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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Piezoaktors,
insbesondere eines Vielschichtaktors.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Die
industrielle Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtaktoren
aus keramischen und metallischen Schichten beginnt mit dem Gießen von
Folien aus piezoelektrischem Keramik-Schlicker. Nachfolgend werden
die keramischen Folien zur späteren Erzeugung
von Innenelektroden mit metallischen Pasten bedruckt. Nach dem Trocknen
werden die bedruckten Keramik-Folien zugeschnitten, gestapelt und
zu Grünblöcken verpresst
bzw. laminiert. Typischerweise hat ein Grünblock die Abmessungen von 10,5
cm Breite, 10,5 cm Tiefe und 3 bis 7 cm Höhe. Aus diesen Grünblöcken werden
nachfolgend so genannte Stacks oder Stapel herausgesägt, die
bereits die spätere
Form des Vielschichtaktors erkennen lassen.
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In
dem oben genannten Keramik-Schlicker zum Gießen der Folien verbindet ein
Binder die keramischen Partikel, so dass nach dem Trocknen der Grünblock mechanisch
be- und verarbeitbar ist. Aus einem derartigen Block werden typischerweise
100 grüne
Stacks herausgetrennt. Nach der mechanischen Bearbeitung erfolgt
das Ausbrennen des Binders, beispielsweise eines organischen Binders, durch
thermische oder thermisch aktivierte chemische Zersetzung. Durch
den folgenden Sintervorgang entsteht ein nahezu dichtes und festes
Keramikbauelement mit metallischen Innenelektroden. Gegebenenfalls
schließt
sich nach dem Sintern das Schleifen der Stirn- und Seitenflächen des
Stacks an. Zusätzliche äußere Elektroden
werden beispielsweise durch Siebdruck oder Aufdampfen appliziert,
so dass das piezoelektrische Bauelement kontaktiert und eingehaust
werden kann.
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Diese
konventionelle Herstellungsroute für mehrschichtige Piezoaktoren
basiert auf einem Cosintern von metallischen Innenelektroden und
piezoelektrischen Keramikschichten. Dieses gemeinsame Sintern von
Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung und Eigenschaften
bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich. Dazu gehört beispielsweise
die Interdiffusion der metallischen Innenelektroden in die Keramikschichten.
Des Weiteren werden mechanische Spannungen durch das unterschiedliche
Schrumpfungsverhalten des Elektrodenmaterials und der Keramik erzeugt.
Zudem sind das Sinterregime und die Höhe der Sintertemperatur der
Keramik durch die Temperaturbeständigkeit
der metallischen Innenelektroden begrenzt. Dies verhindert einerseits eine
optimale Ausnutzung der Potenziale der verwendeten piezoelektrischen
Keramik und erfordert andererseits die Verwendung kostspieliger
Werkstoffe für
Innenelektroden.
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Aus
der
DE 34 34 729 A1 ,
der
DE 39 40 619 A1 und
der
US 3 679 950 ist
jeweils ein Verfahren bekannt, über
das Innenelektroden eines piezokeramischen Vielschichtaktors durch
Infiltration von Metall in eine poröse bzw. offenen Bereich des
Mehrschichtaktors erzeugt werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für Piezoaktoren
bereit zu stellen, das im Vergleich zum Stand der Technik die Herstellungskosten
senkt und Piezoaktoren größerer Verlässlichkeit
herstellt.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Die
obige Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren eines Piezoaktors,
insbesondere eines Vielschichtaktors, gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und
durch einen Piezoaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
8 gelöst. Weiterentwicklungen
und positive Ausgestaltungen der vorliegenden Erfin dung gehen aus
der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden
Patentansprüchen
hervor.
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Das
Herstellungsverfahren umfasst die folgenden Schritte: erstellen
eines Aktorvorkörpers,
der eine keramische schichtartige Struktur aufweist, die sich in
abwechselnder Anordnung aus einer Mehrzahl elektrisch aktivierbarer
piezoelektrischer Bereiche und einer Mehrzahl durchströmbarer Bereiche zusammensetzt,
Durchströmen
der durchströmbaren Bereiche
mit einem Precursorgas, so dass Innenelektroden in den durchströmbaren Bereichen
entstehen, und Kontaktieren der Innenelektroden von außen, so
dass der Piezoaktor elektrisch ansteuerbar ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
wird zunächst
ein Aktorvorkörper
produziert. Dieser Aktorvorkörper
besteht nicht mehr aus gestapelten, mit metallischen Pasten bedruckten
piezoelektrischen Folien zur Herstellung eines Verbunds aus piezoelektrischen
Schichten und Innenelektroden. Stattdessen werden in diesem Aktorvorkörper neben
den bekannten elektrisch aktivierbaren piezoelektrischen Bereichen,
beispielsweise aus dem Keramik-Schlicker hervorgegangene piezoelektrische Folien,
infiltrierbare oder durchströmbare
keramische Bereiche erzeugt. Diese infiltrierbaren oder durchströmbaren Bereiche
liefern die Grundlage, um Innenelektroden in dem herzustellenden
Piezoaktor anstelle von Metallpasten mit Hilfe von Metallinfiltration
oder durch Infiltrieren mit einem anderen elektrisch leitenden Material
oder durch das Durchströmen
mit Precursorgas zu erzeugen. Da die Herstellung der Innenelektroden
durch Infiltrieren oder Durchströmen
nach dem Sintern des Aktorvorkörpers
stattfindet, kann der Sintervorgang genauer auf die zu sinternde
piezoelektrische Keramik abgestimmt werden. Da während des Sintervorgangs metallische
Materialien der späteren
Innenelektroden nicht berücksichtigt
werden müssen,
es findet nämlich
kein Cosintern statt, kann im Vergleich zum Stand der Technik der
Sintervorgang optimiert und das Sinterergebnis verbessert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird der Aktorvorkörper
mit Hilfe folgender Schritte produziert: Herstellen einer Keramik-Folie, aus der nach
einem Sintervorgang eine elektrisch aktivierbare piezoelektrische
Schicht des Piezoaktors entsteht, Herstellen einer Zwischenfolie
aus einem zersetzbaren, z. B. durch thermische Zersetzung oder chemisch-katalytische
Auflösung,
entfernbaren Material, Bilden einer Stapelstruktur aus der Keramik-Folie
und der Zwischenfolie, in der mindestens eine Keramik-Folie und mindestens
eine Zwischenfolie in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind,
und Sintern der Stapelstruktur zum Aktorvorkörper derart, dass in den Bereichen
der Zwischenfolien eine infiltrierbare Porosität entsteht.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart verschiedene Ausführungsformen
zur Herstellung des Aktorvorkörpers,
der elektrisch aktivierbare piezoelektrische Bereiche und infiltrierbare
Bereiche aufweist. Gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsform
werden konventionell hergestellte Keramik-Folien, wie sie aus der
Herstellung von Vielschichtaktoren bekannt sind, innerhalb eines
Stapels in abwechselnder Reihenfolge mit Zwischenfolien angeordnet und
zum Grünblock
laminiert. Bei diesem Vorgang ist es bevorzugt, mindestens zwei
Keramik-Folien übereinander
anzuordnen und oberhalb und unterhalb der beiden Keramik-Folien
eine Zwischenfolie anzuordnen. Gemäß weiterer Alternativen ist
eine andere Anzahl von Keramik-Folien zusammenfassbar, die dann
durch Zwischenfolien eingeschlossen wird. Auch eine Mehrzahl von
Zwischenfolien lässt
sich zu einer späteren
einzigen Innenelektrode zusammenfassen. Die Zwischenfolien bestehen
aus einem Material, das zum Beispiel durch die folgende thermische
Behandlung des Grünblocks
entfernbar ist. Zu diesen Materialien zählen beispielsweise Polymere, Wachse
oder Kohlenstoffe, die während
einer thermischen Nachbehandlung zum Ausbrennen beispielsweise von
Bindern oder spätestens
beim Sintern entfernt werden. Da sich diese Materialien spätestens beim
Sintern zersetzen, entstehen poröse
oder mikroporöse
Kanäle,
die später
mit Elektrodenmaterial füllbar
sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens wird ein Aktorvorkörper durch die folgenden Schritte
produziert: Herstellen einer ersten Keramik-Folie, aus der nach
einem Sintervorgang eine elektrisch aktivierbare piezo elektrische Schicht
des Piezoaktors entsteht, Herstellen einer zweiten Keramik-Folie,
Bilden einer Stapelstruktur aus der ersten und zweiten Keramik-Folie,
in der die erste und die zweite Keramik-Folie in zum Beispiel abwechselnder
Reihenfolge angeordnet sind, und Sintern der Stapelstruktur zum
Aktorvorkörper
derart, dass zum Beispiel in den Bereichen der zweiten Keramik-Folie
eine infiltrierbare Porosität
entsteht.
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Im
Vergleich zur zuvor beschriebenen Ausführungsform werden die Zwischenfolien
an dieser Stelle ebenfalls durch konventionell hergestellte zweite
Keramik-Folien ersetzt. Im Vergleich zur ersten Keramik-Folie sind
diese zweiten Keramik-Folien zwar
aus dem gleichen keramischen Pulver wie die erste Keramik-Folie
hergestellt, sie weisen jedoch eine geringere Dicke in Stapelrichtung
auf. Des Weiteren enthält
die zweite Keramik-Folie einen gezielt einstellbaren Anteil eines
Porenbildners, der während
einer folgenden thermischen Nachbehandlung oder während des
Sintervorgangs zersetzt bzw. entfernt wird. Über diesen Porenbildner ist
die nach dem Sintern in den Bereichen der zweiten Keramik-Folie entstandene
Porosität
gezielt einstellbar, so dass nachfolgend in diesen Bereichen Elektrodenmaterial infiltriert
oder Precursorgas eingeleitet werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens des Aktorvorkörpers werden folgende Schritte
angewandt: Herstellen einer ersten Keramik-Folie aus der nach einem
Sintervorgang eine elektrisch aktivierbare piezoelektrische Schicht des
Piezoaktors entsteht, Herstellen einer zweiten Keramik-Folie durch
Erzeugen der ersten Keramik-Folie mit geringere Dicke im Vergleich
zum vorhergehenden Verfahrensschritt und mit einer Loch- und/oder
Kanal- und/oder Binnenstruktur, Bilden einer Stapelstruktur der
ersten und zweiten Keramik-Folie, in der die erste und die zweite
Keramik-Folie in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind, und
Sintern der Stapelstruktur zum Aktorvorkörper derart, dass in den Bereichen
der zweiten Keramik-Folie eine durchströmbare oder infiltrierbare Kanalstruktur
entsteht.
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Im
Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen wird durch Behandlung
der zweiten Keramik-Folie eine im Vergleich zur Porosität künstliche
Kanalstruktur in Teilbereichen des Aktorvorkörpers erzeugt. Diese Loch-,
Kanal- und Rinnenstruktur wird vor dem Sintern mittels Laserstrahl-
und/oder Elektronenstrahlschneiden erzeugt. Während die Orientierung und
Größe der geschnittenen
Löcher, Kanäle und Rinnen
beliebig anpassbar sind, ist es ebenfalls bevorzugt, mehrere derart
bearbeitete zweite Keramik-Folien übereinander anzuordnen. Stapelt
man eine Mehrzahl zweiter Keramik-Folien übereinander, ist durch die Überlappung
von Löchern,
Kanälen
und/oder Rinnen eine Kanalstruktur beliebiger Ausdehnung und Gestaltung
generierbar. Wird diese Kanalstruktur nach dem Sintern mit Metall oder
einem anderen elektrisch leitfähigen
und infiltrierbaren Material infiltriert oder mit Precursorgas durchströmt, entstehen
Innenelektroden, ohne dass die bekannten Nachteile des Cosinterns
in Kauf genommen werden müssen.
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Es
ist des Weiteren bevorzugt, dass Infiltrieren des infiltrierbaren
Bereichs mit einem Metall niedrigen Schmelzpunkts unter Druckeinwirkung
durchzuführen.
Gemäß einer
weiteren Alternative erfolgen ein Durchströmen des durchströmbaren Bereichs
mit dem Precursorgas und ein chemisches Umsetzen des Precursorgases
an den inneren Rändern
und Wänden
des durchströmbaren
Bereichs zu Innenelektrodenmaterial.
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Zudem
offenbart die vorliegende Erfindung einen Piezoaktor, der die folgenden
Merkmale aufweist: eine Stapelstruktur mit einer Mehrzahl piezokeramischer
Schichten und eine Mehrzahl von Innenelektroden, die jeweils zwischen
angrenzenden piezokeramischen Schichten angeordnet sind, während die
Innenelektroden aus einem in einen infiltrierbaren Bereich infiltrierten
Metall oder elektrisch leitenden Material und/oder aus einem innerhalb
eines durchströmbaren
Bereichs durch chemische Umsetzung eines Precursorgases erzeugten
elektrisch leitenden Material bestehen.
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4. Beschreibung der begleitenden
Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme der begleitenden Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des Aktorvorkörpers,
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2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines laminierten
Grünblocks
vor dem Sintern,
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der zweiten Keramik-Folie
mit Lochstruktur und
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4 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der zweiten Keramik-Folie
mit Binnenstruktur.
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5. Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Herstellungsverfahren eines
Piezoaktors, vorzugsweise eines Vielschichtaktors. Der Piezoaktor
wird über
die Zwischenstufe eines Aktorvorkörpers 1 hergestellt, der
sich aus einer Mehrzahl elektrisch aktivierbarer piezoelektrischer
Bereiche 10 und einer Mehrzahl durchströmbarer Bereiche 20 zusammensetzt
(vgl. 1). Die abwechselnde Anordnung dieser Bereiche
im Aktorvorkörper 1 bildet
eine piezokeramische schichtartige Struktur.
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Die
Bereiche 10 sind piezoelektrische Bereiche, die in bekannter
Weise durch Anlegen einer elektrischen Spannung, beispielsweise über Innenelektroden,
aktivierbar sind. Diese Bereiche 10 sind mit den aktiven
Schichten eines bekannten Piezoaktors vergleichbar.
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Die
Bereiche 20 weisen eine durchströmbare Struktur in dem gesinterten
Aktorvorkörper 1 auf.
Diese Struktur wird durch eine offene Porosität einstellbarer Stärke und/oder
durch künstlich
eingebrachte Kanäle,
Netzwerke oder offene kanalartige Strukturen gebildet. Die Struktur
in den Bereichen 20 ist derart einstellbar, dass durch
die Porosität
der Bereich 20 von einem Precursorgas durchströmt wird,
so dass eine chemische Umsetzung des Precursorgases an den inneren
Rändern
und Wänden
der Struktur im Bereich 20 stattfindet. Diese chemische
Umsetzung führt
zu einer Abscheidung von leitfähigem Material
an den inneren Rändern
und Wänden
der Struktur im Bereich 20, so dass wiederum Innenelektroden
eingeschlossen durch die angrenzenden piezoelektrischen Bereiche 10 entstehen.
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Die
Herstellung der Innenelektroden auf diese Weise vermeidet die Nachteile
des Cosinterns von piezoelektrischer Keramik und Elektrodenmaterial, wie
sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Zudem ist es möglich, den
Aktorvorkörper 1 als
zusammenhängenden
keramischen Körper
oder als Schichtstruktur bestehend aus nur einem keramischen Werkstoff
herzustellen. Dadurch werden die Einflüsse unterschiedlichen Materialverhaltens
während
des Sinterns ausgeschlossen und eine bessere Ausnutzung des Sintervorgangs
ermöglicht.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
wird der Aktorvorkörper 1 aus
piezokeramischen Folien 30 hergestellt, die beispielsweise durch
konventionelle Schlickergussverfahren produziert worden sind. Diese
Keramik-Folien 30 können jedoch
auch auf jede andere denkbare Weise zur Herstellung von elektrisch
aktivierbaren piezoelektrischen Schichten eines Piezoaktors hergestellt
werden. Die piezokeramischen Folien 30 weisen die gewünschte Dicke
auf, um daraus nach dem Sintern die im Aktorvorkörper 1 elektrisch
aktivierbaren piezoelektrischen Bereiche 10 oder Schichten
zu erhalten. Der Dickenbereich erstreckt sich somit in der Größenordnung
konventioneller Aktorschichtdicken. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine
Mehrzahl piezokeramischer Folien 30 ohne eine dazwischen
liegende Zwischenfolie 40 (siehe unten) aufeinander zu
stapeln. Dadurch wird die gewünschte
Schichtdicke der späteren
piezokeramischen Schicht und/oder eine erleichterte Herstellung
des Piezoaktors erzielt.
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Werden
die Keramik-Folien 30 mit Hilfe des bevorzugten Schlickergussverfahrens
hergestellt, werden die Keramik-Folien 30 zunächst in
benötigter Dicke
auf Band gegossen, getrocknet, zugeschnitten und gestapelt. Entsprechend
der Länge
des Aktorvorkörpers 1 und
des geplanten Piezoaktors wird eine bestimmte Anzahl von Keramik-Folien 30 übereinander
angeordnet. Jeweils zwischen benachbarten Keramik-Folien 30 oder
jeweils zwischen benachbarten Gruppen von Keramik-Folien 30 ist
eine Zwischenfolie 40 angeordnet. Es ist ebenfalls bevorzugt, eine
Mehrzahl von Zwischenfolien 40 zusammenzufassen, um beispielsweise
eine gewünschte
Schichtdicke zu erzielen. Diese Zwischenfolie 40 besteht
aus einem Material, das während
einer späteren
Nachbehandlung, beispielsweise eine thermische Nachbehandlung, des
Grünkörpers oder
spätestens
während
des Sintervorgangs zersetzbar und/oder entfernbar ist.
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Damit
sich diese Zwischenfolien 40 während der thermischen Behandlung
zersetzen, bestehen sie beispielsweise aus Polymeren oder Kohlenstoff- oder
Wachs-basierten Pasten. Zudem sind alle weiteren Stoffe denkbar,
die sich problemlos, beispielsweise während einer Entbinderung des
Grünblocks oder
während
des Sintervorgangs, austreiben, zersetzen oder ganz allgemein entfernen
lassen.
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Nachdem
die Keramik-Folien 30 und die Zwischenfolien 40 in
abwechselnder Reihenfolge in einer Stapelstruktur angeordnet worden
sind, werden sie zu dem bereits oben genannten Grünblock verpresst
oder laminiert. Aus diesem Grünblock
werden dann die Einzelstacks herausgetrennt und es folgt, falls
erforderlich, eine thermische Nachbehandlung.
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Während einer
optionalen thermischen Nachbehandlung und/oder spätestens
während
des Sintervorgangs werden die Zwischenfolien 40 zersetzt,
so dass sich mikroporöse
Kanäle
in der Stapelstruktur und somit im Aktorvorkörper 1 herausbilden. In
Abhängigkeit
von der Dicke der Zwischenfolien 40 und der thermischen
Behandlung der Stapelstruktur lässt
sich die Stärke
der sich ausbildenden offenen Porosität beeinflussen. Zu diesem Zweck
werden die Dicken der Zwischenfolien 40 in einem Bereich
von 1 bis 20 μm
eingestellt. Auf diese Weise entstehen in dem Aktorvorkörper 1 die
bereits oben diskutierten durchströmbaren oder infiltrierbaren
Bereiche 20.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die bereits oben beschriebene Keramik-Folie 30 mit
einer zweiten beliebig herstellbaren piezokeramischen Folie 40 gleichen
oder mit der ersten Keramik-Folie 30 kombinierbaren Materials
innerhalb der Stapelstruktur 30, 40 verarbeitet.
Die Keramik-Folie 40 ist
vorzugsweise ebenfalls mit konventionellen Schlickergussverfahren
oder ähnlichem
herstellbar, wie es bereits in Bezug auf die Keramik-Folie 30 beschrieben
worden ist.
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Im
Vergleich zur ersten Keramik-Folie 30 besteht die zweite
Keramik-Folie 40 bevorzugt aus dem gleichen keramischen
Werkstoff, um ein ähnliches Werkstoffverhalten
bei der späteren
optionalen thermischen Nachbehandlung und spätestens beim Sintern zu erzielen.
Der verwendete Schlicker für
die Keramik-Folie 40 zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem
Sintern im Bereich der zweiten Keramik-Folie 40 eine offene
Porosität
zurückbleibt.
Der Anteil der Porosität
pro Schichtdicke der Keramik-Folie 40 ist beliebig einstellbar,
indem dem Schlicker vor dem Foliengießen Porenbildner in einem gewünschten
Anteil zugesetzt werden. Diese Porenbildner setzen sich meist aus
pyrolysierten Partikeln zusammen, so dass sie während einer thermischen Behandlung
oder dem Sintern in Sauerstoffhaltiger Atmosphäre entfernbar sind. Zudem weist
die Keramik-Folie 40 eine geringere
Dicke als die Keramik-Folie 30 auf. Werden nun die Keramik-Folien 30, 40 zu
einem Grünblock lami niert
und nachfolgend gesintert, ergibt sich wiederum ein Aktorvorkörper 1,
der elektrisch aktivierbare piezoelektrische Schichten 10 und
poröse
durchströmbare
Schichten 20 aufweist. Die offene Porosität in den
Schichten 20, deren Dicke kleiner ist als die der Schichten 10,
dient wiederum zum Herstellen von Innenelektroden durch Infiltration
oder Durchströmen mit
Precursorgas.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Aktorvorkörper 1 aus
einer Stapelstruktur bestehend aus den bereits oben beschriebenen
ersten Keramik-Folien 30 und einer anderen Art der zweiten
Keramik-Folien 40 hergestellt. In dieser Ausführungsform
wird die Keramik-Folie 40 aus dem gleichen Material und
auf die gleiche Weise wie die Keramik-Folie 30 hergestellt. Die Keramik-Folie 40 weist
aber eine geringere Dicke als die Keramik-Folie 30 auf.
Zudem werden in die Keramik-Folie 30 Loch- und/oder Kanal- 30a und/oder
Rinnenstrukturen 30b (vgl. 3 und 4)
künstlich
eingebracht, um eine durchströmbare
Kanalstruktur zu erzeugen.
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Um
diese Kanalstruktur zu erzeugen schneidet man Löcher und/oder Kanäle 30a und/oder
Rinnen 30b ausgewählter
Geometrie, Orientierung und Dimension mit Hilfe von Laserstrahl- und/oder Elektronenstrahlschneiden
in die Keramik-Folie 40. Bei einer durch die gesamte Keramik-Folie 40 hindurch laufenden
Rinnenstruktur 30b gemäß 4 entsteht beispielsweise
ein durchströmbarer
Bereich, in dem eine Innenelektrode erzeugt werden könnte. Es
ist beispielsweise bevorzugt, neben parallel orientierten Rinnenstrukturen 30b auch
sich kreuzende Rinnenstrukturen zu generieren, so dass eine Art
Netzwerk entsteht.
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Es
ist des Weiteren bevorzugt, eine Mehrzahl von Keramik-Folien 40 mit
eingeschnittener Loch-, Kanal- 30a und/oder Rinnenstruktur 30b übereinander
anzuordnen, so dass sich beispielsweise durch überlappende Löcher, Kanäle und/oder
Rinnen Netzwerkstrukturen ausbilden. Diese Netzwerkstrukturen sind nach
dem Sintern ebenfalls mit Precursorgas durchströmbar, um Innenelektroden zu
bilden.
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Wie
anhand der 3 zu erkennen ist, sind die
Löcher 30a senkrecht
zur Keramik-Folie angeordnet. Auch hier sind unterschiedliche Dimensionen
der Löcher 30a sowie
die Anordnung einer Mehrzahl von Keramik-Folien 40 übereinander
mit überlappenden Löcherstrukturen
denkbar.
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Aus
den oben beschriebenen Ausführungsformen
geht hervor, dass in Abhängigkeit
von der Schnitttiefe und den eingeschnittenen Strukturen sehr dünne Keramikschichtungen
mit Hohlräumen und
vernetzten Strukturen versehen werden können. Da zudem das Laserstrahl-
oder Elektronenstrahlschneiden in den noch nicht gesinterten Keramik-Folien 40 erfolgt,
ist der Arbeitsaufwand um vieles geringer als beim Einbringen ähnlicher
Strukturen in eine gesinterte Keramik. Werden die derart strukturierten Keramik-Folien 40 gemeinsam
mit den Keramik-Folien 30 zu
einem Grünblock
laminiert und nachfolgend gesintert, entsteht wiederum ein Aktorvorkörper 1, der
elektrisch aktivierbare piezoelektrische Bereiche 10 und
durchströmbare
Bereiche 20 aufweist.
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Um
aus dem mikroporösen
monolithischen oder mit einer Kanalstruktur versehenen monolithischen
Aktorvorkörper 1 einen
Piezoaktor oder einen Vielschichtaktor herzustellen, werden die
porösen oder
strukturierten Bereiche 20 mit Elektrodenmaterial gefüllt. Diese
Vorgehensweise ist vorteilhaft, da auf dieser Grundlage ein Cosintern
von Keramik und metallischen Innenelektroden nicht mehr erforderlich
ist. Dadurch wird beispielsweise eine Gefügebeeinflussung durch Interdiffusion
von Elektrodenmaterial oder Ablagerung des Elektrodenmaterials an
den Korngrenzen verhindert. Des Weiteren werden elektromechanische
Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik nicht beeinträchtigt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Sinterbedingungen bei
der Herstellung des Aktorvorkörpers 1 aus
dem gestapelten Grünkörper unabhängig von
den Erfordernissen der metallischen Innenelektroden wählbar sind.
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Durch
die getrennten Arbeitsschritte des Sinterns und des Erzeugens der
Innenelektroden werden somit die Sintertemperatur und die Schmelztemperatur
der metallischen Innenelektroden stärker entkoppelt als bei bekannten
Verfahren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
erzeugt man die Innenelektroden in den Bereichen 20 des
Aktorvorkörpers
durch ein Durchströmen
der Porenkanäle oder
künstlichen
Strukturen mit Precursorgas. Diese Vorgehensweise wird auch als
Gasphasenzersetzung, chemical vapour deposition oder chemical vapour
infiltration bezeichnet. Es werden zunächst gasförmige Vorstufen, so genannte
Precursor, eingesetzt, die die Mikroporen oder künstlichen Kanäle durchströmen. Diese
Precursor bzw. Precursorgase erfahren eine Gasphasenzersetzung innerhalb
der Kanäle
und setzen sich chemisch an den inneren Rändern und Wänden der Poren und Kanalstrukturen
zu Innenelektrodenmaterial um. Aktivierend wirkt hier beispielsweise
der Kontakt mit der inneren Oberfläche der Mikroporen oder Kanalstrukturen.
Als weitere Ursache ist eine mikrolokale chemische Reaktion, beispielsweise
der Umsatz von Si- oder nicht stöchiometrischen
Si-C-Precursorn mit Restkohlenstoff, in den Porenkanälen oder
künstlichen
Kanälen
denkbar, um nur ein illustrierendes Beispiel zu nennen. Man sollte
jedoch beachten, dass eine derartige Umsetzung mit Restkohlenstoff
nur dann erfolgt, wenn Kohlenstoffschichten als Material für die Erzeugung der
mikroporösen
Kanäle
(vgl. die obige Zwischenfolie 40) genutzt werden.