DE102006024958A1

DE102006024958A1 - Piezoaktor mit einer Sicherheitsschicht, die ein Phasenübergangsmaterial aufweist, Verfahren zum Herstellen des Piezoaktors und Verwendung des Piezoaktors

Info

Publication number: DE102006024958A1
Application number: DE102006024958A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor (1) in monolithischer Vielschichtbauweise, aufweisend mindestens einen Stapel (10) mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten (111, 121) und zwischen den Piezokeramikschichten angeordneten Elektrodenschichten (112, 122) und mindestens eine im Stapel angeordnete Sicherheitsschicht (13). Der Piezoaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschicht ein Phasenübergangsmaterial aufweist. Ebenso wird ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors mit einer Sicherheitsschicht angegeben, die eine Sollbruchstelle aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Stapels mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten, zwischen den Piezokeramikschichten angeordneten Elektrodenschichten und mindestens einer im Stapel angeordneten Sicherheitsschicht mit dem Phasenübergangsmaterial und b) Induzieren des Phasenübergangs des Phasenübergangsmaterials, wobei die Sollbruchstelle entsteht. Durch die Induzierung des Phasenübergangs wird das Gefüge der Sicherheitsschicht oder eine Haftfestigkeit der Sicherheitsschicht zu einer benachbarten Schicht im Stapel geschwächt. Bei mechanischer Überlastung des Stapels treten bevorzugt an diesen Stellen Brüche auf. Damit kann das Auftreten von Brüchen im Stapel gezielt beeinflusst werden. Durch Verwendung mehrerer Sicherheitsschichten ist ein hoher Gesamtstapel aus mehreren kleineren Teilstapeln zugänglich. Es resusltiert ein Piezoaktor, der trotz der Höhe über eine hohe ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor in monolithischer Vielschichtbauweise, aufweisend mindestens einen Stapel mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten und zwischen den Piezokeramikschichten angeordneten Elektrodenschichten und mindestens eine im Stapel angeordnete Sicherheitsschicht. Neben dem Piezoaktor wird ein Verfahren zum Herstellen des Piezoaktors und eine Verwendung des Piezoaktors angegeben.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, im Stapel eines Piezoaktors so genannte Sicherheitsschichten einzufügen. Diese Sicherheitsschichten fungieren als so genannte Sollbruchstellen. Es wird dafür gesorgt, dass bei mechanischer Überlastung in diesen Sicherheitsschichten oder an einer Grenzschicht zwischen einer Sicherheitsschicht und einer benachbarten Schicht des Stapels Brüche auftreten. Dadurch kann die Bruchbildung und auch ein Wachstum eines Bruches definiert eingestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine solche Sicherheitsschicht in einem Stapel eines monolithischen Piezoaktors auf einfache Weise integriert werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Piezoaktor in monolithischer Vielschichtbauweise angegeben, aufweisend mindestens einen Stapel mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten und zwischen den Piezokeramikschichten angeordneten Elektrodenschichten und mindestens eine im Stapel angeordnete Sicherheitsschicht. Der Piezoaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschicht ein Phasenübergangsmaterial aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors mit einer Sicherheitsschicht angegeben, die eine Sollbruchstelle aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Stapels mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten, zwischen den Piezokeramikschichten angeordneten Elektrodenschichten und mindestens einer im Stapel angeordneten Sicherheitsschicht mit dem Phasenübergangsmaterial und b) Induzieren des Phasenübergangs des Phasenübergangsmaterials, wobei die Sollbruchstelle entsteht.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, in der Sicherheitsschicht ein Material zu integrieren, das zu einer Phasenumwandlung fähig ist. Dies bedeutet, dass das Material in Abhängigkeit von einem äußeren Parameter unterschiedliche Phasen einnehmen kann. Insbesondere ist das Phasenübergangsmaterial in der Lage, in Abhängigkeit des Parameters verschiedene Kristallformen einzugehen.
In einer besonderen Ausgestaltung weist das Phasenübergangsmaterial einen Phasenübergang bei einer Phasenübergangstemperatur auf, die unterhalb einer Verarbeitungstemperatur des Piezoaktors liegt. Die Verarbeitungstemperatur ist beispielsweise eine Sintertemperatur, bei der der Piezoaktor hergestellt wird. Insbesondere ist die Verarbeitungstemperatur die Raumtemperatur. Unter Raumtemperatur ist eine Temperatur von etwa 20° C zu verstehen. Im einfachsten Fall wird also eine Temperatur des Stapels erniedrigt. Durch die Erniedrigung der Temperatur des Stapels kommt es zu einem Phasenübergang des Phasenübergangsmaterials. Aufgrund des Phasenübergangs wird eine Gefügestruktur innerhalb der Sicherheitsschicht oder aber an einer Grenzfläche zu einer benachbarten Schicht des Stapels geschwächt. Es entsteht die Sollbruchstelle. Die Schwächung des Gefüges kann dabei so weit gehen, dass sich ein Bruch ausbildet. Der Bruch ist vorzugsweise ein Sprödbruch. Aufgrund der gezielten Schwächung der Gefügestruktur können die Lage von Rissen und deren Wachstum gezielt beeinflusst werden.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das Phasenübergangsmaterial aus der Gruppe Metall und Keramik ausgewählt. Die Keramik ist bevorzugt ein Perowskit. Der Perowskit ist insbesondere aus der Gruppe Bariumtitanat und Bleititanat ausgewählter Stoff. Gerade diese Materialien zeigen besonders günstige Phasenübergänge beziehungsweise Phasenumwandlungen. Die Phasenübergänge gehen mit einer Änderung der Kristallstruktur einher. Die Änderung der Kristallstruktur ist dabei derart stark ausgeprägt, dass die Gefügestruktur geschwächt wird. Es kommt zur Bildung der Sollbruchstelle. Als Metalle, die als Phasenübergangsmaterial fungieren können, kommen beispielsweise Eisen (Fe), Messing (FeZn) und verschiedene Silber-Legierungen wie Silber-Magnesium (AgMg), Silber-Platin (AgPt) oder Silber-Titan (AgTi) in Frage.
Die Sicherheitsschicht durchzieht bevorzugt quer zur Stapelrichtung den gesamten Stapel. Dies bedeutet, dass eine ganze Schicht des Stapels von der Sicherheitsschicht gebildet wird. Denkbar ist auch, dass sich die Sicherheitsschicht nicht über den gesamten Stapel erstreckt. Nur ein Teil einer Schicht des Stapels bildet die Sicherheitsschicht.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist der Stapel durch die Sicherheitsschicht mit den Phasenübergangsmaterialien in zwei Teilstapel unterteilt. Durch die Sicherheitsschicht ist der Stapel in mindestens zwei Teilstapeln unterteilt. Dadurch, dass eine Unterteilung des gesamten Stapels in kleinere Teilstapel erfolgt, treten automatisch geringere mechanische Spannungen bei der elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors auf.
Mindestens einer der Teilstapel weist dabei eine aus dem Bereich von einschließlich 1 mm bis einschließlich 10 mm und insbesondere eine aus dem Bereich von einschließlich 3 mm bis einschließlich 5 mm ausgewählte Teilstapelhöhe auf. Innerhalb dieser Grenzen lassen sich mechanische Spannungen, die durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten entstehen, sehr gut handhaben. Gleichzeitig ist aber ein relativ hoher Stapel und damit eine relativ hohe Auslenkung des Piezoaktors möglich. Insbesondere ist dabei ein Stapel mit einer Stapelhöhe zugänglich, die aus dem Bereich von einschließlich 10 mm bis einschließlich 200 mm ausgewählt ist. Es resultiert ein Stapel, der über eine hohe Auslenkung, eine ausreichende Kraftübertragung und gleichzeitig eine sehr hohe Steifigkeit verfügt.
Zur Herstellung dieses monolithischen Aktors können neben der Temperatur weitere Parameter variiert werden. So kann beispielsweise während der Polung und damit während der Induzierung der Phasenumwandlung eine mechanische Vorspannung in Stapelrichtung des Stapels eingesetzt werden. Der Stapel wird während der Induzierung der Phasenumwandlung vorgespannt. Somit zerfällt der Stapel durch die Phasenumwandlung nicht. Der Stapel bleibt ganz. Der Vorspannungsdruck kann dabei bis zu 50 MPa betragen. Die Vorspannung erfolgt uniaxial in Stapelrichtung. Isostatische Druckanwendung ist ebenfalls möglich.
Zum Herstellen des Piezoaktors werden beispielsweise piezokeramische Grünschichtfolien übereinander gestapelt und einer gemeinsamen Temperaturbehandlung unterzogen. Die keramischen Grünfolien können dabei mit Elektrodenmaterial bedruckt sein.
Vorzugsweise werden die Grünfolien einseitig mit Elektrodenmaterial bedruckt. Beidseitiges Bedrucken mit Elektrodenmaterial ist ebenfalls denkbar.
Die gemeinsame Temperaturbehandlung beinhaltet neben den Entbindern insbesondere auch das gemeinsame Sintern. Es findet ein so genannter Cofiring-Prozess statt. Durch diesen Cofiring-Prozess entsteht ein monolithischer Stapel, also ein einstückiges Bauteil.
Bevorzugt wird mindestens eine der keramischen Grünfolien mit dem Phasenübergangsmaterial oder einer Vorstufe des Phasenübergangsmaterials versehen. Während der gemeinsamen Temperaturbehandlung bildet sich aus dieser keramischen Grünfolie die Sicherheitsschicht. Denkbar ist aber auch, dass nach Bildung des Stapels durch einen zusätzlichen Temperaturbehandlungsschritt, beispielsweise einer Temperaturerniedrigung, die Phasenumwandlung induziert wird.
Das Phasenübergangsmaterial oder eine Vorstufe des Phasenübergangsmaterials kann direkt in einer keramischen Grünfolie integriert werden. Aus dieser Grünfolie entsteht die Sicherheitsschicht. Denkbar ist aber auch, dass zur Herstellung des Piezoaktors das Phasenübergangsmaterial oder eine Vorstufe des Phasenübergangsmaterials auf eine der keramischen Grünfolien aufgetragen wird. Das Auftragen geschieht vor dem Stapeln der Grünfolien zu einem Grünfolienverbund. Bevorzugt wird zum Auftragen des Phasenübergangsmaterials auf mindestens eine der keramischen Grünfolien ein Dünn- und/oder Dickschichtverfahren verwendet. Das Dünnschichtverfahren wird insbesondere aus der Gruppe CVD (Chemical Vapour Deposition) und PVD (Physical Vapour Deposition) ausgewählt. Das Dickschichtverfahren wird insbesondere aus der Gruppe Siebdruckverfahren, Sol-Gel-Verfahren und Schleuderverfahren ausgewählt.
Folgende Vorteile der Erfindung sind hervorzuheben:

– Die Sicherheitsschicht mit dem Phasenübergangsmaterial kann in einem gemeinsamen Sinterprozess mit dem Piezokeramik- und Innenelektrodenmaterial verarbeitet werden.
– Die Sicherheitsschicht kann über Standardprozesse zur Herstellung von Dünn- und Dickschichten hergestellt werden.
– Die Sicherheitsschicht entwickelt im Lauf des gemeinsamen Sinterprozesses eine so große Haftfestigkeit zu den Innenelektrodenmaterialien beziehungsweise Piezokeramikmaterialien, dass die Weiterverarbeitung der gesinterten Vielschicht-Piezokeramik problemlos möglich ist (zum Beispiel Schleifbearbeitung, Aufbringung der Außenmetallisierung etc.).
– Das Verfahren ermöglicht eine definierte Einbringung von Polungsrissen und damit die Maßschneiderung anwendungsangepasster, unschädlicher mechanischer Spannungsniveaus in den Piezoaktoren durch die Unterteilung des Piezoaktors in Teilstapel.

Mit der Erfindung ist ein neuartiger Piezoaktor zugänglich, der über eine hohe Auslenkung und gleichzeitig über eine hohe Steifigkeit verfügt. Gleichzeitig weist dieser neue Piezoaktor eine hohe Zuverlässigkeit auf. Dieser neuen Piezoaktor wird daher bevorzugt zur Ansteuerung eines Ventils und insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine verwendet. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Motor eines Kraftfahrzeugs.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keinen maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Piezoaktors in Vielschichtbauweise mit Teilstapeln von der Seite.
2 zeigt einen Piezoaktor in Vielschichtbauweise mit mehreren Teilstapeln.
3a und 3b zeigen jeweils ein Verfahren zum Herstellen des Piezoaktors.
Der Piezoaktor 1 ist ein Piezoaktor mit einem Stapel (Gesamtstapel) 10 in monolithischer Vielschichtbauweise (1). Die Gesamthöhe 103 des Gesamtstapels 10 in Stapelrichtung 101 beträgt 30 mm (2). Der Piezoaktor 1 besteht aus einem Teilstapel 11 und mindestens einem weiteren Teilstapel 12. Die Teilstapel sind übereinander angeordnet. Zwischen den Teilstapeln befindet sich eine Sicherheitsschicht 13 mit einem Phasenübergangsmaterial. Die Sicherheitsschicht 13 fungiert als Verbindungsschicht zwischen den Teilstapeln 11 und 12. Den Abschluss des Gesamtstapels 10 bilden eine keramische Deckplatte 15 und eine keramische Fußplatte 16.
Jeder der Teilstapel 11 und 12 besteht aus einer Piezokeramikschicht 111 beziehungsweise 121 aus PZT und Elektrodenschichten 112 beziehungsweise 122 aus Kupfer. In alternativen Ausführungsformen bestehen die Elektrodenschichten aus Silber beziehungsweise aus einer Silber-Palladium-Legierung. Im Gesamtstapel 10 beziehungsweise in den Teilstapeln 11 und 12 benachbarte Elektrodenschichten sind an unterschiedliche Seitenbereiche des Gesamtstapels 10 beziehungsweise der Teilstapel 11 und 12 geführt. Dort ist zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten jeweils eine Metallisierung 14 angebracht. In 1 ist eine der Metallisierungen 14 angedeutet. Die Metallisierung 14 weist zwei Metallisierungsbereiche 141 und 142 für jeweils einen der Teilstapel 11 und 12 auf. Die Metallisierungsbereiche 141 und 142 sind über einen elektrischen Kontakt 143 in Form eines angelöteten Drahts elektrisch leitend miteinander verbunden. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist eine zusammenhängende Metallisierung 14 vorgesehen. Es gibt keine unterscheidbaren Metallisierungsbereiche 141 und 142.
Jeder der Teilstapel 11 und 12 ist monolithisch, das heißt einstückig. Die Teilstapelhöhe 113 und 123 der Teilstapel 113 und 123 (2) beträgt jeweils etwa 2 mm.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Phasenübergangsmaterial eine Keramik. Die Keramik ist Bleititanat. Alternativ dazu ist die Keramik Bariumtitanat. Die Sicherheitsschicht 13 besteht komplett aus der jeweiligen Keramik. In alternativen Ausführungsformen sind die genannten Phasenübergangsmaterialien eingebettet. Die Sicherheitsschicht 13 besteht aus einem Verbundmaterial aus einem keramischen Basismaterial und dem darin enthaltenen Phasenübergangsmaterial. Das Basismaterial ist das in den übrigen Piezokeramikschichten verwendete Bleizirkonattitanat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Phasenübergangsmaterial ein Metall. Die Sicherheitsschicht 13 besteht komplett aus dem Metall. Auch hier besteht in einer alternativen Ausführungsform die Sicherheitsschicht 13 aus einem Verbundmaterial. Das als Phasenübergangsmaterial fungierende Metall ist in ein Basismaterial der Sicherheitsschicht 13 eingebettet. Das Basismaterial ist gemäß einer ersten Ausführung eine Keramik und gemäß einer zweiten Ausführungsform ein Metall.
Zum Herstellen des Piezoaktors 1 bzw. des Gesamtstapels 10 wird zunächst ein stapelförmiger Verbund aus übereinander angeordneten, mit Elektrodenmaterial bedruckten keramischen Grünfolien bereitgestellt. Der dabei entstehende Grünfolienverbund ist so ausgestaltet, dass eine der keramischen Grünfolien das Phasenübergangsmaterial oder eine Vorstufe des Phasenübergangsmaterials aufweist (3A). Nachfolgendes Entbindern und Sintern führt zu einem monolithischen Gesamtstapel 10, der über die Sicherheitsschicht 13 mit dem Phasenübergangsmaterial verfügt.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Phasenübergangsmaterial oder eine Vorstufe des Phasenübergangsmaterials als Schicht 31 auf eine der keramischen Grünfolien 30 aufgetragen (3B). Das Auftragen erfolgt durch einen Sol-Gel-Prozess 32. In einer alternativen Ausgestaltung wird zum Auftragen ein Siebdruckverfahren durchgeführt. Die so erhaltene keramische Grünfolie 30 wird mit anderen keramischen Grünfolien zum Grünfolienverbund gestapelt. Nachfolgendes Entbindern und Sintern 33 (Cofiring-Prozess) führt auch hier zu einem monolithischen Gesamtstapel, in dem die Sicherheitsschicht 13 integriert ist.
Im Weiteren wird die Gefügestruktur der keramischen Sicherheitsschicht 13 gezielt geschwächt. Dazu wird die Temperatur des monolithischen Stapels 10 so weit abgesenkt, dass es zu einer Phasenumwandlung des Phasenübergangsmaterials kommt (Verfahrensschritt 130 der 3A und 3B). Die Phasenumwandlung geht mit einer Änderung der Kristallstruktur einher. Aufgrund der Änderung er Kristallstruktur wird die Gefügestruktur der Sicherheitsschicht 13 geändert. Es kommt zur Schwächung der Sicherheitsschicht 13. Es bildet sich die Sollbruchstelle. Dabei kann die Bildung der Sollbruchstelle so weit gehen, dass es zur Bildung eines Bruchs beziehungsweise eines Risses 131 kommt.
Dieser neuen Piezoaktor 1 wird zur Ansteuerung eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeugs verwendet.

Claims

Piezoaktor (1) in monolithischer Vielschichtbauweise, aufweisend – mindestens einen Stapel (10) mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten (111, 121) und zwischen den Piezokeramikschichten (111, 121) angeordneten Elektrodenschichten (112, 122), und – mindestens eine im Stapel (10) angeordnete Sicherheitsschicht (13), dadurch gekennzeichnet, dass – die Sicherheitsschicht (13) ein Phasenübergangsmaterial aufweist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, wobei das Phasenübergangsmaterial einen Phasenübergang bei einer Phasenübergangstemperatur aufweist, die unterhalb einer Verarbeitungstemperatur des Piezoaktors liegt.
Piezoaktor nach Anspruch 2, wobei die Verarbeitungstemperatur die Raumtemperatur ist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Phasenübergangsmaterial aus der Gruppe Metall und Keramik ausgewählt ist.
Piezoaktor nach Anspruch 4, wobei die Keramik ein Perowskit ist.
Piezoaktor nach Anspruch 5, wobei der Perowskit ein aus der Gruppe Bariumtitanat und Bleititanat ausgewählter Stoff ist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Stapel (10) durch die Sicherheitsschicht (13) mit dem Phasenübergangsmaterial im zwei Teilstapel (11, 12) unterteilt ist und mindesten einer der Teilstapel (11, 12) eine aus dem Bereich von einschließlich 1 mm bis einschließlich 10 mm und insbesondere eine aus dem Bereich von einschließlich 3 mm bis einschließlich 5 mm ausgewählte Teilstapelhöhe (113, 123) aufweist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei der Stapel (10) eine Stapelhöhe (103) aufweist, die aus dem Bereich von einschließlich 10 mm bis einschließlich 200 mm ausgewählt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Sicherheitsschicht (13), die eine Sollbruchstelle aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Stapels mit übereinander angeordneten Piezokeramikschichten (111, 121), zwischen den Piezokeramikschichten angeordneten Elektrodenschichten (112, 122) und mindestens einer im Stapel angeordneten Sicherheitsschicht mit dem Phasenübergangsmaterial und b) Induzieren des Phasenübergangs des Phasenübergangsmaterials, wobei die Sollbruchstelle entsteht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Induzieren des Phasenübergangs eine Temperatur des Stapels erniedrigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei während des Induzierens eine mechanische Vorspannung in Stapelrichtung des Stapels ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zum Bereitstellen des Piezoaktors keramische Grünfolien übereinander gestapelt und einer gemeinsamen Temperaturbehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei mindestens eine der keramischen Grünfolien mit dem Phasenübergangsmaterial oder einer Vorstufe des Phasenübergangsmaterials versehen wird und während der gemeinsamen Temperaturbehandlung aus dieser keramischen Grünfolie die Sicherheitsschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Phasenübergangsmaterial in einem Dünn- und/oder Dickschichtverfahren auf mindestens eine der keramischen Grünfolien aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Dünnschichtverfahren aus der Gruppe CVD und PVD ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Dickschichtverfahren aus der Gruppe Siebdruck-Verfahren, Sol-Gel-Verfahren und Schleuder-Verfahren ausgewählt wird.
Verwendung eines Piezoaktors nach einem Ansprüche 1 bis 8 zur Ansteuerung eines Ventils und insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.