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Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Vielschichtaktor, insbesondere einen piezokeramischen Vielschichtaktor, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Piezoelektrische Elemente haben bereits seit Jahren vielfältige Anwendungen. Sie werden beispielsweise als Positionierelement, Ultraschallwandler, Sensor oder in Tintenstrahldruckern eingesetzt. Der Vorteil der Piezo-Elemente gegenüber vergleichbaren technischen Lösungen besteht in den schnellen Schaltzeiten, in minimalen Stellwegen, beispielsweise im Nanometerbereich, sowie in der Effektivität der Umwandlung der zugeführten Energie.
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Neben den Piezo-Elementen entsteht auch ein zunehmender Bedarf an piezoelektrischen Vielschichtaktoren mit Stellwegen im Bereich von einigen μm bis zu einem Mehrfachen von 10 μm. Diese Stellwege erreicht man durch den Einsatz von mehr als 300 Schichten in diesen piezokeramischen Vielschichtaktoren. Piezoelektrische Vielschichtaktoren, die beispielsweise in Diesel- und HPDI-Injektoren verwendet werden, bestehen aus einem Stapel piezokeramischer Schichten mit einer jeweiligen Dicke von ca. 80 μm. Diese werden elektrisch parallel angesteuert, so dass sich die Auslenkung der einzelnen piezokeramischen Schichten addiert. Basierend auf dieser Geometrie kann die zur Erzeugung der elektrischen Feldstärke und Steuerung des piezoelektrischen Vielschichtaktors nötige elektrische Spannung reduziert werden.
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Ein wesentlicher Nachteil bei der Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtaktoren für die Injektoren von Brennkraftmaschinen ist die Konfektionierung des Vielschichtaktors. Zur Kanfektionierung wird der Piezoelektrische Vielschichtaktor mit einer Schutzhülle ummantelt und mit entsprechenden elektrischen Außenkontakten versehen. Die elektrischen Außenkontakte, die die elektrische Verbindung zwischen piezokeramischem Vielschichtaktor und seiner Steuerung herstellen, müssen einerseits eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zur elektrischen Versorgung aller Elektroden des Vielschichtaktors bereitstellen und andererseits den Bewegungen des Vielschichtaktors über dessen Lebensdauer folgen können. Im Falle eines piezoelektrischen Vielschichtaktors für Injektoren wird diese elektrische Verbindung bzw. Kontaktierung des Vielschichtaktors mit mehr als 109 Bewegungszyklen über dessen Lebensdauer belastet. Des Weiteren ist es erforderlich, dass die elektrische Kontaktierung des Vielschichtaktors gegenüber auftretenden Polungsrissen innerhalb der Vielschichtstruktur tolerant sein muss, so dass diese Polungsrisse nicht zu einer Deaktivierung von Teilbereichen des Vielschichtaktors führen.
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Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden im Stand der Technik Kontaktelemente eingesetzt, deren Konstruktion die Bewegung des Vielschichtaktors überbrückt, ohne dass es zu einer lokalen Überschreitung der zugelassenen Dehnung des Kontaktmaterials kommt. Derartige Kontaktelemente sind beispielsweise Drähte, Mäander oder ähnliche Konstruktionen. Neben diesen Kontaktelementen ist es ebenfalls erforderlich, auf die piezokeramische Vielschichtstruktur eine metallische Außenelektrode aufzubringen, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit zur Innenelektrode bereitzustellen.
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Den gattungsgemäßen Stand der Technik bildet die
JP H06-6232466 A und offenbart einen piezoelektrischen laminierten Körper. Dabei werden leitende Teile aus einer Silberpaste, die Glasfritten enthält, erzeugt. Da die Glasfritte nicht nur mit einem eine interne Elektrode bildenden Metall, sondern ebenso mit einer eine piezoelektrische Platte bildenden Keramik geeignet verbunden ist, sind die leitenden Teile nicht nur mit der internen Elektrode, sondern ebenso mit der piezoelektrischen Platte passend verbunden.
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Die
DE 41 92 278 T5 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrostriktionseffektvorrichtung. Es werden abwechselnd mit inneren Elektroden Elektrostriktionseffektschichten ausgebildet. Abwechselnde Lagen der Endflächen der inneren Elektroden werden an den gegenüberliegenden Seitenflächen freigelegt. An den freiliegenden Endflächen der inneren Elektroden werden vorläufige äußere Elektroden ausgebildet und als Kathoden verwendet. An den Endflächen der inneren Elektroden werden durch galvanische Beschichtung Metallvorsprünge ausgebildet. Die Abschnitte zwischen den Metallvorsprüngen, die nicht beschichtet sind, werden durch maschinelle Bearbeitung oder ein anderes Verfahren entfernt, um Vertiefungen auszubilden. In jeder Vertiefung wird ein Isolierfilm ausgebildet. Der Isolierfilm wird abgeschliffen, bis die Metallvorsprünge vollständig entfernt sind. Auf diese Weise werden abwechselnde Lagen der inneren Elektroden freigelegt, oder es werden die Metallvorsprünge freigelegt, und auf diesem freigelegten Abschnitt werden äußere Elektroden ausgebildet. Damit können abwechselnd innere Elektroden verbunden werden. Erfindungsgemäß kann der Abstand zwischen den Enden der inneren Elektroden, die sich auf verschiedenen Potentialen befinden, ziemlich groß gemacht werden. Es kann daher eine Vorrichtung mit sehr zuverlässiger Isolation geschaffen werden.
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Die
US 5 523 645 A offenbart ein Elektrostriktionseffektelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein Elektrostriktionseffektelement weist eine laminierte Struktur auf, die durch eine Vielzahl von elektrostriktiven Keramikbauteilen in einer Vielzahl von internen Elektrodenleitschichten ausgebildet ist, wobei die Schichten abwechselnd gestapelt sind. Das Elektrostriktionseffektelement weist auf jeder der gegenüberliegenden Seitenflächen der laminierten Struktur eine externe Elektrodenleitschicht auf, die durch eine Vielzahl von Leitern ausgebildet ist, die aus einer sinterartigen Leitpaste zur Verbindung der blosgelegten inneren Elektrodenleitschichten erzeugt sind, die nicht durch Glasisolationsschichten bedeckt sind, sowie einem gürtelähnlichen Leiter der aus einer Leitpaste des Harzhärtungstyps zur Verbindung der Vielzahl von Leitern erzeugt ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Vielschichtaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, der eine verlässliche elektrische Kontaktierung über seine Lebensdauer aufweist.
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Die obige Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Vielschichtaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 4 gelöst.
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Der piezoelektrische Vielschichtaktor weist die folgenden Merkmale auf: eine Schichtstruktur bestehend aus einer abwechselnden Anordnung einer Mehrzahl piezoelektrischer Schichten und einer Mehrzahl von Elektroden, in der die Elektroden und die piezoelektrischen Schichten annähernd den gleichen Flächeninhalt aufweisen, eine Isolationsstruktur, die derart ausgebildet ist, dass eine Seitenfläche jeder zweiten zu kontaktierenden Elektrode in einer Senke angeordnet ist, während die benachbarten Seitenflächen der nicht zu kontaktierenden Elektroden elektrisch isolierend abgedeckt sind, und eine gradierte Elektrode, die die Seitenflächen der zu kontaktierenden Elektroden miteinander verbindet, während die gradierte Elektrode innerhalb der Senken im Vergleich zu Bereichen außerhalb der Senken eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit und/oder unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist.
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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Vielschichtaktor weist an mindestens zwei Außenseiten parallel zu seiner Stapelrichtung eine Isolationsstruktur auf, die die Seitenflächen jeder zweiten Elektrode nach außen elektrisch isoliert, während die Seitenflächen der dazwischen liegenden Elektroden für eine elektrische Kontaktierung zugänglich sind. Neben dem Abdecken und Freilassen von Seitenflächen benachbarter Elektroden gibt die Isolationsstruktur ebenfalls strukturierte Bereiche vor, die durch die gradierte Elektrode ausgefüllt werden. Diese unterschiedlichen Bereiche, wie beispielsweise die Senken in der Isolationsstruktur, stellen unterschiedliche elektrische und/oder mechanische Anforderungen an das Material der gradierten Elektrode. So ist es beispielsweise bevorzugt, die Senken der Isolationsstruktur mit einem Material hoher Stromtragfähigkeit und geringer mechanischer Belastbarkeit auszufüllen, während die ausgefüllten Senken mit einem Material elektrisch verbunden werden, das eine geringere Stromtragfähigkeit und eine höhere mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu dem Material in den Senken aufweist. Basierend auf dieser Gestaltung der gradierten Elektrode variieren die elektrischen Eigenschaften und/oder die mechanischen Eigenschaften zwischen den Bereichen direkt angrenzend an die Elektroden des Vielschichtaktors und entfernt von den Elektroden des Vielschichtaktors.
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Weiterhin wird die gradierte Elektrode aus einem Trägermaterial mit leitfähigen Partikeln hergestellt, wobei mindestens zwei Gruppen unterschiedlich geformter Partikel zwei Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und/oder unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften innerhalb der gradierten Elektrode bilden oder die zwei Bereiche durch das Trägermaterial mit unterschiedlichem Füllgrad einer Sorte leitfähiger Partikel gebildet werden.
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Die gradierte Elektrode füllt Bereiche der Isolationsstruktur aus, um die Seitenflächen jeder zweiten Elektrode elektrisch zu kontaktieren. Zu diesen Bereichen zählen die Senken, innerhalb derer von der gradierten Elektrode zumindest eine hohe Stromtragfähigkeit im Vergleich zu anderen Bereichen der gradierten Elektrode gefordert ist. Außerhalb dieser Senken, also im Bereich parallel zur Stapelrichtung des Vielschichtaktors, der die Senkenbereiche elektrisch miteinander verbindet, werden wiederum hohe mechanische Anforderungen an die gradierte Elektrode im Vergleich zu den Senkenbereichen gestellt. Die gradierte Elektrode ist hier den mechanischen Dehnungen des Vielschichtaktors und dem Auftreten eventueller Polungsrisse ausgesetzt, die nicht zu ihrem Versagen führen dürfen. Um diesen unterschiedlichen Anforderungen Rechnung zu tragen, wird das Trägermaterial der gradierten Elektrode innerhalb der Senken und außerhalb der Senken mit einem unterschiedlichen Füllgrad an elektrisch leitenden Partikeln versehen. Dieser Füllgrad oder die Dichte der elektrisch leitenden Partikel im Trägermaterial bestimmt einerseits die elektrische Stromtragfähigkeit und andererseits die mechanischen Eigenschaften der gradierten Elektrode. Es ist des Weiteren bevorzugt, gleichzeitig zur Variation des Füllgrads oder auch ohne Füllgradvariation unterschiedlich geformte elektrisch leitende Partikel in den Senken und außerhalb der Senken einzusetzen. Über die Form, das Material und/oder die Verteilung dieser elektrisch leitenden Partikel werden die unterschiedlichen Anforderungen an die gradierte Elektrode innerhalb der Senken und außerhalb der Senken berücksichtigt. Diese Partikel bestehen aus kugelförmigen oder plättchenförmigen Teilchen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Isolationsstruktur, die elektrisch isolierende Abdeckungen und Senken auf jeweils den Seitenflächen jeder zweiten Elektrode an der Außenseite der Schichtstruktur des Vielschichtaktors bildet, durch elektrochemisches Abscheiden von Material oder durch Aufbringen von Kunststoff, insbesondere einer Folie, gebildet.
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Gemäß einer Alternative wird jede zweite Elektrode der Schichtstruktur im Grünzustand oder im gesinterten Zustand elektrisch derart angesteuert, dass sich Ionen aus elektrisch isolierendem Material auf den Seitenflächen jeder zweiten Elektrode ablagern. Durch diesen Abscheidungsprozess werden elektrisch isolierende Erhöhungen auf den Seitenflächen jeder zweiten Elektrode gebildet, während nach der elektrochemischen Abscheidung die Seitenflächen der elektrisch zu kontaktierenden Elektroden in Senken freiliegend angeordnet sind. Gemäß der anderen vorgeschlagenen Alternative wird eine ähnliche Konstruktion der Isolationsstruktur mit Hilfe einer Kunststoffbeschichtung auf der Außenseite der Schichtstruktur parallel zur Stapelrichtung des späteren Vielschichtaktors gebildet. Eine derartige Kunststoffbeschichtung ist beispielsweise eine Folie, die im Bereich oder in Teilbereichen der Seitenflächen jeder zweiten elektrisch zu kontaktierenden Elektrode wieder entfernt worden ist. Bei diesem Vorgehen bleiben Folieninseln oder Folienabdeckungen bestehen, die die elektrisch zu isolierenden Seitenflächen jeder zweiten Elektrode abdecken, während die Seitenflächen elektrisch zu kontaktierender Elektroden in Senken freiliegend angeordnet sind.
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Das Entfernen der Kunststoffbeschichtung erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Lasers oder durch Sandstrahlen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Herstellungsverfahren für den oben beschriebenen piezoelektrischen Vielschichtaktor. Dieses Herstellungsverfahren weist die folgenden Schritte auf: Herstellen einer Schichtstruktur als Grünkörper bestehend aus einer abwechselnden Anordnung einer Mehrzahl piezoelektrischer Schichten und einer Mehrzahl von Elektroden, in der die Elektroden und die piezoelektrischen Schichten annähernd den gleichen Flächeninhalt aufweisen, Erzeugen einer Isolationsstruktur auf mindestens einer Seite der Schichtstruktur parallel zu deren Stapelrichtung, die derart ausgebildet ist, dass eine Seitenfläche jeder zweiten zu kontaktierenden Elektrode in einer Senke angeordnet ist, während die benachbarten Seitenflächen der nicht zu kontaktierenden Elektroden elektrisch isolierend abgedeckt sind, und Aufbringen einer gradierten Elektrode auf die mindestens eine Seite mit Isolationsstruktur, die die Seitenflächen der zu kontaktierenden Elektroden miteinander verbindet, während die gradierte Elektrode innerhalb der Senken im Vergleich zu Bereichen außerhalb der Senken eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit und/oder unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktors mit Isolationsstruktur und gradierter Elektrode,
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2 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Ausschnitts aus 1 und
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3 ein Flussdiagramm bevorzugter Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens.
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Zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtaktors 1 mit gradierter Elektrode 60 wird zunächst eine Schichtstruktur 3 bestehend aus einer abwechselnden Anordnung einer Mehrzahl piezoelektrischer Schichten 10 und einer Mehrzahl von Elektroden 20 hergestellt (Schritt A). Die Elektroden 20 und die piezoelektrischen Schichten 10 innerhalb der Schichtstruktur 3 weisen annähernd den gleichen Flächeninhalt auf. Zur Herstellung der Schichtstruktur 3 wird auf bekannte Verfahren zum Produzieren eines Grünkörpers zurückgegriffen. So werden beispielsweise keramische Grünfolien über Schlickerguss erzeugt und nachfolgend mittels Siebdruck mit Elektrodenmaterial bedruckt. Die bedruckten Grünfolien werden zu einem Stapel angeordnet und durch thermische Behandlung entbindert. Der auf diese Weise entstandene blockartige Grünkörper wird nachfolgend in einen Riegel zersägt.
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Dieser Riegel ist etwa so hoch und so tief wie der spätere Vielschichtaktor, während seine Breite ein Mehrfaches der Breite des späteren Vielschichtaktors 1 ist. Der Riegel weist an seinen um die Breite beabstandeten gegenüberliegenden Stirnseiten Hilfselektroden auf, die jeweils jede zweite Elektrode 20 miteinander verbinden. Die zwischen den kontaktierten Elektroden 20 liegenden Elektroden sind nicht bis an die Stirnseiten des Riegels geführt, so dass inaktive piezoelektrische Bereiche nahe diesen Stirnseiten vorliegen. An der gegenüberliegenden Stirnseite des Riegels sind die bisher noch nicht kontaktierten Elektroden 20 bis an die Stirnseiten geführt und mit einer Hilfselektrode verbunden. Mit Hilfe dieser Konstruktion ist es möglich, über die Hilfselektroden jeweils jede zweite Elektrode 20 elektrisch anzusteuern, während die durch unterschiedliche Hilfselektroden ansteuerbaren Elektroden 20 um eine piezoelektrische Keramikschicht 10 versetzt zueinander angeordnet sind.
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Als nächster Schritt wird eine Isolationsstruktur 30 mit Hilfe elektrochemischer Abscheidung auf der Schichtstruktur 3 aufgebracht. Gemäß unterschiedlicher Verfahrensalternativen wird die elektrochemische Abscheidung der Isolationsstruktur 30 vor oder nach dem Sintern (Schritt C) des Grünkörpers durchgeführt. Das elektrochemische Abscheiden basiert auf der Wanderung von elektrisch geladenen Teilchen, die innerhalb einer Flüssigkeit einem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Indem man die Seitenflächen 24 der Elektroden 20 mit Hilfe von Hilfselektroden an den Stirnseiten mit einem geeigneten elektrischen Potenzial versorgt, wandern die elektrisch geladenen Teilchen im elektrischen Feld zu den Seitenflächen 24 der Elektroden 20, um sich dort abzulagern. In einer möglichen Ausführungsform der elektrochemischen Abscheidung wird eine elektrophoretische Abscheidung durchgeführt. Bei diesem Vorgang wandern in einer Flüssigkeit dispergierte und/oder kolloidal gelöste Teilchen im elektrischen Feld in Richtung der Schichtstruktur 3, wo sie abgeschieden werden.
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Als Material für die Isolationsstruktur 30 und somit auch für die elektrochemische Abscheidung eignet sich jeder elektrisch isolierende Werkstoff, der sich elektrostatisch aufladen lässt. Daher werden bevorzugt Glas, Keramik oder Kunststoff isolierend auf den ausgewählten Seitenflächen 24 der Elektroden 20 abgelagert. Bei der Verwendung von Glas oder Keramik ist es denkbar, nach der elektrochemischen Abscheidung eine thermische Behandlung der Schichtstruktur 3 mit Isolationsstruktur 30 durchzuführen, um die Isolationsstruktur 30 zu verfestigen bzw. einzubrennen. Bei der Verwendung von Kunststoff als Isolationsstruktur 30 muss die elektrochemische Abscheidung nach dem Sintern (Schritt C) erfolgen.
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Da nur jede zweite Elektrode 20 mit einem elektrischen Potenzial beaufschlagt ist, lagern sich nur auf den Seitenflächen 24 jeder zweiten Elektrode 20 isolierende Abschnitte 40 der Isolationsstruktur 30 ab. Durch die isolierenden Abschnitte 40 sind die dazwischen liegenden, frei zugänglichen Seitenflächen 22 der anderen jeweils zweiten Elektroden 20 in Senken 50 angeordnet. Um an gegenüberliegenden Seiten 5 der Schichtstruktur 3 unterschiedliche Elektroden 20 mit den isolierenden Abschnitten 40 zu versehen, wird jeweils eine Seite 5 der Schichtstruktur 3 durch eine Passivierungsschicht abgedeckt, während die gegenüberliegende Seite 5 der Schichtstruktur 3 mit der Isolationsstruktur 30 beschichtet wird.
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Nach dem elektrochemischen Abscheiden (Schritt B) und dem Sintern (Schritt C) – egal in welcher Reihenfolge – liegt ein Riegel mit Isolationsstruktur 30 vor. Von dem Riegel werden die Stirnseiten mit piezoelektrisch inaktiven Bereichen abgetrennt und der Riegel wird in einzelne piezoelektrische Schichtstrukturen 3 mit Isolationsstruktur 30 in Form des Vielschichtaktors 1 zerlegt.
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Um eine piezoelektrische Schichtstruktur 3 mit Isolationsstruktur 30 zu erhalten, ist es ebenfalls bevorzugt, eine Kunststoffbeschichtung auf die Seitenflächen 5 parallel zur Stapelrichtung S der Schichtstruktur 3 aufzubringen (Schritt D). Eine Alternative ist das Laminieren einer Folie zur Herstellung der Schichtstruktur 30. Gemäß einer Ausführungsform besteht die Folie aus Polymid und wird beispielsweise unter dem Handelsname Kapton vertrieben. Es sind aber auch alle weiteren Folien und Kunststoffe geeignet, die den mechanischen Belastungen durch den Vielschichtaktor 1 im Betrieb und den thermischen, chemischen u. ä. Belastungen durch die Umgebung widerstehen.
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Nach dem Aufbringen der Kunststoffbeschichtung wird diese jeweils über den Seitenflächen 22 jeder zweiten Elektrode 20 entfernt (Schritt E). Dieses Entfernen erfolgt mit Hilfe eines Lasers oder mittels Sandstrahlen. Es sind ebenfalls alle weiteren Verfahren einsetzbar, die lokal begrenzt mit ausreichender Genauigkeit das Entfernen der Kunststoffschicht ermöglichen.
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Die Kunststoffschicht oder Folie wird gemäß einer Alternative entlang der gesamten Seitenfläche 22 der Elektrode 20 oder gemäß einer weiteren Alternative entlang nur eines Teilbereichs der Seitenfläche 22 der Elektrode 20 entfernt, so dass die Isolationsstruktur 30 entsteht (vgl. 1). Die Kunststoffschicht ist zu diesem Zweck bevorzugt aus durchsichtigem Material hergestellt, damit die Seitenflächen 22 der Elektroden 20 unterhalb der Kunststoffschicht vor ihrem Entfernen erkennbar sind. Es ist ebenfalls denkbar, nicht durchsichtige Materialien für die Kunststoffsschicht zu nutzen, wenn die Geometrie der Schichtstruktur 3 bekannt ist.
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Nach den Herstellungsschritten D, E liegt ebenfalls eine Schichtstruktur 3 mit Isolationsstruktur 30 vor, bei der die Seitenflächen 22 der zu kontaktierenden Elektroden 20 jeweils in einer Senke 50 angeordnet sind (vgl. 1, 2).
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Liegt die gesinterte Schichtstruktur 3 mit Isolationsstruktur 30 gemäß 1 vor, wird abschließend im Schritt F die gradierte Elektrode 60 auf die Seiten der Schichtstruktur 3 mit Isolationsstruktur 30 aufgebracht. Die verschiedenen oben beschriebenen Verfahrensalternativen sind schematisch in einem Flussdiagramm in 3 dargestellt.
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Die gradierte Elektrode 60 enthält Bereiche unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und/oder unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften, so dass innerhalb der gradierten Elektrode 60 ein Leitfähigkeitsgradient und/oder ein mechanischer Eigenschaftsgradient, vorzugsweise ein Elastizitätsgradient, vorhanden ist. Die gradierte Elektrode 60 besteht aus einem Trägermaterial 66, in dem elektrisch leitfähige Partikel 62; 64 mindestens einer Sorte in einer bestimmten Verteilung angeordnet sind. In Abhängigkeit vom Füllgrad bzw. Volumenanteil der elektrisch leitfähigen Partikel 62; 64 im Trägermaterial 66 sind elektrische Leitfähigkeit und beispielsweise die Elastizität der gradierten Elektrode 60 in unterschiedlichen Bereichen 63, 67 gezielt einstellbar. Neben dem Füllgrad sind die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der gradierten Elektrode 60 über die Form der elektrisch leitenden Partikel 62; 64 ebenfalls einstellbar.
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Mit Hilfe von kugelförmigen elektrisch leitenden Partikeln 64 erzielt man beispielsweise eine dichte Anordnung der Partikel 64 im Trägermaterial 66 und eine hohe Stromtragfähigkeit dieses Bereichs 63 der gradierten Elektrode 60. Mit plättchenförmigen Partikeln 62 angereicherte Bereiche 67 können bei Dehnung der gradierten Elektrode 60 die Partikel 62 über eine längere Strecke verglichen zu den Partikeln 64 aneinander abgleiten, ohne den elektrischen Kontakt zueinander zu verlieren. Zudem geben die plättchenförmigen Partikel 62 mechanische Stabilität senkrecht zur Fläche des Plättchens, während parallel zur Fläche des Plättchens ein Abgleiten gestattet ist.
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Als weitere Alternative sind Partikel 62; 64 unterschiedlicher Größe (nicht gezeigt) im Trägermaterial 66 einsetzbar, um die Eigenschaften der gradierten Elektrode 60 einzustellen. Somit ergibt sich die Möglichkeit, eine bi- oder multimodale Partikelformverteilung und/oder bi- oder multimodale Partikelgrößenverteilung in der gradierten Elektrode 60 einzusetzen.
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Das Material der gradierten Elektrode 60 wird als Leitkleber oder Leitelastomer in Abhängigkeit von dem verwendeten Trägermaterial 66 bezeichnet. Als Trägermaterial 66 dienen bevorzugt Silikone oder Epoxydharze. Die elektrisch leitfähigen Partikel 62, 64 bestehen vorzugsweise aus Metall, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Legierungen mit den Hauptbestandteilen Silber und/oder Kupfer. Verwendet man beispielsweise ein Trägermaterial 66 auf Silikonbasis mit elektrisch leitenden Partikeln 62, 64 aus Silber, steigt die elektrische Leitfähigkeit um ca. 10% an, wenn der Silberanteil um 5% vergrößert wird. Mit dem um 5% vergrößerten Silberanteil steigt der Elastizitätsmodul auf den doppelten Wert, wodurch der Leitkleber weniger elastisch bzw. härter wird.
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Wie in 2 gezeigt, ist es bevorzugt, innerhalb der Senken 50 Leitkleber 63 mit einer ausreichenden Stromtragfähigkeit anzuordnen, um die Elektroden 20 verlässlich elektrisch zu versorgen. Zur elektrisch leitenden Verbindung des Leitklebers 63 jeweils innerhalb der Senken 50 wird auf den isolierenden Abschnitten 40 Leitkleber 67 ausreichender Elastizität bzw. Dehnbarkeit aufgebracht, um dem Dehnungsverhalten des späteren Vielschichtaktors 1 ohne Beschädigung folgen zu können. Daher ist es bevorzugt, in den Senken 50 Leitkleber 63 mit kugelförmigen Partikeln 64 aufzubringen. Der Füllgrad wird in diesen Senken 50 entsprechend gewählt, um die geforderte Stromtragfähigkeit zu gewährleisten. Außerhalb der Senken 50 sind die plättchenförmigen Partikel 62 bevorzugt. Wie in 2 angedeutet ist, können die Partikel 62 bei Dehnung des Vielschichtaktors 1 in Stapelrichtung S aneinander abgleiten, ohne den elektrischen Kontakt zu verlieren. Der Füllgrad der Partikel 62, 64 im Trägermaterial 66 außerhalb der Senken 50 ist zudem bevorzugt geringer als innerhalb der Senken 50.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die gradierte Elektrode 60 mit einer Außenkontaktierung 70 verbunden, beispielsweise ein Stift oder ein starres Kontaktelement. Die Außenkontaktierung 70 erstreckt sich nur teilweise über die Länge der gradierten Elektrode 60 bzw. des Vielschichtaktors 1. Durch diese Anordnung muss die Außenkontaktierung 70 nicht die gesamte Dehnung des Vielschichtaktors 1 aufnehmen, so dass sie geringeren mechanischen Belastungen im Vergleich zu einer Anordnung über die gesamte Länge des Vielschichtaktors 1 ausgesetzt ist.
