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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor in monolithischer Vielschicht-Bauweise
und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Obwohl
auf beliebige Piezoaktoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf einen in monolithischer
Vielschicht-Bauweise ausgestalteten Piezoaktor näher erläutert.
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Ein
derartiger Piezoaktor besteht im Allgemeinen aus mehreren Piezo-Keramikplatten.
Eine Piezo-Keramik ist ein Material, das sich aufgrund des piezo-elektrischen
Effektes beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Solche
Piezo-Keramiken
bilden die Basis für
die Piezoaktoren, die beim Anlegen einer Spannung einen Verfahrweg
von einigen Mikrometern realisieren. Die Piezo-Keramik weist elektrische
Dipolmomente auf, die jeweils innerhalb von Weiss'schen Bezirken, die
gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung aufweisen. In
einem unpolarisierten Grundzustand der Piezo-Keramik sind die Vorzugsrichtungen
der einzelnen Weiss'schen
Bezirke ungeordnet, sodass nach außen hin keine makroskopische
elektrische Polarisierung der Piezo-Keramik vorliegt.
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Um
den piezo-elektrischen Effekt für
Piezoaktoren nutzbar zu machen, muss die Piezo-Keramik durch das
Ausrichten der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach
die elektrischen Dipolmomente in allen Weiss'schen Bezirken nicht oder nur wenig
von einer durch die Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung
abweichen. Die Piezo-Keramiken werden beispielsweise als Grundkörper von Piezoaktoren
eingesetzt, welche u.a. Verwendung im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise
als elektromagnetische Wandler in Common-Rail-Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen,
finden.
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Die
einzelnen oben beschriebenen Piezo-Keramiken sind beiderseits mit
metallischen Elektroden bzw. Innenelektroden versehen. Wird an diese Innenelektroden
eine Spannung angelegt, so reagiert die Piezo-Keramik mit einer
Gitterverzerrung, die entlang der Hauptachse zu der oben bereits
erläuterten nutzbaren
Längenausdehnung
führt.
Da diese allerdings weniger als 2 Promille der Schichtdicke entlang der
Hauptachse beträgt,
muss zur Erzielung einer gewünschten
absoluten Längenausdehnung
eine entsprechend höhere
Schichtdicke aktiver Piezo-Keramiken
bereitgestellt werden. Mit zunehmender Schichtdicke der einzelnen
Piezo-Keramik-Schichten innerhalb eines Piezoaktors steigt jedoch
auch die zum Ansprechen des Piezoaktors erforderliche Spannung.
Um diese in handhabbaren Grenzen zu halten, liegen die Dicken von
einzelnen Piezoschichten bei Vielschicht-Aktoren üblicherweise
zwischen 20 μm
und 200 μm.
Ein Piezoaktor muss daher beispielsweise für eine gewünschte Längenausdehnung eine entsprechende
Anzahl an einzelnen Keramikschichten aufweisen.
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Es
ist der Anmelderin bekannt, zur Herstellung von Piezoaktoren beispielsweise
Piezo-Keramik-Grünfolien
alternierend mit Innenelektrodenmaterial in einem Stapel anzuordnen
und gemeinsam zu sintern. Dadurch entsteht ein ausreichend fester
Verbund der Einzelschichten in dem Piezoaktor. Die in dem Vielschicht-Aktor
integrierten Innenelektroden werden für eine wechselseitige elektrische
Kontaktierung alternierend an die Oberfläche beispielsweise der sich
gegenüberliegenden
Seiten des Aktors geführt
und dort jeweils durch eine Außenmetallisierung elektrisch
parallel geschaltet. Somit ist jede Innenelektrode von einem vorbestimmten
Oberflächenbereich
nach außen
geführt
und in einem davon beabstandeten Oberflächenbereich in das Innere des
Aktors zurückversetzt.
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Hierbei
hat sich allerdings die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass bei der Sinterung für eine
Verbindung der Keramikschichten und der Innenelektroden die Abschnitte,
in welchen die Innenelektroden zurückversetzt sind, mit keramischem
Material ausgefüllt
werden. Diese Abschnitte sind allerdings piezo-elektrisch inaktiv,
da keine Elektroden zur Ansteuerung in diesen Abschnitten vorgesehen sind.
Dadurch kann es insbesondere in diesen Bereichen bei der Sinterung
zu unerwünschten
mechanischen Spannungen kommen, da beispielsweise die Materialschwindung
des piezo-keramischen Werkstoffs während des Sinterprozesses durch
diese Anordnung entsprechend beeinflusst wird. Schwindungsdifferenzen
zwischen elektrodennahen und elektrodenfernen Bereichen führen demnach
im Allgemeinen zu unerwünschten,
nicht definierten und unkontrollierbaren mechanischen Spannungen
im keramischen Werkstoff, die oft schon während des Sinterprozesses zu
unerwünschten
Rissen führen oder
im fertigen Bauteil festigkeitsmindernd wirken.
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Bei
der erstmaligen elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors bis in
den Großsignalbereich hinein
erfährt
die Piezo-Keramik eine Polarisierung und zeigt dabei eine irreversible
Längenänderung, die
so genannte remanente Dehnung. Aufgrund dieser remanenten Dehnung
entstehen ferner mechanische Zugspannungen der Gesamtstruktur, welche dazu
führen,
dass im Verlauf der Polung oder im späteren Betrieb des Piezoaktors
so genannte Polungsrisse entstehen. Diese Polungsrisse entstehen
vorzugsweise entlang des Schnittstellenbereiches zwischen den Innenelektroden
und den Keramikschichten sowie innerhalb der Piezo-Keramiken selbst.
Derartige Polungsrisse sind a priori für die Zuverlässigkeit
des Piezoaktors im dynamischen Betrieb unschädlich, wenn sie einen definierten
Lauf einnehmen. Bei Vorliegen ungünstiger intrinsischer, wie
beispielsweise bei einer ungünstigen
Gefügestruktur oder
einer ungünstigen
Defektpopulation, als auch extrinsischer Einflüsse, wie beispielsweise bei
einer elektrischen Anstiegsflanke im dynamischen Betrieb, einer
unzureichenden Klemmung oder dergleichen, können sich diese Polungsrisse
allerdings verzweigen und einen nicht definierten Verlauf einnehmen.
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Ein
Verzweigen der an sich unschädlichen Polungsrisse
kann zu unerwünschten
Rissen führen, welche
senkrecht zu der Ebene der Elektroden und durch den Piezoaktor hindurch
verlaufen. Derartige Risse können
senkrecht in den aktiven Bereich als so genannte Längsrisse
hineinwachsen. Dabei werden die Arbeitselektroden durchtrennt und
Spalten zwischen den Arbeitselektroden unterschiedlichen Potenzials
geschaffen. An diesen Stellen kann es zu elektrischen Überschlägen kommen,
welche im Weiteren in einem Ausfall des Piezoaktors resultieren. Somit
führen
unterschiedliche Dehnungsverhalten eines aktiven und eines passiven
Keramikbereiches während
der Sinterung oder der Polarisierung bzw. während des Betriebes insbesondere
an der Grenze zwischen diesen beiden Bereichen zu mechanischen Spannungen,
welche die Bildung von nicht definierten, unerwünschten Längsachsen begünstigen.
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Um
derartige Rissbildungen aufgrund auftretender mechanischer Spannungen
zu vermeiden, können
beispielsweise die Betriebsgrenzen beim piezo-elektrischen Betrieb
des Piezoaktors derart gewählt
werden, dass die entstehenden mechanischen Spannungen zu gering
für die
Bildung von Längsrissen
sind.
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An
diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass für
sehr viele Anwendungen ein großer
Verstellweg des Piezoaktors erwünscht
ist, sodass dieser meist in seinen Betriebsgrenzen angesteuert werden
muss.
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Ferner
existieren verschiedene Lösungen, die
mechanische Spannungen in einem Piezoaktor reduzieren. Beispielsweise
können
vorbestimmte Sicherheitsschichten in den Piezo-Stack integriert
werden.
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Hierbei
hat sich allerdings die Tatsache als nachteilig herausgestellt,
dass eine Integration derartiger Sicherheitsschichten mit einem
erhöhten
Herstellungsaufwand verbunden ist, wobei sich die Herstellungskosten
gleichermaßen
nachteilig erhöhen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Piezoaktor
und ein Herstellungsverfahren für
einen Piezoaktor anzugeben, bei welchem nicht definierte, sich verzweigende
Polungsrisse während
des Sinterprozesses, der Polarisation und des Betriebes auf einfache
und kostengünstige
Weise verringert bzw. gänzlich
vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und durch den Piezoaktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs
13 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
dass das Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors folgende Verfahrensschritte
aufweist: Vorsehen eines vielschichtigen, piezo-elektrisch aktiven
Piezoriegels bestehend aus einer alternierenden Abfolge von piezo-elektrischen Materialschichten
und elektrisch leitenden Innenelektroden, wobei die Innenelektroden
jeweils mindestens einen zu einem zugeordneten Oberflächenbereich
des Piezoriegels herausgeführten
Abschnitt aufweisen; und selektiv Zurückätzen zumindest eines Abschnitts
der mindestens einen zu dem jeweils zugeordneten Oberflächenbereich
des Piezoriegels herausgeführten
Abschnitte vorbestimmter Innenelektroden in das Innere des Piezoriegels
mittels eines elektro-chemischen Ätzverfahrens zum Bilden eines Piezoaktors
mit definiert freigelegten Vertiefungsabschnitten.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung gegenüber den obigen Ansätzen den
Vorteil auf, dass durch das selektive Zurückätzen der Innenelektroden in
das Innere des Piezoaktors nach der Sinterung vorbestimmte freigelegte
Vertiefungsabschnitte an vorbestimmten Abschnitten des Randbereiches
des Piezoaktors gebildet werden. Diese freigelegten Vertiefungsabschnitte
bewirken eine Reduzierung des mechanischen Zugspannungsprofils im
Kontaktierungsbereich, da der Übergangsbereich
zwischen aktiven, angesteuerten Keramikabschnitten und inak tiven,
nicht-angesteuerten Keramikabschnitten reduziert wird. Entscheidend
für einen
Rissverlauf eines Polungsrisses ist neben der Höhe des Weiterreißwiderstandes
in verschiedenen Richtungen insbesondere der Ort der Rissentstehung
sowie die Anzahl an entstehenden Polungsrissen. Die definiert freigelegten
Vertiefungsabschnitte dienen daher als definierter Startpunkt eines
definiert auftretenden Polungsrisses, wobei jeder definiert eingebrachte Polungsriss
zu einer Reduzierung der schädlichen mechanischen
Zugspannungen, insbesondere im Übergangsbereich
zwischen einer aktiven Keramik und einer inaktiven Keramik führt. Durch
geeignetes selektives Zurückätzen vorbestimmter
Bereiche der Innenelektroden können
demnach die Triebkraft für die
Initiierung eines weiteren Risses bzw. zur Verlängerung bestehender Risse vorteilhaft
herabgesetzt und definierte Polungsrisse in dem Piezoaktor erzeugt
werden. Beispielsweise können
vorteilhaft äquidistant über die
Seitenlänge
des Piezo-Stacks verteilte Polungsrisse erzeugt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der weiteren Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung werden die Innenelektroden des Piezoriegels
in einer alternierenden Abfolge von ersten Innenelektroden und zweiten
Innenelektroden vorgesehen, wobei die ersten Innenelektroden jeweils
an einen ersten Oberflächenbereich
des Piezoriegels und die zweiten Innenelektroden jeweils an den
ersten Oberflächenbereich
sowie zusätzlich
an einen zweiten Oberflächenbereich
des Piezoriegels herausgeführt
werden. Dadurch kann an dem zweiten Oberflächenbereich eine Hilfskontaktierung
vorgesehen werden, welche einer elektrischen Kontaktierung der zweiten
Innenelektroden dient. Die Hilfskontaktierung kann zu geeignetem
Zeitpunkt wieder von dem Piezoriegel entfernt werden.
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Die
ersten Oberflächenbereiche
des Piezoriegels werden vorzugsweise durch einen ersten Eckbereich
des Piezoriegels und die zweiten Oberflächenbereiche durch einen zweiten,
dem ersten Eckbereich diagonal gegenüberliegenden Eckbereich ausgebildet.
Dadurch sind die beiden Kontaktierungsbereich möglichst weit voneinander entfernt, sodass Überschläge oder
ein Kurzschluss zwischen den beiden Kontaktierungsbereichen verhindert
wird.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die ersten Oberflächenbereiche
durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Hilfskontaktierung
der zweiten Innenelektroden mittels eines elektro-chemischen Ätzverfahrens
derart behandelt, dass die zweiten Innenelektroden jeweils selektiv
in das Innere des Piezoriegels definiert zurückgeätzt werden. Durch ein beispielsweise
nass-chemisches Ätzverfahren
werden auf einfache und kostengünstige
Weise selektive Vertiefungsabschnitte im Inneren des Piezoriegels
geschaffen, welche einer definierten Bildung von Polungsrissen dienen.
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Vorzugsweise
werden die zweiten Oberflächenbereiche
nach dem selektiven Zurückätzen mittels
eines mechanischen Verfahrens bis zu einem Herausführen der
ersten und der zweiten Innenelektroden abgetragen. Dadurch können die
zweiten Oberflächenbereiche
anschließend
durch Anlegen einer elektrischen Spannung an eine erste Kontaktierung
der ersten Innenelektroden mittels wiederum eines elektro-chemischen Ätzverfahrens
derart behandelt werden, dass die ersten Innenelektroden jeweils selektiv
in das Innere des Piezoriegels definiert zurückgeätzt werden. Dadurch werden
wiederum Vertiefungsabschnitte selektiv in den Seitenoberflächenbereichen
für eine
Initiierung von definierten Polungsrissen gebildet.
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Die
Vertiefungsabschnitte der ersten Innenelektroden werden an einem
ersten, eine erste Kontaktierung aufweisenden Eckbereich und die
Vertiefungsabschnitte der zweiten Innenelektroden an einem zweiten,
dem ersten Eckbereich diagonal gegenü berliegenden und eine zweite
Kontaktierung aufweisenden Eckbereich ausgebildet. Dadurch können in
den Seitenbereichen des fertigen Piezoaktors äquidistant beabstandete Polungsrisse
vorteilhaft geschaffen werden, welche eine gleichmäßige mechanische
Entlastung des gesamten Piezoaktors bei der Sinterung, der Polarisierung
bzw. während
des Betriebes gewährleisten.
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Nach
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Vertiefungsabschnitte der ersten Innenelektroden als
randseitig umlaufende Vertiefungen, welche im Bereich einer ersten
Kontaktierung an die Oberfläche
des Piezoriegels herausgeführt
werden, und die Vertiefungsabschnitte der zweiten Innenelektroden
als randseitig umlaufende Vertiefungen, welche im Bereich einer
zweiten, zu der ersten Kontaktierung diagonal gegenüberliegenden Kontaktierung
an die Oberfläche
des Piezoriegels herausgeführt
werden, ausgebildet. Dadurch wird die Funkenstrecke des Piezoaktors
zwischen entgegengesetzt gepolten elektrischen Flächen vergrößert, da die
Innenelektroden von dem Randbereich und somit den Kontaktierungen
bzw. anderen Elektroden benachbarter Schichten mit einem größeren Abstand beabstandet
sind. Dadurch wird eine verbesserte Isolierung zum Schutz vor elektrischen Überschlägen im Bereich
der Oberflächen
gewährleistet.
Dies verbessert die Zuverlässigkeit
und die Lebensdauer des gesamten Piezoaktors vorteilhaft.
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Vorzugsweise
können
die Vertiefungsabschnitte vorbestimmter Innenelektroden als randseitig
umlaufende Vertiefungen ausgebildet werden. Diese Vertiefungsumrandung
reduziert zusätzlich das
mechanische Zugspannungsprofil im Piezoaktors und dient gleichzeitig
als Initiierung für
mögliche Polungsrissbildungen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die durch die jeweils
zurückgeätzten Innenelektroden
entstehenden Vertiefungsabschnitte jeweils mittels eines geeigneten
Füll materials
aufgefüllt.
Beispielsweise erfolgt eine Sinterung vor einer Auffüllung oder
nach einer Auffüllung
der Vertiefungsabschnitte mit dem Füllmaterial. In letzterem Fall
erfolgt die Füllung
der Vertiefungsabschnitte vorzugsweise mit einem Material, welches
mit dem Sinterprozess kompatibel ist. In diesem Fall muss auch für die Kontaktierungen
des Piezoaktors ein Material verwendet werden, welches ebenfalls
mit dem Sinterverfahren kompatibel ist. Erfolgt das Sintern vor
einer Auffüllung
der Vertiefungsabschnitte mit einem Füllmaterial, so kann dieses
auch aus einem organischen Material bestehen.
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Vorteilhaft
wird der hergestellte Piezoriegel in einzelne Piezoaktoren mit vorbestimmten
Abmessungen geteilt. Dadurch können
mehrere Piezoaktoren mit gewünschten
Abmessungen aus einem einzigen Piezoriegel mittels eines einzigen
Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Dies verringert den Herstellungsaufwand
sowie die Herstellungskosten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Piezoaktor im Mehrfachnutzen
aus dem Piezoriegel hergestellt, wobei die Breite des Piezoriegels
etwas größer ausgebildet
wird als die Breite des bzw. der herzustellenden Piezoaktoren. Es können durch
ein einziges gemeinsames Herstellungsverfahren mehrere Piezoaktoren
aus einem Piezoriegel kostengünstig
und mit geringem Aufwand hergestellt werden. Durch die größere Breite
kann ein Teil des Piezoriegels im Verlaufe des Verfahrens abgetragen
werden, ohne dass die eigentliche Breite des herzustellenden Piezoaktors
verringert wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
dabei:
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1 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen eines Piezoriegels gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem ersten Verfahrensschritt;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Verfahrensschritt;
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3 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem dritten Verfahrensschritt;
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4 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem vierten Verfahrensschritt;
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5 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem fünften Verfahrensschritt;
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6 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem sechsten Verfahrensschritt;
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7 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem siebten Verfahrensschritt;
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8 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem achten Verfahrensschritt;
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9 eine
Querschnittsansicht entlang der Diagonalen des Piezoriegels gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem neunten Verfahrensschritt;
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10 eine
Seitenansicht eines hergestellten Piezoaktors gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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11 eine
Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 10;
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12 eine
Querschnittsansicht entlang einer horizontalen Schnittebene eines
hergestellten Piezoaktors gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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13 eine
Querschnittsansicht entlang einer horizontalen Schnittebene eines
hergestellten Piezoaktors gemäß einem
noch weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche
oder funktionsgleiche Komponenten, sofern nichts Gegenteiliges angegeben
ist.
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In
den 1 bis 10 sind jeweils Querschnittsansichten
entlang einer Diagonalen durch einen Piezoriegel dargestellt, wobei
vorliegend der Piezoriegel 1 einen quadratischen Querschnitt
aufweist. Es ist allerdings für
einen Fachmann offensichtlich, dass der vorliegende Erfindungsgedanke auf
beliebige Abmessungen des Piezoriegels 1 bzw. des herzustellenden
Piezoaktors anwendbar ist.
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1 illustriert
den Piezoriegel 1, welcher zur Herstellung eines oder mehrerer
vollaktiver Piezoaktoren gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Der Piezoriegel 1 wird
beispielsweise aus einem Block im Mehrfachnutzen als Riegel herausgeschnitten.
Der Block weist eine Dicke auf, welche in etwa der axialen Länge des/der
herzustellenden Piezoaktoren entspricht, wobei zwischen den einzelnen
Keramikschichten Elektrodenfelder mit geeigneter Anordnung derart
aufgedruckt sind, dass ein Schneiden des Blocks die gewünschten
Piezoriegel 1 mit vorbestimmter Elektrodenanordnung gemäß 1 liefert. Jeder
Piezoriegel 1 ist vorzugsweise in monolithischer Vielschicht-Bauweise
hergestellt, wobei der piezo-elektrisch aktive Bereich aus mehreren
piezo-elektrischen Keramikschichten 2 besteht, welche jeweils
durch Innenelektroden 10, 20 voneinander getrennt
sind.
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Nachfolgend
wird als Ausführungsbeispiel der
Fall näher
erläutert,
in welchem aus einem Piezoriegel 1 lediglich ein Piezoaktor
mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt wird. Allerdings können
aus einem Piezoriegel 1 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch mehrere Piezoaktoren hergestellt werden, wobei in diesem Fall
der selektiv zurückgeätzte Piezoriegel
in mehrere Piezoaktoren geteilt wird.
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In
dem Piezoriegel 1 herrscht vorzugsweise eine alternierende
Abfolge einer piezo-elektrischen Keramikschicht 2, einer
ersten Innenelektrode 10, die zu einem ersten Oberflächenbereich 11 des
Piezoriegels 1 herausgeführt ist und gegenüber einem
zweiten Oberflächenbereich 21 des
Piezoriegels 1 zurückversetzt
ist, einer piezo-elektrischen Keramikschicht 2 und einer
zweiten Innenelektrode 20 vor, welche sowohl zu dem ersten
Oberflächenbereich 11 als
auch zu dem zweiten Oberflächenbereich 21 des Piezoriegels 1 jeweils
herausgeführt
ist. Dabei ist die Breite des Piezoriegels 1 vorzugsweise
etwas größer ausgestaltet
als die Breite des letztendlich herzustellenden Piezoaktors.
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Wie
in 1 illustriert ist, sind die Innenelektroden 10, 20 in
den Piezoriegel 1 derart zwischen den einzelnen Keramikschichten 2 vorgesehen,
dass alle Innenelektroden, d. h. sowohl die ersten Innenelektroden 10 als
auch die zweiten Innenelektroden 20, an den ersten Oberflächenbereich 11 und
lediglich die zweiten Innenelektroden 20 zusätzlich an dem
diagonal gegenüberliegenden
Oberflächenbereich 21 zu
Tage treten.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt, wie in 2 dargestellt
ist, wird der zweite Oberflächenbereich 21 des
Piezoriegels 1 mit einem geeigneten, elektrisch leitenden
Material metallisiert. Dadurch entsteht eine Hilfsmetallisierung 22 an
dem zweiten Oberflächenbereich 21 des
Piezoriegels 1. Die Hilfsmetallisierung 22 dient
einem Anlegen einer elektrischen Spannung lediglich an die zweiten
Innenelektroden 20 in einem nachfolgenden Verfahrensschritt, wobei
eine Entfernung der Hilfsmetallisierung 22 im Laufe des
Herstellungsverfahrens erfolgt.
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Wie
in 3 ersichtlich ist, wird der Piezoriegel 1 anschließend mit
vorzugsweise dem gesamten ersten Oberflächenbereich 11 in
ein geeignetes Ätzbad 3 eingetaucht
und eine elektrische Spannung 23 zwischen der Hilfsmetallisierung 22 und
dem Ätzbad 3 angelegt.
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In
Abhängigkeit
des eingetauchten Bereiches des Piezoriegels 1 werden daraufhin
die zweiten Innenelektroden 20 im Bereich des ersten Oberflächenbereiches 11 selektiv
in das Innere des Piezoriegels 1 zurückgeätzt, wie in 4 schematisch
dargestellt ist. Durch ein derartiges elektro-chemisches Ätzen werden
lediglich die zweiten Innenelektroden 20 selektiv zurückgeätzt, da
lediglich an diesen eine elektrische Spannung anliegt. Somit entsteht
alternierend an jeder zweiten aller Innenelektroden, d. h. an jeder
Innenelektrode 20, ein erster Vertiefungsabschnitt 14 an
dem ersten Oberflächenbereich 11.
Die Vertiefungsabschnitte 14 entstehen definiert durch den freigelegten
Innenbereich aufgrund des selektiven, definierten Zurückätzens der
entsprechenden zweiten Innenelektroden 20.
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Durch
gezieltes Einbringen vorbestimmter Oberflächen des Piezoriegels 1 in
das Ätzbad 3 können definierte
Vertiefungsabschnitte durch ein Zurückätzen der zweiten Innenelektroden 20 in
das Innere des Piezoriegels 1 geschaffen werden. Diese definierten
Vertiefungsabschnitte sorgen für
definierte Schlitze, die eine Reduzierung des mechanischen Zugspannungsprofils
im Kontaktierungsbereich bewirken und gleichzeitig als Kerbanrisse
für bevorzugt an
den Vertiefungsabschnitten entstehenden Polungsrissen bewirken.
Die Größe und die
Anordnung der zurückgeätzten Vertiefungsabschnitte 14 wird durch
die Art des Eintauchens des Piezoriegels 1 in die Ätzlösung 3 bestimmt,
d. h. dadurch, an welchen Elektrodenstellen die Ätzlösung eine Angriffsfläche für den Rückätzvorgang
findet.
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Beispielsweise
kann lediglich ein Eckbereich, ein Kantenbereich, ein vorbestimmter
Teil des Piezoriegels 1 oder der gesamte Piezoriegel 1 in
das Ätzbad 3 eingetaucht
werden. Für
die geometrische Ausgestaltung der Vertiefungsabschnitte ist selbstverständlich auch
die Geometrie des Piezoriegels 1 bzw. des letztendlich
herzustellenden Piezoaktors eine bestimmende Größe, einschließlich der
notwendigen, später
zu entfernenden Hilfskontaktierungselemente bzw. Hilfsmetallisierungen.
Beispielsweise kann bei dem Ätzvorgang
auch die gesamte Oberfläche
des Piezoriegels 1 mit Ausnahme der Hilfsmetallisierung 22 dem Ätzbad 3 ausgesetzt
werden. Dadurch wird beispielsweise an allen Seiten des Piezoriegels
eine Vertiefung für
eine mechanische Zugprofilentlastung eingebracht.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt werden die Vertiefungsabschnitte 14 am
ersten Oberflächenbereich 11 optional
mit einem geeigneten Nano-Schlicker oder einem anderen geeigneten
Füllmaterial
aufgefüllt.
Diese geeigneten Materialien stellen Füllmaterialien dar, welche selbst
schmale Vertiefungsspalte ausfüllen
und diese gegen Feuchtigkeit elektrisch isolierend abdichten.
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Wie
in 5 dargestellt ist, wird in einem nachfolgenden
Verfahrensschritt eine Metallisierung 12 auf dem ersten
Oberflächenbereich 11 in
geeigneter Weise aufgebracht, welche einer elektrischen Kontaktierung
der ersten Innenelektroden 10 dient. Die Außenmetallisierung 12 ist
dabei über
die zuvor geätzten
Vertiefungsabschnitte 14 elektrisch von den zweiten Innenelektroden 20 elektrisch
isoliert, sodass lediglich eine elektrische Kontaktierung der ersten
Innenelektroden 10 auftritt, wie in 5 schematisiert
illustriert ist.
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Als
nächstes
wird die Hilfsmetallisierung 22 und ein vorbestimmter Bereich
des zweiten Oberflächenbereiches 21 mittels
eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise mittels eines mechanischen
Abtrageverfahrens, entfernt, wie in 6 dargestellt
ist. Der zweite Oberflächenbereich 21 wird
dabei vorzugsweise soweit abgetragen, dass alle Innenelektroden 10, 20,
d. h. auch die ersten Innenelektroden 10 an die zweite
Oberfläche 21 des
Piezoriegels 1 heraustreten. Somit werden in dem zweiten
Oberflächenbereich 21 nach
dem Abtragen sowohl alle ersten Innenelektroden 10 als
auch alle zweiten Innenelektroden 20 an den Oberflächenbereich 21 herausgeführt.
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Analog
zu dem in 3 dargestellten Verfahrensschritt
wird der Piezoriegel 1 nachfolgend mit dem zweiten Oberflächenbereich 21 in
ein zugeordnetes Ätzbad 3 für einen
erneuten elektro chemischen Ätzvorgang
in vorbestimmter Weise eingetaucht, wobei eine elektrische Spannung 13 zwischen
der Metallisierung 12 des ersten Oberflächenbereiches 11 und
dem Ätzbad 3 derart
angelegt wird, dass die kontaktierten Innenelektroden, im vorliegenden
Fall die ersten Innenelektroden 10, zum Bilden von vorbestimmten
Vertiefungsabschnitten 24 zurückgeätzt werden.
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Nach
dem elektro-chemischen Ätzvorgang wird
die in 8 dargestellte Struktur des Piezoriegels 1 erhalten,
bei welcher die ersten Innenelektroden 10 zum Bilden von
Vertiefungsabschnitten 24 und die zweiten Innenelektroden 20 zum
Bilden von Vertiefungsabschnitten 14 jeweils alternierend
zurückgeätzt worden
sind. Des Weiteren wird bezüglich des
Zurückätzens auf
die Ausführungen
zu den 3 und 4 verwiesen, wobei die diesbezüglich getätigten Erläuterungen
analog auf das Zurückätzen der
Vertiefungsabschnitte 24 anwendbar sind.
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Ebenfalls
analog zu dem oben Gesagten können
die Vertiefungsabschnitte 24 wiederum mit einem geeigneten
Nano-Schlicker oder einem anderen geeigneten Füllmaterial gefüllt werden.
Dabei wird vorzugsweise wiederum ein Füllmaterial verwendet, welches
selbst sehr schmale Vertiefungsspalten füllt und diese gegen Feuchtigkeit
oder andere äußere Einflüsse elektrisch
isolierend abdichtet.
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Wie
in 9 ersichtlich ist, wird anschließend eine
geeignete Metallisierung 25 auf dem zweiten Oberflächenbereich 21 für eine elektrische
Kontaktierung der zweiten Innenelektroden 20 aufgebracht.
Die Außenmetallisierung 25 ist
dabei über
die zuvor geätzten
Vertiefungsabschnitte 24 elektrisch von den ersten Innenelektroden 10 elektrisch
isoliert, sodass lediglich eine elektrische Kontaktierung der zweiten
Innenelektroden 20 auftritt.
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Bei
den einzelnen Ätzverfahrensschritten
gemäß den 3 und 7 kann
jeweils die gesamte Oberfläche
des Piezoriegels 1 – mit
Ausnahme der jeweiligen Metallisierung zum Anlegen der elektrischen
Spannung – dem Ätzbad 3 ausgesetzt
werden. Dadurch werden an allen Seiten des Piezoriegels 1 Vertiefungsabschnitte
für eine
mechanische Entlastung eingebracht. Es ist allerdings auch ein Einbringen
des Piezoriegels 1 lediglich an vorbestimmten Abschnitten
der Oberfläche
vorstellbar, sodass lediglich diese Abschnitte definiert zurückgeätzte Vertiefungen
für eine
mechanische Entlastung aufweisen.
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Des
Weiteren erfolgt eine Sinterung des Piezoriegels 1 beispielsweise
vor einer Aufbringung der Hilfsmetallisierung 22 auf der
zweiten Oberfläche 21 oder
vor einem Aufbringen der Metallisierung 25 auf dem zweiten
Oberflächenbereich 21.
In Abhängigkeit des
gewählten
Sinterzeitpunktes sind die zuvor zugeführten bzw. angebrachten Materialien
derart auszuwählen,
dass sie mit dem nachfolgenden Sinterprozess kompatibel sind. Beispielsweise
muss bei einer Sinterung nach einem Auffüllen der Vertiefungsabschnitte
mit einem geeigneten Füllmaterial
dieses mit dem Sinterprozess kompatibel sein. Gleiches gilt für ein Aufbringen
der jeweiligen Außenmetallisierungen.
Erfolgt allerdings beispielsweise ein Sintern erst nach einem Auffüllen der
Vertiefungsabschnitte mit einem Füllmaterial, kann dieses vorzugsweise
auch als organisches Material ausgebildet sein.
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10 illustriert
eine Seitenansicht des gemäß dem in
den 1 bis 10 erläuterten Herstellungsverfahren
hergestellten Piezoaktors, wobei die Metallisierung 12 in
einem ersten Eckbereich 11 des Piezoaktors vorgesehen ist.
In dem beispielhaften Piezoaktor existiert eine alternierende Abfolge
einer ersten Innenelektrode 10, welche bis an die Oberfläche bzw.
der Metallisierung 12 herausgeführt ist, einer piezo-elektrisch
aktiven Materialschicht 2, einer zweiten Innenelektrode 20,
welche durch einen zurückgeätzten Vertiefungsabschnitt 14 von
der Metallisierung 12 elektrisch isoliert ist, und wiederum
einer piezo-elektrisch aktiven Materialschicht 2.
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Im
Folgenden werden anhand von Querschnittsansichten in den 11 bis 13 bevorzugte
Ausführungsbeispiele
für Geometrien
der zurückgeätzten Vertiefungsabschnitte
näher erläutert.
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11 illustriert
dabei eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A aus 10.
Wie in 11 ersichtlich ist, ist durch
das oben beschriebene elektro-chemische Ätzverfahren ein Vertiefungsabschnitt 14 durch
Zurückätzen der
zweiten Innenelektrode 20 in das Innere des Piezoaktors
im unteren linken Eckbereich ausgebildet. Die Metallisierung 12 ist
in dem unteren linken Eckbereich vorgesehen und über den Vertiefungsabschnitt 14 elektrisch
von der zweiten Innenelektrode 20 isoliert. Das gleiche
gilt analog vorzugsweise spiegelsymmetrisch für die ersten Innenelektroden 10 bzw.
die Metallisierung 25.
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Erfolgt
eine Sinterung vor den oben beschriebenen Ätzprozessen, bleiben die Vertiefungsabschnitte 14 und 24 frei
von piezo-elektrischen Keramikmaterial, sodass diese Vertiefungsabschnitte die
mechanischen Spannungen reduzieren und Initiierungspunkte für die Entstehung
von unschädlichen und
definierten Polungsrissen bilden.
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Die
in 11 dargestellte Metallisierung 12 ist
vorteilhaft mit jeder der ersten Innenelektroden 10 elektrisch
kontaktiert und mit den dazwischenliegenden zweiten Innenelektroden 20 über die
jeweiligen Vertiefungsabschnitte elektrisch getrennt. Somit erfährt jede
zweite piezo-elektrisch aktive Keramikschicht eine entgegengesetzte
Polung, sodass sich die einzelnen Ausdehnungen der übereinander
gestapelten piezoelektrischen Schichten zu einer gesamten Längenausdehnung
vorteilhaft addieren.
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Beispielsweise
werden bestimmte bzw. in vorbestimmten, definierten Abständen angeordnete und
an die Seitenflächen
des Piezoaktors heraustretende Innenelektroden selektiv randseitig
vollständig umlaufend
in das Innere des Piezo-Stacks zurückgeätzt, wie in 12 schematisch
im Schnitt dargestellt ist. Nach Entfernung der Innenelektrode in
den Randbereichen entsteht ein randseitig umlaufender Vertiefungsabschnitt,
welcher im Randbereich gleichmäßig für eine Reduzie rung
des mechanischen Zugspannungsprofils und gleichzeitig als definierte
Kerbanrissstelle für
die an dieser Stelle bevorzugt entstehenden Polungsrisse wirkt.
Die rundum verlaufende Rückätzung bzw.
eine Rückätzung im
Kontaktierungsbereich führt
zu einer elektrischen Deaktivierung der entsprechenden Innenelektrode
und damit der beiden benachbarten piezo-elektrischen Keramikschichten.
Allerdings ist ein Ausfall von zwei Keramikschichten bei einem Piezoaktor
mit einer Vielzahl von Keramikschichten durchaus hinnehmbar, da eine
derartige Maßnahme
die gesamte Lebensdauer des Aktors aufgrund der Reduzierung der
mechanischen Zugspannungen durch das definierte Einbringen von Polungsrissen
aufgrund der zurückgeätzten Vertiefungsabschnitte
vorteilhaft verlängert.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Zurückätzung der Innenelektrode ist
in einer Querschnittsansicht schematisch in 13 illustriert. Hierbei
erfolgt eine randseitig umlaufende Rückätzung der Innenelektrode mit
Ausnahme des Kontaktierungsbereiches, sodass eine elektrische Verbindung
der Innenelektrode mit der zugeordneten Metallisierung in dem Oberflächenbereich
gewährleistet ist.
Dies führt
einerseits weder zu einem Ausfall der entsprechenden Elektrode und
andererseits vorteilhaft zu einem nahezu rundum verlaufenden Vertiefungsabschnitt,
welcher eine nahezu gleichmäßige Verringerung
der mechanischen Spannungen im Piezoaktors und somit eine Verringerung
von unerwünschten
Längsrissen
bewirkt.
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Nach
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden vorbestimmte Seitenbereiche des Piezoriegels durch das oben
beschriebene Verfahren derart selektiv zurückgeätzt, dass in einem letzten
Verfahrensschritt der hergestellte Piezoriegel durch Schneiden desselben
in Längsrichtung
entlang vorbestimmter Schnitt- bzw. Trennlinien geschnitten und
somit in einzelne Piezoaktoren geteilt werden kann, die jeweils
vorbestimmte Vertiefungsabschnitte aufweisen. Die selektiv zurückgeätzten Vertiefungsabschnitte
der einzelnen Piezoaktoren sind abhängig von den in den vorangegangenen
Verfahrens schritten in das Ätzbad
eingetauchten und somit elektrochemisch behandelten Flächen. Die
elektro-chemisch zu behandelnden Oberflächenbereiche sind in Abhängigkeit
der vorbestimmten Trennlinien vorzugsweise derart auszuwählen, dass
bei einer Aufteilung des Piezoriegels einzelne Piezoaktoren mit
vorbestimmten Elektrodenstrukturen und selektiv zurückgeätzten Elektroden
entstehen. Beispielsweise werden zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Piezoriegels
vollständig
in das Ätzbad
eingetaucht und die entsprechenden Elektroden selektiv in das Innere
des Piezoriegels zurückgeätzt, wobei
beispielsweise letztendlich eine Trennung des Piezoriegels entlang
vorbestimmter Trennlinien vorgenommen wird, die quer zu diesen dem Ätzbad ausgesetzten
Oberflächen
verlaufen. Die einzelnen Schnittflächen der einzelnen Piezoaktoren
werden vorzugsweise nach der Trennung noch entsprechend isoliert bzw.
passiviert. Die Metallisierungen werden vorzugsweise vor der Trennung
des Piezoriegels in die einzelnen Piezoakttoren an den jeweils zugeordneten
Kontaktierungsbereichen aufgebracht. Allerdings ist auch eine Anbringung
der Metallisierungen auf den einzelnen Piezoaktoren nach dem Aufteilen
des Piezoriegels vorstellbar. Somit können aus einem einzigen Piezoriegel
mit einem gemeinsamen Herstellungsverfahren mehrere Piezoaktoren
mit vorbestimmten Vertiefungsabschnitten bzw. mit jeweils selektiv
zurückgeätzten Elektroden
auf einfache und kostengünstige
Weise geschaffen werden.
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Es
ist auch vorstellbar während
vorbestimmter Verfahrensschritte des gemäß den 1 bis 9 beschriebenen
Verfahrens bereits eine Aufteilung des Riegels in einzelne Piezoaktoren
vorzunehmen und die Innenelektroden der einzelnen Piezoaktoren jeweils
getrennt voneinander selektiv gemäß dem oben beschriebenen Ätzverfahren
zurückzuätzen. Eine
Trennung des Piezoriegels in einzelne Piezoaktoren ist jedoch am
Ende des gesamten Herstellungsverfahrens weniger aufwendig und aus
Kostengründen
vorteilhaft.
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Somit
schafft die vorliegende Erfindung einen Piezoaktor und ein Verfahren
zur Herstellung desselben, bei welchem durch ein elektro-chemisches Ätzverfahren
die Innenelektroden zum Bilden von Vertiefungsabschnitten selektiv
zurückgeätzt werden,
sodass die Vertiefungsabschnitte als Startpunkte für definierte,
unschädliche
Polungsrisse dienen. Dadurch können
mechanische Spannungen in dem Aktor verringert werden und schädliche und
undefinierte Polungsrisse bzw. eine unerwünschte Verzweigung dergleichen
verhindert werden. Des Weiteren wird durch die einzelnen Vertiefungsabschnitte die
Funkenstrecke zwischen den Innenelektroden vergrößert, da die Innenelektroden
im Bereich der Vertiefungsabschnitte in das Innere des Piezoaktors zumindest
teilweise geführt
sind. Dadurch erfolgt gleichzeitig eine bessere Isolierung des gesamten
Piezoaktors für
einen Schutz vor elektrischen Überschlägen. Dies
verbessert die Zuverlässigkeit
und die Lebensdauer des hergestellten Piezoaktors.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige
Weise modifizierbar.
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Beispielsweise
können
die Vertiefungsabschnitte durch selektives Zurückätzen entsprechender Innenelektroden
und Innenelektrodenbereiche derart ausgestaltet werden, dass äquidistant über die Seitenlänge des
Piezoaktors verteilte Vertiefungsabschnitte und somit definierte
Polungsrisse erzeugt werden.