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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Verkapselung
eines Piezoaktors, insbesondere eines Vielschichtaktor, sowie einen
Piezoaktor mit Mehrschicht-Verkapselung.
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2. Hintergrund der Erfindung
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In
den letzten Jahren hat die Nachfrage nach piezokeramischen Aktoren
oder kurz Piezoaktoren auf Grund ihrer zunehmenden Nutzung, beispielsweise
in den neuesten Diesel-Einspritzsystemen der Automobilindustrie,
enorm zugenommen. Diese Nachfrage unterstützt ebenfalls die Entwicklung
von Piezoaktoren.
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In
mehreren neuen Einspritz- bzw. Injektorkonstruktionen sollen die
Piezoaktoren komplett von Dieselkraftstoff umgeben sein. Diese Art
der Konstruktion der Einspritzanlagen bezeichnet man als "wet design".
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Da
die Piezoaktoren bei einem direkten Kontakt mit verunreinigtem oder
durch Additive modifiziertem Dieselkraftstoff chemisch angegriffen
werden, muss eine entsprechende Schutzhülle für den Piezoaktor bereitgestellt
werden. Diese Schutzhülle sollte
sowohl eine elektrische Isolation gegen einen möglichen Kurzschluss durch den
elektrisch leitenden Kraftstoff als auch eine chemische Isolation
gegen den Angriff des umgebenden Kraftstoffs für die Bestandteile des Piezoaktors
bereitstellen.
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Im
Stand der Technik sind Metallgehäuse
unterschiedlicher Konstruktion bekannt, die den Piezoaktor umgeben.
Ein Beispiel für
ein derartiges Metallgehäuse
ist ein Wellrohr. Die Metallgehäuse
sind mit geeigneten Füllmaterialien
gefüllt,
um eine Übertragung
des durch den Kraftstoff aufgebrachten Drucks auf den innen liegenden
Piezoaktor zu realisieren. Das Metallgehäuse muss thermische Volumenänderungen
eines Isolationsmaterials des Piezoaktors und Druckunterschiede
von bis zur 2000·105 Pa (2000 bar) ausgleichen. Diese Anforderungen
sind in Summe extrem hoch und mit den elastischen Eigenschaften
der metallischen Werkstoffe schwer zu erfüllen. Als flexiblere Materialien
wären Kunststoffe/Elastomere
in der Lage, die mechanischen Anforderungen zu erfüllen. Es
sind jedoch keine völlig
diffusionsdichten Kunststoffe bekannt. Somit kommen derzeit nur
metallische Körper
zur Verkapselung in Frage. Diese konstruktive Lösung hat jedoch die weiteren
Nachteile, dass sie aufwendig in ihrer Herstellung und platzintensiv
ist.
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Es
ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen Schutz für einen
Piezoaktor bereitzustellen, der eine verlässliche elektrische und chemische
Isolation des Piezoaktors gegen äußere Einflüsse gewährleistet.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Das
obige Problem wird durch ein Herstellungsverfahren einer Mehrschicht-Verkapselung
eines Piezoaktors gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 sowie durch einen Piezoaktor mit Verkapselung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
9 gelöst.
Weiterentwicklungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden
Patentansprüchen
hervor.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
liefert eine Verkapselung eines Piezoaktors, so dass der Piezoaktor
ohne zusätzliche
gehäuseartige umhüllende Struktur
nach außen
sowohl chemisch als auch mechanisch geschützt ist.
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Um
im "wet design" zu verwendende Piezoaktoren
effektiv zu schützen
und gleichzeitig ihre Funktion so gering wie möglich einzuschränken, wird eine
Verkapselung des Piezoaktors hergestellt. Diese Verkapselung besteht
aus einer Isolierschicht, die die Seitenflächen des Piezoaktors parallel
zu dessen Stapelrichtung elektrisch isoliert. Diese Isolierschicht deckt
die bis an die Außenseiten
des Piezoaktors ragenden Innenelektroden ab, so dass beispielsweise Kraftstoff
oder andere umgebende elektrisch leitende Medien keinen Kurzschluss
zwischen Innenelektroden hervorrufen. Um die Lebensdauer der Isolierschicht
zu erhöhen,
wird sie durch eine hermetisch dichte Deckschicht überzogen.
Diese Deckschicht verhindert oder reduziert den Kontakt zwischen
Isolierschicht und chemisch aggressivem umgebenden Medium, beispielsweise
Kraftstoff. Des Weiteren verhindert die Deckschicht eine mögliche Diffusion
des umgebenden Mediums durch die Isolierschicht bis hin zum Piezoaktor.
Dadurch ist auch auf diese Weise der Piezoaktor vor einem chemischen
Angriff des umgebenden Mediums geschützt. Gemäß unterschiedlicher bevorzugter
Ausführungsformen schließt die Verkapselung
den Piezoaktor vollständig ein
oder erstreckt sich entlang der Seitenflächen des Piezoaktors, die parallel
zu seiner Stapelrichtung orientiert sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens umfasst die Isolierschicht mindestens
eine organische Beschichtung, vorzugsweise eine polymere und/oder
elastomere Beschichtung, und/oder mindestens eine anorganische Beschichtung,
vorzugsweise Gläser,
Keramiken, Oxide und/oder Nitride. Um diese oder eine Auswahl dieser Materialien
als Isolierschicht auf dem Piezoaktor aufzubringen, werden geeignete
Beschichtungsverfahren angewandt. Zu diesen zählen: Aufschleudern, Sprühen, Laminieren,
Pulverbeschichten, Ink-Jet, CVD (chemical vapour deposition = chemische
Gasphasenabscheidung), PVD (physical vapour deposition = physikali sche
Gasphasenabscheidung), Epitaxie, Siebdruck, Aufsintern, Aufschmelzen
und Spritzgießen.
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Das
Strukturieren der elektrischen Isolierschicht erfolgt derart, dass
eine Elastizität
der auf die strukturierte Isolierschicht aufgebrachten Deckschicht
im Vergleich zur Elastizität
einer auf eine unstrukturierte Isolierschicht aufgebrachten Deckschicht
erhöht
wird. Zu diesem Zweck wird ein Muster regelmäßiger und/oder unregelmäßiger Vertiefungen in
die Isolierschicht eingebracht, das beispielsweise Wellenform und/oder
eine Wabenstruktur aufweist. Für
diese Strukturierung geeignete Verfahren sind Photolitographie,
Laserablation und/oder Prägen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens wird die hermetisch dichte Deckschicht
in Form einer metallischen Schicht mittels geeigneter Beschichtungsverfahren
zur Abscheidung von Metallen auf elektrisch nicht leitenden Oberflächen erzeugt.
Das als Deckschicht genutzte Metall ist in seinen Werkstoffeigenschaften
entsprechend ausgewählt,
dass es den chemischen und/oder mechanischen Angriffen des umgebenden
Mediums, beispielsweise Kraftstoff, widersteht. In diesem Zusammenhang
ist es ebenfalls denkbar, die Deckschicht als eine metallische Mehrschichtstruktur
zu realisieren oder auf diese Deckschicht eine zusätzliche
geeignete Außenisolierung
aus einem nicht-metallischen Werkstoff aufzubringen. Vorzugsweise
wird die metallische Schicht mittels Siebdruck oder Sputtern eines
Seedlayers und nachfolgender galvanischer Verstärkung des Seedlayers oder durch
Tauchen in eine niedrig schmelzende Metalllegierung erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart des Weiteren einen Piezoaktor mit
Verkapselung, insbesondere einen Vielschichtaktor, so dass der Piezoaktor ohne
zusätzliche
gehäuseartige
umhüllende
Struktur nach außen
geschützt
ist. Der Piezoaktor mit Verkapselung weist einen Piezoaktor, eine
strukturierte elektrische Isolierschicht auf einer Oberfläche des
Piezoaktors, die parallel zu seiner Längs- oder Stapelrichtung ver läuft, und
eine hermetisch dichte Deckschicht auf der strukturierten Isolierschicht
auf, eine hermetisch dichte Deckschicht auf der strukturierten Isolierschicht,
so dass diese die Isolierschicht flächig bedeckt und Dehnungen
in der Fläche
als Biegebelastung aufnimmt. Ge mäß einer
weiteren Alternative ist auf der Deckschicht eine Außenisolierung
angeordnet, um einen zusätzlichen
Schutz gegen äußere chemische
und/oder physikalische Angriffe bereitzustellen.
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4. Kurze Beschreibung der
begleitenden Zeichnung
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
eines Piezoaktors mit Kontaktierung,
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2 den
Piezoaktor aus 1 mit einer Isolierschicht,
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des Piezoaktors
mit Isolierschicht und hermetisch dichter Deckschicht,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform des Piezoaktors
mit Isolierschicht und Deckschicht parallel zu seiner Stapelrichtung,
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5 eine
schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des Piezoaktors
mit Isolierschicht und Deckschicht entlang einer Innenelektrode
und
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6 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
des Piezoaktors mit Isolierschicht und Deckschicht entlang einer
Innenelektrode.
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5. Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung offenbart eine Verkapselung 1 für einen
kontaktierten Piezoaktor 5. Die Verkapselung 1 gewährleistet
Beständigkeit
des Piezoaktors 5 gegenüber
einem umgebenden chemisch als auch mechanisch aggressiven Medium.
Die selkraftstoff ist ein Beispiel für ein solches Medium und die
chemische sowie mechanische Belastung des Piezoaktors 5 mit
Verkapselung wird durch den Einbau eines solchen im "wet design" illustriert.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines kontaktierten Piezoaktors
5. Dieser besteht aus einer
Mehrzahl piezokeramischer Schichten
3. Die piezokeramischen
Schichten
3 sind in Stapelrichtung
30 übereinander
angeordnet. Zwischen den piezokeramischen Schichten
3 befinden
sich Innenelektroden
7, die die angrenzende piezokeramische
Schicht vollständig
oder nur zum Teil bedecken. Bei einer vollflächigen Innenelektrode
7 liegt
somit ein vollaktiver Piezoaktor
5 vor, während aus
der Nutzung teilflächiger
Innenelektroden
7 (vgl.
5 und
6)
ein Piezoaktor
5 mit inaktiven Bereichen resultiert. In
Abhängigkeit
von der Ausführung
der Innenelektroden
7 ist eine entsprechende Elektrodenkontaktierung
9 bereitgestellt.
Mit ihrer Hilfe werden die Innenelektroden
7 einzeln und/oder
gruppenweise elektronisch angesteuert. Vorzugsweise nimmt die Elektrodenkontaktierung
9 nur
wenig Raum ein, um einen Piezoaktor
5 mit nur geringem
Platzbedarf zu erhalten. Eine kompakte Elektrodenkontaktierung
9 wird
beispielsweise mit Hilfe eines TAB (tage automated bonding)-Leadframe
oder einem TAB-Trägerstreifen
realisiert. Es ist des Weiteren denkbar, die Innenelektroden
7 durch
Bond-Kontakte oder flache Metallisierungen gemäß dem SIPLIT
®-Verfahren
bereitzustellen, wie es beispielsweise in der
WO2003/030247 A2 beschrieben
ist.
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Zur
Herstellung der Verkapselung 1 des Piezoaktors 5 wird
zunächst
eine elektrische Isolierschicht 10 auf die Oberfläche 20 des
Piezoaktors 5 aufgebracht (vgl. 2). Die
Isolierschicht 10 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden
Material. Sie wird bevorzugt auf die Oberflächen 20 des Piezoaktors 5 aufgebracht,
die parallel zur Stapelrichtung 30 angeordnet sind. Es
ist ebenfalls denkbar, den Piezoaktor 5 vollständig mit
Hilfe der Isolierschicht 10 zu ummanteln, sofern bei späterem Betrieb
des Piezoaktors mit Verkapselung 1 ge währleistet ist, dass die Dehnung
des Piezoaktors 5 annähernd
verlustfrei für
Stellvorgänge übertragbar
ist. Die Isolierschicht 10 wird möglichst dünn hergestellt, um den Platzbedarf
des Piezoaktors mit Verkapselung 1 zu minimieren. Des Weiteren
gewährleistet
eine Isolierschicht 10 kleinstmöglicher Dicke gemessen von
der Oberfläche 20,
dass sich eine Volumenänderung
durch Wärmeausdehnung
des Werkstoffs der Isolierschicht 10 und durch Volumenkompression,
beispielsweise unter Kraftstoffdruck, nicht negativ auswirkt. Es
wird daher eine volumenoptimierte elektrische Isolierschicht 10 bereitgestellt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Isolierschicht 10 besteht diese aus mindestens einer
organischen Beschichtung, die durch einen polymeren oder einen elastomeren
Werkstoff erzeugt wird. Eine derartige Beschichtung ist gemäß verschiedener
Alternativen mit Hilfe von Lacken, Folien oder durch Pulverbeschichtung
realisierbar. Gemäß einer
weiteren Alternative besteht die Isolierschicht 10 aus
mindestens einem anorganischen Werkstoff oder es wird auf die bereits
existierende organische Beschichtung mindestens eine weitere anorganische
Beschichtung aufgebracht. Geeignete anorganische Materialien sind
Gläser,
Keramiken und gesputterte Oxide sowie Nitride.
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In
Abhängigkeit
von ihrer Werkstoff- und Schichtzusammensetzung wird die Isolierschicht 10 mit
einem geeigneten Beschichtungsverfahren aufgebracht. Zu diesen gängigen Beschichtungsverfahren
zählen
das Aufschleudern, bekannte Sprühverfahren,
das Laminieren, die Pulverbeschichtung, das Ink-Jet-Verfahren, die
chemische Gasphasenabscheidung (CVD = chemical vapour deposition),
die physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD = physical vapour deposition),
die Epitaxie, der Siebdruck, das Aufsintern, das Aufschmelzen, das
Dip-Coating, der
Schlickerguss und das Spritzgießen
der gewünschten
Materialien.
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Um
den Piezoaktor 5 und die Isolierschicht 10 vor
dem Angriff eines umgebenden chemisch aggressiven Mediums zu schützen, wird
auf die Isolierschicht 10 eine hermetisch dichte Deckschicht 40 aufgebracht.
Diese Deckschicht 40 besteht bevorzugt aus einem oder mehreren
metallischen Werkstoffen. Auf diese Weise wird sowohl der chemische Schutz
als auch ein Schutz vor mechanischen Belastungen, wie beispielsweise
durch Druckschwankungen in einem Kraftstoffreservoir, gewährleistet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird die unter der Deckschicht 40 befindliche Isolierschicht 10 vollflächig und
ohne Strukturierung aufgebracht. Um die mechanische Widerstandsfähigkeit
der Deckschicht 40 zu optimieren, wird gemäß einer
weiteren Ausführungsform
die Isolierschicht 10 mit einer Struktur versehen. Da die
Deckschicht 40 direkt auf die Isolierschicht 10 aufgebracht
wird, bildet sich die Struktur der Isolierschicht ebenfalls teilweise
oder vollständig
in der Deckschicht 40 aus.
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Eine
derart mechanisch stabilisierende Struktur wird durch Einbringen
eines Musters regelmäßiger und/oder
unregelmäßiger Vertiefungen
in die Isolierschicht 10 erzeugt. Dieses Muster hat beispielsweise
eine wellenförmige
Form, die entlang der Oberfläche 20 gleichmäßig ausgebildet
ist oder in ihrer dreidimensionalen Gestalt variiert. Es ist des
Weiteren denkbar, ein derartiges Muster zusätzlich oder allein durch eine
Wabenstruktur zu erzeugen. Durch diese Strukturierung kann die auf
die Isolierschicht 10 formschlüssig aufgebrachte metallische
Deckschicht 40 Dehnungen in der Fläche als Biegebelastung aufnehmen.
Auf diese Weise werden die mechanischen Belastungen des metallischen
Materials der Deckschicht 50 reduziert und können zudem
an die spezifischen Materialkennwerte, wie beispielsweise Dehnfähigkeit
und Biegewechselfähigkeit,
des Materials der Deckschicht 50 angepasst werden. Eine
dadurch mögliche
Reduzierung der Wandstärke
der Deckschicht 40 wirkt sich ebenfalls günstig aus,
da die auftretenden mecha nischen Biegespannungen bei äußeren mechanischen
Belastungen der Verkapselung 1 mit der Wandstärke abnehmen.
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Um
die Struktur in der Isolierschicht 10 zu erzeugen, wird
gemäß verschiedener
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Photolitographie, Laserablation und/oder
Prägen
verwendet. Diese Verfahren können
ebenfalls durch andere geeignete Verfahren ersetzt werden, mit denen
eine vorteilhafte Struktur in der Isolierschicht 10 herstellbar
ist.
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Gemäß eines
weiteren Verfahrensschritts wird die bereits oben diskutierte hermetische
dichte Deckschicht 40 als metallische Schicht auf die Isolierschicht 10 aufgebracht.
Dazu wird ein geeignetes Beschichtungsverfahren zur Abscheidung
von Metallen auf elektrisch nicht leitenden Werkstoffen angewandt.
Gemäß einer
Ausführungsform
zählt zu
diesen Verfahren der Siebdruck. Gemäß einer weiteren Verfahrensalternative
wird zunächst
eine Seedlayer oder metallische Keimschicht auf die Isolierschicht 10 aufgesputtert.
Danach erfolgt eine galvanische oder stromlose Verstärkung des
Seedlayers, so dass eine ausreichend starke metallische Deckschicht 40 entsteht.
Gemäß einer
weiteren Alternative wird der Piezoaktor 5 mit Isolierschicht 10 in
eine niedrig schmelzende Metalllegierung getaucht, um die Deckschicht 40 aufzubringen.
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Als
Ergebnis liegt ein Piezoaktor 5 mit Verkapselung 1 vor,
wie er schematisch und beispielgebend in den 3, 4, 5 und 6 dargestellt
ist. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung parallel
zur Stapelrichtung 30 des Piezoaktors 5. Man erkennt
die strukturierte Isolierschicht 10, auf die die metallische
Deckschicht 40 formschlüssig aufgebracht
ist. Die wellenförmige
Struktur der Isolierschicht 10 ist beispielgebend mit dem
Bezugszeichen 15 bezeichnet. Die 5 und 6 zeigen
unterschiedliche Ausführungsformen
des Piezoaktors mit Verkapselung 1. Diese sind jeweils
in einer schematischen Schnittdarstellung illustriert, während der Schnitt
entlang der Fläche
einer Innenelektrode verläuft. 5 zeigt ähnlich wie 4 eine
strukturierte Isolier schicht 10, auf die die Deckschicht 40 formschlüssig aufgebracht
ist. Des Weiteren sind die Elektrodenkontaktierungen 9 und
eine Innenelektrode 7 mit inaktivem Bereich zu erkennen.
Die Elektrodenkontaktierung 9 oder Kontaktierungsfahne
ist vorzugsweise als galvanische Kupferschicht 8 aufgebracht.
Sie wird beispielsweise mit dem oben genannten SIPLIT-Verfahren
hergestellt. 6 zeigt eine vollflächig aufgebrachte
Isolierschicht 10 ohne Strukturierung. Die Isolierschicht 10 wird
hier durch eine Isolierfolie bereitgestellt.
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Gemäß einer
weiteren Alternative des vorliegenden Herstellungsverfahrens wird
auf die Deckschicht 40 eine Außenisolierung aufgebracht.
Für die Herstellung
der Außenisolierung
sind die gleichen Werkstoffe und Verfahren wie zum Erzeugen der
Isolierschicht 10 anwendbar. In Anpassung an das umgebende
Medium stellt diese Außenisolierung
einen zusätzlichen
Schutz für
den Piezoaktor mit Verkapselung 1 bereit.
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Eine
Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für
den Piezoaktor mit Verkapselung 1 setzt sich analog dem
SIPLIT®-Verfahren für den planaren Aufbau
von Leistungshalbleitermodulen folgendermaßen zusammen. Die Isolierschicht 10 wird
durch Auflaminieren einer Isolierfolie im Autoklauen hergestellt.
Danach erfolgt das Strukturieren der Außenfläche der Isolierschicht 10 mit
einem Laser. Nachfolgend wird auf die strukturierte Isolierschicht 10 eine metallische
Seedlayer aufgesputtert, die dann mit Hilfe eines galvanischen Verfahrens
verstärkt
wird. Nachdem diese Beschichtungen auf einen Stapel piezokeramischer
Schichten aufgebracht worden ist, wird der Stapel in Teilstücke vereinzelt,
die in ihrer Größe später zu nutzenden
Piezoaktoren entsprechen. Abschließend werden weiterführende elektrische
Anschlüsse
aufgebracht und die nicht kontaktierten Seiten des Stapels piezokeramischer
Schichten isoliert.
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Das
vorliegende Herstellungsverfahren liefert somit einen Piezoaktor
mit Verkapselung 1, der ohne zusätzliche gehäuseartige umhüllende Struktur nach
außen
gegen chemische und me chanische Belastungen geschützt ist.
Die elektrische Isolierschicht 10 bedeckt die Oberflächen 20 des
Piezoaktors 5, die parallel zu seiner Längs- oder Stapelrichtung 30 verlaufen.
Diese Isolierschicht 10 wird durch die hermetisch dichte
Deckschicht 40 oder Dichtschicht überlagert, so dass die Isolierschicht 10 flächig abgedeckt und
geschützt
ist. Des Weiteren weist der Piezoaktor mit Verkapselung 1 eine
optionale Außenisolierung auf,
die gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren aufgebracht wird.
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Basierend
auf dieser Konstruktion ist es nicht erforderlich, den Piezoaktor
oder Stack zu vergießen, um
ihn vor äußeren Belastungen
zu schützen.
Zudem liefert die vorliegende Erfindung eine kompakte Bauweise mit
Hilfe eines prozesssicheren Verfahrens. Durch die Konstruktion der
Verkapselung 1 ist ebenfalls eine ausreichende Wärmeableitung
gewährleistet,
so dass der Piezoaktor 5 nicht negativ durch Wärme beeinflusst
wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch eine gezielte
Gestaltung der Verkapselung 1 deren Stabilität entsprechend den
jeweiligen Anforderungen optimierbar ist. Dies wird beispielsweise
durch eine angepasste Materialwahl, entsprechend strukturierte Oberflächen sowie gezielt
ausgewählte
Dicken der Isolierschicht 10 und Deckschicht 40 gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das oben beschriebene Herstellungsverfahren
großserientauglich
ist. Die Verkapselung 1 stellt des Weiteren eine im Vergleich
zum Stand der Technik erhöhte
und genauer definierte elektrische Spannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit des
Piezoaktors 5 unter chemisch und mechanisch belastenden äußeren Bedingungen
sicher. Diese verbesserten Eigenschaften ermöglichen den Einsatz kleinerer
Piezoaktoren, eine höhere
Lebensdauer und somit eine entsprechende Kosteneinsparung.