CN103210514A - 压电多层器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

压电多层器件具有压电堆（1），所述压电堆（1）具有压电陶瓷层（2）和内电极（5，6）的交替序列以及具有在外侧上的钝化部（7）。钝化部由不同于陶瓷层的材料的压电陶瓷制造。在制造方法中，钝化部与陶瓷层一起被极化。

Description

压电多层器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种压电多层器件，所述压电多层器件被配备有钝化部（Passivierung），该钝化部即使在机械应力的情况下也极为有效地延长了器件的使用寿命。
背景技术
压电多层器件、尤其是多层（Multilagen）压电执行器被构造为压电陶瓷层和金属内电极的序列（以下被称作压电堆（Piezostapel））。在常规构造的情况下，内电极伸到器件的表面，使得在压电堆的外侧上由于通常出现的高电场强度（一般为2kV/mm）而在处于不同电势上的内电极之间发生电飞弧。为了避免这一点，压电堆被配备有钝化部，所述钝化部尤其是可以形成压电堆的包封。钝化部的材料的耐压强度必须大于出现的电场强度，并且该特性必须针对器件的所有工作状态而言被保持超过整个使用持续时间。此外，钝化部要保护器件不受外部的影响（例如不受侵入的物质影响）。此外，压电执行器的工作对钝化部的机械特性提出了高要求。
具有所要求的特性的钝化部可以由陶瓷材料制造，该陶瓷材料具有高耐压强度并且提供使压电堆不受外部影响的良好保护。为了保持所要求的特性，重要的是，钝化部在器件工作时不被损坏并且没有得到裂纹。
压电堆在器件制造时被极化，以便使该压电堆带有剩余极化的特征（einpraegen）。由此得到压电堆的伸长。在压电执行器工作时，使压电堆再次伸长。由于在钝化部与压电堆之间的牢固连接，压电堆的伸长被传递到钝化部，使得其中建立拉应力。当拉应力超过边界值时，在钝化部中形成裂纹。
当与用于压电堆的陶瓷层相同的陶瓷材料被设置为钝化部时，钝化部在压电堆的极化期间通过在内电极的边沿上出现的电杂散场同样被极化。这引起钝化部在压电执行器工作时与压电堆一起被伸长（但是不像压电堆一样强烈）并且在钝化部中建立的拉应力比在钝化部没有伸长的情况下小。对此的前提是，钝化部仅例如至多与压电堆的单个陶瓷层一样厚并且因而可以被充分地极化。但是，通过钝化部引起的保护会由于厚度小而是不充足的。
发明内容
本发明的任务是说明一种如何能够极为有效地保护压电多层器件不受裂纹形成影响和外部影响的可能性。
该任务利用具有权利要求1的特征的压电多层器件或利用具有权利要求7的特征的用于制造压电多层器件的方法来解决。扩展方案由从属权利要求得到。
压电多层器件具有压电堆，该压电堆具有压电陶瓷层和内电极的交替序列以及具有在外侧上的钝化部。钝化部的材料是压电陶瓷并且与压电堆的陶瓷层的材料不同。
在器件的实施例中，钝化部的陶瓷具有比压电堆的陶瓷层低的矫顽电场强度。该矫顽电场强度是为了消除铁电体的极化所需要的那个电场强度。矫顽电场强度越大，铁电体就越好地维持其极化以及由此引起的压电特性。具有低的矫顽电场强度的材料与具有较高的矫顽电场强度的材料相比能更容易地被极化。
从这些内电极的边缘出发的电杂散场随着距内电极的距离的增加而强烈减小。当低矫顽电场强度的材料被用于钝化部时，钝化部也可以距内电极为较大距离地通过比较弱的电杂散场来极化。由此，即使在钝化部比较厚的情况下也实现了连续极化，并且钝化部在器件工作时与压电堆类似强烈地被伸长。由这样的材料构成的钝化部因此允许显著厚于压电堆的单个陶瓷层。较厚的钝化部提供了相对应更好的保护。此外，能更简单地制造较厚的钝化部。
在其他实施例中，钝化部的陶瓷被取得来使得其在相同极化条件下（尤其是在相同极化的电场强度的情况下）通过极化比压电堆的陶瓷层的材料更强烈地伸长并且由于剩余极化而保留更强烈的伸长。由于钝化部牢固地与压电堆连接并且并不比压电堆更强烈地被伸长，所以在共同极化时，在器件的纵向方向上起作用的压缩应力在钝化部中被建立。当压电堆在器件工作时在纵向方向上被伸长时在钝化部中形成的拉应力因而被减小了该压缩应力。由此可以避免对钝化部的机械损坏。在这些实施例中，钝化部因而在通过压电堆的陶瓷层和内电极的序列限定的纵向方向上具有压缩应力，该压缩应力由于钝化部与压电堆的牢固连接而被保持，并且该压缩应力至少部分地补偿在压电堆在纵向方向上伸长时被施加到钝化部上的拉应力。
在另外的实施例中，钝化部具有为压电堆的陶瓷层的单个陶瓷层的厚度的一倍半的厚度。
在用于制造压电多层器件的方法中，具有压电陶瓷层和内电极的交替序列的压电堆被配备有钝化部，该钝化部具有与压电堆的陶瓷层的材料不同的压电陶瓷。钝化部与压电堆的陶瓷层一起被极化。
在该方法的扩展方案中，具有比压电堆的陶瓷层的材料低的矫顽电场强度的陶瓷被用于钝化部。当钝化部与压电堆的陶瓷层一起被极化时，使钝化部连续地带有极化的特征。
在该方法的另外的扩展方案中，钝化部的陶瓷被选择为使得其在带有极化的特征时比压电堆更强烈地被伸长。钝化部与压电堆牢固连接，并且当钝化部与压电堆的陶瓷层一起被极化时，钝化部在压电堆的通过压电陶瓷层和内电极的交替序列限定的纵向方向上被配备有压缩应力。
在该方法的另外的扩展方案中，钝化部以如下厚度被制造：所述厚度为压电堆的陶瓷层的单个陶瓷层的厚度的一倍半。
附图说明
下面依据所附的附图更详细地描述了压电多层器件和制造方法的例子。
图1示出了压电多层器件的透视图。
图2示出了通过根据图1的多层器件的横截面的片段。
具体实施方式
图1示出了具有压电堆1的压电多层器件，该压电堆1由压电陶瓷层2构造。在两个在压电堆1中相继的陶瓷层2之间分别布置有内电极5、6，使得压电堆1包含由陶瓷层2和内电极5、6构成的交替序列。内电极5、6在其序列上变换地各与两个外电极3、4之一连接。在图1的所示例子中，在压电堆1的外侧上有第一外电极3，而在压电堆1的对置的外侧上有第二外电极4。代替其，其他扩展方案是可能的；尤其是，外电极3、4例如可以围绕压电堆1的相应边沿。此外，可以设置其他外电极。
图1中所示的布局尤其适宜于如下压电执行器：所述压电执行器在工作时在纵向方向11上被伸长，该纵向方向11通过陶瓷层2和内电极5、6的交替序列来确定。在制造这种器件时，极化压电堆1的陶瓷层2。由此，使陶瓷层2带有剩余极化的特征，该剩余极化的方向从一个陶瓷层2分别被翻转到下一个陶瓷层2。具有厚度8的钝化部7遮盖了压电堆1的外侧的至少一部分，在图1的例子中为压电堆1的所有未被外电极3、4遮盖的外侧。在使用合适的压电陶瓷作为钝化部7的材料时，该钝化部7的厚度8允许大于压电堆1的单个陶瓷层2的厚度，尤其是为单个陶瓷层2的厚度的一倍半。
图2示出了在与外电极3、4的平面伸展共面的平面中通过图1的器件的横截面的片段。在图2中，示出了内电极5、6中的五个，这些内电极被布置在压电堆1的陶瓷层2之间。外电极3、4与横截面的平面隔一定距离地位于绘图平面之前和之后。图2也示出了通过被布置在压电堆1的外侧上的具有厚度8的钝化部7的横截面的片段。在压电堆1极化时并且在器件工作时产生的电场9用垂直取向的平行箭头来表明。在钝化部7的横截面之内的弯曲箭头表明侧向杂散场。当与用于压电堆1的陶瓷层2同样的陶瓷材料被用于钝化部7时，钝化部7的极为有效的剩余极化可以被实现例如仅直至虚线。当不是其而是将具有明显更低的矫顽电场强度的压电陶瓷用于钝化部时，也在钝化部7的距压电堆1间隔最远的区域中实现连续的极化。由于剩余极化，钝化部7因此连续地在其整个厚度8上也经历了在压电堆1的纵向方向11上的一定伸长。在钝化部7的内部可能出现的机械应力可以以这种方式被避免，或者至少明显低于在使用具有较高矫顽电场强度的陶瓷的情况下出现的机械应力。
当钝化部7的材料被选择为使得在将压电堆1的陶瓷层2和钝化部7共同极化之后存在的剩余极化在钝化部7中产生足够大的压缩应力时，另一优点被实现。当材料被选择为使得由在极化之后在钝化部7的材料中存在的剩余极化得到的伸长大于由在借助相同电场强度进行极化之后在陶瓷层2的材料中存在的剩余极化得到的伸长时，产生这样的压缩应力。由于钝化部7牢固地与压电堆1相连接，所以压电堆1和钝化部7的实际伸长相一致，尽管这些伸长由于不同的材料特性而会必须是不同的。钝化部7的通过压电堆1而强迫的过小的伸长是在钝化部7中出现的在器件的纵向方向11上起作用的压缩应力的原因。当压电堆1在器件工作时由于陶瓷层2和钝化部7（其的确仅通过测向杂散场被极化）的不同强烈的极化而比钝化部7更强烈地被伸长时，由此引起的拉应力通过钝化部7的最初的压缩应力至少部分地被补偿。以这种方式，可以将在钝化部7中出现的机械应力保持在对于器件的机械承载能力关键的边界之下。
压电多层器件的另一优点是，钝化部7的陶瓷材料在考虑到如下特性的情况下予以优化：这些特性对于将电压转换成机械行程而言是次重要的并且因而可以被改变，而不损害器件的功能。以这种方式利用压电陶瓷构造的钝化部因此极为有效地用于提高器件相对于机械应力的稳健性。这样的钝化部在不同类型的压电多层器件的情况下、尤其是在多层压电执行器的情况下可以与内电极的设计、材料、构造、外电极的构造或其他类型的外接触部以及压电堆的特别特性无关地被采用，以便提高器件的稳健性和抵抗能力。
附图标记列表
1   压电堆
2   陶瓷层
3   第一外电极
4   第二外电极
5   与第一外电极相连接的内电极
6   与第二外电极相连接的内电极
7   钝化部
8   厚度
9   在内电极之间的电场
10  在内电极的边缘上的电杂散场
11  纵向方向

Claims (10)

1.一种压电多层器件，其具有：
- 压电堆（1），所述压电堆（1）具有压电陶瓷层（2）和内电极（5，6）的交替序列，以及
- 在压电堆（1）的外侧上的钝化部（7），
其特征在于，
- 钝化部（7）的材料是压电陶瓷并且与压电堆（1）的陶瓷层（2）的材料不同。
2.根据权利要求1所述的压电多层器件，
其中，钝化部（7）的陶瓷具有比压电堆（1）的陶瓷层（2）小的矫顽电场强度。
3.根据权利要求1或2所述的压电多层器件，
其中，钝化部（7）连续地被极化。
4.根据权利要求1至3之一所述的压电多层器件，
其中，钝化部（7）的陶瓷被取得来使得其由于带有极化的特征而比压电堆（1）的陶瓷层（2）的材料更强烈地被伸长。
5.根据权利要求1至4之一所述的压电多层器件，
其中，钝化部（7）在压电堆（1）的通过陶瓷层（2）和内电极（5，6）的序列限定的纵向方向（11）上具有压缩应力，该压缩应力由于钝化部（7）与压电堆（1）的牢固连接而被保持，并且该压缩应力至少部分地补偿在压电堆（1）在纵向方向（11）上伸展时被施加到钝化部（7）上的拉应力。
6.根据权利要求1至5之一所述的压电多层器件，
其中，钝化部（7）具有为压电堆（1）的陶瓷层（2）的单个陶瓷层的厚度的一倍半的厚度。
7.一种用于制造压电多层器件的方法，
其中，
- 具有压电陶瓷层（2）和内电极（5，6）的交替序列的压电堆（1）被配备有钝化部（7），所述钝化部（7）具有与压电堆（1）的陶瓷层（2）的材料不同的压电陶瓷，以及
- 钝化部（7）与压电堆（1）的陶瓷层（2）一起被极化。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，钝化部（7）的陶瓷具有比压电堆（1）的陶瓷层（2）的材料小的矫顽电场强度，并且当钝化部（7）与压电堆（1）的陶瓷层（2）一起被极化时，钝化部（7）连续地被带有极化的特征。
9.根据权利要求7或8所述的方法，
其中，钝化部（7）的陶瓷被选择为使得其在带有极化的特征时比压电堆（1）更强烈地被伸长，
钝化部（7）与压电堆（1）牢固连接，以及
当钝化部（7）与压电堆（1）的陶瓷层（2）一起被极化时，钝化部（7）在压电堆（1）的通过压电陶瓷层（2）和内电极（5，6）的交替序列限定的纵向方向（11）上被配备有压缩应力。
10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其中，钝化部（7）以如下厚度被制造：所述厚度是压电堆（1）的陶瓷层（2）的单个陶瓷层的厚度的一倍半。
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