CN101978519B - 压电多层部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种作为中间产品的压电多层部件,其具有上下相叠布置的未烧结的压电陶瓷层(2)的叠层(1)。第一电极层(3a)施加在压电陶瓷层(2)上并且包含第一金属。结构化的牺牲层(4)施加在另一压电陶瓷层上,在叠层方向上与所述第一电极层相邻,并且与所述第一电极层相比包含更高浓度的第一金属。如果烧结所述中间产品,则所述结构化的牺牲层(4)中的第一金属扩散到第一电极层并且与此同时留下空腔,所述空腔形成脆弱层。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造压电多层部件的方法以及一种可通过该方法生产的压电多层部件,该压电多层部件具有机械稳定性较低的区域。
背景技术
从DE 10 2006 031 085 A1中公知一种具有脆弱层(Sollbruchschicht)的压电多层部件。
发明内容
要解决的任务在于,说明一种压电多层部件,该压电多层部件可以在尽可能长的时间段内稳定地运行。
说明一种作为中间产品的压电多层部件,该压电多层部件具有上下相叠布置的未烧结的压电陶瓷层的叠层。第一电极层施加在压电陶瓷层上并且包含第一金属。牺牲层施加在另一压电陶瓷层上并且在叠层方向上与第一电极层相邻,其中与第一电极层相比,牺牲层包含更高浓度的第一金属。在此,概念“浓度”表示相应电极层中金属的重量份额。
如果烧结该中间产品,则牺牲层中的第一金属扩散到第一电极层并且与此同时留下空腔,由此形成脆弱层。因此,牺牲层是金属层,这些金属层通过它们在烧结期间的材料损失或者也由于它们的结构化在运行时不能体现出作为电极层的功能,因此也称为“牺牲”层。优选地,牺牲层中第一金属的浓度和第一电极层中第一金属的浓度之比被选择为使得牺牲层失去足够的材料,以便尤其是不能与叠层的外表面上可能存在的外部接触具有任何电接触。
第一电极层和牺牲层形成一个成对的系统,在该系统中,在加热压电多层部件时发生材料交换。
优选地,牺牲层被实现为结构化的牺牲层。在此,牺牲层具有中断的结构,即仅仅覆盖未烧结的压电陶瓷层的一部分。牺牲层例如被实现为施加在压电陶瓷层上的金属岛的布置。此外,结构化的牺牲层具有镂空,尤其是牺牲层作为网状结构仅仅覆盖未烧结的压电陶瓷层的一部分。
根据第一实施方式,第一电极层中的第一金属的浓度低于100%。在此优选的是,第一电极层中第一金属的浓度最高为80%。
已经证实,作为第一金属,铜是特别有利的,因为铜在相对低的温度下变软,因此可以实现压电多层部件的经济的烧结,在烧结时,铜与压电陶瓷层良好地结合。此外已经证实,与其他金属例如钯或者铂相比,铜相对容易地扩散通过压电陶瓷,由此有助于以下所述的压电多层部件的制造,所述压电多层部件具有在机械上被削弱的区域,该区域具有空腔。
替代铜,可以使用其他金属作为第一金属,例如银或者镍。
根据一个实施方式,第一电极层包含额外的第二金属,所述第二金属不同于第一金属。第二金属优选是钯。
优选的是,与第一金属相比,第二金属较差地扩散通过与第一电极层相邻的压电陶瓷层。因此,金属扩散通过所述多层部件主要由第一金属实现、尤其是由铜实现,第一金属在加热时具有通过压电陶瓷层的较高移动性。
根据哪种金属作为第一金属用在第一电极层中,优选从钯、铍、铝、锰、锌、锡、铋、镍、钴、铬、钼、铌、铷中选出第二金属。
有利的是,与第二金属相比,在第一电极层中第一金属具有更高浓度。例如在第一电极层中第一金属的浓度为70%而第二金属的浓度为30%。为了可以发生从牺牲层至第一电极层的扩散,第一电极层中第一金属的浓度必须低于牺牲层中第一金属的浓度。通过第一金属的扩散,第一电极层和牺牲层之间的第一金属浓度差减小,即牺牲层中第一金属的浓度下降。
除金属外,牺牲层还可以包含有机粘合剂,所述有机粘合剂优选在中间产品烧结前通过合适的热处理挥发。
根据中间产品的一个实施方式,提供第二电极层,所述第二电极层施加在另一压电陶瓷层上,其中第二电极层包含与第一电极层或者牺牲层相同的第一金属。在此有利的是,第二电极层最多包含与牺牲层相同的第一金属浓度。因此,应尽可能阻止第一金属从第二电极层扩散到牺牲层中,使得第二电极层不遭受材料损失或者仅仅遭受非常少的材料损失。因此确保了:在烧结中间产品之后第二电极层在功能上可以充当电极层,即第二电极层适合于建立电场。
优选地,压电多层部件的压电陶瓷层包含包括陶瓷的锆酸铅-钛酸盐(PZT)。已经证实,金属、尤其是铜在烧结中间产品期间可以以相对小的阻力扩散通过PZT陶瓷。因此可以有助于金属在压电多层部件的两个区域之间的扩散过程,其中第一金属在所述两个区域中具有不同的浓度。
此外,说明一种作为在制造压电多层部件时的中间产品的未烧结体,其中提供包含压电陶瓷和位于其间的电极层的上下堆叠的未烧结膜,其中除第一电极层外还布置有含金属的牺牲层,其中第一电极层包含作为主要组分的具有高于50%重量份额的第一金属。在此,第一电极层包含作为次要组分的与第一金属不同的第二金属,该第二金属具有低于50%的重量份额,其中牺牲层包含的作为主要组分的第一金属的重量份额高于在第一电极层中的重量份额。
除作为中间产品或者作为未烧结体的压电多层部件外,还说明一种用于制造作为最终产品或者作为经烧结产品的压电多层部件的方法。
在此,烧结作为中间产品制造的压电多层部件,其中第一金属至少部分地从牺牲层扩散到第一电极层并且与此同时在之前被印刷有牺牲层的区域中留下空腔,由此在机械上削弱两个压电陶瓷层之间的临界面,其中在所述两个压电陶瓷层之间曾施加有牺牲层。
还说明一种压电多层部件,该压电多层部件可直接按照在此所述的制造方法生产,在所述制造方法中继续处理所述中间产品。
附图说明
根据以下实施例和图详细阐述所述主题。在此:
图1示出压电多层部件的纵剖面图;
图2示出压电多层部件的叠层的一个区段;
图3a和3b示出压电多层部件中的极化裂缝;
图4示出未烧结的压电多层部件的叠层的一个区段,具有结构化的金属牺牲层;
图5a至5f示出牺牲层的不同实施方式;
图6a至6d示出未烧结的压电多层部件的叠层的一个区段,具有结构化的牺牲层在叠层的横剖面方面的不同布置可能性;
图7a至7d示出未烧结的压电多层部件的叠层的一个区段,具有一个或多个牺牲层在叠层方向方面的不同布置可能性;
图8示出未烧结的压电多层部件的叠层的一个区段,具有第一电极层、牺牲层和第二电极层的重复布置;
图9示出未烧结的压电多层部件的叠层的一个区段,具有第一电极层和牺牲层的重复布置;
图10示出经烧结的压电多层部件的叠层的一个区段,具有两个压电陶瓷层之间的具有空腔的边界区域。
具体实施方式
图1示出示意性示出的压电执行器的横剖面图,该压电执行器具有压电陶瓷层2和位于其间的电极层3的叠层1。在叠层1的两个纵侧上施加有作为外部金属化层的外部接触5,所述外部接触5与电极层3的延伸至纵侧的端部接触。不同极性的相邻电极层在平行于压电执行器的叠层轴线延伸的正交投影中重叠。在称作活性区的重叠区域中,电场导致产生存在于电极层之间的压电陶瓷层2的偏转或膨胀。极性相反的相邻电极层3不重叠的区域称为非活性区。在此区域中,几乎不因为压电效应而发生偏转。电极层3中的材料被选择为使得所述电极层3在烧结过程中不会过度熔化或所印刷的电极层的结构在烧结时以及在烧结后基本上保持不变。
图2示出压电执行器的叠层1的一个区段,其中在极性相反的相邻电极层3之间可以上下堆叠多个压电陶瓷层2。这样的区段也用于以下描述的压电执行器的实施方式的结构的基础,因为在附加的压电陶瓷层2之间可以施加另外的电极层3或牺牲层,这些另外的电极层3或牺牲曾可以通过其不同的材料组成激发扩散过程。
图3a示出裂缝6如何连接压电执行器的多个电极层3、尤其是极性相反的电极层3。
发明人已经确定:压电执行器的可靠性决定性地取决于对可能出现的裂缝的控制。在热处理时,例如在烧结一温度在800和1500℃之间、金属化和焊接时以及在已烧结的压电执行器的极化时,由于不同的膨胀而在活性区和非活性区中产生机械应力,所述机械应力导致压电执行器的所谓的减压裂缝和/或极化裂缝。这些裂缝在非活性区中沿着电极层3延伸或者在电极层3中延伸。在到活性区域的过渡中这些裂缝可以弯折。在此如果这些裂缝跨越至少两个电极层,则可能产生短路,所述短路可导致压电执行器的故障。相反地,平行于内部电极的裂缝几乎不危及压电执行器的使用寿命。
图3b示出压电执行器的叠层1中的裂缝6的无危害的走向。在此,裂缝基本上平行于电极层3或平行于压电陶瓷层2延伸,从而裂缝不连接极性相反的电极层并且因此也不造成短路。
避免如图3a中的有害裂缝的思想在于使用由不同材料制成的相邻金属层,以激发由于这些金属层的不同组成而在烧结过程期间在更高温度时发生的扩散过程。在扩散过程期间一个金属层或者金属层的合金的一种组分与其他金属层或组分相比失去更多的材料。在此,在该金属层中形成空腔,这导致该层的机械削弱。因此,极化裂缝或者其他裂缝优选在机械削弱的金属层中形成并且仅仅在该层内延伸。
图4现在示出压电执行器的叠层1的一个示意性表示的区段的纵剖面图,其中牺牲层4布置在压电陶瓷层2上,其中牺牲层布置在第一电极层3a与第二电极层3b之间并且这些电极层极性相反并且在叠层方向上相邻。在本文中在叠层方向上相邻是指:在第一极层3a与第二电极层3b之间不存在其他的功能性电极层。
在特定数量的第一电极层3a中,例如可以取代仅用铜而使用具有组成(1-x)Cu/x Pd的材料,其中0<x<1。该材料或者可以是由铜粉和钯粉构成的混合物或者可以是由这两种金属构成的合金。因此,第一电极层3a包含由铜和钯构成的混合物,而牺牲层4作为金属优选仅仅包含铜。替换于此地,取代铜也可以使用其他的金属,例如银。第一电极层3a例如包含由银和钯构成的混合物或者合金。牺牲层4优选仅仅包含银。
第一电极层3a和牺牲层4的组成方面的不同将在更高的温度下激发扩散过程。已经证实,铜在基于PZT的压电陶瓷中显示出比钯更高的移动性。这导致:仅仅在一个方向上发生扩散,即在从由纯铜构成的牺牲层4到包含铜和钯的第一电极层3a的方向上发生扩散。因此,包含铜和钯的第一电极层3a充当铜宿(Kupfersenke)的角色。与第一铜钯电极层3a紧邻的牺牲层4中的材料损失导致空腔的形成,这削弱之前存在的牺牲层与周围的压电陶瓷层2之间的界面。因此为根据图3b的受控制的裂缝的形成和延伸创造了条件,这些裂缝基本上在界面内延伸并且因此平行于压电陶瓷层2。
牺牲层4中空腔的份额可以通过第一电极层3a和牺牲层4的组成、这些层的厚度以及通过牺牲层4的空间结构来控制。
牺牲层4优选作为金属岛的图案或者作为具有镂空的图案的金属层施加在压电陶瓷层2上。优选地,这样的结构化牺牲层4的一个或多个金属区域仅仅包含第一金属,在此示例中为铜。
优选地,结构化的牺牲层4借助于丝网印刷、喷镀或者喷射施加在压电陶瓷层上。
压电陶瓷层包含例如具有根据以下化学式的组成的陶瓷:
(PbxNdy)((Zr1-zTiz)1-aNia)O3
其中
0.90≤x≤1.10;
0.0001≤y≤0.06;
0.35≤z≤0.60;
0≤a≤0.10。
优选地,压电执行器中电极层的总数的10%是第一电极层3a,也就是说,第一电极层3a与牺牲层4相比包含更低浓度的第一金属。
以下更详细地描述第一电极层3a的优选组成。在此,在第一电极层3a中存在重量份额为99.9%至70%的铜,尤其是份额为97%至75%的铜。第一电极层的剩余部分包含钯作为金属,其中在此不考虑可能使用的有机粘合剂。在此,或者使用由铜和钯构成的合金或者使用由铜粉和钯粉构成的混合物。
第一电极层3a和/或牺牲层4中的铜颗粒具有0.1至10μm的直径,优选0.4至1.5μm的直径。
第一电极层3a中的钯颗粒同样具有0.1至10μm的直径,优选0.4至1.5μm的直径。其他金属颗粒,例如银颗粒,同样可以具有所述大小。
第一电极层3a中的合金中的颗粒大小,即在不以不同粉末的形式单独存在的不同金属的化合物中同样可以具有以上所述尺寸。
优选地,第一电极层3a也借助于丝网印刷、喷镀或者喷射施加在压电陶瓷层2上。在此有利的是,可以使用用于生产牺牲层4的同一印刷过程。
在压电执行器的未烧结状态下,第一电极层3a的厚度优选在0.1和20μm之间,优选在1.0和10μm之间。
第一电极层3a的份额可以在压电多层部件的电极层总数的1%和100%之间。在一个优选的实施方式中,第一电极层的份额在5%和15%之间的范围内。优选地,在每个第一电极层3a旁边具有至少一个牺牲层4。
图5a示出覆盖压电陶瓷层2的整个表面的牺牲层4的俯视图。通过牺牲层4在烧结期间的材料损失产生空腔。在适当地选择牺牲层的材料组成的情况下,几乎全部第一金属可以在烧结期间扩散到第一电极层。在此期间,相邻的压电陶瓷层2彼此不固定地连接,从而这些压电陶瓷层2之间的界面在机械上被削弱并且因此在压电执行器运行期间可以充当脆弱层。
图5b示出结构化牺牲层4的俯视图,该结构化牺牲层4被实现为仅仅覆盖压电陶瓷层2的表面的一部分的金属岛4a的布置。在此,金属岛4a是圆形,但可以分别具有任意其他的轮廓,例如多边形的轮廓。金属岛4a优选以规则的图案施加在压电陶瓷层2上,从而这些金属岛彼此之间分别具有相同的距离。但这种规则的结构不是必需的。
图5c示出结构化的金属牺牲层4的俯视图,该结构化的金属牺牲层4具有镂空或者孔4b,从而层4仅仅覆盖压电陶瓷层2的表面的一部分。所印刷的结构是上图的结构的负像。孔4b优选是圆形的并且彼此间隔规则的距离。压电陶瓷层的被印刷有金属层4的区域可以延伸到压电陶瓷层的边缘。但因为所印刷的第一金属随后在对未烧结的叠层进行烧结期间迁移,所以在压电陶瓷层的边缘区域处留下空腔,从而除在叠层上施加的外部金属化层外在叠层1的内部区域中在已迁移的第一金属的平面上不再具有电接触。
图5d示出结构化的金属牺牲层4的实施方式,其中金属岛4a是正方形的。
图5e示出作为网状结构施加在压电陶瓷层2上的金属牺牲层4。因此,第一金属以包围正方形镂空4b的连通结构施加在压电陶瓷层2上。与图5c中所示的结构不同,在此镂空4b是正方形的而不是圆形的并且金属区域不一直延伸到叠层1的边缘。
图5f示出作为同心的框形金属区域的布置施加在压电陶瓷层2上的金属牺牲层4。在此,金属区域具有圆形或者正方形的轮廓。所述金属区域可以理解为具有共同中心的框形金属岛。此实施方式可以理解为根据图4b的金属岛4a和根据图4c和4e的镂空4b的组合。
图6a至6d示出金属岛4a的布置在压电陶瓷层2的表面上的不同位置。例如,具有基本上矩形轮廓的金属岛的第一布置以该矩形轮廓的一侧延伸到叠层1的一个纵侧(图6a)而该岛布置的轮廓的相对侧与叠层的相对的纵侧具有一定距离。替代地,金属岛布置的矩形轮廓的相对侧也可以延伸到叠层的两个相对的纵侧并且相对于其他的纵侧后移(图6b)。附加地或者替代地,金属岛的布置具有平行四边形形式的轮廓,使得该轮廓的两个角延伸到叠层的两个角(图6c)。替代地,金属岛的布置仅仅位于压电陶瓷层的表面的内部区域中,从而该布置的轮廓的任何部分均不延伸到叠层的纵侧。
图7a至7d示出具有第一电极层3a和牺牲层4的不同布置可能性的压电执行器的叠层1的一个区段的纵剖面图,第一电极层3a和牺牲层4在叠层方向上分别被第二电极层3b包围。在此示出的由第一电极层3a和牺牲层4构成的组合可以任意多次地存在于叠层中并且不必须由第二电极层3b包围。
图7a示出一种布置,其中与牺牲层4中的第一金属相比包含较低浓度的第一金属的第一电极层3a布置在两个在叠层方向上相邻的牺牲层4之间,这些牺牲层4可以分别具有根据图5a至6d的结构。在此两个第一电极层3a在叠层方向上相邻。每个第一电极层3a在叠层方向上被两个牺牲层4包围。“内部的”牺牲层在叠层方向上与两个第一电极层3a邻接。两个“外部的”牺牲层分别与第一电极层3a和第二电极层3b邻接,第二电极层3b的金属份额优选全部由第一金属形成。例如,这种由牺牲层、第一电极层、牺牲层、第一电极层和牺牲层构成的布置在叠层方向上连续。
在此,第一电极层3a优选包含第一金属、例如铜和第二金属、例如钯的混合物。其间布置有第一电极层3a的两个牺牲层4的铜可以扩散到第一电极层并且与此同时留下空腔。因此,第一电极层3a充当来自两个牺牲层的第一金属的宿(Senke)。
图7b示出一个实施例,其中具有第一金属的牺牲层4位于第一电极层3a和第二电极层3b之间。然而,参照叠层1的叠层方向,第一电极层3a或者第二电极层3b位于牺牲层4的上面或者下面。这种三个一组的布置可以借助于多个压电陶瓷层2彼此间隔开。在这里示出的实施例中,在两个功能性电极层之间始终存在两个压电陶瓷层。
根据图7c,牺牲层4布置在两个在叠层方向上相邻的、极性相反的第一电极层3a之间。因此在此,两个第一电极层3a“分享”一个牺牲层。因此来自牺牲层4的第一金属在烧结压电执行器时同时扩散到两个相邻的第一电极层3a中。在此,第一电极层3a也优选地包含可较差地扩散通过压电陶瓷的第二金属,例如钯。
根据图7d,第一电极层3a和第二电极层3b在叠层方向上规则地交替,其中第一电极层3a分别被两个牺牲层4包围。
图8示出未烧结的压电多层部件的叠层1的一个区段,其中由第一电极层3a和牺牲层4构成的对以规则的距离存在于叠层中。其余的电极层是第二电极层3b。可以有任意多个第二电极层3b被由第一电极层3a和牺牲层4构成的对代替。例如,在叠层中仅仅设有一个唯一的这样的对。但每个电极层也可以通过由第一电极层3a和牺牲层4构成的对形成。
图9示出未烧结的压电多层部件的叠层1的一个区段,其中仅仅存在第一电极层3a和牺牲层4,而缺少第二电极层。在一些极性相反的第一电极层3a一这些第一电极层3a包含例如作为主要部分的铜和作为次要部分的钯一之间布置有牺牲层4,牺牲层4的材料份额优选全部由铜组成。在此,在叠层方向上不是每个第一电极层3a都与一个牺牲层4相邻。叠层中可以具有任意数量的牺牲层4。例如,可以仅仅设有一个牺牲层4或者也可以在每个第一电极层3a旁边都存在一个牺牲层4。
图10示出经烧结的压电多层部件的叠层1的一个区段,其中在两个压电陶瓷层2之间的边界上形成空腔7,其中在烧结之前在空腔7的位置上存在牺牲层的第一金属。在烧结时该牺牲层的第一金属通过扩散迁移到具有更低浓度的第一金属的第一电极层3a。通过例如根据图5b至5f和6a至6d的牺牲层的结构化,空腔7可以有针对性地在界面的特定位置上产生。
一方面,可以通过适当地调节牺牲层4和具有更低浓度的第一金属的相邻第一电极层3a之间的浓度差实现扩散过程。
另一方面,可以借助于在烧结或者加热未烧结的叠层时的适当的温度控制来实现扩散过程。图10示出第一电极层3a和第二电极层3b之间存在的空腔。牺牲层的金属扩散几乎仅仅在第一电极层3a的方向上进行,因为第二电极层3b包含与牺牲层中的第一金属浓度相同或者几乎相同的第一金属浓度。因此,在牺牲层4和第二电极层3b之间不存在激发它们之间的第一金属的扩散过程的显著的浓度梯度。
附图标记列表
1 由压电陶瓷层和电极层构成的叠层
2 压电陶瓷层
3 电极层
3a 第一电极层
3b 第二电极层
4 牺牲层
5 外部接触
6 裂缝
7 空腔
Claims (15)
1.一种作为中间产品的压电多层部件,具有:
-上下相叠布置的未烧结的压电陶瓷层(2)的叠层(1),其中,
-第一电极层(3a)施加在第一压电陶瓷层(2)上并且包含第一金属,其中,
-牺牲层(4)施加在第二压电陶瓷层上并且在叠层方向上与所述第一电极层相邻,其中,
-所述牺牲层(4)与所述第一电极层(3a)相比包含更高浓度的第一金属,
其中所述压电多层部件包括施加到第三压电陶瓷层的第二电极层,其中所述第二电极层包含与牺牲层相同或者几乎相同浓度的第一金属,和其中所述牺牲层不能作为电极层起作用,其中浓度表示相应电极层中金属的重量份额。
2.根据权利要求1所述的压电多层部件,
其中所述牺牲层(4)是结构化的。
3.根据权利要求2所述的压电多层部件,
其中所述结构化的牺牲层(4)作为岛的布置施加在所述第二压电陶瓷层(2)上。
4.根据权利要求2或3所述的压电多层部件,
其中所述结构化的牺牲层(4)具有镂空(4b),所述镂空(4b)不具有第一金属。
5.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件,
其中所述第一电极层(3a)中的第一金属的浓度最多为80%。
6.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件,
其中所述第一金属包括铜。
7.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件,
其中所述第一电极层(3a)包含额外的第二金属,所述第二金属不同于所述第一金属。
8.根据权利要求7所述的压电多层部件,
其中与所述第一金属相比,所述第二金属能较差地扩散通过与所述第一电极层(3a)相邻的压电陶瓷层(2)。
9.根据权利要求7或8所述的压电多层部件,
其中所述第二金属选自:钯、铍、铝、锰、锌、锡、铋、镍、钴、铬、钼、铌、铷。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的压电多层部件,
其中与所述第二金属相比,在所述第一电极层(3a)中存在更高浓度的第一金属。
11.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件,
具有施加在第三压电陶瓷层(2)上的第二电极层(3b),其中所述第二电极层(3b)包含与所述第一电极层(3a)相同的第一金属。
12.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件,
其中所述第二电极层(3b)最高包含与所述牺牲层(4)浓度相同的第一金属。
13.一种用于制造压电多层部件的方法,其中烧结根据以上权利要求中任一项所述的作为中间产品制造的压电多层部件,其中所述第一金属至少部分地从所述牺牲层(4)扩散到所述第一电极层(3a)中并且与此同时留下空腔(7),由此在机械上削弱两个压电陶瓷层之间的界面,在所述两个压电陶瓷层之间曾施加有所述牺牲层(4)。
14.根据权利要求13所述的方法,
其中相邻的压电陶瓷层(2)在烧结时在所述空腔(7)之间连接。
15.一种压电多层部件,其能直接根据权利要求13或14所述的方法制造。
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
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