-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Piezoaktor und ein
Verfahren zu seiner Herstellung, bei denen eine sichere und gegenüber Rissen im
Piezoaktor unempfindliche Kontaktierung der Innenelektroden des
Piezoaktors gewährleistet
ist.
-
Piezoaktoren
finden vielfältige
Anwendungen, beispielsweise zur direkten oder indirekten Steuerung
von Kraftstoff-Einspritzventilen
von Brennkraftmaschinen. Eine dünne
Folie aus Piezokeramik ist zwischen zwei Elektroden angeordnet. Wenn
eine Spannung zwischen den beiden Elektroden anliegt, ändert diese
Folie Ihre Dicke. Typischerweise ist eine Vielzahl dieser piezoelektrischen
Folien in einem Stapel angeordnet. Zwischen den Folien angeordnete
Innenelektroden sind abwechselnd mit den beiden Polen einer steuerbaren
Spannungsquelle verbunden. So kann eine erwünschte Gesamtamplitude der
Dickenänderung
des Stapels mit einer relativ geringen und damit leicht erzeugbaren
und steuerbaren Spannung realisiert werden.
-
Zur
Kontaktierung der Innenelektroden sind an den Seitenflächen des
Stapels zwei Außenelektroden
bzw. Anschlussflächen
vorgesehen. Jede Außenelektrode
ist mit jeder zweiten Innenelektrode verbunden, so dass jede piezokeramische
Folie zwischen zwei Innenelektroden angeordnet ist, von denen eine
mit der einen Außenelektrode
und die andere mit der anderen Außenelektrode verbunden ist. Um
die Innenelektroden, die mit der ersten Außenelektrode verbunden sind,
von der zweiten Außenelektrode
zu isolieren, reichen diese Innenelektroden im Bereich der zweiten
Außenelektrode
nicht bis ganz nach außen
bzw. nicht bis zur Seitenfläche
des Stapels. Dadurch entstehen nahe den Außenelektroden neutrale Randbereiche
des Piezostapels, in denen die Piezokeramik keinem oder nur einem
ver ringerten elektrischen Feld ausgesetzt ist und deshalb nicht oder
nur in geringerem Maße
piezoelektrisch verformt wird.
-
Piezokeramische
Materialien sind in der Regel nicht nur hart, sondern auch spröde. Die
statischen und dynamischen Belastungen während des Betriebs des Piezoaktors
können
deshalb in den neutralen Randbereichen zur Rissbildung in der Piezokeramik
führen.
Risse in den neutralen Randbereichen setzen sich in die Außenelektroden
fort und unterbrechen diese. Dies bewirkt den teilweisen oder totalen Ausfall
des Piezoaktors, wenn dagegen keine Maßnahmen ergriffen werden.
-
Die
DE 199 28 187 C1 beschreibt
einen Piezoaktor, bei dem Innenelektroden der gleichen Polarität paarweise
durch Kontaktflächen
verbunden werden, die durch eine Wellelektrode kontaktiert werden. Die
zwischen zwei Innenelektroden der gleichen Polarität, die nicht
durch eine Kontaktfläche
verbunden sind, liegende Innenelektrode der entgegengesetzten Polarität reicht
bis nach außen.
-
Die
DE 102 59 949 A1 beschreibt
eine netz-, gewebe- oder siebartig aufgebrachte Außenelektrode,
die punktuell direkt an die Innenelektroden oder an eine mit den
Innenelektroden verbundene Grundmetallisierung gelötet oder
geschweißt
ist.
-
Sowohl
die Wellelektrode der
DE
199 28 187 C1 als auch die punktuell mit den Innenelektroden verbundene
netz-, gewebe- oder
siebartige Außenelektrode
und die auf die Grundmetallisierung gelötete oder geschweißte Außenelektrode
der
DE 102 59 949
A1 bedingen eine aufwändige
und damit teure Herstellung.
-
Die
DE 100 17 975 A1 beschreibt
einen piezoelektrischen Vielschichtaktor, bei dem ein Geflecht aus
Schuss- und Kettfäden über viele
Lötpunkte
mit einer Außenelektrode
eines Vielschichtaktors verbunden ist.
-
Die
DE 199 17 728 A1 beschreibt
einen piezoelektrischen Aktor, bei dem eine Zusatzelektrode über schmale
Füße mit einer
Außenelektrode
des piezoelektrischen Aktors verbunden ist.
-
Die
WO 01/48834 A2 beschreibt ein piezoelektrisches Element, bei dem
ein Kontaktdraht über eine
Lötstelle
mit einer Anschlusselelektrode des piezoelektrischen Elements gebondet
ist.
-
Die
DE 103 10 296 A1 beschreibt
einen piezoelektrischen Aktor, bei dem an einer Seitenfläche ausmündende Innenelektroden
mittels Bonddrähten kontaktiert
sind.
-
Die
DE 199 28 176 A1 beschreibt
einen Piezoaktor, der an inaktiven Endbereichen kontaktiert ist.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezoaktor
und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, die eine einfache
und kostengünstige
Herstellung und eine zuverlässige Funktion
des Piezoaktors auch nach Rissen in der Piezokeramik gewährleisten.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Piezoaktor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
8 gelöst.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, Risse in einer Außenelektrode
eines Piezoaktors durch eine Drahtbrücke und vorzugsweise durch eine
Vielzahl von Drahtbrücken
zu überbrücken. Ein Vorteil
der Erfindung besteht darin, dass der Piezostapel einschließlich der
Innenelektroden und der Außenelektroden
herkömmlich
und damit kostengünstig hergestellt
werden kann. Während
des Betriebs des Piezoaktors auftretende Risse in den Außenelektroden
bzw. Anschlussflächen
werden nicht durch aufwändige
Maßnahmen
vermieden, sondern durch einfache Drahtbrücken überbrückt. Dabei kann die Außenelektrode
zunächst
einstückig
oder von vornherein mehrstückig
bzw. mehrteilig vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Außenelektrode
aus einer Mehrzahl von parallel zu den piezoelektrischen Schichten
angeordneten Streifen ausgebildet sein.
-
Besonders
bevorzugt sind die Drahtbrücken parallel
zur Stapelrichtung in Reihen bzw. Ketten angeordnet oder es sind
mehrere Drahtbrücken
mit jeweils vielen Verbindungen zur Außenelektrode vorgesehen. Durch
einen gegenseitigen Versatz der Verbindungsstellen zwischen den
Drahtbrücken
und der Außenelektrode
wird sichergestellt, dass gegebenenfalls auch bei einer durch viele
Risse bedingten kleinteiligen Fraktionierung der Außenelektrode
alle oder zumindest eine große
Anzahl der Teile der Außenelektrode über Drahtbrücken kontaktiert
sind.
-
Die
vorliegende Erfindung beruht ferner auf der Idee, die Drahtbrücken insbesondere
als Drahtbonds auszuführen,
die vorzugsweise durch Pressschweißverbindungen in Kugel- und/oder Keilform (Ballbond/Wedgebond)
mit der Außenelektrode verbunden
sind. Drahtbonds werden in großem
Maßstab
und seit langer Zeit in der Halbleiterindustrie zur Kontaktierung
von Chips verwendet. Es handelt sich um eine ausgereifte und zuverlässige Technologie. Die
Herstellung von Drahtbonds ist besonders kostengünstig und erfolgt innerhalb
kürzester
Zeit.
-
Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Piezoaktors;
-
2 eine
schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Piezoaktor;
und
-
3 ein
schematisches Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens.
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Piezoaktors 10 in einer
Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Seitenfläche 12 des Piezoaktors 10.
Der dargestellte Ausschnitt umfasst ein Eck des Piezoaktors 10,
an dem die Seitenfläche 12,
eine weitere Seitenfläche 14 und
eine Deckfläche 16 des
Piezoaktors 10 aneinander stoßen. Die in 1 nicht
dargestellten piezoelektrischen Schichten sind horizontal bzw. parallel
zur Deckfläche 16 und
senkrecht zu den Seitenflächen 12, 14 des
Piezoaktors 10 angeordnet.
-
2 ist
eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Schnitts durch
den Piezoaktor 10 senkrecht zur Seitenfläche 12 und
parallel zur weiteren Seitenfläche 14.
In dieser Darstellung sind die piezoelektrischen Schichten 20 erkennbar,
zwischen denen eine Mehrzahl von ersten Innenelektroden 22 und
eine Mehrzahl von zweiten Innenelektroden 24 angeordnet
sind. Die ersten Innenelektroden 22 reichen bis zur Seitenfläche 12,
bzw. ihre Ränder
grenzen an die Seitenflä chen 12 des
Piezoaktors 10. Die zweiten Innenelektroden 24 reichen
in dem dargestellten Bereich nicht bis zur Seitenfläche 12,
d. h. ihre Kanten sind von der Seitenfläche 12 des Piezoaktors 10 beabstandet.
-
Parallel
zur weiteren Seitenfläche 14 bzw. zur
Kante zwischen den Seitenflächen 12, 14 des
Piezoaktors 10 ist eine streifenförmige Außenelektrode 26 an
der Seitenfläche 12 des
Piezoaktors 10 angeordnet. Da die ersten Elektroden 22 bis
zur Seitenfläche 12 des
Piezoaktors 10 reichen, sind sie mit der Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähig
verbunden bzw. werden durch diese kontaktiert. Die zweiten Innenelektroden 24 werden
durch eine weitere Außenelektrode
kontaktiert, die in den 1 und 2 nicht
dargestellt und beispielsweise an einer diametral gegenüberliegenden
Kante an einer dritten Seitenfläche
des Piezoaktors 10 angeordnet ist.
-
In 2 ist
erkennbar, dass zwischen den dünnen
piezoelektrischen Schichten 20 und der Deckfläche 16 eine
Kopf- oder Deckplatte 30 angeordnet
ist, die wesentlich dicker als die piezoelektrischen Schichten 20 ist.
Die Grenzfläche
zwischen der Deckplatte 30 und den piezoelektrischen Schichten 20 ist
in 1 durch eine unterbrochene Linie 32 angedeutet.
Die Deckplatte 30 besteht vorzugsweise aus dem gleichen
Material, wie die piezoelektrischen Schichten 20. Da sie
jedoch im Gegensatz zu den piezoelektrischen Schichten 20 nicht
zwischen einer ersten Innenelektrode 22 und einer zweiten
Innenelektrode 24 angeordnet ist, ist sie auch keinem elektrischen
Feld ausgesetzt und wird beim Anlegen einer Spannung an die Innenelektroden 22, 24 nicht verformt.
-
An
der Außenelektrode 26 sind
mehrere Drahtbrücken 40 angeordnet.
Jede einzelne dieser Drahtbrücken 40 ist
an mindestens zwei Stellen und vorzugsweise an oder nahe ihren beiden
Enden 42, 44 mit der Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähig
verbunden. Die Drahtbrücken 40 sind
aus einem Draht mit vorzugsweise kreisförmigem oder auch einem rechteckigen
oder be liebigen anderen Querschnitt gebildet. Zwischen den beiden
Enden 42, 44 weist der Draht eine Bogenform auf
oder ist auf andere Weise gekrümmt.
Alternativ ist der Draht 40 zwischen den beiden Enden 42, 44 gerade
und besteht aus einem hoch elastischen elektrisch leitfähigen Material. Durch
die Krümmung
oder eine sehr hohe Elastizität des
Drahtes wird dieser bei einer Verformung des Piezoaktors 10 elastisch
verformt, wobei auf die Verbindungen der Enden 42, 44 der
Drahtbrücken 40 nur eine
geringe Kraft wirkt, durch welche die Enden 42, 44 der
Drahtbrücken 40 nicht
von der Außenelektrode 26 abgerissen
werden.
-
Mehrere
Drahtbrücken 40 sind
vorzugsweise in einer Reihe oder Kette angeordnet, die vorzugsweise
im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung bzw. senkrecht zu den
piezoelektrischen Schichten 20 ist. Dabei ist innerhalb
der Reihe jeweils ein Ende 42, 44 einer Drahtbrücke mit
einem Ende 42, 44 der nächsten Drahtbrücke verbunden.
In 1 ist erkennbar, dass vorzugsweise mehrere dieser
Reihen parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Orte, an denen
die Drahtbrücken
einer ersten Reihe mit der Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähig
verbunden sind, gegenüber
den Orten, an denen die Drahtbrücken
einer zweiten Reihe mit der Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähig
verbunden sind, in Stapelrichtung versetzt sind. Dies bedeutet,
dass die Orte, an denen die Drahtbrücken 40 der ersten
Reihe mit der Außenelektrode 26 verbunden
sind, an andere piezoelektrische Schichten 20 angrenzen,
als die Orte, an denen die Drahtbrücken 40 einer zweiten
Reihe mit der Außenelektrode 26 verbunden
sind.
-
Ein
Ende jeder Reihe von Drahtbrücken 40 ist
im Bereich der Deckplatte 30 mit der Außenelektrode 26 verbunden.
Da die Deckplatte 30 nicht piezoelektrisch verformt wird,
entstehen in ihrem Bereich auch keine Risse, welche die Außenelektrode 26 unterbrechen
könnten.
Somit ist sichergestellt, dass zumindest im Bereich der Deckplatte 30 alle
Reihen von Drahtbrücken 40 mit
der Außenelektrode 26 und über diese
miteinan der elektrisch leitfähig
verbunden sind. Aus dem gleichen Grund erfolgt die Kontaktierung der
Außenelektrode 26 vorzugsweise
im Bereich der Deckplatte 30. Die Außenelektrode 26 bildet
somit im Bereich der Deckplatte 30 eine an der Seitenfläche 12 des
Piezoaktors 10 liegende Anschlussfläche für eine Kontaktierung des Piezoaktors
von außen.
-
Durch
die beschriebene Anordnung von Drahtbrücken 40 ist sichergestellt,
dass auch noch bei einer relativ großen Anzahl von die Außenelektrode 26 durchtrennenden
Rissen 50 jedes Fragment der Außenelektrode 26 und
darüber
auch jede Innenelektrode 22 über mindestens eine Reihe von
Drahtbrücken 40 kontaktiert
ist. Eine ähnliche
Wirkung ist auch durch eine einzige Reihe von Drahtbrücken 40 erzielbar,
wenn die einzelne Drahtbrücke 40 bzw.
der Abstand zwischen zwei Verbindungen der Drahtbrücke 40 mit
der Außenelektrode 26 entsprechend
kürzer
ist. Die beschriebene Anordnung von mehreren in Stapelrichtung gegeneinander
versetzten Reihen von Drahtbrücken 40 hat
demgegenüber
jedoch Vorteile. Einerseits sind längere Drahtbrücken 40 leichter
herstellbar als sehr kurze. Andererseits stellt eine Mehrzahl paralleler
Reihen von Drahtbrücken 40 eine
Redundanz dar, wodurch auch bei lokalen Unterbrechungen einzelner
Reihen von Drahtbrücken 40 noch
mit hoher Sicherheit alle Fragmente der Außenelektrode 26 kontaktiert
werden.
-
Die
Drahtbrücken 40 sind
vorzugsweise Drahtbonds, deren beiden Enden 42, 44 jeweils
vorzugsweise durch eine Kugelschweißverbindung oder eine Reibschweißverbindung
mit der Außenelektrode 26 verbunden
sind. Während
in 1 die Enden 42, 44 der Drahtbrücken 40 lediglich
als Punkte dargestellt sind, ist in 2 jeweils
ein Ende 42 jeder Drahtbrücke 40 als durch eine
Kugelschweißverbindung
mit der Außenelektrode 26 verbunden
und das zweite Ende 44 als durch eine Reibschweißverbindung
mit der Außenelektrode 26 verbunden
dargestellt. Innerhalb der Reihe von Drahtbrücken 40 ist jeweils
ein erstes Ende 42 einer Drahtbrücke 40 mittels einer
Kugel schweißverbindung
mit einem zuvor mittels einer Reibschweißverbindung mit der Außenelektrode 26 verbundenen
zweiten Ende 44 der vorhergehenden Drahtbrücke 40 verbunden.
-
Alternativ
sind beiden Enden 42, 44 jeder Drahtbrücke 40 durch
eine Reibschweißverbindung mit
der Außenelektrode 26 verbunden.
Auch andere beim Drahtbonden verwendete Verbindungstechniken sind
verwendbar. Eine direkte Verbindung der Enden 42, 44 von
benachbarten Drahtbrücken 40 innerhalb
einer Reihe ist vorteilhaft. Alternativ werden die Enden 42, 44 benachbarter
Drahtbrücken 40 innerhalb
einer Reihe benachbart oder unmittelbar benachbart zueinander mit
der Außenelektrode 26 verbunden.
Dies kann im Sinne der Zuverlässigkeit
und der mechanischen Belastbarkeit der einzelnen Bond-Verbindungen
vorteilhaft sein.
-
Statt
einer Reihe von Drahtbrücken 40 wird alternativ
jeweils eine einzige lange Drahtbrücke 40 verwendet,
welche an einer Vielzahl von Stellen mit der Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähig
verbunden ist. Eine derartige lange Drahtbrücke 40 kann aus einem
einzigen durchgehenden Draht bestehen.
-
Die
oben anhand der 1 und 2 dargestellte
Außenelektrode 26 ist
zunächst
einstückig bzw.
durchgehend über
die gesamte Höhe
des Stapels der piezoelektrischen Schichten 20 des Piezoaktors 10.
Alternativ besteht die Außenelektrode 26 aus
mehreren Teilen, beispielsweise aus parallel zu den piezoelektrischen
Schichten 20 angeordneten Streifen, welche dann durch die
Drahtbrücken 40 elektrisch
leitfähig
mit der Anschlussfläche
und miteinander verbunden werden.
-
3 ist
ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen
eines Piezoaktors, wie er oben anhand der 1 und 2 dargestellt wurde.
In einem ersten Schritt 62 wird ein Stapel aus einer Mehrzahl
von piezoelektrischen Schichten 20 mit einer Mehrzahl von
Innenelektroden 22, die jeweils an mindestens einer piezoelektrischen
Schicht 20 an geordnet sind, und mindestens einer Außenelektrode 26,
die an einer Seitenfläche 12 des
Stapels angeordnet und mit der Mehrzahl von Innenelektroden 22 elektrisch
leitfähig
verbunden ist, bereitgestellt.
-
In
einem zweiten und einem dritten Schritt 64, 66 wird
eine Drahtbrücke 40 mit
zwei Enden 42, 44 erzeugt, wobei beide Enden 42, 44 der
Drahtbrücke 40 mit
der mindestens einen Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähig
verbunden werden. Dazu wird in einem zweiten Schritt 64 das
erste Ende 42 der Drahtbrücke 40 mit der Außenelektrode 26 elektrisch leitfähig verbunden,
und in einem dritten Schritt 66 wird das zweite Ende 44 der
Drahtbrücke 40 mit
der Außenelektrode 26 elektrisch
leitfähige
verbunden.
-
Die
Drahtbrücke 40 wird
vorzugsweise durch Herstellen einer Drahtbond-Verbindung erzeugt.
Dabei wird im zweiten Schritt 64 und im dritten Schritt 66 jeweils
eine Reibschweißverbindung
oder eine Kugelschweißverbindung
zwischen dem entsprechenden Ende 42, 44 der Drahtbrücke 40 und
der Außenelektrode 26 hergestellt.
-
Anschließend wird
vorzugsweise in einem vierten Schritt 68 und in einem fünften Schritt 70 eine weitere
Drahtbrücke 40 erzeugt,
wobei im vierten Schritt 68 ein erstes Ende 42 der
weiteren Drahtbrücke 40 mit
dem zweiten Ende 44 der zuvor erzeugten ersten Drahtbrücke 40 verbunden
wird und im fünften Schritt 70 ein
zweites Ende 44 der zweiten Drahtbrücke 40 mit der Außenelektrode 26 verbunden
wird. Auch die im vierten und fünften
Schritt 68, 70 erzeugte weitere Drahtbrücke 40 wird
vorzugsweise durch Herstellen einer Drahtbondverbindung erzeugt,
wobei sowohl im vierten Schritt 68 als auch im fünften Schritt 70 jeweils
vorzugsweise eine Reibschweißverbindung
oder eine Kugelschweißverbindung
zwischen dem entsprechenden Ende 42, 44 der weiteren
Drahtbrücke 40 und
dem zweiten Ende 44 der zuvor aufgebrachten Drahtbrücke bzw.
der Außenelektrode 26 erzeugt
wird.
-
Die
Schritte 68, 70 können wiederholt werden, um
eine weitere, dritte sowie weitere Drahtbrücken zu erzeugen, die in einer
Reihe angeordnet und kettenartig miteinander leitfähig verbunden
sind.