 60) и промежуточным слоем из материала с пьезоэлектрическими свойствами (Р; 90), который предназначен для подачи или приема электрического заряда к/от субстрата за счет явления пьезоэлектричества.

11. Соединение по п. 10, отличающееся тем, что геометрические оси (Y), проходящие через электроды указанных частиц, в основном имеют такую же пространственную ориентацию.

12. Соединение по п. 11, отличающееся тем, что субстрат в основном проходит вдоль поверхности (S), а указанные оси (Y) наклонены относительно перпендикуляра (Н) к этой поверхности (S).

13. Соединение по п. 10, отличающееся тем, что содержит способные поляризоваться полимеры, такие как тиофен, и/или политиофен, и/или бутадиен.

14. Соединение по п. 10, отличающееся тем, что содержит второй субстрат из растворителя, расположенный поверх первого субстрата, при этом второй субстрат изготовлен по одному из пп. 10-13, но без указанных частиц.

15. Соединение по п. 10, отличающееся тем, что материалом с пьезоэлектрическими свойствами является PZT.

16. Соединение по п. 10, отличающееся тем, что частицы соединены со слоем из ферромагнитного металла или с ферромагнитным металлом.

17. Частица (90) соединения, образованная посредством:

- двух токопроводящих электродов (50, 54), между которыми находится

- слой (54) из ферромагнитного металла или ферромагнитный металл, соединенный со слоем (60) из PZT.

18. Частица (90) по п. 17, образованная слоями, соприкасающимися друг с другом и содержащими в следующем порядке:

- электропроводный слой (50),

- слой (54) из ферромагнитного металла или ферромагнитный металл,

- слой (60) из PZT,

- электропроводный слой (64).

19. Частица (90) по п. 17 или 18, отличающаяся тем, что один из двух или оба электропроводных слоя (50, 64) изготовлены из серебра.

20. Частица (90) по п. 17 или 18, отличающаяся тем, что слой из ферромагнитного металла или ферромагнитный металл изготовлен из железа, или феррита кобальта, или феррита, или общей железистой структуры.

21. Способ ориентирования частиц (Р; 90), обладающих пьезоэлектрическими свойствами, диспергированных в слое (10) материала, изменяемого посредством электромагнитного поля (82) для варьирования его удельного электрического сопротивления, от диэлектрика до проводника и наоборот, отличающийся тем, что частицы выравнивают посредством магнитного поля (80, 82) для их ориентирования.

22. Датчик обнаружения, или контактная обратная связь, или сенсорный дисплей, или клавиатура, содержащие слой, содержащий внутри пьезоэлектрические частицы по одному из пп. 17-20.