DE102005046295A1

DE102005046295A1 - Process for production of a piezoelectric heat converter metallizing of a piezoelectric material bonded to a ceramic layer useful miniature piezoelectric technology formation of troughs in the piezoelectric ceramic by UV laser treatment

Info

Publication number: DE102005046295A1
Application number: DE102005046295A
Authority: DE
Inventors: Michael Johannes Jensen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Process for production of a piezoelectric heat converter in which a flat piezoelectric material is subjected to cruciform metallizing which is bonded to a ceramic by an ignition (sic, annealing) process to give a thick metal layer. Annular troughs are then formed in the piezoelectric ceramic by means of a UV light laser of diameter below 10 micron, of depth restricted by the metallized layer.

Description

Das Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Wärmewandlers gehört zur Gattung der Herstellungsverfahren im Miniaturbereich.The Method for producing the piezoelectric heat transducer belongs to the genus of miniature manufacturing processes.

Bisher existiert noch kein Herstellungsverfahren für einen piezoelektrischen Wärmewandler, durch das die piezoelektrischen Einzelelemente, vor allem in Bezug auf die Herstellung der Sicke, möglich wäre.So far There is still no manufacturing method for a piezoelectric heat transducer, by that the piezoelectric single elements, especially in relation to the production of the bead, would be possible.

Die erfindungsgemässe Aufgabe bestand nun darin, piezoelektrische Elemente herstellbar zu machen, mit deren Hilfe dann dann der piezoelektrische Wärmewandlers betrieben werden kann.The invention Task was now to produce piezoelectric elements with the help of which then the piezoelectric heat transducer can be operated.

Diese Aufgabe wurde durch das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren gelöst.These Task was solved by the inventive manufacturing method.

Um den piezoelektrischen Wärmewandler herzustellen, muss man dazu folgendermassen vorgehen:
Ein Täfelchen aus piezoelektrischer Keramik (z.B. polykristallinem Bariumtitanat), von einer Dicke, die eine gute Handhabbarkeit ermöglicht, wird dazu auf einer Seite plangeschliffen.In order to produce the piezoelectric heat transducer, one must proceed as follows:
A tablet of piezoelectric ceramic (eg polycrystalline barium titanate), of a thickness that allows good handling, is ground flat on one side.

Auf die plangeschliffene Seite des Keramiktäfelchen werden dann, mit Hilfe einer Schablone, die kreisrunden Metallflächen aufgedampft, die später als oberer Flächenkontakt der piezoelektrischen Elemente, sowie als deren Sicke dienen sollen.On the flat ground side of the ceramic tile will then, with the help of a stencil, the metal surfaces vaporized, later than upper surface contact the piezoelectric elements, and serve as their bead.

Um die Dichte der Metallisierung und deren Haftung auf der Keramik zu erhöhen, sollten beide anschliessend zusammen geglüht werden.Around the density of the metallization and its adhesion to the ceramic to increase, Both should then be annealed together.

Unter Umständen muss dabei der Schmelzpunkt der Metallisierung überschritten werden, damit diese eine entsprechend hohe Dichte erhält.Under circumstances In this case, the melting point of the metallization must be exceeded, so that this receives a correspondingly high density.

Anschließen wird das Keramiktäfelchen, mittels dieser oberen Flächenkontakte, durch konventionelle Verfahren, auf eine Vorrichtung aufgelötet oder aufgeklebt.Connecting will be the ceramic tablet, by means of these upper surface contacts, by conventional methods, soldered or glued to a device.

Danach wird das Keramiktäfelchen, mittels konventioneller Verfahren, auf seine endgültige Dicke heruntergeschliffen. Bei diesem Herstellungsbeispiel soll diese Dicke ca. 5 Mikrometer bertragen.After that becomes the ceramic tablet, by conventional methods, to its final thickness ground down. In this production example, this should Thickness about 5 microns transferred.

Nachfolgend müssen dann die unteren Flächenkontakte der piezoelektrischen Elemente aufgebracht werden. Sie können, mit Hilfe einer Schablone, aufgedampft werden.following have to then the bottom surface contacts the piezoelectric elements are applied. You can, with Help a stencil to be evaporated.

Durch den Einsatz eines UV-Licht-Lasers werden dann ringförige Gräben in das Keramiktäfelchen eingebracht. Der Durchmesser dieser Gräben sollte dabei in einem Bereich unter 10 Mikrometern liegen.By the use of a UV light laser then ringförige trenches in the ceramic tablets brought in. The diameter of these trenches should be in one area less than 10 microns.

Die Grabenbreite sollte dabei in einem Bereich unter 2 Mikrometern liegen. Die Tiefe dieser Gräben entspricht dann der Dicke des Keramiktäfelchens.The Trench width should be in an area below 2 microns. The depth of these trenches then corresponds to the thickness of the Keramikarztäfelchens.

Da die Sicke der piezoelektrischen Elemente, durch die erfolgte Weichlötung mit der Tragevorrichtung, in einem festen metallischen Verbund mit dieser ist, kann sie durch die UV-Licht-Laserbearbeitung, unter normalen Berdingungen, nicht zerstört werden.There the bead of the piezoelectric elements, by the carried out with soft soldering the carrying device, in a solid metallic composite with this is, it can through the UV light laser processing, under normal Conditions, not destroyed.

Nach der erfolgten Laserbearbeitung kann dann das Keramiktäfelchen, auf dauerhafte Weise mit einer Trägerplatte verbunden werden.To the laser processing can then be the ceramic tablet, be permanently connected to a support plate.

Diese Trägerplatte muß punktförige elektrische Kontakte haben, die jeweils mit den unteren Flächenkontakten in eine räumliche Übereinstimmung zu bringen sind.These support plate Must punktförige electrical Contacts, each with the bottom surface contacts in a spatial match too bring.

Als Fügeverfahren eignen sich konventionelle Verfahren, wie das Löten, Kleben, oder Verschweissen mit Laserhilfe.When joining methods Conventional methods are suitable, such as soldering, gluing, or welding with laser help.

Um die Umlagerung zu bewirken, können Lote mit unterschiedlichem Schmelzpunkt zur Anwendung kommen.Around can cause the rearrangement, solders come with different melting point used.

Der Schmelzpunkt des Lotes, mit dem die Keramiktäfelchen mit der Vorrichtung verlötet wurde, sollte dabei der niedrigerer sein. Somit lässt sich das Keramiktäfelchen von der Vorrichtung ablöten, wenn das Lot, das zum Zusammenfügen der Keramiktäfelchen benutzt wurde, bereits erstarrt ist.Of the Melting point of the solder, with which the ceramic tiles with the device soldered was, should it be the lower. Thus can be the ceramic tablet unsolder from the device, if the solder that to join the ceramic tablet was already frozen.

Da die aufgebrachte Metallisierung, aufgrund ihres unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, relativ zum Keramiktäfelchen, bereits nach dem Glühen einer Stauchung ausgesetzt wurde, ermöglicht, in der Regel, bereits diese Sicke eine Deformierbarkeit des piezoelektrischen Elementes, ohne das dazu nocheinmal die Dehnung der Sicke notwendig wäre.There the applied metallization, due to their different thermal expansion coefficient, relative to the ceramic tablet, already after the glow has been subjected to compression, usually, already this bead a deformability of the piezoelectric element, without that would once again be necessary to stretch the bead.

Ansonsten kann diese notwendige Dehnung auch durch eine Druckeinwirkung bewirkt werden.Otherwise This necessary stretching can also be effected by a pressure effect become.

Durch die Herstellung weiterer Keramiktäfelchen, in der beschriebenen Art und Weise, und dem dann folgenden Aufeinanderstapeln der piezoelektrischen Elemente zu einem piezoelektrischen Gesamtelement, enstehen dann so piezoelektrische Elemente mit hinreichend großer Ausgangspannung.By the production of further ceramic tablets, in the manner described, and then the subsequent stacking of the piezoelectric As a result, piezoelectric elements with a sufficiently high output voltage are produced.

Diese Ausgangspsannung sollte überwiegend oberhalb der Schleusenspannung der verwendeten Dioden liegen.These Output voltage should be predominantly above the slip voltage of the diodes used.

Der unterste und der oberste Flächenkontakt dieser piezoelektrischen Elemente wird dann mit jeweils zwei Dioden, in der Brückenschaltung elektrisch leitend verbunden.Of the lowest and the top surface contact this Piezoelectric elements is then connected with two diodes, respectively the bridge circuit electrically connected.

Somit kann die völlig regellose Wechselspannung, der piezoelektrischen Gesamtelemente, in eine technisch verwertbare Gleichspannung umgewandelt werden.Consequently can the completely random AC voltage, the total piezoelectric elements, in be converted into a technically usable DC voltage.

Zum Ausgleich der Höhendifferenz, die durch das Aufdampfen der oberen Flächenkontakte entsteht, können zusätzlich Metallstege augedampft werden, durch welche die Höhendifferenz ausgeglichen wird.To the Equalization of the height difference, which results from the vapor deposition of the upper surface contacts, can additionally metal webs are evaporated, by which the height difference is compensated.

Mittels dieser Metallstege, die den oberen Flächenkontakt umgeben und seiner Dicke ensprechen, können so auch die piezoelektrischen Gesamtelemente untereinander gasdicht versiegelt werden, damit im Betrieb nicht das Versagen einer einzelnen Sicke zur zur Zerstörung des piezoelektrischen Energiewandlers führen kann.through These metal bars that surround the upper surface contact and its Thickness can correspond so also the piezoelectric elements together gas-tight be sealed so that in operation not the failure of a single bead to destruction can lead the piezoelectric energy converter.

Durch die genau dosierte Anwendung von Klebstoff oder Lözinn auf diesen Metallstegen können dann die einzelenen piezoelektrischen Keramiktäfelchen miteinander verklebt oder verlötet werden.By the precisely dosed application of glue or tin These metal bars can then the individual piezoelectric Keramikiktäfelchen glued together or soldered become.

Claims

Method of making the piezoelectric Heat converter, characterized in that on a planar, piezoelectric material circular metallizations be applied, which is connected by an annealing process with the ceramic be and by the glow give a dense metal layer and the ceramic over these metallizations then, for further processing, soldered with a device or is glued and then the piezoelectric ceramic to its final thickness is ground down and then by means of a UV light laser annular trenches with a diameter of as possible be introduced below 10 microns in the piezoelectric ceramic, whose depth is limited by the upper metallizations, the through the soldering, or bonding with the carrying device in a solid composite is, and therefore not destroyed by the laser processing can and then, after the processing again from the carrying device unsoldered, or solved becomes.

Method of manufacturing the piezoelectric heat transducer, characterized in that the piezoelectric elements then congruent stacked be so that the piezoelectric elements are in a row and electrically form a series connection.

Method of manufacturing the piezoelectric heat transducer, characterized in that the total piezoelectric elements be connected with four diodes in the bridge circuit and thus a technically usable DC voltage is created.