DE102008048051B4 - Component and method for contacting a device - Google Patents
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Abstract
Bauelement (1), das – eine keramische Matrix (5), – mindestens eine Innenelektrode (2), die in der keramischen Matrix (5) angeordnet ist und an einer ersten Oberfläche (7) freigelegt ist, – mindestens einen elektrisch leitenden Sammelkontakt (8, 10), der mit der Innenelektrode (2) elektrisch verbunden ist, und – eine äußere Schicht (18) aufweist, wobei die äußere Schicht (18) eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt (8, 10) ausübt, wobei das Bauelement (1) ferner eine Isolationsschicht (15) aufweist, die zwischen der keramischen Matrix (5) und dem Sammelkontakt (8, 10) angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht (15) mindestens eine Durchöffnung (16) aufweist, die zumindest einen Teil der Innenelektrode (2) freilegt, wobei die Isolationsschicht (15) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts (8, 10).Component (1) comprising: - a ceramic matrix (5), - at least one inner electrode (2) arranged in the ceramic matrix (5) and exposed on a first surface (7), - at least one electrically conductive collecting contact ( 8, 10) which is electrically connected to the inner electrode (2), and - an outer layer (18), wherein the outer layer (18) exerts a compressive bias on the collecting contact (8, 10), wherein the component (1 ) further comprises an insulating layer (15) arranged between the ceramic matrix (5) and the collecting contact (8, 10), wherein the insulating layer (15) has at least one through opening (16) which forms at least a part of the inner electrode (2 ), wherein the insulating layer (15) has a thermal expansion coefficient smaller than the thermal expansion coefficient of the collecting contact (8, 10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere ein elektrokeramisches Bauelement wie einen Piezoaktor sowie ein Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements.The invention relates to a component, in particular an electroceramic component such as a piezoelectric actuator and a method for contacting a component.
Elektrokeramische Bauelemente wie Piezoaktoren weisen eine keramische Matrix mit mindestens einer Innenelektrode auf, die im keramischen Körper angeordnet ist und an einer Oberfläche freigelegt ist. Ein Piezoaktor kann auch in Form eines Vielschichtpiezoaktors ausgebildet werden, der eine Vielzahl piezoelektrisch aktiver keramischer Lagen und metallischer Innenelektrodenlagen aufweist, die abwechselnd aufeinander gestapelt sind. Bei einem Vielschichtpiezoaktor weisen die Oberflächen eine Vielzahl streifenförmiger metallischer Innenelektroden und piezoelektrisch aktive keramische Bereiche auf. Die
Diese elektronischen Bauelemente weisen typischerweise großflächige metallische Außenkontakte auf, die zumindest zum Teil auf der keramischen Matrix des Bauelements angeordnet sind und in elektrischer Verbindung mit den Innenelektroden stehen.These electronic components typically have large-area metallic external contacts, which are arranged at least partially on the ceramic matrix of the component and are in electrical connection with the internal electrodes.
Piezoelektrisch aktive Bauelemente sind auch auf Grund der mechanischen Verformung der piezoelektrisch aktiven Matrix rissanfällig. Diese mechanische Verformung kann auch zu einer zusätzlichen Belastung der Außenkontakte führen, wie in der
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Kontaktierung zwischen den Innenelektroden und dem Außenkontakt ist aus der
Die
Die
In
Weitere Verbesserungen zum Herstellen eines zuverlässigeren Kontaktierens mit einem Bauteil mit Innenelektroden sowie zum Bereitstellen eines zuverlässigeren Bauelements sind jedoch wünschenswert.However, further improvements to making more reliable bonding to a device with internal electrodes and to providing a more reliable device are desirable.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektronisches Bauelement mit einer keramischen Matrix und mindestens einer Innenelektrode vorzusehen, das zuverlässiger ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements mit einer keramischen Matrix und mindestens einer Innenelektrode vorzusehen, wobei ein zuverlässigerer Kontakt gebildet wird.The object of the invention is therefore to provide an electronic component with a ceramic matrix and at least one inner electrode, which is more reliable. A further object of the invention is to provide a method for contacting a component with a ceramic matrix and at least one inner electrode, wherein a more reliable contact is formed.
Gelöst ist dies mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.This is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the respective dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Bauelement vorgesehen, das eine keramische Matrix, mindestens eine Innenelektrode, die in der keramischen Matrix angeordnet ist und an einer ersten Oberfläche freigelegt ist und mindestens einen elektrisch leitenden Sammelkontakt, der mit der Innenelektrode elektrisch verbunden ist, und eine weitere äußere Schicht aufweist. Die äußere Schicht übt eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt aus. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht ist kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts.According to the invention, a component is provided which has a ceramic matrix, at least one inner electrode which is arranged in the ceramic matrix and is exposed on a first surface and at least one electrically conductive collecting contact, which is electrically connected to the inner electrode, and a further outer layer , The outer layer exerts a compressive bias on the collecting contact. The thermal expansion coefficient of the outer layer is smaller than the coefficient of thermal expansion of the collective contact.
Auf Grund ausgewählter Wärmausdehnungskoeffizienten übt die äußere Schicht eine Druckvorspannung auf den darunter liegenden Sammelkontakt und die Innenelektrode aus. Insbesondere ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts.Due to selected coefficients of thermal expansion, the outer layer exerts a compressive bias on the underlying collector contact and the inner electrode. In particular, the thermal expansion coefficient of the outer layer is smaller than the coefficient of thermal expansion of the collecting contact.
Die Zuverlässigkeit der Kontaktierung zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode wird durch die äußere Schicht verbessert, da sie den Sammelkontakt an die Innenelektrode mechanisch drückt und das Abheben des Sammelkontakts von der Innenelektrode verhindert oder zumindest behindert.The reliability of the contact between the collecting contact and the inner electrode is improved by the outer layer, since it mechanically presses the collecting contact to the inner electrode and prevents or at least impedes the lifting of the collecting contact from the inner electrode.
Die Innenelektrode ist an einer ersten Oberfläche freigelegt und nicht von der keramischen Matrix umhüllt. Dieser freigelegte Teil der Innenelektrode dient als eine elektrisch leitende Kontaktfläche. Der Sammelkontakt kann direkt auf der Innenelektrode angeordnet sein, um die elektrische Verbindung zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode herzustellen.The inner electrode is exposed on a first surface and is not covered by the ceramic matrix. This exposed part of the inner electrode serves as an electrically conductive contact surface. The collective contact can be directly on the Inner electrode may be arranged to establish the electrical connection between the collecting contact and the inner electrode.
Die Druckvorspannung kann ferner den elektrischen Kontakt zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode verbessern, da auf Grund des Drucks die Kontaktfläche zwischen den elektrisch leitenden Partikeln des Sammelkontakts und der Innenelektrode vergrößert und der elektrische Kontaktwiderstand reduziert wird. Folglich wird bei einem Bauelement zur Verwendung als Aktor in einem Einspritzventil eine für die gewünschten kurzen Pulsdauern, hohen Ansteuerspannungen und erheblichen Anwendungstemperaturen ausreichend große Lebensdauer und Zuverlässigkeit gewährleistet.The pressure bias may further improve the electrical contact between the collecting contact and the inner electrode, because of the pressure increases the contact area between the electrically conductive particles of the collecting contact and the inner electrode and the electrical contact resistance is reduced. Consequently, in a component for use as an actuator in an injection valve, a sufficiently long service life and reliability is ensured for the desired short pulse durations, high drive voltages and considerable application temperatures.
Die äußere Schicht kann direkt oder indirekt auf dem Sammelkontakt angeordnet werden. Der Begriff indirekt wird verwendet, um eine Anordnung zu bezeichnen, bei der eine weitere Schicht zwischen der äußeren Schicht und dem Sammelkontakt angeordnet ist. Diese zusätzliche Schicht kann elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein. Es ist auch nicht ausgeschlossen, eine weitere Schicht auf der äußeren Schicht anzuordnen.The outer layer can be arranged directly or indirectly on the collecting contact. The term indirectly is used to denote an arrangement in which another layer is disposed between the outer layer and the collecting contact. This additional layer may be electrically conductive or electrically insulating. It is also not excluded to arrange another layer on the outer layer.
Im Falle, dass die äußere Schicht indirekt auf dem Sammelkontakt angeordnet ist, wird die Druckvorspannung über der dazwischen angeordneten Schicht auf den Sammelkontakt übertragen.In the case that the outer layer is disposed indirectly on the collecting contact, the pressure bias is transmitted to the collecting contact via the layer arranged therebetween.
Die äußere Schicht kann aus einer geschrumpften Kunststofffolie bestehen, die einen mechanischen Druck auf den Sammelkontakt ausübt.The outer layer may consist of a shrunken plastic film which exerts a mechanical pressure on the collecting contact.
Der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Schicht und dem Wärmausdehnungskoeffizienten des Sammelkontakts wird durch eine geeignete Materialauswahl der äußeren Schicht sowie des Sammelkontakts erzeugt. Durch diese Materialauswahl kann die Höhe der Druckvorspannung eingestellt werden.The difference between the coefficient of thermal expansion of the outer layer and the coefficient of thermal expansion of the collector contact is created by a suitable choice of material of the outer layer and of the collector contact. Through this material selection, the height of the pressure bias can be adjusted.
Die Druckvorspannung, die die äußere Schicht ausübt, kann bei höheren Temperaturen erhöht werden. Bei zunehmend höheren Temperaturen vergrößert sich das Volumen der Schutzschicht weniger als das Volumen des Sammelkontakts, so dass eine Druckvorspannung bei der Anwendungstemperatur ausgeübt wird. Durch eine geeignete Auswahl von Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Temperaturabhängigkeit kann diese Druckspannung bei erhöhten Temperaturen weiter erhöht werden.The compressive bias exerted by the outer layer can be increased at higher temperatures. At increasingly higher temperatures, the volume of the protective layer increases less than the volume of the collective contact, so that a pressure bias is applied at the application temperature. By a suitable selection of thermal expansion coefficients and their temperature dependence, this compressive stress can be further increased at elevated temperatures.
Dies hat den Vorteil, dass die Druckvorspannung, die die äußere Schicht ausübt, bei höheren Temperaturen erhöht werden kann. Bei zunehmend höheren Temperaturen vergrößert sich das Volumen der Schutzschicht weniger als das Volumen des Sammelkontakts, so dass eine Druckvorspannung bei der Anwendungstemperatur ausgeübt wird. Durch eine geeignete Auswahl von Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Temperaturabhängigkeit kann diese Druckspannung bei erhöhten Temperaturen weiter erhöht werden.This has the advantage that the compressive bias exerted by the outer layer can be increased at higher temperatures. At increasingly higher temperatures, the volume of the protective layer increases less than the volume of the collective contact, so that a pressure bias is applied at the application temperature. By a suitable selection of thermal expansion coefficients and their temperature dependence, this compressive stress can be further increased at elevated temperatures.
In einem Ausführungsbeispiel ist in einem Temperaturbereich von –50°C bis zu 180°C der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts. Dieser Temperaturbereich entspricht einem herkömmlichen Lagerungstemperaturbereich. Wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten diese Bedingung erfüllen, wird gewährleistet, dass während der Lagerung des Bauteils eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt von der äußeren Schicht ausgeübt wird. Folglich wird vermieden, dass auf Grund einer Entspannung des Drucks auf den Sammelkontakt während der Lagerung sich Risse zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode bilden.In one embodiment, in a temperature range of -50 ° C to 180 ° C, the thermal expansion coefficient of the outer layer is smaller than the coefficient of thermal expansion of the collector contact. This temperature range corresponds to a conventional storage temperature range. If the coefficients of thermal expansion meet this condition, it is ensured that during the storage of the component, a compressive bias is exerted on the collecting contact of the outer layer. Consequently, it is avoided that cracks between the collecting contact and the inner electrode are formed due to relaxation of the pressure on the collecting contact during storage.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in einem Temperaturbereich von –40°C bis zu 150°C der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts. Dieser Temperaturbereich entspricht einem herkömmlichen Anwendungstemperaturbereich eines piezoelektrisch aktiven Aktors eines Einspritzventils.In a further embodiment, in a temperature range of -40 ° C to 150 ° C, the thermal expansion coefficient of the outer layer is smaller than the coefficient of thermal expansion of the collective contact. This temperature range corresponds to a conventional application temperature range of a piezoelectrically active actuator of an injection valve.
Die äußere Schicht kann die Gestalt eine Hülse aufweisen und nur auf den Randseiten angeordnet werden. Es ist auch möglich, die äußere Schicht nur auf dem Sammelkontakt bzw. Sammelkontakten anzuordnen, während die weiteren Oberflächen des Körpers frei von der äußeren Schicht bleiben. Die äußere Schicht kann Kunststoff oder Metall oder eine Legierung oder ein glasfaserverstärktes Polyamid aufweisen.The outer layer may have the shape of a sleeve and be arranged only on the edge sides. It is also possible to arrange the outer layer only on the collecting contact or collecting contacts, while the other surfaces of the body remain free of the outer layer. The outer layer may comprise plastic or metal or an alloy or a glass fiber reinforced polyamide.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bauelement ferner eine weitere Schutzschicht auf, die zwischen dem Sammelkontakt und der äußere Schicht angeordnet ist. In diesem Fall ist die äußere Schicht indirekt auf dem Sammelkontakt angeordnet. Die Schutzschicht dient dazu, den Sammelkontakt vor äußeren Beschädigungen besser zu schützen, die beispielsweise durch Kontakt mit einer korrosiven Substanz, wie Benzin oder Diesel im Falle eines Einspritzventils, verursacht werden können.In a further embodiment, the device further comprises a further protective layer which is arranged between the collecting contact and the outer layer. In this case, the outer layer is disposed indirectly on the collecting contact. The protective layer serves to better protect the collecting contact from external damage, which may be caused for example by contact with a corrosive substance such as gasoline or diesel in the case of an injection valve.
Die Schutzschicht kann den Körper an den Randseiten vollständig umhüllen, um den Schutz zu erhöhen. Die Endflächen sind jedoch frei von der Schutzschicht. Das Material der Schutzschicht wird abhängig von der geplanten Anwendung ausgewählt, so dass die Schutzschicht dielektrisch sein kann und ein Vergussmaterial, z. B. ein Silikonelastomer oder Polyurethan aufweisen kann.The protective layer can completely encase the body at the edge sides to increase the protection. However, the end surfaces are free of the protective layer. The material of the protective layer is selected depending on the intended application, so that the protective layer can be dielectric and a potting material, for. B. may have a silicone elastomer or polyurethane.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Schutzschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, der größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht. Folglich wird die Druckvorspannung, die die äußere Schicht ausübt, über die Schutzschicht auf den Sammelkontakt übertragen.In one embodiment, the protective layer has a thermal expansion coefficient that is greater than the thermal expansion coefficient of the outer layer. Consequently, the compressive bias exerted by the outer layer is transferred to the collecting contact via the protective layer.
Das Bauelement weist eine zusätzliche Isolationsschicht auf, die zwischen einem Körper aus der keramischen Matrix und der darin angeordneten Innenelektrode und dem Sammelkontakt angeordnet ist. Diese Isolationsschicht weist mindestens eine Durchöffnung auf, die zumindest einen Teil der Innenelektrode freilegt, so dass die freiliegende Innenelektrode in elektrischem Kontakt mit dem darauf angeordneten Sammelkontakt steht.The device has an additional insulating layer which is arranged between a body of the ceramic matrix and the inner electrode arranged therein and the collecting contact. This insulating layer has at least one through-opening which exposes at least a part of the inner electrode, so that the exposed inner electrode is in electrical contact with the collecting contact arranged thereon.
Die Isolationsschicht weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts. Dieses Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolationsschicht und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sammelkontakts verhindert, dass eine Ausdehnung der Isolationsschicht bei erhöhten Temperaturen zu einem Abheben des Sammelkontakts führt.The insulating layer has a thermal expansion coefficient which is smaller than the thermal expansion coefficient of the collecting contact. This ratio between the thermal expansion coefficient of the insulating layer and the coefficient of thermal expansion of the collecting contact prevents expansion of the insulating layer at elevated temperatures leads to lifting of the collecting contact.
Die Isolationsschicht kann auch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der weiteren Schutzschicht. Dieses Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolationsschicht und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sammelkontakts verhindert, dass eine Ausdehnung der Isolationsschicht bei erhöhten Temperaturen zu einem Abheben der Schutzschicht und ihrer Delamination von dem Sammelkontakt führt.The insulating layer may also have a thermal expansion coefficient which is smaller than the thermal expansion coefficient of the further protective layer. This ratio between the thermal expansion coefficient of the insulating layer and the coefficient of thermal expansion of the collecting contact prevents expansion of the insulating layer at elevated temperatures resulting in lifting of the protective layer and its delamination from the collecting contact.
Der Kontakt zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode kann auch durch eine zweite elektrisch leitende Schicht erhöht werden, die zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode angeordnet ist.The contact between the collecting contact and the inner electrode can also be increased by a second electrically conductive layer, which is arranged between the collecting contact and the inner electrode.
Diese zweite Schicht kann die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen der Innenelektrode und dem Sammelkontakt erhöhen und/oder den elektrischen Widerstand reduzieren. Diese Eigenschaften können durch die Auswahl der Materialien der zweiten Schicht, der Innenelektrode und/oder dem Sammelkontakt und/oder durch das Gefüge der zweiten Schicht erreicht werden.This second layer can increase the mechanical strength of the connection between the inner electrode and the collecting contact and / or reduce the electrical resistance. These properties can be achieved by the selection of the materials of the second layer, the inner electrode and / or the collecting contact and / or by the structure of the second layer.
Zum Beispiel kann die zweite elektrisch leitende Schicht ein Material aufweisen, das mit dem Material der Innenelektrode und/oder dem Material des Sammelkontakts chemisch reagiert oder legiert, um die mechanische Festigkeit der Verbindung zu erhöhen.For example, the second electrically conductive layer may comprise a material that chemically reacts or alloys with the material of the inner electrode and / or the material of the collecting contact to increase the mechanical strength of the connection.
Die zweite elektrisch leitende Schicht kann auch nanoskalige Körner oder Partikel aufweisen, die dazu dienen, die Kontaktfläche zwischen der zweiten Schicht und der darunter liegenden Innenelektrode zu erhöhen. Die vergrößerte Kontaktfläche führt zu einem niedrigeren elektrischen Kontaktwiderstand. Der Begriff nanoskalig wird definiert, als Körner oder Partikel mit einem Durchmesser von 0,1 nm bis zu 1000 nm, vorzugsweise 0,1 nm bis zu 200 nm.The second electrically conductive layer may also include nanoscale grains or particles which serve to increase the contact area between the second layer and the underlying inner electrode. The increased contact area leads to a lower electrical contact resistance. The term nanoscale is defined as grains or particles with a diameter of 0.1 nm up to 1000 nm, preferably 0.1 nm up to 200 nm.
Die zweite elektrisch leitende Schicht kann aus nass chemisch aufgebrachten nanoskaligen Körnern oder Partikeln, einem galvanisch aufgebrachtem Metall oder durch ein Vakuumabscheidungsverfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition) gebildet sein.The second electrically conductive layer can be formed from wet-chemically applied nanoscale grains or particles, an electrodeposited metal or by a vacuum deposition method such as PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition).
Das Bauelement ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein elektronisches Bauelement wie ein Piezoaktor, der zum Beispiel als Betätigungselement eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeugs dient. Das Bauelement kann auch ein vielschichtelektronisches Bauelement, wie ein Kondensator, Varistor oder Thermistor sein.The component is in another embodiment, an electronic component such as a piezoelectric actuator, which serves for example as an actuating element of an injection valve of an engine of a motor vehicle. The device may also be a multilayer electronic device, such as a capacitor, varistor or thermistor.
Das Bauelement kann ein Vielschichtpiezoaktor sein, der eine Vielzahl von piezoelektrisch aktiven Lagen und eine Vielzahl von elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen aufweist, wobei die elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen jeweils eine elektrisch leitende Innenelektrode vorsehen. Die piezoelektrisch aktiven Lagen und die elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen sind abwechselnd aufeinander in einer Stapelrichtung gestapelt.The device may be a multilayer piezoelectric actuator having a plurality of piezoelectrically active layers and a plurality of electrically conductive inner electrode layers, the electrically conductive inner electrode layers each providing an electrically conductive inner electrode. The piezoelectrically active layers and the electrically conductive inner electrode layers are alternately stacked on each other in a stacking direction.
Bei einem Vielschichtpiezoaktor erstreckt sich die erste Oberfläche in Stapelrichtung. Jede zweite Innenelektrodenlage bildet einen Bereich der ersten Oberfläche und ist mit dem Sammelkontakt elektrisch verbunden, wobei die weiteren Innenelektrodenlagen von dem Sammelkontakt elektrisch isoliert sind. Der Vielschichtpiezoaktor weist somit zwei Gruppen von Innenelektroden auf, die mit unterschiedlichen voneinander elektrisch isolierten Sammelkontakten kontaktiert werden. Benachbarte Innenelektroden des Stapels sind voneinander elektrisch isoliert und unabhängig voneinander steuerbar.In a multilayer piezoelectric actuator, the first surface extends in the stacking direction. Each second inner electrode layer forms a region of the first surface and is electrically connected to the collecting contact, wherein the further inner electrode layers are electrically insulated from the collecting contact. The multilayer piezoelectric actuator thus has two groups of internal electrodes, which are contacted with different mutually electrically isolated collector contacts. Neighboring internal electrodes of the stack are electrically isolated from each other and independently controllable.
In einem Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrisch aktiven Lagen nahezu vollaktiv. Die Innenelektroden erstrecken sich nahezu vollständig über die Fläche bis zu den Randseiten der benachbarten piezoelektrisch aktiven Lagen.In one embodiment, the piezoelectrically active layers are nearly fully active. The inner electrodes extend almost completely over the surface to the edge sides of the adjacent piezoelectrically active layers.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel weisen die piezoelektrisch aktiven Lagen nicht piezoelektrisch aktive Bereiche auf. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Innenelektroden nicht zum Rand der piezoelektrisch aktiven Lagen.In an alternative embodiment, the piezoelectrically active layers do not have piezoelectrically active regions. In this Embodiment, the internal electrodes do not extend to the edge of the piezoelectrically active layers.
Typischerweise wird sich jede zweite Innenelektrode zu der Randseite einer ersten Oberfläche und nicht zu der Randseite einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche der piezoelektrisch aktiven Lage erstrecken. Dieser unbedeckte Bereich der piezoelektrisch aktiven Lage sieht eine elektrische Isolation der Innenelektrode des Sammelkontakts vor, der auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Die zweite Gruppe von Innenelektroden streckt sich zum Rand der zweiten Oberfläche und nicht zum Rand der ersten Oberfläche der piezoelektrisch aktiven Lage hin.Typically, every other inner electrode will extend to the edge side of a first surface and not to the edge side of a second opposing surface of the piezoelectric active layer. This uncovered region of the piezoelectrically active layer provides an electrical insulation of the inner electrode of the collecting contact, which is arranged on the second surface. The second group of internal electrodes extends to the edge of the second surface and not to the edge of the first surface of the piezoelectric active layer.
Wenn das Bauelement eine zweite Oberfläche aufweist, die gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist und eine Vielzahl der abwechselnden piezoelektrischen Lagen und elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen aufweist, sind die Innenelektrodenlagen, die nicht mit dem Sammelkontakt auf der ersten Oberfläche elektrisch verbunden sind, mit einem zweiten Sammelkontakt auf der zweiten Oberfläche elektrisch verbunden. Der erste Sammelkontakt ist von dem zweiten Sammelkontakt elektrisch isoliert.When the device has a second surface disposed opposite the first surface and having a plurality of the alternating piezoelectric layers and electrically conductive inner electrode layers, the inner electrode layers that are not electrically connected to the collecting contact on the first surface are at a second collecting contact electrically connected to the second surface. The first collecting contact is electrically isolated from the second collecting contact.
Bei einem vollaktiven Stapel kann die zweite Oberfläche auch eine elektrisch isolierende Schicht mit Öffnungen aufweisen, wobei eine Öffnung jede zweite Innenelektrodenlage auf der zweiten Oberfläche freilegt, die nicht mit dem Sammelkontakt auf der ersten Oberfläche elektrisch verbunden ist. In dieser Weise werden zwei Gruppen von Innenelektroden vorgesehen, die unabhängig voneinander steuerbar und die abwechselnd in dem Stapel in Stapelrichtung angeordnet sind.In a fully active stack, the second surface may also include an electrically insulating layer having openings, with an opening exposing every other inner electrode layer on the second surface that is not electrically connected to the collecting contact on the first surface. In this way, two groups of internal electrodes are provided which are independently controllable and which are alternately arranged in the stack in the stacking direction.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements an. Ein Bauelement wird bereitgestellt, das einer keramische Matrix, mindestens eine Innenelektrode, die in der keramischen Matrix angeordnet ist und an einer ersten Oberfläche freigelegt ist, und mindestens einen elektrisch leitenden Sammelkontakt, der mit der Innenelektrode elektrisch verbunden ist, aufweist. Das Bauelement kann ein piezoaktiver Aktor, beispielsweise ein Vielschichtpiezoaktor sein. Eine weitere äußere Schicht wird auf das Bauelement aufgebracht, wobei diese äußere Schicht eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt ausübt.The invention also provides a method of contacting a device. A device is provided comprising a ceramic matrix, at least one internal electrode disposed in the ceramic matrix and exposed at a first surface, and at least one electrically conductive collector contact electrically connected to the internal electrode. The component may be a piezoactive actuator, for example a multilayer piezoelectric actuator. Another outer layer is applied to the device, this outer layer exerts a compressive bias on the collecting contact.
Die äußere Schicht kann in Gestalt einer Hülse oder durch Tauchen, Sprühen oder eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden.The outer layer may be applied in the form of a sleeve or by dipping, spraying or screen printing.
In einem Ausführungsbeispiel wird nach ihrem Aufbringen die äußere Schicht auf das Bauelement geschrumpft, um Druckvorspannung auf den Sammelkontakt auszuüben.In one embodiment, after its application, the outer layer is shrunk onto the device to apply compressive bias to the collection contact.
Die Druckvorspannung wird durch die Materialauswahl, insbesondere durch die Auswahl des Wärmausdehnungskoeffizienten, ausgeübt. In einem Ausführungsbeispiel weist die äußere Schicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts.The compressive prestress is exerted by the material selection, in particular by the selection of the thermal expansion coefficient. In one embodiment, the outer layer has a coefficient of thermal expansion that is less than the thermal expansion coefficient of the collector contact.
In einer Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der äußeren Schicht eine weitere Schutzschicht auf den Sammelkontakt aufgebracht. Diese Schutzschicht kann aus einem Vergussmaterial bestehen.In one embodiment, a further protective layer is applied to the collecting contact before the application of the outer layer. This protective layer may consist of a potting material.
In einer Weiterbildung wird das Material der Schutzschicht so ausgewählt, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht ist. Die äußere Schicht übt somit eine Druckvorspannung auf die Schutzschicht aus, die die Schutzschicht auf den Sammelkontakt überträgt.In a development, the material of the protective layer is selected such that it has a thermal expansion coefficient that is greater than the thermal expansion coefficient of the outer layer. The outer layer thus exerts a compressive bias on the protective layer which transfers the protective layer to the collecting contact.
Wenn die Schutzschicht aus einem Material besteht, das ausgehärtet wird, um eine feste Schicht zu erzeugen, kann das Aushärten bei Temperaturen durchgeführt werden, die niedriger als die Anwendungstemperatur des Bauelements sind.When the protective layer is made of a material that is cured to produce a solid layer, the curing may be performed at temperatures lower than the application temperature of the device.
Folglich vergrößert sich das Volumen der Schutzschicht im Temperaturbereich zwischen der Aushärtungstemperatur und der Anwendungstemperatur. Diese Volumenvergrößerung wird durch die äußere Schicht behindert und eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt sowie auf die Verbindung zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode erzeugt.Consequently, the volume of the protective layer increases in the temperature range between the curing temperature and the application temperature. This increase in volume is hindered by the outer layer and creates a pressure bias on the collecting contact and on the connection between the collecting contact and the inner electrode.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings.
Die Innenelektrodenlagen
In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die piezoelektrisch aktiven Lagen
Ein elektrischer Kontakt zu den jeweiligen Innenelektroden
Jede Innenelektrode
Um einen Kurzschluss zwischen den zwei Gruppen
Die elektrisch isolierende Schicht
Auf der ersten Randseite
Eine Schutzschicht
In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist keine Schutzschicht
Der Vielschichtpiezoaktor
Die äußere Schicht
Erfindungsgemäß übt diese äußere Schicht
In weiteren Ausführungsbeispielen übt die äußere Schicht
Diese Druckvorspannung wird in einem Ausführungsbeispiel durch eine gezielte Auswahl der Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Schicht
Wenn eine Schutzschicht
Bei der Isolationsschicht
Diese Verhältnisse der Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Schichten führen zu einer zuverlässigeren Kontaktierung und zu einem zuverlässigeren Bauelement.These ratios of the thermal expansion coefficients of the various layers result in more reliable bonding and a more reliable device.
Die Kontaktstruktur der Sammelkontakte
Die erste untere elektrisch leitende Schicht
In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Schicht
Die zweite elektrisch leitende Schicht
Die erste elektrisch leitende Schicht
Die haftvermittelnde Wirkung kann weiter erhöht werden, wenn zumindest an der Grenze zwischen der Innenelektrode
Ferner kann das Material der ersten Schicht
Die Innenelektrodenlagen
Die Kontaktfläche zwischen der ersten Schicht
Die
Bei dem Aktor
Der Sammelkontakt
In dieser Ausführungsform steht die zweite obere elektrisch leitende Schicht
Der Vielschichtpiezoaktor
Eine elektrisch isolierende Schicht
Die erste elektrisch leitende Schicht
In der Ausführungsform, die in der
In der Ausführungsform, die in der
Die erste Schicht
Wenn eine geschlossene erste Schicht
Nach dem Aufbringen und Bilden der ersten Schicht
Wie bei der ersten Schicht
Danach wird eine Schutzschicht
Anschließend wird eine äußere Schicht
Bei der Auswahl der Materialien der verschiedenen Schichten wird folgendes Verhältnis vorgesehen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vielschichtpiezoaktormultilayer piezoelectric actuator
- 22
- Innenelektrodeinner electrode
- 33
- piezoelektrisch aktive Lagepiezoelectrically active position
- 44
- Stapelrichtungstacking direction
- 55
- Körperbody
- 66
- Randseiteedge side
- 77
- Oberflächesurface
- 88th
- erster Sammelkontaktfirst collective contact
- 99
- erste Randseitefirst edge side
- 1010
- zweiter Sammelkontaktsecond collective contact
- 1111
- zweite Randseitesecond edge side
- 1212
- Endflächeend face
- 1313
- erste Gruppe von Innenelektrodenfirst group of internal electrodes
- 1414
- zweite Gruppe von Innenelektrodensecond group of internal electrodes
- 1515
- Isolationsschichtinsulation layer
- 1616
- Durchöffnungby opening
- 1717
- Schutzschichtprotective layer
- 1818
- äußere Schichtouter layer
- 1919
- erste Schicht des Sammelkontaktsfirst layer of the collective contact
- 2020
- zweite Schicht des Sammelkontaktssecond layer of the collective contact
- 2121
- Bereich der ersten Schicht des SammelkontaktsArea of the first layer of the collective contact
- 2222
- Oberfläche der IsolationsschichtSurface of the insulation layer
- 2323
- Oberfläche der InnenelektrodeSurface of the inner electrode
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