CN101681984B - 压电多层器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电多层器件，该压电多层器件具有基体(1)，该基体(1)带有介电层(2，2a，2b)、电极层(3)和至少一个给定断裂层(4)的堆。所述给定断裂层至少大部分被布置在多层器件的不活动区(5)中并且在一定的拉伸载荷下撕裂。

Description

压电多层器件

描述了一种压电多层器件，其具有在一定的机械载荷下撕裂并且因此抵制应力在多层器件中的建立的层。

在WO 2006/087871 A1中描述了一种压电多层器件，该压电多层器件具有电极层，这些电极层引起在电极层与相邻的陶瓷层之间的裂缝。

待解决的任务是说明一种压电多层器件，其在机械载荷下在较长的时间间隔上保持功能正常(funktionstuechtig)。

说明了一种带有基体的压电多层器件，该基体具有介电层、电极层和至少一个机械上不稳定的层的堆。所述机械上不稳定的层至少大部分被布置在不活动(inaktive)区或不活动的区域中，所述不活动区或不活动的区域位于多层器件的如下区域中：相邻的电极层在垂直投影上不重叠或电场不会或者至少仅仅轻微地导致堆在该区域中偏转。机械上不稳定的层可以被称作给定断裂层(Sollbruchschicht)。

不仅在制造多层器件之前的包含给定断裂材料的层而且在制造多层器件时或在制造多层器件之后的给定断裂层都被理解为给定断裂层。

在器件工作时或者在器件极化时，给定断裂层在一定的机械载荷下撕裂，并且因此消除了多层器件中、特别是不活动区中的机械应力。

有利地，通过给定断裂层仅在多层器件的不活动区中形成裂缝。裂缝的最大传播通过给定断裂层的尺寸来确定。因此，裂缝也可以不横贯于多层器件来继续。因此，提供了具有高的长期稳定性的多层器件，其中长期稳定性有利地并不导致例如多层器件的偏转路径缩短。如果裂缝横贯于堆伸展，则后者会现，因为裂缝接着也会穿过多层器件的偏转的活动区伸展。

多层器件的不活动区在正常情况下未遭受强烈的电磁场或电场，使得没有或者至少仅在小程度上出现压电偏转效应。因此，在偏转的活动区和没有扩展的不活动区之间形成了机械应力。由于给定断裂层通过其受控地撕裂的能力而能够实现应力的消除，所以避免了不活动区中的夹紧效应。这同样有助于多层器件的长期稳定性。

根据多层器件的一个实施形式，该多层器件具有外接触部(Aussenkontakt)。外接触部可以作为导电层被安装到堆的侧面上并且与被引出直至堆的相对应的侧面的电极层接触连接。

如果不活动区由于多层器件的与不活动区相连的活动区的扩展而力争让彼此分开，则电极层与外接触部的现有的电接触会受到中断的威胁。换言之，不活动区对活动区在其纵向扩展方面进行夹紧，或活动区经历由于没有偏转或者仅仅轻微偏转的不活动区引起的夹紧。由此形成了机械应力，其不受控地会导致多层器件的至少一部分的损毁或者损伤。

然而，机械上不稳定的层能够实现电极层与外接触部的可靠接触连接。不活动区的每个给定断裂层允许有针对地消除电极层与外接触部之间的机械应力，其方式是裂缝在电极层旁边伸展。由此，通过裂缝可以吸收或补偿作用于外接触部与电极层之间的接触部位上的机械应力的至少一部分。

给定断裂层的特性被选择为使得其能够实现在作用于其的拉应力的情况下使给定断裂层撕裂。例如，给定断裂层可以具有洞、凹进部(Einbuchtung)和/或不均匀的固体分布，譬如具有一个中断或者多个中断的晶体结构。给定断裂层可以包含陶瓷材料，尤其是可以包含有机材料和/或金属。

根据多层器件的一个实施形式，给定断裂层可以具有在制造堆期间可通过介电层扩散的材料。有利地，给定断裂层的材料构造由于被向外扩散(ausdiffundieren)的材料而被削弱，使得给定断裂层在拉伸载荷的情况下可以撕裂。在此，给定断裂层可以包含材料成分，该材料成分包括可容易地从给定断裂层扩散的材料和不好从给定断裂层扩散的材料。

材料从给定断裂层的扩散可以借助如下工艺来起动，该工艺能够实现材料在多层器件内的空间中的浓度梯度的均衡或抵消(Aufheben)。材料在给定断裂层中与多层器件的其他区域相比有更高的浓度则有更高的概率使给定断裂层的材料朝着更低浓度的方向迁移。给定断裂层中所包含的材料与多层器件的一个或多个其他区域相比的扩散系数的差异被考虑，以便为给定断裂层赋予其所必需的给定断裂特征。由于扩散系数取决于温度和/或压力，这些影响在选择给定断裂层的材料时予以考虑。

例如，如果给定断裂层要包含10¹⁰个第一类型的可扩散的粒子，即自由运动而非留在晶体结构中的粒子，而多层器件的另一区域具有在区域中较低的浓度或甚至没有浓度的这些粒子，例如10⁶个粒子，则概率大100倍，使得机械上不稳定的层的粒子随机地朝着更低的或不足的浓度的方向迁移。

例如，在(例如在烧结之前或者在烧结期间)对堆进行加热期间可以进行扩散或通过扩散来辅助。尤其是，借助热供给可以加速扩散的过程。在适当的热供给的情况下，给定断裂层的粒子与彼此间的结合或者与给定断裂层的其他材料分离，以便因此可以通过多层器件扩散。

热供给可以被视为外部能量供给，使得通过例如抵消材料浓度梯度并非一定必须发生通过扩散所表达的、多层器件中熵的增加。借助热供给可以产生一个或多个热梯度，其迫使松散的或可向外扩散的粒子从给定断裂层进入多层器件的具有较低温度的区域中。该扩散在此可以被称作主动扩散。

根据多层器件的一个实施形式，堆的介电层特别地包含不同于给定断裂层中存在的浓度的一种或多种材料。因此，在给定断裂层与介电层之间得到了浓度梯度。在此，从给定断裂层迁移出的材料可以通过多层器件的一个或者多个介电层扩散。

如果介电层在宏观上被视为多孔的壁，借助该多孔的壁使电极层彼此间隔，则通过“壁”的扩散可以被视为由于浓度梯度或者活性梯度引起的扩散，该扩散有浓度平衡作用。给定断裂层的可向外扩散的材料因此可以借助渗透效应而扩散到多层器件的其他区域中。

根据多层器件的一个实施形式，形成或一同形成给定断裂层的材料是导电的并且在此较大份额(Anteil)地被包含在电极层中。该材料例如可以是银。例如，电极层会具有份额为75％的银和份额为25％的钯。给定断裂层在此会具有＞75％的银，其中给定断裂层还可以包含不同于包含在电极层中的钯的材料。优选地，应注意的是，使比较昂贵的贵金属在给定断裂层中的份额保持较小。

根据一个实施形式，该给定断裂层是多孔的。如果该给定断裂层包含金属，则金属的份额或材料构造可以被设计为使得给定断裂层对电磁场在多层器件中的分布没有作用或者至少仅仅有轻微的作用。优选的是，给定断裂层并不起到电极的作用或不具有电极功能。在此，给定断裂层根据多层器件的一个实施形式并不与外接触部电接触连接。

根据多层器件的一个优选的实施形式，至少一个给定断裂层在堆方向上与每个电极层相邻。此外，在堆的平面上，多个给定断裂层横向地对置，使得多层器件可以从多个侧面撕裂开，以便因此有效地消除机械应力。

在多层器件的另一实施形式中，设置有形成电极层的被压印(aufdrucken)的电极材料的介电层在其上侧上在电极层旁边具有边缘区域，该边缘区域优选地位于不活动区。与相邻的电极层相比，该边缘区域具有较高份额的可容易地扩散的材料(譬如银)并且包括给定断裂层。

给定断裂层优选地在电极层旁边被布置在相同的平面中并且借助电介质(譬如借助气隙或者借助陶瓷材料)与该平面电绝缘。除了在电极层旁边设置有给定断裂层的介电层之外，多层器件也可以在相邻的平面中具有介电层，这些介电层仅具有绝大部分被布置在不活动区域中的给定断裂层。

在电极层旁边被布置在相同的平面中的给定断裂层与在多层器件的其他平面中的另外的给定断裂层一起降低了在不活动区内的机械应力，并且由此提高了多层器件的可靠性。

在电极层旁边的附加的给定断裂层具有如下优点：在层压时，多层器件的各个层不必通过自己的塑性形变来补偿在堆方向上的厚度差异。如果在电极层上的介电层或压电陶瓷层向下弯到在下方的并且相邻的介电层的较下方的上侧，则会出现塑性形变。每个这样弯曲的介电层因此承受会造成裂缝的机械应力。如果该效应在多层器件的多个层上倍增，则这会导致多层器件的不同的高度尺寸并且在多层器件的整个高度上引起机械应力。然而，如果在电极层旁边在介电层的边缘区域中附加地布置给定断裂层，则多层器件基本上将得到统一的高度，使得可以避免机械应力。

此外，还说明了一种用于制造压电多层器件的方法，其中第一压电陶瓷膜被印有给定断裂材料，其构造在制造多层器件的进程中在机械上变得不稳定并且在此留下给定断裂层。具有电极层的第一压电陶瓷膜和第二压电陶瓷膜被提供给堆或被接合成堆来使得给定断裂层的面在垂直投影上与相邻电极层没有重叠面。因此，给定断裂层要始终位于多层器件的不活动区中。

根据制造方法的一个实施形式，第三或另外的压电陶瓷膜不仅被印有电极材料而且被印有给定断裂层，使得第三压电陶瓷膜不仅设置有电极层而且设置有给定断裂层，其中这些层并排地被布置在相同的平面中。

接着，堆可以被烧结成单片的多层器件。在此，第一、第二和第三压电陶瓷膜交替地并且以任意顺序彼此堆叠。在烧结之前，该堆在干燥过程中会被脱离(entbinden)。

根据该方法的一个实施形式，在加热多层器件期间，给定断裂层的机械不稳定性被实现。在此，可以涉及特别适于此的单独的加热过程。可替选地，在烧结多层器件期间，给定断裂层的机械不稳定性会实现。

根据制造方法的一个实施形式，第一压电陶瓷膜和第二压电陶瓷膜单个交替地彼此堆叠。因此，多层器件的每个第二压电陶瓷层具有给定断裂层。然而可替选地，借助另一过程可以将多个第二压电陶瓷膜提供给分堆(Teilstapel)并且随后将具有压印的给定断裂材料的第一压电陶瓷膜置于该分堆上。该过程可以重复，直至出现由分堆形成的堆。

根据一个实施形式，给定断裂材料在制造方法的进程中将多孔的给定断裂层留在第一压电陶瓷层上。这可以以不同的方式和方法来实现。例如，材料或者材料成分会部分地从给定断裂层中扩散。然而，材料成分也可以被实现为在一定的温度的情况下挥发一部分成分并且随后留下洞或孔。在此，涉及有机材料。优选的是，较低浓度的给定断裂材料存在于多层器件的不含给定断裂层的区域中，使得给定断裂材料可以从给定断裂层扩散到多层器件的具有较低浓度的给定断裂材料的区域中。

参照以下实施例和附图更为详细地阐述了所描述的对象。其中：

图1示出了具有介电层、电极层以及给定断裂层的堆的多层器件，

图2示出了用图1所示的多层器件的部分的分解图，

图3示出了当给定断裂层撕裂时用图1所示的多层器件的部分的状态，

图4示出了多层器件的另一实施形式，其中给定断裂层在电极层的平面中，

图5示出了根据图4的实施形式的俯视图。

图1示出了具有单片式构造的基体1的压电多层器件，该基体1具有压电陶瓷层2和电极层3的堆。每个第二介电层在边缘区域中被印有给定断裂层4。而另外的介电层2直至在内部区域中被印有电极结构或层3。给定断裂层4被布置在堆的不活动区IZ中，在那里两个在堆方向上相邻的电极层3在垂直投影上没有重叠。电极层3和给定断裂层包含两种导电材料，可是份额不同。例如，电极层3包含为20％的银和为80％的钯。而给定断裂层4包含多于20％的银(例如70％的银)，而仅仅包含30％的钯。根据由此形成的银的浓度梯度，给定断裂层的可运动的银可以到达或扩散到相邻的电极层3。该效应已在烧结过程之前开始。在此，留下给定断裂层，其不具有适合作为电极的连续结构并且在机械上是不稳定的。尤其是留下多孔的给定断裂层。

图2示出了利用图1所示的多层器件的区域的分解图。示出了在堆方向上相邻的压电陶瓷层2，其中第一压电陶瓷层2a设置有给定断裂层4，其材料已经部分地向外扩散并且因此留下孔或凹进部或者凹处。在第一压电陶瓷层2a上布置有第二压电陶瓷层2b，其设置有压印的电极层3。该电极层在一端与多层器件的外接触部5接触连接。

图3示出了利用图2所示的压电多层器件的区域，而这次具有深色绘出的槽，该槽表示在一定的拉伸载荷下形成的裂缝。该裂缝在此最大伸展直至给定断裂层4的朝向多层器件的内部的端部。该裂缝穿过给定断裂层4伸展；然而在此既未伸展到压电陶瓷层2a或2b与给定断裂层4之间的边界面上也未穿过压电陶瓷层本身来伸展。

图4示出了具有单片式构造的基体1的压电多层器件的另一实施形式，该基体1具有压电陶瓷层2和电极层3的堆。每个第二介电层2a在其边缘区域的角部被印有给定断裂层4。在其间的介电层2b除了边缘区域之外被印有电极结构或层3。设置有电极层3的介电层2c优选地在处于不活动区IZ的区域中的边缘区域中具有包含给定断裂材料的给定断裂层4。给定断裂层4被布置在堆的不活动区IZ中。给定断裂层4优选地比相邻的电极层3包含更高份额的可容易扩散的材料，譬如更高的银份额。设置有给定断裂层4的介电层2c的边缘区域与电极层3电绝缘，使得在电极层3与给定断裂层4之间没有出现短路。

图5示出了具有电极层3和在边缘区域中压印的给定断裂层4的介电层2c的俯视图。给定断裂层4与电极层3电绝缘。给定断裂层4优选地具有矩形形状。电极层3的边缘以窄的绝缘缝隙间隔地至少在两侧基本上平行于给定断裂层4的边缘伸展，使得电极层3例如可以具有“L”的形状。电极层3或给定断裂层的彼此朝向的边缘因此展现彼此互补的走向。

多层器件优选如下地被制造：

提供了第一和第二压电陶瓷生膜(Gruenfolie)，其成分可以是相同的。第一和第二压电陶瓷生膜分别优选地包含PZT陶瓷。为了生膜的更好的可操作性，第一和第二压电陶瓷生膜分别可以包含有机粘合剂。第一压电陶瓷生膜被印有给定断裂材料，而第二压电陶瓷生膜被印有电极材料。被印的给定断裂材料和被印的电极材料在相应的压电陶瓷生膜上分别形成给定断裂层和电极层。生膜被印或被修剪来使得给定断裂材料仅仅被布置在第一压电陶瓷生膜的边缘区域中并且电极材料从第二压电陶瓷生膜的边缘延伸直至生膜的中央区域中。给定断裂材料由90％的银和10％的钯组成。电极材料由75％的钯和25％的银组成。可替选地，给定断裂材料可以由98％的银和2％的钯组成，而电极材料由90％的银和10％的钯组成。

第一和第二生膜接着交替地相叠地堆叠，以便形成生的堆，其具有压电活动区域和压电不活动区域。堆接着被脱离并且被烧结。稍后在烧结过程中，银从给定断裂层扩散到电极层。在此，银被积聚到电极层中或被积聚到电极层上；然而这对电极层的功能没有负面影响。而钯还存在于两个层中或较少向外扩散，因为其具有比银小1到2个数量级的扩散系数。

在烧结过程之后，外接触部可以作为层被安装到多层器件的侧面上并且由此接触连接电极层。同样，在此，烧结过的堆的相应的侧面可以被打磨，以便暴露电极层，用于与外接触部简化地接触连接。

参考标记列表

1     基体

2     介电层

2a    具有压印的给定断裂材料的介电层

2b    具有压印的电极材料的介电层

3     电极层

4     机械上不稳定的层

5     外接触部

IZ    不活动区

Claims (13)

1.一种压电多层器件，其包括：基体(1)，该基体(1)具有介电层(2，2a，2b)、电极层(3)和至少一个给定断裂层(4)的堆，其中

-给定断裂层至少绝大部分被布置在不活动区(5)中，以及其中

-给定断裂层在一定的拉伸载荷下撕裂，

其中，给定断裂层(4)包含在制造堆期间能够通过介电层(2，2a，2b)扩散的给定断裂材料，

其中，给定断裂层(4)包含由在制造堆期间能够通过介电层(2，2a，2b)更容易地和更不好地扩散的导电的给定断裂材料构成的组合，并且其中电极层(3)和给定断裂层(4)具有不同份额的所述导电的给定断裂材料。

2.根据权利要求1所述的压电多层器件，其中，给定断裂层(4)的能够扩散的给定断裂材料更低份额地被包含在电极层(3)中。

3.根据上述权利要求之一所述的压电多层器件，其中，给定断裂层(4)在堆方向上与每个电极层(3)相邻。

4.根据权利要求1或2所述的压电多层器件，其中，在堆的平面上布置有多个横向对置的给定断裂层(4)。

5.根据权利要求1或2所述的压电多层器件，其中，给定断裂层(4)是多孔的。

6.根据权利要求1或2所述的压电多层器件，其中，给定断裂层(4)包含在85％到99％之间的银，而电极层(3)包含在15％到1％之间的银。

7.根据权利要求6所述的压电多层器件，其中，给定断裂层(4)包含在15％到1％之间的钯，而电极层(3)包含在85％到99％之间的钯。

8.根据权利要求1或2所述的压电多层器件，其中，在多层器件的相同的平面中，在电极层(3)旁边布置有给定断裂层(4)并且两者借助电介质彼此电绝缘。

9.根据权利要求8所述的压电多层器件，其中，电极层(3)和给定断裂层(4)的彼此朝向的边缘展现互补的走向。

10.一种用于制造压电多层器件的方法，其中：

-第一压电陶瓷膜(2)被印有给定断裂材料，该给定断裂材料的构造在制造多层器件的进程中在机械上变得不稳定并且在此产生给定断裂层(4)，以及

-具有电极层(3)的第一压电陶瓷膜和第二压电陶瓷膜被提供给堆来使得给定断裂层的面在垂直投影上与相邻的电极层不具有重叠面，以及

-该堆被烧结成单片的多层器件，

-其中给定断裂层(4)包含在制造堆期间能够通过所述压电陶瓷膜(2)扩散的给定断裂材料，其中给定断裂层(4)包含由在制造堆期间能够通过所述压电陶瓷膜(2)更容易地和更不好地扩散的导电的给定断裂材料构成的组合，并且其中电极层(3)和给定断裂层(4)具有不同份额的所述导电的给定断裂材料。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在加热所述多层器件期间产生给定断裂层(4)的机械不稳定性。

12.根据权利要求10或11之一所述的方法，其中，在制造方法的进程中，给定断裂材料在第一压电陶瓷层上留下多孔的给定断裂层(4)。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，出现给定断裂材料从给定断裂层(4)到多层器件的具有较低浓度的给定断裂材料的区域中的扩散。

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