DE10064606B4

DE10064606B4 - Piezoelektrischer Aktuator

Info

Publication number: DE10064606B4
Application number: DE10064606A
Authority: DE
Inventors: Herbert Kliem
Original assignee: Individual
Current assignee: KLIEM, HERBERT, PROF. DR.-ING., 59075 HAMM, DE
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: DE10064606A1

Abstract

Piezoelektrischer Aktuator, mit einer aus einem piezoelektrischen Material bestehenden ebenen Schicht, die auf der einen Seite von einer ersten Elektrode vollständig und auf der anderen Seite von einer zweiten Elektrode nur teilweise bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem nicht nach außen reichenden Rand der zweiten Elektrode und dem Piezoelektrikum eine aus einem Dielektrikum mit geringer Dielektrizitätszahl bestehende Schicht eingefügt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator, wie er z. B. zur Erzeugung sehr kleiner Verschiebungen benutzt wird. In der DE 44 10 504 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen Elektronikbauteils beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Elektronikbauteil kann es sich um einen Mehrschicht-Kondensator oder um eine mehrschichtige piezoelektrische Betätigungseinrichtung (in der vorliegenden Erfindung Aktuator genannt) handeln. Auch die DE 195 42 365 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen keramischen Elektronikbauteils. Jede der beiden genannten Schriften behandelt ausführlich die zur Herstellung alternierender Schichten aus leitfähigem und dielektrischem Material erforderlichen technologischen Schritte. Piezoelektrika reagieren auf ein elektrisches Feld mit einer Längenänderung, die in erster Näherung der elektrischen Feldstärke proportional ist. 1 zeigt eine aus zwei auf einem Piezoelektrikum 2 angebrachten Elektroden 3 (zweite Elektrode) und 4 (erste Elektrode) bestehende Anordnung, die prinzipiell als Aktuator für Verschiebungen senkrecht zur Elektrodenebene benutzt werden kann. Die Elektrode 3 bedeckt das Piezoelektrikum nicht vollständig. Am mit 1 bezeichneten Rand der Elektrode 3 treten Feldstärken auf, die über die sonst im Piezoelektrikum herrschende Feldstärke weit hinaus gehen. Infolge der hohen Feldstärke in diesem Bereich können dort Dehnungen auftreten, die zu Rissen und eventuell zur Zerstörung des Piezoelektrikums führen. Auf diese eventuell mögliche Beschädigung des Dielektrikums wird in keiner der beiden Anmeldungen eingegangen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch geeignete Maßnahmen das Piezoelektrikum im Randbereich der Elektroden vor Feldstärken dieser Größe zu schützen. Dazu wird das Piezoelektrikum im Randbereich der Elektrode mit einem Dielektrikum niedriger Dielektrizitätszahl abgedeckt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand mehrerer Zeichnungen beschrieben.

2 zeigt eine der 1 ähnliche Anordnung. Gleiche Ziffern bezeichnen gleiche Teile. Im Unterschied zur Struktur nach 1 befindet sich in 2 zwischen dem Ende der Elektrode 3 und dem Piezolelektrikum ein Dielektrikum 5. Die Dielektrizitätszahl der für Aktuatoren verwendeten Piezoelektrika liegt bei ε_r = 100 und größer. Das Dielektrikum 5 soll ein ε_r < 10 haben. Schichtet man mit Elektroden versehene Dielektrika unterschiedlicher Dielektrizitätszahl übereinander und legt an die Schichtstruktur eine Spannung, dann verhalten sich die Feldstärken in den Schichten umge kehrt wie die Dielektrizitätszahlen. In der Anordnung nach 2 ist die Feldstärke im Dielektrikum 5 daher um ein Vielfaches größer als die im Piezoelektrikum. Wählt man als Dielektrikum 5 ein nicht piezoelektrisches Material mit hoher Durchschlagfeldstärke, so ist das unter der Elektrodenkante 3 liegende Piezoelektrikum vor den dort auftretenden Feldstärkespitzen geschützt.
3 zeigt einen piezoelektrischen Aktuator, den man sich als einen Stapel von Anordnungen nach 2 vorstellen muss. Mit 6 ist das piezoelektrische Grundmaterial bezeichnet. Die Elektroden 10 sind in zwei Gruppen 7 und 8 zusammengefasst. Die Elektroden einer Gruppe sind elektrisch miteinander verbunden, die beiden Gruppen selbst sind jedoch elektrisch voneinander getrennt. Hohe elektrische Feldstärken treten im Bereich der Elektrodenspitzen 9 auf. Zum Abbau dieser den Aktuator gefährdenden Feldstärkewerte sind die Spitzen der Elektroden mit einem Dielektrikum 5 niedriger Dielektrizitätszahl umgeben. Als Dielektrikum 5 geeignet sind SiO₂ oder Al₂O₃. Es wird mittels Verdampfung durch eine Schattenmaske aufgebracht, die in geeignetem Abstand vor dem Piezoelektrikum zu montieren ist. Das Dielektrikum kann jedoch auch durch geeignete chemische Verfahren (z.B. Sol-Gel) aufgebracht werden.

Claims

Piezoelektrischer Aktuator, mit einer aus einem piezoelektrischen Material bestehenden ebenen Schicht, die auf der einen Seite von einer ersten Elektrode vollständig und auf der anderen Seite von einer zweiten Elektrode nur teilweise bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem nicht nach außen reichenden Rand der zweiten Elektrode und dem Piezoelektrikum eine aus einem Dielektrikum mit geringer Dielektrizitätszahl bestehende Schicht eingefügt ist.
Piezoelektrischer Aktuator aus einer Folge von Schichten, der von zwei elektrisch voneinander getrennten Gruppen paralleler, elektrisch miteinander verbundener ebener Elektroden durchsetzt ist, die in Form einer Kammstruktur ineinander greifen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Feldstärke die nicht nach außen reichenden Elektrodenränder mit einem Dielektrikum umgeben sind, das eine im Vergleich zum Aktuatormaterial geringe Dielektrizitätszahl aufweist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass SiO₂ als Dielektrikum verwendet wird.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Al₂O₃ als Dielektrikum verwendet wird.