DE10021919A1 - Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren sowie monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor - Google Patents
Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren sowie monolithischer piezokeramischer VielschichtaktorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren sowie einen solchen Aktor, wobei die Vielschicht-Stapelanordnung von einer grünen Keramikfolie umhüllt wird und im Anschluß an den Umhüllungsschritt ein an sich bekanntes Trennen und Sintern zur Bildung des polykristallinen keramischen Gefüges erfolgt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mono
lithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren gemäß Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 sowie einen monolithischen piezo
keramischen Vielschichtaktor mit gegenüberliegenden Außen
elektroden gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Piezokeramiken dienen der Umwandlung von mechanischen Größen
wie Kraft oder Deformation in elektrische Größen oder umgekehrt
von elektrischen Größen in Kraft und/oder Weg oder bei zeit
veränderlichen elektrischen Größen in Bewegungen.
Die Funktion piezokeramischer Aktoren beruht auf der Tatsache,
daß Deformationen im Mikrometerbereich erzeugt werden können,
wobei dieses Verhalten entsprechende Anwendungsmöglichkeiten
derartiger Wandler als Antriebe für z. B. hydraulische und
pneumatische Ventile, aber auch Positioniersysteme und Mikro
manipulatoren eröffnet.
Unter Piezoelektrizität wird die Eigenschaft von Kristallen
verstanden, bei mechanischer Deformation infolge von Druck oder
Zug elektrische Ladungen freizusetzen.
Bei der Umkehrung dieses Vorgangs wird durch elektrische Felder
eine mechanische Deformation erzeugt, d. h. ein inverser Piezo
effekt tritt auf. Keramiken, die einen Piezoeffekt zeigen,
gehören zur Gruppe der Ferroelektrika, wobei konkret beim Stand
der Technik Bleizirkonat-Titan-Basissysteme verwendet werden,
d. h. Mischkristalle aus Bleizirkonat und Bleititanat Anwendung
finden.
Piezokeramische Bauelemente sind demnach polykristalline
Gebilde, die aus einer Vielzahl von Kristalliten aufgebaut
sind, die wiederum aus einer Vielzahl von Elementarzellen
bestehen.
Unmittelbar nach dem Sinterprozeß keramischer Körper zeigen die
Domainen, d. h. Bereiche mit Kristalliten einheitlicher Dipol
richtung eine willkürliche Orientierung mit statistischer
Verteilung, so daß der so gegebene Körper isotrop ist und in
diesem Zustand kein piezoelektrischer Effekt auftritt.
Um die piezoelektrischen Eigenschaften hervorzurufen, muß eine
Polarisation durchgeführt werden. Hierfür wird auf den Einfluß
eines elektrischen Gleichfelds zurückgegriffen, indem die
elektrischen Dipole in Feldrichtung ausgerichtet werden. Diese
Orientierung bleibt auch nach dem Abschalten des elektrischen
Gleichfelds zum großen Teil erhalten, d. h. es tritt remanente
Polarisation ein.
Eine Depolarisation kann aufgrund thermischer Einflüsse ein
treten. Aus diesem Grund soll die Betriebstemperatur bei
Anwendungsfällen die Hälfte der angegebenen Curietemperatur
nicht überschreiten. Auch ist eine Depolarisation möglich, wenn
eine elektrische Ansteuerung gegen die ursprüngliche Polarisa
tionsrichtung vorgenommen wird. Eine mechanische Polarisation
tritt dann ein, wenn eine hohe Druckbelastung, insbesondere bei
kurzgeschlossenen Elektroden gegeben ist.
Monolithische piezokeramische Vielschichtaktoren finden Anwen
dung z. B. bei der Justierung von Lichtleitfasern, aber auch für
Präzisionsverstelleinrichtungen. Bei solchen Aktoren wird von
einer Stapelanordnung ausgegangen, die Keramik und parallel
verlaufende Elektrodenschichten umfaßt.
Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die Elektrodenschichten bis
zum Rand der später geschnittenen Keramik, d. h. zum stabför
migen Aktor reichen, die Gefahr besteht, daß im Laufe der Ein
satzzeit Wasserdampfmoleküle eindiffundieren oder eindringen,
so daß die Funktion des Aktors nachteilig beeinflußt wird.
Insbesondere sinkt der ohmsche Widerstand und es verschlechtert
sich damit das elektrische, aber auch das elastische Verhalten
des Aktors bis hin zum Totalausfall.
Bisher im Stand der Technik aufgebrachte Schutzbeschichtungen
zum Abdecken der Aktor-Seitenflächen, z. B. in Form von Harz
oder dergleichen Materialien, erwiesen sich nicht ausreichend
langzeitstabil und brachten nicht die gewünschten Effekte,
insbesondere bezüglich der Wasserdampfdurchlässigkeit.
Eine Methodik, den Randbereich zu schützen, besteht darin, die
Elektroden nicht bis zu den Seitenflächen zu führen, sondern in
einem gewissen Abstand vom Rand enden zu lassen. Bei einem
solchen Verfahren kann jedoch die im Randbereich verbliebene
Keramik den Deformationen des aktiven Teiles des Aktors im
Betriebsfall nicht oder nur unzureichend folgen, woraus Mikro
risse resultieren, die wiederum Kapillare für das Eindringen
von Feuchtigkeit oder sonstigen Verunreinigungen bilden, was
ebenfalls nachteilig ist.
Bei der bekannten Verfahrensweise, einen nicht metallisierten
Randbereich am Aktor dadurch zu erzeugen, daß die Elektroden
auf der Grünfolie mit Isolationsbereichen gedruckt und diese
Lagen genau übereinander gestapelt werden, besteht der Nach
teil, daß ein unregelmäßiger, von der Druck- und Stapelge
nauigkeit abhängiger Randbereich entsteht, der neben der mög
lichen Rißbildung eine erhebliche Breite der Randzone aufweist,
die sich einer Streufeldpolarisation widersetzt und somit
mechanischen Zugspannungen ausgesetzt ist.
Insgesamt muß festgestellt werden, daß bei Vielschichtaktoren
keine zufriedenstellende, langzeitstabile Schutzschicht
gefunden wurde, so daß herstellerseitig im Regelfall darauf
aufmerksam gemacht wird, daß Luftfeuchtigkeiten über 70% rH und
der Einfluß von Feuchtigkeit generell zu vermeiden sind.
Aus dem Vorstehenden ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer
Vielschichtaktoren sowie derartige Aktoren anzugeben, welche
über einer basismaterialverträgliche Schutzschicht verfügen und
die aufgrund der zu schaffenden Schutzschicht auch für den
Einsatz in feuchter Umgebung bzw. in Räumen hoher Luftfeuch
tigkeit geeignet sind.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Ver
fahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Viel
schichtaktoren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie
mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor nach der Lehre des
Patentanspruchs 6, wobei die Unteransprüche mindestens zweck
mäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht demnach darin, eine noch
nicht endgültig separierte, aber ansonsten bereits als Block
anordnung vorliegende keramische Platte vollständig mit
sogenannter grüner Keramikfolie mittels Pressens zu umwickeln.
Das so umwickelte Produkt wird dann in keramiktechnologie
typischer Weise weiterbehandelt und letztendlich gesintert.
Es verbleibt demnach eine sehr dünne keramische Schicht insbe
sondere in den Randbereichen, die ein Eindringen von Molekülen
oder Verunreinigungen aufgrund der außerordentlich geringen
Porosität nach dem Sinterschritt sicher verhindert.
Die dünne Schicht liegt im wesentlichen im Bereich von 20 µm bis
100 µm, bevorzugt im Bereich von 40 µm bis 50 µm.
Die aufgebrachte dünne Schicht läßt sich ebenso polarisieren
wie die übrige Keramik, d. h. das Keramik-Basismaterial und die
Schicht folgen im späteren Betrieb den Schwingungsbewegungen
des Aktors, d. h. es kommt nicht zu unerwünschten Mikrorissen.
Das Umhüllen, Vereinzeln und Sintern erfolgt in einer techno
logisch angepaßten zweckmäßigen Folge, die sich in die vorhan
dene Keramiktechnologie einfügt und keine Fremdmaterialien
erfordert, die zu einer Kontamination führen können.
Bei dem Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokera
mischer Vielschichtaktoren werden zunächst oxidische Rohstoffe
in einem Pulverpräparationsprozeß aufbereitet, das konditio
nierte Pulver plastifiziert und mindestens einem Formgebungs
schritt zur Bildung einer Elektroden umfassenden Vielschicht-
Stapelanordnung unterworfen. Wie bereits oben kurz umrissen,
wird die vorgefertigte Vielschicht-Stapelanordnung von einer
grünen Keramikfolie umhüllt, wobei im Anschluß an den Umhül
lungsschritt ein an sich bekanntes Sintern zur Bildung des
polykristallinen keramischen Gefüges erfolgt.
Für das Umhüllen wird die grüne Keramikfolie auf ein flexibles
Hilfsträgermaterial, z. B. Kunststoff-Folie verbracht, an
schließend werden die vorgefertigten Stapelanordnungen auf die
Keramikfolie gelegt. Danach wird eine weitere Keramikfolie, die
Stapelanordnung abdeckend, aufgelegt sowie ein Umschlagen der
flächenmäßig überstehenden Hilfsfolie sowie ein Verbinden
dieser an den offenen Rändern, z. B. durch Verschweißen unter
Vakuum vorgenommen.
Das so erhaltene Paket wird einer isostatischen Druckbehandlung
zum Anpressen der Keramikfolie an die Stapelanordnung ausge
setzt. Die isostatische Druckbehandlung kann eine Behandlung in
einem Wasserbad sein. Das Anpressen erfolgt geometrieunabhängig
durch die sich an die Form der Stapel oder Platten anpassende
Hilfsträgerfolie in Verbindung mit der hochflexiblen, dünnen
keramischen grünen Folie.
Die so umhüllten Platten oder Stapel können dann nach Auftren
nen der Hilfsfolie entnommen und einer weiteren Verarbeitung,
insbesondere dem Trennen sowie Sintern mit nachfolgendem
mechanischen Hartbearbeiten, Metallisieren und dem Polarisieren
zugeführt werden.
Das fertige Bauelement mit entsprechender Außenkontaktierung
ist dann sehr universell einsetzbar, d. h. es kann sowohl im
Hochvakuum, bei Hoch- als auch bei Tieftemperaturen Anwendung
finden. Da die Umhüllung selbst aus Keramik besteht, treten
keine Dämpfe aus, wie dies z. B. bei Harzumhüllungen oder
sonstigen Beschichtungen, z. B. aus Silikon der Fall ist.
Die keramische Umhüllung, die sich beim Sintern einstellt, ist
äußerst dauerhaft und wasserdampfundurchlässig.
Erfolgreiche Tests wurden bis zu einer Luftfeuchtigkeit von
95% rH durchgeführt. Die dünne Schicht wird beim Sintern nahezu
durchsichtig und ist optisch nicht auffallend. Bezüglich der
minimalen Schichtdicke gilt es zu berücksichtigen, daß die
Keramik eine gewisse Restporosität besitzt und daß beim Sintern
ein Schrumpfprozeß um etwa 15% bis 20% eintritt.
Nach der elektrischen Außenkontaktierung wird zum Erzeugen einer
remanenten Polarisation ein elektrisches Gleichfeld angelegt,
um hierdurch sowohl die Basiskeramik als auch die Umhüllungs
schicht zu polen.
Der erfindungsgemäße monolithische piezokeramische Viel
schichtaktor weist Außenelektroden auf, welche jeweils in
elektrischem Kontakt zu in der Stapelanordnung des Aktors
eingebetteten inneren Elektrodenflächen stehen. Diese
Elektrodenflächen verlaufen im wesentlichen parallel nach Art
einer Kammstruktur.
Mindestens die außenelektrodenfreien Flächen des Aktors sind
mit einer keramischen Beschichtung umhüllt, welche aus einer im
wesentlichen gleichen Werkstoffzusammensetzung wie das Keramik-
Basismaterial besteht.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung sind die
inneren Elektrodenflächen bis zur keramischen Beschichtung sich
erstreckend ausgeführt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei
spiels unter Zuhilfenahme eines Flußdiagramms sowie durch eine
Figur näher erläutert werden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokerami
scher Vielschichtaktoren wird zunächst ein Aufbereiten oxi
discher Rohstoffe vorgenommen und ein Formgebungsschritt
realisiert.
Im einzelnen wird nach dem Bereitstellen des Keramikwerkstoffs
eine Schlickeraufbereitung und ein Foliengießschritt reali
siert. Die Folien werden im Siebdruck zum Erhalt der später
eingebetteten inneren Elektroden versehen. Die siebgedruckten
Folien werden dann zu Platten beispielsweise in den Abmessungen
von ca. 122 mm × 122 mm × 3 mm gestapelt.
Nach einem Vereinzeln der Platten zu Streifen, wobei die
Streifen Abmessungen von im wesentlichen 112 mm × 6 mm × 3 mm
aufweisen, werden die einzelnen Streifen zu sogenannten Riegeln
gestapelt, wobei an der oberen und unteren Seite je ein unme
tallisierter Deckstreifen zu liegen kommt. Nach dem Stapeln der
Streifen liegt ein Riegelblock mit den Abmessungen von im
wesentlichen 112 mm × 6 mm × 22 mm vor.
In einem nächsten Schritt wird ein Verpressen der Riegel zu
kompakten Körpern, bevorzugt durch Pressen vorgenommen, wobei
sich an diesen Verpreßschritt das Aufpressen der Umhüllungs
schicht anschließt.
Die Riegel werden dann zu sogenannten Stacks, z. B. durch
Cuttern, vereinzelt. Die Stacks weisen Abmessungen von 6 mm ×
6 mm × 22 mm bei einem bevorzugten Beispiel auf.
Die Stacks werden in einem nächsten Schritt einer thermischen
Behandlung zum Austreiben oder Ausheizen organischer Inhalts
stoffe unterworfen, wobei dieser Prozeßschritt bei Temperaturen
von mehreren 100°C geführt wird. Nach dem Austreiben uner
wünschter organischer Inhaltsstoffe erfolgt das gemeinsame
Sintern bei Temperaturen im Bereich ≦ 1200°C.
Die Maximaltemperatur beim Sintern hängt im wesentlichen von
der Temperaturbeständigkeit der im Siebdruck aufgebrachten
Masse für die inneren Elektrodenflächen ab.
Nach dem Sintern erfolgt in an sich bekannter Weise eine
Kontaktierung, die Polarisation unter Einfluß eines elektri
schen Gleichfelds zum Ausrichten der elektrischen Dipole in
Feldrichtung sowie ein z. B. 24-Stunden Qualitätstest, der auch
die Messung des Leckstroms, der Kapazität, die Bestimmung des
Verlustfaktors sowie der Dehnung umfaßt.
Die Figur gemäß Ausführungsbeispiel zeigt eine Draufsicht eines
monolithischen piezokeramischen Vielschichtaktors sowie
Schnitte längs der Linie A-A und B-B.
Der Vielschichtaktor gemäß Figur besteht aus einer gestapelten
Keramikanordnung 1 mit kammartig verzahnten inneren Elek
troden 2.
Die versetzt ineinander greifenden Elektroden 2 verlaufen im
wesentlichen parallel und sind an jeweils einer Seite in
elektrischem Kontakt zu einer flächigen Außenelektrode 3
stehend. An den Außenelektroden 3 ist jeweils ein Anschluß
leiter 4 befestigbar bzw. vorgesehen.
Wie aus dem Schnitt B-B zu erkennen, sind die inneren Elek
troden 2 bis zum Randbereich der gestapelten Anordnung 1
geführt, so daß eine entsprechende remanente Polarisation über
den gesamten Aktorquerschnitt insbesondere durch das elek
trische Streufeld auch im elektrodenfreien Randbereich erfolgt
und eine über den Aktorquerschnitt gleichmäßige Deformation
gesichert ist.
Die als grüne Folie durch isostatisches Pressen aufgebrachte
umhüllende Beschichtung 5 schließt die außenelektrodenfreien
Flächen des Aktors respektive der gestapelten Keramikanordnung
1 ab, wobei die geringe, nach dem Sintern relevante Schicht
dicke einerseits ein unerwünschtes Eindringen von Wasserdampf
oder dergleichen Molekülen verhindert, andererseits aber auch
die Deformation des Aktors selbst nicht nachteilig beein
trächtigt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer
Vielschichtaktoren, wobei zunächst oxidische Rohstoffe in einem
Pulverpräparationsprozeß aufbereitet, das konditionierte Pulver
plastifiziert und mindestens einem Formgebungsschritt zur
Bildung einer Elektroden umfassenden Vielschicht-Stapelan
ordnung unterworfen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vielschicht-Stapelanordnung von einer grünen Keramikfolie
umhüllt wird, wobei im Anschluß an den Umhüllungsschritt ein an
sich bekanntes Vereinzeln und Sintern, letzteres zur Bildung
des polykristallinen keramischen Gefüges erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Formgebung und/oder Umhüllung mittels Pressen ausgeführt
wird, wobei die Keramikfolie eine Schichtdicke im Bereich von
im wesentlichen 20 µm bis 100 µm, bevorzugt 40 µm bis 50 µm auf
weist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Umhüllen die Keramikfolie auf ein flexibles Hilfsträger
material verbracht, anschließend der oder die vorgefertigten
Stapelanordnungen auf die Keramikfolie gelegt, danach eine
weitere Keramikfolie die Stapelanordnung abdeckend aufgelegt
wird sowie ein Umschlagen der flächenmäßig überstehenden
Hilfsfolie des Hilfsträgers sowie verbindend diese an den
offenen Rändern erfolgt und das so erhaltene Paket einer
Druckbehandlung zum Anpressen der Keramikfolie an die
Stapelanordnung ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Sintertemperaturen im Bereich von im wesentlichen 1000°C
bis ≦ 1200°C liegen.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach elektrischer Außenkontaktierung eine elektrische Polari
sationsspannung zum Erzeugen einer remanenten Polarisation
sowohl zwischen den Elektroden als auch im umhüllungsbedingten
dünnen Randbereich durch das Streufeld angelegt wird.
6. Monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor mit
gegenüberliegenden Außenelektroden, welche jeweils in
elektrischem Kontakt zu in der Stapelanordnung des Aktors
eingebetteten inneren, kammartig strukturierten Elektroden
flächen stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens die außenelektrodenfreien Flächen des Aktors mit
einer keramischen Beschichtung umhüllt sind, welche aus einer
im wesentlichen gleichen Werkstoffzusammensetzung wie das
Keramik-Basismaterial besteht.
7. Monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor nach
Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die inneren Elektrodenflächen bis zur keramischen Beschichtung
sich erstreckend ausgeführt sind.
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