CN100375306C - 压电器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压电器件，它有一个由多个重叠的压电层(2)和位于压电层之间的电极层(3a，3b)构成的叠层体(1)，其中，这些电极层(3a，3b)在该叠层体(1)内具有一个中央部(4)以及一个以该叠层体(1)的垂直边缘区(5)的内侧为界的端部(6)，这些电极层(3a，3b)的所述端部(6)被第一压电材料(7)包围住，第一压电材料的相对伸长小于第二压电材料(9)的相对伸长，第二压电材料布置在一个在相邻的电极层(3a，3b)之间的中央区(8)内。本发明还涉及压电器件的制造方法。本发明的器件的优点是减小了在内电极端部附近的机械负荷并由此延长了器件的使用寿命。

Description

压电器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及压电器件，它具有一个由许多重叠的压电层和位于压电层之间的电极层构成的叠层体。本发明还涉及压电器件的制造方法。
背景技术
从文献DE19905340A1中公开了上述类型的压电器件，它们由陶瓷材料通过复层技术制成。作为陶瓷材料，优选使用PZT(锆钛酸铅)。这些器件具有一些内电极，这些内电极没有在器件里到处都够到叠层体的边缘。由此出现所谓的无源区，在这些无源区里，可以通过在内电极之间施加电压而只形成一个很小的电场。因此，在这些无源区里，陶瓷材料被尽量无极化并且对压电器件的行程没有贡献。同时出现了有源区，在有源区里，相邻的内电极直接彼此面对，这样一来，当施加电压时，可以产生大的压电行程。尽管在器件的有源区里形成压应力，但器件的无源区承受的是拉应力。材料负荷在内电极结束于叠层体内的部位上达到最高，即在有源区和无源区之间的过渡点上达到最高。在内电极端部出现了电场强度因尖端放电效应而过高的现象。这些场力线在内电极的端部区域里会聚成星形并且在那里造成非常高的电场。
已知的器件的缺点是，在无源区的拉应力较高的区域里容易出现裂纹，这些裂纹在器件长时间承受负荷时可能沿内电极伸展到叠层体内。尤其是这些裂纹可能沿内电极生长。这样，器件的使用寿命就受到限制，对其应用来说，这就意味着严重缺陷。
发明内容
因此，本发明的任务是提出一种压电器件，它具有很长的使用寿命。
通过一种本发明的压电器件来完成该任务，该压电器件包括一个由多个重叠的压电层和位于这些压电层之间的电极层构成的叠层体。这些电极层在叠层体内具有一个中央部以及一个端部。在这里，端部以该叠层体的一个垂直边缘区的内面为界。这些电极层的端部被第一压电材料包围着，第一压电材料的相对伸长/施加电场强度小于第二压电材料，该第二压电材料设置在两个相邻电极层之间的中央区里。
第一压电材料最好够到边缘区。
由于在电极层端部区域里的陶瓷材料的伸长减小了，所以可以减小在端部区域里的机械负荷。这样一来，本发明的优点就是降低了材料负荷并且同时延长了器件的使用寿命。因此，在压电层中，在一个电极层的端部和与该电极层对置的电极层之间形成一个相对伸长的梯度场，它的最大值出现在这两个电极层之间的中心。这种伸长向着电极层递减。
为了实现非常有利的器件使用寿命延长，有利地使第一压电材料的相对伸长小于或者等于第二压电材料的相对伸长的95％。
作为压电材料相对伸长的尺度，可以采用压电特征参量d33以及另一个压电特征参量d31。这些特征参量是压电电压传感器的要素，其中，d33表示压电材料在朝向一平行于极化方向的外电场的方向上的伸长率。第二压电特征参量d31描述的是在一个垂直于该电场的方向上的材料收缩率。d33和d31具有相反的正负符号，这样就说明压电陶瓷材料的体积保持不变。
如果在第一压电材料和第二压电材料之间的相对伸长之差更大，则这是有利的。这就相当于第一压电材料的相对伸长小于或者等于第二压电材料的相对伸长的90％的情况。
压电器件在电极端部区域里的更高的负荷没有集中到内电极端部上，而是也涉及到与电极端部相接的内电极区。因此，第一压电材料所包围的边缘区至少是电极层面积的5％是有利的。
为了提高器件的机械稳定性，在第一压电材料和第二压电材料之间的与相对伸长有关的过渡最好是逐渐即连续进行的。这样，避免了在两个不同的压电材料之间出现界层，这可能还阻碍了材料开裂。
在一个有利的实施例里，人们如此获得了在不同压电材料之间的过渡，即第一压电材料是由第二压电材料通过扩散来自电极层的掺杂物质而形成的。通过减小包围它的压电材料的相对伸长的掺杂物质的扩散而能够实现，在压电材料的不同性能之间出现逐渐过渡，而不是突变。
在一个有利的实施例里，这些电极层可以含有铜，它同时是掺杂物质，这样的掺杂物质可以改变压电材料的伸缩行为。
第一压电材料例如可以是含有4-10摩尔％的铜的Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3。第二压电材料例如可以是含有约2摩尔％的铜的上述第一压电材料。
此外，可以这样实现本发明，即该叠层体由按照层序E-A-B-A-E的多个层构成，E代表一个电极层，A代表一个包含第一压电材料的陶瓷膜，B代表一个包含第二压电材料的陶瓷膜。
此时要注意，这两个压电材料的烧结收缩必须相互匹配，以防止压电器件在烧结中开裂。还必须注意，所示性能差异没有在烧结中通过扩散被部分或彻底消除，就是说，掺杂物质必须具有有限的迁移性。
就是说，在这个实施例里，该叠层体例如由通过丝网印刷制成的一些电极层和由陶瓷膜构成的一些压电层构成。
此外，可以如此实现本发明，即该叠层体由按照层序E-C-B-C-E的多个层构成，E代表一个电极层，A代表一个包含第一压电材料的陶瓷膜，C代表一个通过两个并列的丝网印刷层构成的层，第一丝网印刷层含有第一压电材料并且覆盖相邻的电极层的端部，第二丝网印刷层含有第二压电材料并从两侧覆盖相邻的电极层的中央部。
在本发明的一个有利的实施例里，这些电极层完全覆盖住层B并且一直到达相邻的电极层的端部的内边缘。这样就能够使复层结构在整个叠层体范围里无厚度变化和间隙地接续。
特别有利的是，该叠层体是一个单块烧结体，它允许高的机械稳定性并且能够简单廉价地通过整体烧结这些叠在一起的层来制造。
本发明提出了一种制造压电器件的方法，在这里，所述制造通过烧结一个由重叠的陶瓷生膜和这些电极层构成的叠层体来进行，其中，掺杂物质从电极层扩散到第二陶瓷材料中是在烧结中在温度800-1500℃下完成的。例如，在借助铜进行掺杂时，考虑使用950-1050℃的温度，而在借助银/钯进行掺杂时，考虑使用1000-1200℃的温度。
附图说明
以下，结合一些实施例和附图来详细说明本发明。
图1以透视图表示本发明的压电器件的一个例子。
图2以横截面示意图表示图1所示器件的放大局部。
图3沿图2所示线K表示浓度剖面的一个例子。
图3A沿图2的线K表示所测的浓度剖面。
图4表示根据图2所示例子的拉应力和压应力的不同区域。
图5以示意横截面图表示本发明的压电器件的另一个例子。
图6以横截面示意图表示本发明压电器件的又一个例子。
具体实施方式
图1示出一个压电致动器件，它具有一个由多个上下重叠的压电层2和电极层3a、3b构成的叠层体1。在这里，第一类型的电极层3a与第二类型的电极层3b是交替的。各自类型的电极层3a、3b可以通过一个贴在叠层体1外侧面上的金属条13被共同接通。通过施加极性和脉动不同的电压在电极层3a或电极层3b上，结果，就可以使各两个相互对置的电极层3a、3b在压电层2上产生一个电场，由此产生了压电致动器件的垂直移动。电极层3a、3b没有各自从叠层体1的不同边缘区域起一直到达叠层体1的对置侧面，而是可以留下一个边缘区5。该叠层体1的边缘区5是无源区，在这些区域里，压电材料2主要遇到拉应力。这在图4中也示出了。电极层3a、3b直接重叠的区域是有源区12，在有源区中，这些压电层主要承受压应力(又见图4)。
器件的尺寸例如可以是7毫米见方并且有30毫米厚。此时做到了将多大360个的许多内电极集成到压电器件中。也可以制造出所谓的弯片，它具有20×6毫米的底面和1.5毫米的厚度。这样的弯片例如具有20个内电极。
这些电极层3a或电极层3b可以分别成梳形图案，其中，梳形图案以齿槽交错的形式布置在成品的器件中。这样一来，就能获得压电致动器件的较大的机械行程。在这里，电极层3a、3b的形状本身是任意的，重要的只是在一个垂直于电极平面的区域里即在所谓的无源区里只有每隔一个电极。
对压电层2来说，可以采用常用的PZT陶瓷。
图2表示图1所示器件的局部细节。电极层3a、3b被第一陶瓷材料7包围住，当施加电压时，第一陶瓷材料具有较小的相对伸长。在两个相邻的电极层3a、3b之间，在一个中央区8内设有具有较大的相对伸长的第二压电材料9。第一压电材料7不仅包围电极层3a、3b的端部，而且整个包围住电极层3a、3b。第一压电材料7由第二压电材料9通过使电极层3a、3b所含的掺杂物质扩散入来产生。作为掺杂物质，例如考虑使用铜。可以通过一个在烧结器件时施加的温度区域来进行这种掺杂。
图3按照模型表示沿图2的线K的掺杂物质的相对浓度c。在位置Z1和Z2上，分别设有电极层3a或电极层3b。在位置Z1和Z3之间，有一个缓慢递减的掺杂物质浓度，它在一个最大掺杂物质浓度Cmax和一个最小的掺杂物质浓度Cmin之间变化。在这个区域里有第一压电材料7，它具有较小的伸长。较小的伸长由第二压电材料9的改良引起，第二压电材料具有大的伸长。在位置Z4和Z3之间有一个具有较小的掺杂物质浓度Cmin的区域，在这里，它可以是具有较大伸长的第二压电材料9。Cmin可以很小并且或许为零。
也能从图3里看到，由于借助掺杂来改良第二压电材料9，可以在不同的压电材料7和9之间产生一个逐渐变化的过渡。
这些电极层3a、3b可以例如以丝网印刷电极的形式彼此间隔20-200微米地形成。作为掺杂物质，出了铜外还可以考虑使用其它化学元素。尤其是考虑使用这样的掺杂物质，即当压电常数岁浓度增大而递减时，它们被用于较硬的PZT陶瓷的制造。
此外，掺杂物质浓度c从电极层3a、3b开始朝向在电极层3a、3b之间的中央区8地连续递减。这样就保证了，尤其在电极层3a、3b的附近有一种具有较小的相对伸长的压电材料。
图3A沿图2的线K表示按重量百分比的掺杂物质铜的浓度的一个例子。在这里，铜浓度C铜与在Z2处的内电极的间距d有关。如果d＝70微米，则有第二内电极3b，这对应于如图2或图3所示的位置Z1。在这里基于陶瓷是Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3。内电极3a、3b在图3A的例子中成铜电极的形式。通过在1000℃的烧结中扩散约5小时，获得了在图3A中通过WDX/EDX测量得到的浓度剖面。在第二压电材料中的铜浓度曲线在量上对应于在图3中按模型给出的浓度曲线。在间距d＝0和d＝18微米的区域里或者在d＝45微米和d＝70微米的区域里，通过使铜从内电极3a、3b中扩散出来，产生了第一压电材料，该第一压电材料的相对伸长小于第二压电材料。在这里，第一曲线14表示用于上述第二压电材料的原材料，第二曲线15表示用于第一曲线时相同的上述材料的原材料，但还掺杂了约1-2摩尔％的铜。铜的摩尔百分比浓度在此对应于0.196重量％。
在上述锆钛酸铅中，通过按照高于1摩尔％浓度地掺杂铜，可以减小690pm/V的相对伸长，结果，获得了小于650pm/V的相对伸长。相对伸长在这里作为预应力致动器件在多层结构中的偏移量来测量，所述致动器件被适当地极化并且承受一个约2KV/mm的场强的作用。通过提高铜含量，可以进一步减小相对伸长。
图4表示在图2的下部区域里的、与在给致动器件施加电负荷时出现的压应力或拉应力及其相对强度相关的情况。在有源区12里，在主轴线上出现压应力，在用7表示的区域里，所出现的压应力较小，这是因为第一压电材料的伸长较小。在用9表示的区域里，所出现的压应力较大，这是因为在此设有第二压电材料。在边缘区5中出现的是拉应力而不是压应力。压应力用符号<-->表示，拉应力用符号>--<表示。此外，双箭头的长度只是一个粗略的起点，尤其是所给出的压力与箭头长短没有比例关系。
图5表示本发明的另一个实施例，其中，参照图1所示的压电致动器件。与图2的区别在于，根据图5，第一压电材料不是通过扩散掺杂物质形成的，而是一开始就通过使用相应的陶瓷生膜而制成的。就是说，图5表示一个按照顺序E-A-B-A-E的层叠。在这里，在电极层3b上铺设一个含第一压电材料7的陶瓷生膜。随后是一个含第二压电材料9的陶瓷生膜。随后又是按照顺序地是层A和电极层3a。在陶瓷层中为A和B使用的陶瓷膜可以分别涉及PZT基陶瓷，在这里，各压电陶瓷或压电材料7、9的相对伸长的调节或是通过加入一种或多种掺杂物质来完成，或是通过改变锆/钛比例来完成。也可以综合采取上述两现措施。
此外，陶瓷生膜的层厚可以为20-200微米。其它层厚也行。
在根据图5的实施例里，电极层3a、3b的端部6以及整个电极层3a、3b都被具有较小的相对伸长的第一压电材料7包围住。
图6表示本发明的又一个实施例，在这里，叠层体1的结构按照图5来完成，但在层序方面，层A被层C代替。在这里，层C不是通过陶瓷生膜形成的，而是由两个丝网印刷层10、11组成的。这两个丝网印刷层10、11互补形成一个在压电致动器件的整个横截面范围里都连贯的层C。丝网印刷层10、11的优点是，它们能够比图5的陶瓷生膜薄得多。这样就得到了压电致动器件的总行程尽可能小地受到影响的优点。因此，例如可以制造出3-10微米厚的丝网印刷层10、11。丝网印刷层10含有相对伸长较小的第一压电材料7。此时，丝网印刷层10分别在顶面和底面上覆盖住电极层3a、3b的各端部6。这样一来，就是说电极层3a、3b的端部6被第一压电材料7所覆盖。与丝网印刷层10互补成一个完整的叠层C的丝网印刷层11分别在顶面和底面上覆盖住电极层3a、3b的中央部4。此外，丝网印刷层11含有第二压电材料9，该材料本身也位于在相邻的电极层3a、3b之间的中央区8里。
通过图6的构造而实现了，只是电极层3a、3b的临界端部6被第一压电材料7包封起来。这样就得到了以下优点，即压电致动器件的总行程尽可能小地不受影响。
本发明的重点是，电极层的端部被相对伸长较小的压电材料包围起来。本发明不局限于其中的所有电极层都被第一压电材料包围的实施例。
附图标记一览表
1-叠层体；2-压电层；3a、3b-电极层；4-中央部；5-边缘区；6-端部；7、9-压电材料；8-中央区；10、11-丝网印刷层；12-有源区；13-金属条；Z、Z1、Z2、Z3和Z4-Z坐标；C、Cmax、Cmin-掺杂物质浓度；d-间距；C铜-铜浓度；14-第一曲线；15-第二曲线；

Claims (14)

1.一种压电器件，它具有一个由多个重叠的压电层(2)和位于压电层之间的电极层(3a，3b)构成的叠层体(1)，其中，这些电极层(3a，3b)在该叠层体(1)内具有一个中央部(4)以及一个以该叠层体(1)的垂直边缘区(5)的内侧为界的端部(6)，这些电极层(3a，3b)的所述端部(6)被第一压电材料(7)包围住，第一压电材料的相对伸长小于第二压电材料(9)的相对伸长，第二压电材料布置在一个在相邻的电极层(3a，3b)之间的中央区(8)内。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，第一压电材料(7)的相对伸长小于或者等于第二压电材料(9)的相对伸长的95％。
3.如权利要求2所述的器件，其特征在于，第一压电材料(7)的相对伸长小于或者等于第二压电材料(9)的相对伸长的90％。
4.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，一个边缘区(6)的面积至少是该电极层(3a，3b)面积的5％。
5.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，在第一压电材料和第二压电材料(7，9)之间的相对伸长的过渡是连续的。
6.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，第一压电材料(7)是由第二压电材料(9)通过扩散来自电极层(3a，3b)的掺杂物质而形成的。
7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，该掺杂物质是铜。
8.如权利要求6所述的器件，其特征在于，第一压电材料(7)是含有3-10摩尔％的铜的Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3，第二压电材料(9)是含有1-2摩尔％的铜的Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3。
9.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，该叠层体(1)由按照层序E-A-B-A-E的多个层构成，E代表一个电极层(3a，3b)，A代表一个包含第一压电材料(7)的陶瓷膜，B代表一个包含第二压电材料(9)的陶瓷膜。
10.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，该叠层体(1)由按照层序E-C-B-C-E的多个层构成，E代表一个电极层(3a，3b)，A代表一个包含第一压电材料(7)的陶瓷膜，C代表一个通过两个并列的丝网印刷层(10，11)构成的层，第一丝网印刷层(10)含有第一压电材料(7)并且覆盖相邻的电极层(3a，3b)的端部(6)，第二丝网印刷层(11)含有第二压电材料(9)并覆盖相邻的电极层(3a，3b)的中央部(4)。
11.如权利要求10所述的器件，其特征在于，这些电极层(3a，3b)完全覆盖住层B并且一直到达相邻的电极层(3a，3b)的端部(6)的内边缘。
12.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，该叠层体(1)是一个单块烧结体。
13.如权利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，这些电极层(3a，3b)含有铜。
14.制造压电器件的方法，该压电器件具有一个由多个重叠的压电层(2)和位于压电层之间的电极层(3a，3b)构成的叠层体(1)，其中，这些电极层(3a，3b)被第一压电材料(7)包围住，第一压电材料的相对伸长小于第二压电材料(9)的相对伸长，第二压电材料布置在一个在相邻的电极层(3a，3b)之间的中央区(8)内，其中，所述制造通过烧结一个由重叠的陶瓷生膜和这些电极层(3a，3b)构成的叠层体(1)来进行，第一压电材料(7)是由第二压电材料(9)通过使电极层(3a，3b)所含的掺杂物质在温度800-1500℃下扩散4-10小时而形成的，上述温度是在烧结叠层体(1)时达到的。
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