DE102007006638A1

DE102007006638A1 - Aufbringen von Elektroden auf die Oberfläche piezokeramischer Körper zur Herstellung von Wandlern

Info

Publication number: DE102007006638A1
Application number: DE102007006638A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Ing. Berthold; Natalie Roth; Horst Seitz; Thomas Dipl.-Ing. Uhl
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2007-08-16
Also published as: WO2007090879A3; EP1984962A2; WO2007090879A2

Abstract

Bei scheiben- oder plattenförmigen piezokeramischen Wandlern, die beidseitig mit einer Elektrode versehen sind, wobei sich aber die Anschlüsse an die Elektroden nur auf einer Seite befinden, der Oberseite, muss der Anschluss der Elektrode auf der Unterseite um die Umfangsfläche des Wandlers zu einer Kontaktierungsstelle auf der Oberseite geführt werden. Das geschieht in der Regel mittels auf der Umfangsfläche aufgetragener Metallisierungspaste als Umkontaktierung. Der Übergang zwischen der Oberseite und der Unterseite auf der Umfangsfläche mittels der Umkontaktierung ist bei allen bekannten Verfahren eine Schwachstelle. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, dass an einem piezokeramischen Körper zur Herstellung eines Wandlers auf seinem Umfang eine im Wesentlichen gerade Stirnfläche erzeugt wird, über die nach dem Auftragen der Metallisierungspaste auf der Oberseite zur Bildung der Elektrode und der Kontaktierungsstelle die Metallisierungspaste herabfließt und diese durch Verschieben des piezokeramischen Körpers in Richtung seiner Stirnfläche auf der Unterseite in mindestens einem Teilbereich aufgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft das Aufbringen von Elektroden auf die Oberfläche piezokeramischer Körper zur Herstellung von piezokeramischen Wandlern sowie solcherart ausgestattete Wandler.

Mit dem Oberbegriff piezokeramische Wandler werden Piezoelemente bezeichnet, die Aktoren oder Sensoren sind. Um ihre jeweilige Funktion erfüllen zu können, müssen diese Wandler mit Anschlüssen an ihren Elektroden versehen werden. Die Elektroden werden in der Regel durch Auftragen einer Metallisierungspaste auf keramische Werkstoffe mit piezokeramischen Eigenschaften gebildet. An den metallisierten Stellen sind Leiter angelötet, über die nach Aufprägen der piezoelektrischen Eigenschaft bei Aktoren eine Spannung zur Verformung des Aktors zugeleitet und bei Sensoren die durch die Verformung erzeugte Spannung als ein auswertbares Signal abgeleitet wird.

Bei scheiben- oder plattenförmigen Wandlern, so genannten Einschichtwandlern, sind Elektroden auf den sich gegenüberliegenden Seiten angebracht. Werden diese Wandler beispielsweise auf einem Träger aufgeklebt, muss die Elektrode auf der Klebeseite für den Anschluss zugänglich gemacht werden. Das geschieht in der Regel dadurch, dass die Elektrode mittels einer Überleitung über die Umfangsfläche des Wandlers auf die gegenüberliegende Seite herumgeführt ist, damit dort der Anschluss angelötet werden kann. Es ist die so genannte Umkontaktierung

Aus dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, mit denen die piezokeramischen Körper mit Elektroden in der beschriebenen Anordnung versehen werden können. Beispielsweise werden die piezokeramischen Körper komplett mit der Metallisierungspaste für die Elektroden durch Tauchen oder Spritzen beschichtet und nach dem Einbrennen werden die Strukturen der Elektroden durch Abtragen der Elektrodenschicht, beispielsweise mittels Laser, herausgearbeitet. Ein weiteres Verfahren besteht darin, dass die Isolationsbereiche mit einem Abdecklack abgedeckt werden. Nach einer galvanischen Beschichtung wird der Abdecklack entfernt. Es ist auch möglich, im Bereich der Umkontaktierung die Metallisierungspaste manuell auf die Stirnflächen der piezokeramischen Körper aufzutragen und die Flächenelektroden beidseitig mittels Siebdruck aufzubringen. Vergleichbar damit ist das Spritzen der Metallisierungspaste auf den Umfang der piezokeramischen Körper (Geldrollenverfahren) und das anschließende Aufbringen der Flächenelektroden mittels Siebdruck.

Der Übergang zwischen der Oberseite und der Unterseite auf der Umfangsfläche mittels der Umkontaktierung ist bei allen bekannten Verfahren eine Schwachstelle.

Für das Aufbringen der Elektroden ist am wirtschaftlichsten und deshalb am meisten genutzt das vollautomatische Siebdrucken nach dem Kontaktdruckverfahren mit dem so genannten „Überdruck". Überdruck bedeutet eine offene Struktur im Sieb, die über die Kante des zu bedruckenden Teils hinausgeht. Beim Kontaktdruckverfahren liegt die Druckrakel samt Sieb über dem Teil. Erst wenn das Teil am Umfang verlassen wird, senkt die Rakel noch etwas ab und drückt die überschüssige Paste durch das Sieb nach unten. Dies geschieht nur an einer kleinen Stelle des Umfangs, da sich bis dahin Rakel und Sieb auf der Oberfläche des Keramikkörpers abstützen. Unterschreitet die Länge der Umkontaktierung auf dem Umfang des Wandlers etwa 20 % des Umfangs, ist die Umkontaktierung nicht sicher und es können Ausfälle auftreten.

In den 1 und 2 ist ein Wandler 1 mit kreisförmigem Umfang dargestellt, der nach dem herkömmlichen Verfahren mit Elektroden versehen wurde. 1 zeigt eine Aufsicht auf die Oberseite 2, die Lötseite, des Wandlers 1, mit einer Elektrode 3. Diese ist vom Umfang 4 durch eine elektrisch nicht leitende Zone 5 abgegrenzt. Um die Elektrode auf der hier nicht sichtbaren Unterseite kontaktieren zu können, muss sie auf die gegenüberliegende Seite, die Oberseite 2, herumgezogen werden. Deshalb ist auf der Oberseite 2 eine weitere metallisierte Fläche, die Kontaktierungsstelle 6, vorgesehen, die von der Elektrode 3 durch einen Isolationsbereich 7, einen Bereich ohne Metallisierung, getrennt ist. Durch die Metallisierungspaste, die nach dem Aufbringen der Kontaktierungsstelle 6 an dem Umfang 4 des Wandlers 1 herabgeflossen ist, erfolgt die Umkontaktierung 8 mit der Elektrode 9 auf der Unterseite, wie aus 2 ersichtlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Umkontaktierung an scheiben- oder plattenförmigen Wandlern ausfallsicher zu gestalten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Anspruchs und mit Wandlern, ausgestattet nach Anspruch 5.

Zum erfindungsgemäßen Aufbringen der Elektroden auf die Oberflächen eines piezokeramischen Körpers wird zunächst auf dem Umfang des Körpers eine gerade, senkrecht zur Oberseite und Unterseite angeordnete Fläche und dadurch eine gerade Kante geschaffen. Bei piezokeramischen Körpern mit rundem Querschnitt kann das durch Abschneiden eines Kreisabschnitts und Bilden einer Sekante erfolgen. Die Breite dieser Stirnfläche sollte mindestens 20 % des Umfangs des piezokeramischen Körpers betragen. Das Drucken erfolgt mittels Siebdrucken nach dem Kontaktdruckverfahren. Beim Druckvorgang muss die Rakel im Wesentlichen senkrecht zu dieser Stirnfläche, auf die Kante des piezokeramischen Körpers hin, bewegt werden. Beim Überschreiten der Kante wird auf deren gesamten Länge die Metallisierungspaste durch den Überdruck hindurch nach unten auf die Stirnfläche gedrückt und fließt an ihr herab bis zur Auflagefläche, der Unterseite des piezokeramischen Körpers, und staut sich vor ihr. Dann wird der piezokeramischen Körper in Richtung senkrecht zur Stirnfläche auf seiner Unterlage um eine solche Strecke verschoben, dass sich die vor der Stirnfläche angesammelte Metallisierungspaste möglichst gleichmäßig auf dem sich der Stirnfläche anschließenden Teil der Auflagefläche verteilt und eine Kontaktierungsstelle bildet, die sich mit der auf der Unterseite des piezokeramischen Körpers aufzutragenden Elektrode sicher verbindet.

Das Verschieben muss so erfolgen, dass der piezokeramische Körper auf die vor ihm befindliche Paste aufgeschoben wird und diese sich unter ihm verteilt. Die Paste darf nicht vor ihm hergeschoben werden oder an der Kante zwischen Stirnfläche und Auflagefläche abreißen. Gegebenenfalls kann durch Ausgestaltung der Fläche vor dem piezokeramischen Körper, auf die er geschoben wird, die Benetzung der Auflagefläche mit der Metallisierungspaste gewährleistet werden, beispielsweise durch Rillen oder ein Raster, durch die die von der Oberfläche des keramischen Körpers herabgeflossene Metallisierungspaste aufgenommen werden kann. Dadurch kann außerdem das Vergleichmäßigen der Metallisierungspaste vor der Kante erleichtert werden.

Ein weiteres Kriterium für das Gelingen der Umkontaktierung ist die Viskosität der Metallisierungspaste. Sie muss so flüssig sein, dass sie auf der gesamten Breite der Stirnfläche und über deren gesamten Höhe, der Dicke des piezokeramischen Körpers, herabfließt und sich vor der Stirnfläche in einer solchen Menge sammelt, dass eine genügend große Fläche auf der Auflagefläche, der Unterseite des piezokeramischen Körpers, bedeckt wird. Der piezokeramische Körper darf weder die Metallisierungspaste vor sich herschieben, noch darf die Paste zum Kleben neigen.

Der Verschiebevorgang lässt sich leicht in den automatischen Ablauf des Siebdruckverfahrens integrieren.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Die 1 und 2 den bereits beschriebenen Stand der Technik,
3: eine Druckvorrichtung beim erfindungsgemäßen Auftragen der Metallisierungspaste auf einen piezokeramischen Körper zur Herstellung eines Wandlers in schematisierter Ansicht,
4: den piezokeramischen Körper nach dem Verschieben und
5: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers nach dem Aufbringen der Elektroden.
In 3 ist der erfindungsgemäße Druckvorgang zum Aufbringen der Elektrode und der Kontaktierungsstelle auf der Lötseite eines piezokeramischen Körpers dargestellt. Ein piezokeramischer Körper 10, liegt mit seiner Auflagefläche 11 auf einem Druckteller 12 einer hier nicht näher dargestellten Siebdruckmaschine. Oberhalb der Oberseite, der Lötseite 13 des im Schnitt dargestellten piezokeramischen Körpers 10 befindet sich ein zum Bedrucken strukturiertes Sieb 14, das geschlossene Bereiche 15 und offene Bereiche 16 für den Durchtritt der Metallisierungspaste 17 aufweist. Die Rakel 18 ist bis über die Stirnfläche 19 des piezokeramischen Körpers und den darüber hinaus reichenden offenen Teil des Siebs 14, den Überdruck 20, in Richtung 21, in Richtung auf die Stirnfläche 19 des piezokeramischen Körpers 10, bewegt worden. Dabei hat die Rakel 18 die Metallisierungspaste 17 durch das Sieb 14 hindurch als Elektroden auf die Lötseite 13 aufgetragen. Die Elektrode 22 der Lötseite 13 ist von der Kontaktierungsstelle 23 für die noch aufzubringende Elektrode der Auflagefläche 11, der Unterseite, durch einen Isolationsbereich 24 ohne Metallisierungspaste getrennt.
Während die Rakel 18 über die Stirnfläche 19 des piezokeramischen Körpers 10 hinausgeschoben wurde, hat sie die Metallisierungspaste 17 durch den Überdruck 20 hindurchgedrückt, so dass diese an der Stirnfläche 19 herabgeflossen ist und sich vor der Stirnfläche 19 angesammelt hat.
4 zeigt einen piezokeramischen Körper 10, der nach dem Bedrucken der Lötseite 13 mit der Elektrode 22 und der Kontaktierungsstelle 23 auf dem Druckteller 12 in Richtung 25, mit seiner Stirnfläche 19 voraus, verschoben wurde. Dabei wurde der piezokeramische Körper 10 auf die Metallisierungspaste 17 geschoben, die sich vor der Stirnfläche 19 angesammelt hat. Die Metallisierungspaste 17 wurde dabei in einem an die Kante 26 zwischen Stirnfläche 19 und Auflagefläche 11 anschließende Bereich 27 verteilt. Das Verschieben erfolg so weit, bis dass die Metallisierungspaste in einer dünnen Schicht auf der Auflagefläche möglichst gleichmäßig verteilt ist. Nach dem Trocknen wird auch die Auflagefläche 11, die Unterseite des piezokeramischen Körpers 10, mit einer Elektrode bedruckt. Danach erfolgen die aus dem Stand der Technik bekannte thermische Behandlung der Metallisierungspaste und das Aufprägen der piezoelektrischen Eigenschaft. Durch die im Bereich 27 bereits vorhandene Metallisierungspaste erfolgt eine gute elektrisch leitende Verbindung, die Umkontaktierung 28, von dieser Elektrode über die Stirnfläche 19 bis zur Kontaktierungsstelle 23 auf der Lötseite 13, der Oberseite des piezokeramischen Körpers 10.
Hat der Wandler keine große Querschnittsfläche und ist genügend Metallisierungspaste vorhanden, kann durch das Verschieben des piezokeramischen Körpers auf der Metallisierungspaste bereits die gesamte Elektrode auf der Unterseite in einem Arbeitsgang aufgetragen werden.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers 100 nach dem Aufbringen der Elektroden auf den piezokeramischen Körper 10, wie in den vorhergehenden Figuren dargestellt. Mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel übereinstimmende Merkmale sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Wie aus der Darstellung ersichtlich, wird durch das Abschneiden eines Segments von dem piezokeramischen Körper 10 eine Stirnfläche 19 auf dem Umfang 30 gebildet. Diese große metallisierte Fläche sowie der durch das Verschieben bereits metallisierte Bereich 27 auf der Unterseite 11 bilden eine sichere Umkontaktierung 28 von der Kontaktierungsstelle 23 zur Elektrode 29 auf der Unterseite 11.

Claims

Verfahren zum Aufbringen von Elektroden auf einem scheiben- oder plattenförmigen piezokeramischen Körper zur Herstellung eines piezokeramischen Wandlers durch Auftragen einer Metallisierungspaste auf die Oberseite und die Unterseite des piezokeramischen Körpers, wobei die Oberseite die Lötseite ist, auf der eine Elektrode und die durch einen Isolationsbereich getrennte Kontaktierungsstelle für die Elektrode auf der Unterseite aufgebracht wird und diese Kontaktierungsstelle mit der Elektrode auf der Unterseite durch eine auf der Umfangsfläche aufgetragene Metallisierungspaste verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem piezokeramischen Körper auf seiner Umfangsfläche eine gerade Fläche als Stirnfläche gebildet wird, dass der piezokeramische Körper mit seiner Lötseite nach oben auf eine Unterlage gelegt wird, dass die Metallisierungspaste auf der Lötseite in Richtung auf die Stirnfläche hin und über diese hinaus verteilt wird, so dass die Metallisierungspaste an der Stirnfläche herabfließt und sich vor der Stirnfläche auf der Unterlage sammelt und dass danach der piezokeramische Körper mit seiner Stirnfläche voraus so weit verschoben wird, dass die vor der Stirnfläche befindliche Metallisierungspaste zumindest auf einer Teilfläche auf der Unterseite verteilt wird, wodurch die Umkontaktierung, die leitende Verbindung, von der auf der Unterseite des piezokeramischen Körpers aufgetragenen Elektrode zur Kontaktierungsstelle auf der Lötseite, geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen der Metallisierungspaste auf dem piezokeramischen Körper durch Siebdrucken nach dem Kontaktdruckverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 20 % des Umfangs des piezokeramischen Körpers als Breite der Stirnfläche vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verschieben des piezokeramischen Körpers auf der Metallisierungspaste bereits die gesamte Elektrode auf seiner Unterseite aufgetragen wird.
Wandler (100), bestehend aus einem piezokeramischen Körper (10), der scheiben- oder plattenförmig ist und der auf seiner Oberseite (13) und seiner Unterseite (11) jeweils mit einer Elektrode (22) bzw. (29) versehen ist und wobei die Elektrode (29) auf der Unterseite (11) eine auf der Oberseite (13) aufgebrachte Kontaktierungsstelle (23) aufweist, die von der Elektrode (22) auf der Oberseite (13) durch einen Isolationsbereich (24) abgetrennt und mit der Elektrode (29) auf der Unterseite (11) über eine auf dem Umfang des piezokeramischen Körpers aufgetragene Metallisierung als Umkontaktierung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (100) eine im Wesentlichen gerade Stirnfläche (19) aufweist, deren Breite mindestens 20 % des Umfangs (30) des Wandlers (10) beträgt, die vollständig mit der Metallisierungspaste als Umkontaktierung (28) bedeckt ist, dass die Unterseite (11) nach Auftragen der Metallisierungspaste (17) auf der Oberseite (13) nach Verschieben (21) in Richtung der Stirnfläche (19) auf die an der Stirnfläche herabgeflossene Metallisierungspaste (17) zumindest in einem hinter der Stirnfläche (19) liegenden Bereich (27) mit Metallisierungspaste bedeckt ist und dass die Unterseite (11) mit der weiteren Elektrode (29) bedeckt ist, die den durch das Verschieben bereits mit der Metallisierungspaste bedeckten Bereich (27) umfasst.