CN101978520B

CN101978520B - 压电多层部件

Info

Publication number: CN101978520B
Application number: CN200980110396.2A
Authority: CN
Inventors: G·克格尔; O·德诺夫泽克; A·格拉朱诺夫
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: JP2011510506A; US8022598B2; US8274199B2; CN101978520A; EP2245679A1; US20110298337A1; EP2245679B1; WO2009092585A1; US20110006644A1; JP5587793B2

Abstract

说明一种压电多层部件，该压电多层部件具有由上下叠加布置的压电陶瓷层(2)和电极层(3)构成的叠层(1)。该叠层(1)具有第一区域(B)和第二区域(A)，其中第二区域(A)具有干扰材料(4)，通过该干扰材料降低第二区域(A)相对于第一区域(B)的机械稳定性。此外，说明一种作为中间产品的压电多层部件以及一种用于根据该中间产品制造压电陶瓷部件的方法。

Description

压电多层部件

技术领域

说明一种具有在机械方面稳定性更低的区域的压电多层部件。

背景技术

从文献DE 10 2006 031 085 A1中公知一种具有易断层(Sollbruchschicht)的压电多层部件。

发明内容

要解决的任务在于，说明一种长时间稳定的压电多层部件。

说明一种压电多层部件，该压电多层部件具有由上下叠加布置的压电陶瓷层和位于该压电陶瓷层之间的电极层构成的叠层。该叠层具有第一区域和第二区域，其中第二区域包含干扰材料，通过该干扰材料降低第二区域相对于第一区域的机械稳定性。

第一区域和第二区域在叠层内优选分别在横向上-即垂直于叠层方向-延伸。第一区域以及第二区域的走向基本上平行于叠层的层并且优选在叠层的整个横剖面的跨度上延伸。

两个区域中的每个可以包括该叠层的一个或多个压电陶瓷层，或者只包括压电陶瓷层的一部分。优选地，第一区域和第二区域相互邻接。

所述压电多层部件所具有的优点是，通过特定机械负荷在叠层中引起的机械应力可以通过在机械稳定性减小的区域-即在第二区域-中的受控裂缝形成来消除。尤其是可以避免两个极性相反的电极层通过裂缝相互连接，因为裂缝本身构成为平行于机械稳定性减小的第二区域内的层。为此，具有比第二区域高的机械稳定性的第一区域在叠层方向上与第二区域邻接。优选地，第一区域由两个子区域组成，这两个子区域在叠层方向上包围第二区域。因此，裂缝被在第二区域中引导并且不扩展到第一区域中。由此，可以避免极性相反的电极层之间的短路并且提高部件的长时间稳定性。

第二区域的减弱通过干扰材料引起。在一个实施方式中，第二区域包含压电陶瓷材料，所述压电陶瓷材料的组织由于干扰材料的存在而在烧结过程期间有所改变。在此，第二区域中的压电陶瓷材料优选具有比第一区域中的压电陶瓷材料高的孔隙率。因此，第二区域在机械上减弱。优选地，第一区域同样包含压电陶瓷材料，其中该压电陶瓷材料的组织不被干扰材料改变或者仅仅轻微地被干扰材料改变。所述干扰材料也能以与第二区域的材料之间的化学化合物的形式存在。

此外，说明一种作为中间产品的压电多层部件，从中可以制造出所述的压电多层部件。将干扰材料引入到该中间产品中，所述干扰材料适于改变第二区域中的材料的烧结特性，使得引起第二区域相对于第一区域的机械上的减弱。

优选地将干扰材料选择为使得该干扰材料可以在对叠层进行加热时扩散到叠层的第二区域中并且可以改变第二区域的烧结特性。但是，该干扰材料也可以在烧结之前就已经被引入到第二区域中并且改变第二区域的烧结特性。在这种情况下，第二区域例如是掺杂有干扰材料的压电陶瓷层。在此，干扰材料可以改变该掺杂层的烧结特性并且此外扩散到邻接的压电陶瓷层中并且也干扰该邻接的压电陶瓷层的烧结特性。干扰材料也可以称为活化材料。

所引入的干扰材料优选包括过渡金属。所述干扰材料可以由过渡金属组成或者包括过渡金属与另一金属的混合物。所述另一金属优选包含在电极层中。这所具有的优点是，使在叠层中使用的金属种类的数量最小化并且因此简化多层部件的制造。所述干扰材料也可以与陶瓷粉末混合。优选使用也用于压电陶瓷层的陶瓷粉末。

所述干扰材料例如包含镍或者由镍制成。根据一个实施方式，所述干扰材料以包括氧化物、氢氧化物或盐的化学化合物的形式存在。

替代于镍，也可以使用其他材料作为干扰材料，所述其他材料例如是钒、铬、锰、铁、钴、锌、镓或锗。这些材料可以要么以金属的形式、要么以合金或化学化合物的形式来使用，如之前在镍的情况下所述的那样。

在中间产品的一个实施方式中，将至少一个包含干扰材料的附加干扰层引入到叠层中。干扰层可以施加在电极层上。在一个实施方式中，干扰层只在电极层的跨度上延伸。然而，干扰层也可以在叠层的整个横剖面的跨度上延伸。

在可替换的实施方式中，干扰层被施加到压电陶瓷层上。干扰层优选在叠层的整个横剖面的跨度上延伸。

在一个实施方式中，干扰层被结构化并且不完全覆盖叠层的一个层。所述干扰层可以具有与电极层的几何结构不同的几何图案。所述干扰层例如包括以岛的形式或以具有镂空的层的形式存在的干扰材料。在此，所述干扰层可以是包含干扰材料的层，其中所述层具有中断的结构。

可替换地，所述干扰层可以具有与电极层相同的形状或几何结构。这所具有的优点是，可以通过相同的方式将电极层和干扰层施加在叠层的压电陶瓷层上，使得例如可以使用相同的掩膜来压印这些层。

根据一个实施方式，干扰层从叠层的一个纵侧延伸到叠层的另一个纵侧。在此，所述干扰层尤其是可以完全覆盖叠层的平面。

干扰层尤其是可以借助于丝网印刷、喷镀或喷涂来生成。

根据中间产品的一个实施方式，干扰层包括引入了干扰材料的层。这例如是掺杂有干扰材料的压电陶瓷层。在这种情况下压电陶瓷层本身可以用作易断层。所述干扰材料还可以引入到电极层中，并且在烧结期间扩散到邻接的压电陶瓷层中。

优选地，第二区域与包含干扰材料的区域邻接。在存在干扰层的情况下，第二区域例如包括沿着叠层方向与该干扰层邻接的压电陶瓷层。如果压电陶瓷层掺杂有干扰材料，则第二区域例如包括该压电陶瓷层。第二区域沿着叠层方向延伸多远首先取决于干扰材料的扩散特性以及干扰材料的量。

多层部件的第二区域优选包括压电陶瓷材料，尤其是铅钛酸铅(PZT)。该材料优选包含在压电陶瓷层中。已经证实，这样的包含在第二区域中的陶瓷材料可以与干扰材料发生反应，使得在对所述多层部件进行热处理期间-例如在烧结期间，第二区域的机械强度被降低为使得该第二区域可以用作易断区域或易断层。

在此，根据对干扰材料的选择，可以改变周围的已烧结陶瓷的孔隙率和组织。在此，对压电陶瓷材料的改变的程度首先取决于与干扰材料的距离、所使用干扰材料的类型以及所施加的干扰材料的量。

所述干扰材料距周围的层的距离和所述干扰材料的类型的影响由干扰材料通过周围材料的扩散分布来确定。压电陶瓷层距干扰材料越近，在烧结过程期间就有越多的干扰材料扩散到压电陶瓷层中并且压电陶瓷层的烧结特性就会越强烈地受到干扰材料的影响。因此，裂缝在烧结过程结束之后对孔隙率和组织的特定影响或影响也取决于在中间产品中压电陶瓷层距干扰材料的距离。

在与干扰层相距较大的压电陶瓷层中，在极端情况下，甚至可以不发生对孔隙率和组织的改变，因为干扰层的干扰材料在烧结过程期间不能通过扩散过程达到这些层。优选地，叠层的相对于第二区域机械稳定性提高的第一区域比第二区域距干扰材料更远。因此，第一区域比第二区域包含更少的干扰材料的量，并且因此在其烧结特性方面不改变或者仅仅轻微地改变。

除了各个压电陶瓷层与干扰层的间隔之外，干扰层中的干扰材料的量也起到重要作用。这个量除了影响扩散分布之外还影响第一材料在已烧结陶瓷中的浓度。当这个量很小时，在烧结过程之后对孔隙率和组织的改变同样很小。

在烧结过程结束时产生具有不均匀孔隙率分布和不均匀组织的叠层，这导致叠层本体中的不同机械强度的分布。例如，一些压电陶瓷层包含比另一些压电陶瓷层更小的机械强度。具有减小的机械稳定性的压电陶瓷层优选位于干扰层旁。在此，在对叠层进行极化和运行时的裂缝优选在具有更小强度的压电陶瓷层中产生。因为邻接的层具有更高的机械强度，所以这样的裂缝仅应在具有更小强度的层内延伸。这样的话，裂缝走向基本上平行于电极层，这导致压电多层部件的使用寿命的延长。

为了确保裂缝在对叠层或压电多层部件进行极化和运行期间不偏离电极层的平面，优选改变多层部件的整个平面的孔隙率和组织，并且不仅局部地进行改变，例如仅在多层部件的边缘处进行改变。为了实现此目的，干扰层可以在叠层的整个横剖面的跨度上延伸。

此外说明一种用于制造压电多层部件的方法，其中对作为中间产品所制造的压电多层部件进行烧结。在烧结期间，干扰材料改变第二区域中的材料的烧结特性，使得产生第二区域的机械上的减弱。在此，干扰材料可以在对叠层进行加热之前就已经位于第二区域中或者在加热时才扩散到第二区域中。

所述干扰层优选借助于之前所述的技术之一来生成并且利用之前所述类型的图案来构造。

附图说明

根据下面的图和实施例进一步阐述所述主题。在此：

图1示出示意性示出的压电多层部件的纵剖面图，

图2示出示意性示出的压电多层部件的一个区域的纵剖面图，

图3a和3b示出压电多层部件中的不同的裂缝形成，

图4示出具有干扰层的压电多层部件的纵剖面图，

图5a和5b分别示出具有由于干扰材料而稳定性较低的区域的压电多层部件的纵剖面图，

图6a至6d示出干扰层的不同实施方式，

图7a至7d示出具有不同几何图案的干扰层的俯视图。

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，该压电执行器具有由压电陶瓷层2和位于压电陶瓷层之间的电极层3构成的叠层1。在叠层1的两个纵侧上施加有作为外部金属涂层的外部接触5，这些外部接触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正交投影中重叠(该正交投影平行于压电执行器的叠层轴线)。在可以称作活化区的重叠区域中，电场导致存在于这些电极层之间的压电陶瓷层2产生偏转或者膨胀。极性相反的相邻电极层3不重叠的区域称为非活化区。在该区域中，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这些电极层3在烧结过程中不会过度熔化或者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之间可以上下叠加地堆叠多个压电陶瓷层2。这样的区段也用作以下描述的压电执行器实施方式的结构的基础，因为在附加的压电陶瓷层2之间可以施加干扰层，这些干扰层发起化学反应，以产生该叠层的机械上减弱的第二区域。

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。在热过程中，例如在烧结(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化(受控)区和非活化(绝缘)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。这些裂缝在非活化区中沿着电极层3延伸或者在电极层3中延伸。在向活化区域过渡时，这些裂缝可能折断。在此，如果这些裂缝跨越至少两个电极层，则可产生短路，这些短路可能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。裂缝基本上平行于电极层3或者压电陶瓷层2延伸，使得裂缝不连接极性相反的电极层并且因此也不造成短路。

图4现在示出作为中间产品的压电执行器，其中多个干扰层4分布在叠层1的高度跨度上。作为干扰材料，干扰层4可以包含过渡金属-例如镍，并且分别施加在电极层3上。在此，干扰层4在叠层1的整个横剖面的跨度上延伸。

作为干扰材料的镍可以以不同形式存在，例如作为金属镍、镍氧化物、氢氧化镍或者镍盐。含镍的材料可以与压电陶瓷粉末混合并且施加在叠层的现有层上。在此，优选使用与用于压电陶瓷层相同的压电陶瓷的粉末。作为替代，含镍的材料也可以与金属粉末混合并且施加在叠层的现有层上。在此，优选使用与在叠层的电极层中所使用的金属材料相同的金属材料。所述材料例如包括铜、银、钯或者这些金属的合金。在电极层充当干扰层的情况下，可以将干扰材料混合到用于印制电极层的膏状物中。

图4示出如何将干扰层4分别施加到电极层3上。干扰层可以布置在叠层中的不同位置处。例如，干扰层可以直接位于电极层上，如在图4中所示出的那样。但是，干扰层也可以被施加在两个在叠层方向上相邻的压电陶瓷层之间，在这两个相邻的压电陶瓷层之间不存在电极层3。

由含镍材料制成的优选薄的具有多达10μm厚度的干扰层4可以在叠层1的烧结期间与周围的压电陶瓷反应并且因此改变压电陶瓷的烧结特性。

关于在分别布置在两个相邻的内部电极之间的陶瓷层中的与干扰层邻接的陶瓷材料，在使用镍作为干扰材料的情况下，镍含量为压电陶瓷材料的0.05至10mol-％，优选0.5至6mol-％。

如果压电陶瓷层掺杂有该第一材料，则上述的量被理解为陶瓷中超过现有镍含量的附加的量。

每两个在叠层方向上相邻的干扰层之间的间隔优选在0.5至5mm之间，优选在0.6至2.5mm之间。

图5a示出用阴影表示的第二区域A，该第二区域A由于干扰材料而相对于第一区域B在机械上减弱。在烧结期间，来自干扰层4的干扰材料扩散到邻接的压电陶瓷层中并且导致对烧结特性的干扰。因为第一区域B距干扰层4的距离较大，所以扩散到该区域中的干扰材料较少。第一区域B在叠层方向上包围第二区域A。

图5b示出在对该叠层进行机械加载时可如何穿过该第一区域A形成受控的裂缝6。该裂缝在第一区域A内在中间产品中施加的干扰层4的附近延伸。这归因于，压电陶瓷层距干扰层4越近，该压电陶瓷层就越弱。压电陶瓷层的机械稳定性可以随着距干扰层4的距离增加而连续减小。因此，第二区域A与第一区域B之间的过渡也可以流畅地进行。

图6a至6d示出干扰材料在中间产品中的不同的布置可能性。

图6a示出施加到电极层3上的干扰层4。与电极层3不同，干扰层4在叠层的整个横剖面的跨度上延伸。

图6b示出一个电极层3a，其中干扰材料被引入到该电极层3a中。在此，干扰材料没有被引入到所有的电极层3中。

图6c示出干扰层4如何在叠层1的整个横剖面的跨度上延伸并且被施加在压电陶瓷层2上。

图6d示出掺杂有干扰材料的压电陶瓷层2a。在烧结期间，干扰材料改变该压电陶瓷层2a的烧结特性并且此外可以扩散到其他邻接的压电陶瓷层2中并且干扰这些邻接压电陶瓷层2的烧结特性。

图7a示出覆盖叠层的整个横剖面的干扰层4的俯视图。干扰层4例如覆盖压电陶瓷层2或者电极层3。

图7b示出如下干扰层4的俯视图：所述干扰层4被实施为岛4a的布置，这些岛4a只覆盖叠层的层2，3的表面的一部分。在此，岛4a是圆形的，但是这些岛可以分别具有任意的其他轮廓，例如多边形的轮廓。岛4a优选以规则的图案施加在叠层的层2，3上，使得这些岛相互之间分别具有相同的间隔。然而，这样的规则结构不是一定必要的。优选地，岛4a在叠层1的横剖面的跨度上均匀分布。

图7c示出作为网状结构4c施加在叠层的层2，3上的干扰层4。因此，干扰材料以一种连续结构布置在层2，3上，该连续结构包围方形的镂空4b。

图7d示出如下的干扰层4：该干扰层4作为干扰材料的同心的框架形状的区域4d施加在叠层的层2，3上。在此，干扰材料的这些区域具有圆形或方形的轮廓。这些区域可以被理解为具有共同中心的框架形状的岛。

在上面的这些图中示出的干扰层优选不仅可以在中间产品中看到，而且也还可以在最终产品中看到。

下面，说明具有干扰层的压电多层部件的优选材料组成以及结构。在此，还可以想到在实施方式中所述的材料以及干扰材料的布置能够任意组合。

压电陶瓷层包含例如具有根据以下公式的组成的陶瓷：

(Pb_xNd_y)((Zr_1-zTi_z)_1-aNi_a)O₃

其中

0.90≤x≤1.10；

0.0001≤y≤0.06；

0.35≤z≤0.60；

0≤a≤0.10。

根据第一实施方式，干扰材料包括包含镍氧化物与有机粘结剂的膏状物。该干扰层借助于丝网印刷施加到电极层上。施加到电极层上的镍的浓度占邻接的或相邻的压电陶瓷层的压电陶瓷的0.5至6mol％。两个在叠层方向上相邻的干扰层之间的间隔处于0.6至2.5mm之间。干扰层被全面(

)施加到电极层之上并且在叠层的整个横剖面的跨度上延伸。电极层优选仅仅包含铜作为金属。

根据另一实施方式，含镍材料包括镍和铜的合金与有机粘结剂的粉末混合物。在这种情况下，干扰材料被添加到电极层中。借助于丝网印刷来生成电极层。所施加的镍的浓度占邻接的压电陶瓷层的压电陶瓷的0.5至6mol％之间。两个在叠层方向上相邻的干扰层之间的间隔处于0.6至2.5mm之间。含镍电极层的形状对应于作为金属仅仅包含铜的其他电极层的形状。

根据另一实施方式，含镍材料包括包含镍氧化物和铜与有机粘结剂的膏状物。在此，干扰材料也被添加到将借助于丝网印刷来施加的电极层中。所施加的镍的浓度占邻接的压电陶瓷层的压电陶瓷的0.5至6mol％之间。两个在叠层方向上相邻的干扰层之间的间隔处于0.6至2.5mm之间。含镍电极层的形状对应于作为金属仅仅包含铜的其他电极层的形状。

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

2a 具有干扰材料的压电陶瓷层

3 电极层

3a 具有干扰材料的电极层

4 干扰层

4a 岛

4b 镂空

4c 网状结构

4d 框架形区域

5 外部接触

6 裂缝

A 第二区域

B 第一区域

Claims

1.一种作为中间产品的压电多层部件，具有：

由上下叠加布置的未处理的压电陶瓷层(2)和位于该压电陶瓷层之间的电极层(3)构成的叠层(1)，

叠层(1)的第一区域(B)和第二区域(A)，

其中在叠层(1)中部分地引入干扰材料，所述干扰材料适于改变第二区域(A)中的材料的烧结特性，使得引起第二区域(A)相对于第一区域(B)的机械上的减弱，

其中所述干扰材料包括过渡金属和/或选自氧化物、氢氧化物、盐的化学化合物，以及

其中所述第二区域包括压电陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的多层部件，其中在所述叠层中引入至少一个附件的干扰层(4)，该干扰层(4)包含干扰材料。

3.根据权利要求2所述的多层部件，其中所述干扰层(4)被施加到电极层(3)上。

4.根据权利要求3所述的多层部件，其中所述干扰层(4)被施加到压电陶瓷层(2)上。

5.根据权利要求1至4之一所述的多层部件，其中所述干扰层(4)被结构化，其中所述干扰层(4)不完全地覆盖叠层(1)的层(2，3)。

6.根据权利要求1所述的多层部件，其中压电陶瓷层(2)掺杂有干扰材料。

7.根据权利要求1所述的多层部件，其中所述干扰材料被引入电极层(3)中。

8.根据权利要求1至4之一所述的多层部件，其中所述干扰材料在叠层(1)的横剖面的跨度上延伸。

9.根据权利要求1至4之一所述的多层部件，其中所述第二区域(B)包括压电陶瓷层(2)的与所述干扰材料邻接的部分。

10.一种用于制造压电多层部件的方法，

其中根据上述权利要求之一的作为中间产品制造的压电多层部件被烧结，并且

在烧结期间，所述干扰材料改变第二区域(A)中的材料的烧结特性，使得产生第二区域(A)相对于第一区域(B)的机械上的减弱。

11.一种能按照权利要求10所述的方法制造的压电多层部件，具有：

由上下叠加布置的压电陶瓷层(2)和位于该压电陶瓷层之间的电极层(3)构成的叠层(1)，

叠层(1)的第一区域(B)和第二区域(A)，

其中所述第二区域(A)包含干扰材料，通过所述干扰材料降低第二区域(A)相对于第一区域(B)的机械稳定性。

12.根据权利要求11所述的多层部件，

其中在第二区域(A)和第一区域(B)中存在压电陶瓷材料，并且

其中第二区域(A)中的压电陶瓷材料的组织相对于第一区域(B)中的压电陶瓷材料的组织发生改变。

13.根据权利要求11或12所述的多层部件，

其中第二区域(A)中的压电陶瓷材料比第一区域(B)中的压电陶瓷材料具有更高的孔隙率。