CN108028309B - 电子陶瓷构件、尤其多层式压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种构件（1），所述构件具有陶瓷基质（5）以及至少一个内电极（2），所述内电极布置在所述陶瓷基质（5）中并且在第一表面（7）处暴露。此外，根据本发明的构件包括至少一个导电的公共接触部（8）以及在所述陶瓷基质（5）的表面上的绝缘层（15），所述至少一个导电的公共接触部与所述内电极（2）电连接，所述绝缘层布置在本体（5）与所述公共接触部（8）之间，其中，所述绝缘层（15）具有至少一个开口（16），所述至少一个开口暴露所述内电极（2）的至少一个部分。最后，所述构件具有另外的导电层（19），所述另外的导电层布置在所述内电极（2）与所述公共接触部（8）之间以及在所述绝缘层（15）与所述公共接触部（8）之间。根据本发明的构件的特征在于，所述另外的层（19）构造为具有至少两个层（30A，30B）的多层式层（30），其中，所述多层式层（30）包括作为第一层（30A）的集电器层和作为第二层（30B）的扩散阻挡层，所述集电器层邻接所述公共接触部（8），所述扩散阻挡层邻接所述绝缘层（15）和所述内电极（2）。
Description
技术领域
本发明涉及一种构件、尤其电子陶瓷构件如多层式压电致动器。
背景技术
电子陶瓷构件如压电致动器具有陶瓷基质，所述陶瓷基质具有至少一个内电极，所述内电极布置在陶瓷本体中并且在表面处暴露。压电致动器可以以多层式压电致动器的形式构造，所述多层式压电致动器具有多个压电活性的（aktiv）陶瓷层面和金属的内电极层面，它们相互交替地堆叠。在多层式压电致动器中，表面具有多个条带状的金属的内电极和压电活性的陶瓷区域。这样的压电致动器例如作为操作元件用在机动车的非常不同的发动机类型的喷射阀中。
从俯视图来看，由材料层和电极层相互上下并且相互交替地堆叠的层组成的这样的多层式致动器通常具有矩形的或方形的横截面。多层式致动器在对置的两个周边侧上电接触。为了所谓的全面积的接触——其中，电极层在材料层的整个面上延伸，从而存在非压电活性的或钝态的（passiv）区域，DE 102006003070 B3提出，将相应的绝缘层施加到堆叠的两个在几何上不连续的堆叠周边区域中的一个相应的堆叠周边区域上。然后，求取电极层中相应电极层沿着堆叠周边区域的准确位置。接着，借助激光结构化来产生通过绝缘层中的第一绝缘层朝电极层中的每第二电极层的第一接触孔以及通过绝缘层中的第二绝缘层朝电极层中的剩余电极层的第二接触孔。接着，基本上全面积地以导电材料覆盖绝缘层，其中，同样以导电材料填充接触孔。作为导电材料例如使用导电胶。
在实践中，导电胶作为导电材料的使用经常因导电胶在绝缘层上的过小粘附性而失败。此外，在导电胶中包含的导电颗粒到电极层的非常薄的、暴露的表面上的连接而可能部分地具有不同的质量，也即具有不同的过渡电阻。两者导致构件的不令人满意的可靠性。
在DE 10 2008 048 051 A1中提出，借助两个电层构造公共接触部（Sammelkontakt），通过该公共接触部应将在表面上暴露的接触孔相互电连接。非常薄的第一层用于提高内电极与公共接触部之间的连接的机械强度和/或降低电阻。因此，该层基本上用作增附剂，而公共接触部的第二层可以构造为柔性的导电胶，所述第二层主要有助于电流承载能力。
在DE 10 2008 048 051 A1中描述的结构的一个缺点在于，非常薄的第一层由于在多层式致动器的应用中出现的高温而可以扩散到陶瓷基质中。这在时间上引起，非常薄的第一层消失并且增附的功能由此减小或甚至消除。由此，由于高动态负荷导致的部件失效的风险非常高，因为这样的话较厚的第二层可以从陶瓷基质以如此程度脱离，使得不存在与电极层中的至少各个电极层的电接触。
发明内容
本发明的任务是，说明一种构件、尤其压电构件如多层式致动器，所述构件在功能上和/或在结构上如此改善，使得降低了失效的概率。
该任务通过根据权利要求1所述的特征的构件来解决。有利的构型由从属权利要求得出。
提出一种构件，所述构件包括：陶瓷基质；至少一个内电极，所述至少一个内电极布置在所述陶瓷基质中并且在第一表面处暴露；至少一个导电的公共接触部，所述至少一个导电的公共接触部与所述电极电连接；在所述陶瓷基质的表面上的绝缘层，所述绝缘层布置在本体与所述公共接触部之间，其中，所述绝缘层具有至少一个开口，所述至少一个开口暴露所述内电极的至少一部分；以及另外的导电层，所述另外的导电层布置在所述内电极与所述公共接触部之间以及在所述绝缘层与所述公共接触部之间。所述构件的特征在于，所述另外的层构造为具有至少两个层的多层式层，其中，所述多层式层包括作为第一层的集电器层和作为第二层的扩散阻挡层，所述集电器层邻接所述公共接触部，所述扩散阻挡层邻接所述绝缘层和所述内电极。
包括至少两个层的多层式层组合了多个功能。一方面，实现到公共接触部以及陶瓷基质或绝缘层的增附。另一方面，多层式层是导电的，以便引导至少一个内电极与公共接触部之间的电流。集电器层具有这样的组分，使得避免从多层式层的扩散。此外，通过第二层提供朝着陶瓷基质的方向上的扩散阻挡。
通过扩散阻挡层的最后提到的功能性可以确保，在构件在运行中所暴露的高温下也不发生多层式层的材料到陶瓷基质中的扩散。由此，另外的层持久地保持不变，由此消除一开始描述的缺点或构件失效的风险。此外，扩散阻挡层具有与绝缘层和陶瓷基质的良好的粘附性。邻接公共接触部的集电器层负责与公共接触部的良好的增附。此外，可以可选地通过钝化层提供抗氧化保护。
因此可以同时提供良好的粘附性并且抑制从陶瓷基质中的扩散过程和/或到陶瓷基质中的迁移过程，因为多层式层在其组分方面可以针对小的迁移倾向来匹配。
根据一种适宜的构型，多层式层的第一层、也即钝化层比多层式层的第二层、也即扩散阻挡层更厚。由此可以通过合适的材料选择来提供多层式层的良好的导电性和到公共接触部的小的过渡电阻。
多层式层的第一层可以具有在70nm与100nm之间的层厚度。与此相对，所述多层式层的第二层可以具有在5nm与15nm之间的层厚度。第一和第二层可以通过真空沉积方法如PVD（Physical Vapor Deposition：物理气相沉积）溅镀、蒸镀或电弧放电（Arc）来例如直接相继地施加到以绝缘层覆盖的陶瓷基质上。
所述多层式层的第一层可以由银-钯-合金制成。由此确保，存在在公共接触部上的良好的粘附性，所述公共接触部例如由导电胶层制成。此外确保良好的导电性。
与此相对，所述多层式层的第二层可以包括钛，并且可选地包括钯。通过这些材料确保，不发生多层式层的第二层朝着陶瓷基质的方向上的扩散过程。
根据另一种构型，公共接触部的层厚度比所述多层式层的层厚度大得多。
根据另一种构型，所述多层式层可以包括作为第三层的抗氧化层，所述抗氧化层布置在所述多层式层的第一层与所述公共接触部之间。所述第三层可以例如包括稀有金属。由此可以避免氧化，而这与公共接触部的材料在多层式层产生之后以什么时间延迟被施加到多层式层上无关。第三层可以视为钝化层。
根据另一种构型，所述构件是多层式压电致动器，所述多层式压电致动器具有多个压电活性层面和多个导电的内电极层面。所述压电活性层面和所述导电的内电极层面相互上下交替地在堆叠方向上堆叠，其中，所述第一表面在所述堆叠方向上延伸并且每个第二内电极层面形成所述第一表面的一个区域并且与所述公共接触部电连接，其中，另外的内电极层面与所述公共接触部电绝缘。
在多层式压电致动器中，第一表面在堆叠方向上延伸。每个第二内电极层面形成第一表面的一个区域并且与公共接触部电连接，其中，所述另外的内电极层面与公共接触部电绝缘。多层式压电致动器因此具有两组内电极，它们利用相互电绝缘的不同的公共接触部绝缘。堆叠的相邻的内电极相互电绝缘并且可相互独立地控制。
压电活性层面尤其是全活性的。内电极因此几乎完全在面上延伸直至相邻的压电活性层面的边缘侧。
替代地，压电活性层面可以具有非压电活性的区域。在该示例中，内电极于是不延伸直至压电活性层面的边缘。
通常，每个第二内电极将延伸至第一表面的边缘侧并且不延伸至压电活性层面的对置的第二表面的边缘侧。压电活性层面的该未被覆盖的区域提供公共接触部的内电极的电绝缘，所述公共接触部布置在第二表面上。第二组内电极延伸至第二表面的边缘并且不延伸至压电活性层面的第一表面的边缘。
如果构件具有第二表面，所述第二表面布置得与第一表面相对并且具有多个交替的压电层面和导电的内电极层面，则不与所述公共接触部在所述第一表面上电连接的内电极层面与第二公共接触部在第二表面上电连接。所述第一公共接触部与所述第二公共接触部电绝缘。
在全活性的堆叠中，第二表面也可以具有带开口的电绝缘层，其中，开口在第二表面上暴露不与公共接触部在第一表面上电连接的每个第二内电极层面。以此方式设置两组内电极，它们可相互独立地控制并且交替地在堆叠中在堆叠方向上布置。
附图说明
下面进一步地根据实施例在附图中阐述本发明。其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的多层式压电致动器的示意性的详细视图；
图2示出在多层式致动器中应用的多层式层的第一实施例的放大视图；以及
图3示出在多层式致动器中应用的多层式层的第二实施例的放大视图。
具体实施方式
图1示出多层式致动器1的示意性的详细视图，所述多层式致动器具有多个内电极层面2、2'和多个压电活性层面3。多层式致动器1例如用作机动车发动机的喷射阀中的操作元件。内电极层面2、2'和压电活性层面3相互上下交替地在堆叠方向4上堆叠并且形成多层式本体5。该多层式本体5可以称作材料复合体，该材料复合体由陶瓷基质和内电极层面形式的内电极组成。
内电极层面2以对于本领域技术人员已知的方式分别由导电材料、尤其金属或合金（如银-钯（Ag-Pd））制成。压电活性层面3由具有压电效应的材料制成，也即在施加电场的情况下，该材料机械变形。该机械变形在图1中未示出的端面处产生可利用的延展和/或力，使得堆叠可以在堆叠方向4上延展或收缩。由此可以将堆叠作为致动器来使用。
压电活性层面由陶瓷、尤其PZT（铅-锆酸盐-钛酸盐）制成。内电极层面2、2'在相邻的压电活性层面3的整个面上以及至堆叠的边缘侧地延伸并且在那里形成压电致动器1的本体5的表面7的一部分23。内电极2的该部分23在表面7处暴露并且因此没有本体的陶瓷基质。多层式压电致动器的该布置也称作全活性的压电致动器堆叠。
与布置在本体5中的相应内电极2的电接触利用公共接触部来实现，其中，在图1中仅仅示出公共接触部8。公共接触部8布置在本体5的边缘侧上。未示出的另一公共接触部布置在本体5的对置的边缘侧上。公共接触部8和另一公共接触部相互电绝缘。
每个内电极2与公共接触部8电连接，而每个内电极2'与未示出的另一公共接触部8连接，使得设有两组相互电绝缘的内电极13、14。在堆叠方向4上的每个第二内电极2与第一公共接触部8电连接并且因此形成第一组13内电极2。另一第二公共接触部与内电极2'电连接，其形成第二组14内电极2'。在堆叠方向4上的相邻的内电极2、2'属于不同的组13、14。在堆叠1的相邻内电极2、2'之间施加电压，使得布置在这些内电极2、2'之间的压电活性层面3机械地反应。
为了避免这两组13、14内电极2、2'之间的以及公共电极8和未示出的另一公共电极之间的短路，在本体5的具有公共接触部8的边缘侧上布置有电绝缘层15（仅仅示出在边缘侧9上的绝缘层15）。
电绝缘层15具有开口16，所述开口暴露内电极层面2的表面23，所述表面23形成本体5的表面7的一部分。电绝缘层15的开口16尤其暴露边缘侧9上的第一组13内电极2以及在未示出的对置的另一边缘侧上的第二组14内电极2'。
在边缘侧9上，第二组14内电极2'由电绝缘层15覆盖并且与布置在电绝缘层15上的第一公共接触部8电绝缘。在对置的第二边缘侧上，第一组13内电极2由电绝缘层15覆盖并且与布置在电绝缘层15上的另一公共接触部电绝缘。
公共接触部8由两个层19、20组成。层20是公共接触部8的承载电流的层，其例如通过导电胶形成。与此相对，层19——其在下面将参考图2和3详细地阐述——用于建立在公共接触部8的承载电流的层20与绝缘层15以及本体5的暴露的表面23之间的增附。导电层19因此在电绝缘层15的开口16中以及在横截面中梯形的绝缘层15上、也即全面积地在边缘侧9上布置并且与暴露的布置在开口16内的内电极2直接接触和电连接。
第一和第二导电层19、20因此在多层式压电致动器1的整个边缘侧9上并且在电绝缘层15的开口16中延伸。在此，第一层19直接在电绝缘层15的表面22上以及在开口16中布置。第二层20布置在第一层19上。第一和第二层19、20将第一组13内电极2中的内电极2相互电连接。
如提及的那样，导电层19用作增附剂，以便改善公共接触部8与绝缘层15以及压电致动器1的本体5之间的连接的机械强度。然而，导电层由于其在下面描述的结构具有另外的功能。
根据本发明，如在图2中在第一实施例中示出的那样，第一层19构造为多层式层30。在此，多层式层30包括两个层30A、30B，其中，第一层30A是集电器层，其邻接公共接触部8的层20并且承担与该层20的粘附。第二层30B同样是增附层，其相比第一层30A具有更小的厚度并且邻接绝缘层15和本体5的表面23。
第一层30A的材料组分是这样的，使得避免从多层式层30中扩散。第一层尤其由银-钯（Ag-Pd）制成。第一层的厚度在70nm至100nm之间。同时，第一层30A在多层式层内用作集电器（Stromkollektor）。第二层30B的材料组分是这样的，使得存在到陶瓷基质中的扩散阻挡。第二层30B尤其由钛制成。第二层的厚度在5nm和15nm之间。
在图3中示出的第二构型变型方案中，可以在第一层30A的与第二层30B背向的侧上设有第三层30C。第三层30C具有相比多层式层30的第一层30A小得多的厚度。在该构型变型方案中，第三层30C承担与层20的增附，因为第三层30C邻接公共接触部8的层20。此外，第三层30C承担钝化和氧化防护的功能。第三层尤其由金制成，其厚度可以位于第二层30B的数量级中。第一层30A进一步形成集电器层。
多层式层30的主要功能因此在于，提供用于层20与绝缘层15以及在开口16中与陶瓷本体5的增附。此外，多层式层30通过第一层30A也具有高的导电性，以便改善层20到内电极2的电连接。通过扩散阻挡层（第二层30B）可以确保，在高的温度负荷的情况下也不发生层19的材料到陶瓷基质5中的扩散。由此，可以在长的时间段上确保构件的耐久性。可选地可设置的第三层30C提供氧化保护，使得一方面在多层式层30与层20之间存在小的电阻并且另一方面也可以没有不利地影响粘附特性。
多层式层30的层的施加可以例如通过真空沉积方法如PVD（物理气相沉积）或溅镀或蒸镀或电弧放电来实现。优选地，所述施加直接相继地，例如在共同的加工设备中实现。
此外，可以施加柔性的接触元件到公共接触部8的层20中，从而实现对于到内电极2的电线的附加的冗余。这样的柔性的接触元件可以例如是经冲压的金属部件，其在俯视图中具有蜿蜒的结构。
Claims (12)
1.一种电子陶瓷构件（1），包括：
- 陶瓷基质（5）；
- 至少一个内电极（2），所述至少一个内电极布置在所述陶瓷基质（5）中并且在第一表面（7）处暴露；
- 至少一个导电的公共接触部（8），所述至少一个导电的公共接触部与所述内电极（2）电连接；
- 在所述陶瓷基质（5）的表面上的绝缘层（15），所述绝缘层布置在本体（5）与所述公共接触部（8）之间，其中，所述绝缘层（15）具有至少一个开口（16），所述至少一个开口（16）暴露所述内电极（2）的至少一个部分；以及
- 另外的导电层（19），其布置在所述内电极（2）与所述公共接触部（8）之间以及在所述绝缘层（15）与所述公共接触部（8）之间；
其特征在于，
所述另外的层（19）构造为具有至少两个层（30A，30B）的多层式层（30），其中，所述多层式层（30）包括作为第一层（30A）的集电器层和作为第二层（30B）的扩散阻挡层，所述集电器层邻接所述公共接触部（8），所述扩散阻挡层邻接所述绝缘层（15）和所述内电极（2），并且其中集电器层（30A）负责与公共接触部（8）的增附。
2.根据权利要求1所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）的第一层（30A）比所述多层式层（30）的第二层（30B）更厚。
3.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）的第一层（30A）具有在70nm与100nm之间的层厚度。
4.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）的第二层（30B）具有在5nm与15nm之间的层厚度。
5.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）的第一层（30A）由银-钯-合金制成。
6.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）的第二层（30A）包括钛。
7.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）的第二层（30A）包括钛和钯。
8.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，公共接触部（8）的层厚度比所述多层式层（30）的层厚度大得多。
9.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述多层式层（30）包括作为第三层（30C）的抗氧化层（30C），所述抗氧化层布置在所述多层式层（30）的第一层（30A）与所述公共接触部（8）之间。
10.根据权利要求9所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述第三层（30C）包括稀有金属。
11.根据权利要求1或2所述的电子陶瓷构件（1），其特征在于，所述构件（1）是多层式压电致动器，所述多层式压电致动器具有多个压电活性层面（3）和多个导电的内电极层面（2，2'），并且其中，所述压电活性层面（3）和所述导电的内电极层面（2，2'）相互上下交替地在堆叠方向（4）上堆叠，其中，所述第一表面（7）在所述堆叠方向（4）上延伸并且每个第二内电极层面（2）形成所述第一表面（7）的一个区域并且与所述公共接触部（8）电连接，其中，另外的内电极层面（2'）与所述公共接触部（8）电绝缘。
12.根据权利要求11所述的电子陶瓷构件，其特征在于，所述构件（1）具有第二表面，所述第二表面布置得与所述第一表面（7）相对并且具有多个交替的压电层面（3）和导电的内电极层面（2'），其中，不与所述公共接触部（8）在所述第一表面（7）上电连接的内电极层面（2）与第二公共接触部电连接，所述第二公共接触部与所述公共接触部（8）电绝缘。
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