DE102007049145A1 - Piezoaktor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor mit einer Vielzahl von Piezoschichten (3), zwischen denen jeweils eine metallische Innenelektrode (5, 5') angeordnet ist, so dass ein Piezostapel (1) gebildet wird, wobei die Innenelektroden (5, 5') abwechselnd an verschiedene Teilflächen der Oberfläche des Piezostapels (1) geführt sind. Der Piezoaktor hat weiter wenigstens zwei Außenelektroden (10, 10'), die auf die Oberfläche des Piezostapels (1) aufgebracht sind und die jeweils mit einem Teil der Innenelektroden (5, 5') elektrisch verbunden sind, wobei die Außenelektroden (10, 10') aus einer direkt auf den Piezostapel (1) aufgebrachten Grundmetallisierung (20) und einer darauf angebrachten flexiblen Metallelektrode (25) bestehen. Die Grundmetallisierung (20) ist mittels einer Metallisierungspaste realisiert, die als eine Ag-Glas-Paste mehrere verschiedene Ag-Pulver-Körnungen besitzt. Die Rezeptur der Metallisierungspaste ermöglicht ein Einbrennen der Außenelektroden (10, 10') bei maximal 450°C und ausschließlich unter Luft-Atmosphäre.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einem Piezoaktor aus, wie er beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 28 189 A1 bekannt ist. Ein solcher Piezoaktor ist als Multilayeraktor ausgebildet, das heißt, er besteht aus einer Vielzahl von piezoaktiven keramischen Schichten. Zwischen diesen Schichten sind metallische Innenelektroden flächenartig ausgebildet, die wechselseitig in einen Bereich der Oberfläche geführt sind. Dort sind die Innenelektroden mit wenigstens zwei Außenelektroden kontaktiert, durch die eine elektrische Spannung so an die Innenelektroden angelegt werden kann, dass zwischen jeweils benachbarten Innenelektroden ein elektrisches Feld entsteht, das die piezoaktiven Schichten durchsetzt. Je nach Stärke des elektrischen Feldes, also je nach Höhe und Polarität der angelegten elektrischen Spannung, ändert sich die Dicke der piezokeramischen Schichten, was eine Längenänderung des Piezoaktors als Ganzes bewirkt.
  • Die Außenelektroden bestehen hierbei aus einer Grundmetallisierung, die direkt auf den Piezoaktor aufgebracht ist, und einer meist netz- oder gewebeartigen, flexiblen Metallelektrode, die mit der Grundmetallisierung verlötet wird. Der Grund hierfür ist, dass durch die Längenänderung des Piezoaktors die direkt aufgebrachte Grundmetallisierung einreißen kann, so dass eine durchgängige Einleitung der elektrischen Spannung in die Innenelektroden nicht mehr gewährleistet wäre. Durch die flexible Metallelektrode, die an verschiedenen Punkten mit der Grundmetallisierung verbunden ist, wird die elektrische Spannung jedoch auch dann, wenn Risse in der Grundmetallisierung auftreten, eingeleitet, so dass sämtliche Innenelektroden mit der jeweiligen elektrischen Spannung versorgt werden.
  • Bei der Herstellung des Piezoaktors werden zunächst sogenannte Grünfolien gestapelt, bis ein Piezostapel mit der gewünschten Anzahl von Piezoschichten und zugehörigen Innenelektroden gebildet ist. Der Piezostapel wird anschließend gesintert, so dass sich eine harte Keramik ausbildet. Zur Aufbringung der Grundmetallisierung muss zuvor die so genannte Sinterhaut entfernt werden, die sich durch den Sinterprozess auf der Oberfläche des Piezostapels bildet. Wird diese herstellungsbedingte, elektrisch isolierende Schicht nicht entfernt, so wäre eine elektrische Kontaktierung der Innenelektroden nicht oder nur ungenügend möglich. Nach dem Entfernen der Sinterhaut wird die flächige Grundmetallisierung aufgebracht. Dies kann mit unterschiedlichen Verfahren realisiert werden, wie zum Beispiel Sputtern, galvanischer Abscheidung oder Aufdrucken und Einbrennen einer Metallisierungspaste, wobei das Letztere das prozesstechnisch Günstigste ist.
  • Als Metallbestandteil für die Grundmetallisierung kommt vorwiegend Silber oder eine Silber-Palladium-Legierung zum Einsatz. Der Metallisierungspaste werden zusätzlich noch andere Stoffe beigemischt, die als Haftvermittler dienen und ohne die eine sichere Verbindung zwischen der fertig gesinterten Piezokeramik und der Grundmetallisierung nicht möglich wäre. Nach dem Einbrennen der so erhaltenen Grundmetallisierung wird üblicherweise die flexible Metallelektrode durch Löten aufgebracht. Dies ist jedoch ein zusätzlicher, kostenintensiver und schwieriger Prozess-Schritt, da nach dem Lötprozess ein intensiver Reinigungsprozess mit organischen Lösemitteln notwendig ist, um die Flussmittelreste zu entfernen. Dies verteuert den Piezoaktor und damit seine Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Dieseldirekteinspritzung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Piezoaktor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer kostengünstigen Herstellbarkeit in relativ wenigen Prozess-Schritten, wobei gegenüber dem Stand der Technik insbesondere eine vereinfachte Ofentechnik zur Anwendung kommen kann. Erfindungsgemäß ist auf der PZT-Keramik des Piezostapels eine Grundmetallisierung mittels einer Metallisierungspaste realisiert, die als eine Ag-Glas-Paste mehrere verschiedene Ag-Pulver-Körnungen besitzt. Die neue erfindungsgemäße Rezeptur der Metallisierungspaste für die Grundmetallisierung erfordert in vorteilhafter Weise eine niedrige Einbrenntemperatur der Ag-Glas-Paste von nur maximal 450°C und ermöglicht eine thermisch und chemisch resistente, anorganische Bindung des Leitmaterials Silber an die PZT-Keramik und an das Gewebe der flexiblen Metallelektrode unter Verwendung einer sehr kostengünstigen Prozesstechnik mit ausschließlich Luft-Atmosphäre.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Piezoaktors möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist es, drei Ag-Pulver-Körnungen in der Metallisierungspaste zu verwenden, ein grobes Ag-Pulver A, ein mittelgrobes Ag-Pulver B und ein nanoskaliges Ag-Pulver C, wobei das sehr feine Ag-Pulver C als Binder dient.
  • Außerdem ist es von Vorteil, für die Glas-Komponente der Metallisierungspaste ein Pb-Zn-B-Sealglas oder ein Pb-B-Zn-Sn-Sealglas einzusetzen.
  • Die Rezeptur der Metallisierungspaste erlaubt durch das Niedrig-Temperatur-Einbrennen von maximal 450°C auch den Einsatz verschiedenster Materialien für die flexible Metallelektrode, die üblicherweise nur aus versilberten Invar hergestellt werden kann. In vorteilhafter Weise können alternativ verzunderungsbeständige, hochtemperaturbeständige bzw. hochwarmfeste Stähle, Zinnbronze oder Aluminium oder Aluminium-Legierungen eingesetzt werden, die bei den niedrigen Einbrenntemperaturen nur sehr dünne Oxidschichten ausbilden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors, der eine Vielzahl von piezoaktiven Keramikschichten und entsprechende metallische Innenelektroden aufweist, gemäß Anspruch 12 hat den Vorteil, dass die Grundmetallisierung und die flexible Metallelektrode durch einen einzigen Prozess-Schritt mit dem Piezostapel durch einen Einbrennvorgang verbunden werden, wobei das in besonders vorteilhafter Weise das Brennen ausschließlich unter Luft-Atmosphäre erfolgt. Die Prozesstechnik ist gegenüber bekannter Einbrennverfahren deutlich vereinfacht, da auf eine Einbrennphase zur Bildung der Grundmetallisierung unter Schutzgasatmosphäre, wie zum Beispiel unter Stickstoff- oder Argonatmosphäre, ganz verzichtet werden kann.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 12 angegebenen Verfahrens zur Herstellung eines Piezoaktors möglich.
  • Die bei den bekannten Einbrennverfahren üblichen Temperaturen von ca. 700 bis 800°C sind aufgrund der neuen Rezeptur der Metallisierungspaste für die Grundmetallisierung der Außenelektroden auf dem Piezostapel keineswegs erforderlich, vielmehr erfolgt das Brennen des Piezostapels bei einer Temperatur von maximal 450°C, die z. B. nur für ca. 10 min gehalten wird. An die Ofentechnik sind insofern deutlich vereinfachte Anforderungen zu stellen.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung sind ein erfindungsgemäßer Piezoaktor und verschiedene Prozess-Schritte des Verfahrens zu seiner Herstellung dargestellt. Es zeigt
  • 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Piezoaktor in einer Aufsicht,
  • 2 eine Seitenansicht des Piezoaktors bei einem ersten Prozess-Schritt,
  • 3, 4 und 5 die darauf folgenden Prozess-Schritte bei der Herstellung des Piezoaktors,
  • 6 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Piezoaktor,
  • 7 ein Diagramm mit dem Temperatur-Zeit-Verlauf beim Einbrennen der Außenelektrode nach dem Stand der Technik und
  • 8 ein Diagramm mit dem Temperatur-Zeit-Verlauf beim erfindungsgemäßen Einbrennen der Außenelektrode.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer Piezoaktor in einer perspektivischen Ansicht schematisch dargestellt. Der Piezoaktor weist einen Piezostapel 1 auf, der aus einer Vielzahl von Piezoschichten 3 besteht. Der Deutlichkeit halber sind in 1 nur wenige Piezoschichten 3 dargestellt. Tatsächlich verwendete Piezoaktoren weisen meist 100 bis 200 solcher Piezoschichten 3 auf. Zwischen jeweils zwei Piezoschichten befindet sich eine metallische Innenelektrode 5 bzw. 5', die abwechselnd auf eine Seite des Piezostapels geführt sind. Jeweils eine Hälfte der Innenelektroden 5, 5' wird von einer Außenelektrode 10, 10' elektrisch kontaktiert, die auf die Oberfläche des Piezostapels 1 aufgebracht ist. Die Außenelektrode 10 besteht aus einer Grundmetallisierung 20, die direkt auf die Oberfläche des Piezostapels 1 aufgebracht ist, und einer sieb- oder netzartigen flexiblen Metallelektrode 25, die mit der Grundmetallisierung 20 verbunden ist. Die flexible Metallelektrode 25 ist schließlich mit einem elektrischen Anschluss 12, 12' verbunden, über welche eine elektrische Spannung angelegt werden kann.
  • Durch das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen den elektrischen Anschlüssen 12, 12' entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Innenelektroden 5, die auf einer Seite des Piezostapels 1 nach außen geführt sind, und der anderen Hälfte der Innenelektroden 5', die an der gegenüberliegenden Seite des Piezostapels 1 bis zur Oberfläche geführt sind. Zwischen den Innenelektroden 5, 5' ergibt sich so ein relativ homogenes elektrisches Feld, das die Piezoschichten 3 durchdringt. Je nach Stärke und Polarität dieses elektrischen Feldes kommt es zu einer Dickenänderung der Piezoschichten 3 und damit insgesamt zu einer Längenänderung des Piezostapels 1. Der Piezostapel 1 dehnt sich oder zieht sich zusammen entlang einer Dehnungsachse 7, wobei die Richtung der Dehnungsachse 7 über die Polarisationsrichtung der Piezokeramiken festgelegt wird.
  • Die Herstellung des Piezoaktors geschieht nach folgendem Verfahren: zur Bildung des Piezoaktors wird Grünfolie gestapelt und laminiert. Die Grünfolie besteht aus einem piezokeramischen Pulver mit einem polymeren Bindergemisch, das mit einer metallischen Druckschicht versehen ist, so dass ein Stapel mit abwechselnd piezokeramischen Schichten und Metallelektroden entsteht, der sogenannte Grünkörper. Anschließend wird der Grünkörper entbindert und gesintert, also bei hohen Temperaturen gebrannt, so dass sich der organische Polymerbinder verflüchtigt und das Keramikpulver in einer feste, verdichtete Keramik umbildet, die letztendlich piezoaktiv ist. 2 zeigt hierzu eine Draufsicht auf den so entstandenen Piezostapel 1, bei dem die Anordnung der Piezoschichten 3 und der Innenelektroden 5 bzw. 5' deutlich wird. Bei Piezoaktoren, wie sie in Kraftstoffeinspritzanlagen verwendet werden, sind häufig mehr als dreihundert Piezoschichten 3 üblich. Die Schichtdicke der einzelnen Piezoschichten 3 beträgt etwa 0,1 mm, während die Innenelektroden 5, 5' eine Schichtdicke von nur wenigen μm aufweisen.
  • Zum Aufbringen der Grundmetallisierung wird der Piezostapel 1 nach dem Sintern abgeschliffen, um die Sinterhaut zu entfernen, was ansonsten einen elektrischen Kontakt zu den Innenelektroden 5, 5' erschweren oder unmöglich machen würde. Anschließend wird eine Metallisierungspaste aufgebracht, die eine erste Schicht 120 der Grundmetallisierung 20 bildet. 3 zeigt hierzu diese erste Schicht 120 der Grundmetallisierung 20, die vollflächig eine Seite des Piezostapels 1 bedeckt. Die Metallisierungspaste ist beim Auftragen flüssig, so dass vor den weiteren Prozess-Schritten abgewartet wird, bis diese erste Schicht 120 getrocknet ist. Anschließend wird eine zweite Schicht 220 der Grundmetallisierung 20 aufgebracht, wie in 4 dargestellt. Diese zweite Schicht 220 wird z. B. in Streifen aufgebracht. Die zweite Schicht der Grundmetallisierung 20 bedeckt hierbei 20 bis 80% der ersten Schicht 120, vorzugsweise 30 bis 70%. Die streifenförmige Grundmetallisierung 20 ist dabei nur ein ausgewähltes Beispiel, es sind auch andersartige Grundmetallisierungen 20 denkbar.
  • Im nächsten Prozess-Schritt wird eine flexible Metallelektrode 25 in die noch flüssige zweite Schicht 220 der Grundmetallisierung 20 aufgesetzt, wie in 5 dargestellt. Die flexible Metallelektrode 25 kann hierbei netz- oder siebartig, ein- oder zweilagig ausgebildet sein. Da die zweite Schicht 220 der Grundmetallisierung 20 noch flüssig ist, bildet sich an den Berührpunkten der flexiblen Metallelektrode ein Meniskus 27, der eine gute elektrische Verbindung der flexiblen Metallelektrode 25 zur zweiten Schicht 220 der Grundmetallisierung 20 herstellt. 6 zeigt hierzu einen Querschnitt durch den Piezostapel 1, bei dem dieser Effekt verdeutlicht ist.
  • Die flexible Metallelektrode 25 und die Grundmetallisierung 20 bilden zusammen die Außenelektroden 10, 10'. Um die Außenelektroden 10, 10' zu fixieren, wird der Piezostapel 1 anschließend gebrannt, so dass sich die flexible Metallelektrode 25 mit der Metallisierungspaste und diese wiederum fest mit dem Piezostapel 1 verbindet. Der dadurch gebildete Piezoaktor kann dann mit Anschlusselektroden 12, 12' versehen werden und ist damit fertig gestellt.
  • Bei einer bekannten Kontaktierungsmethode erfolgt die Grundmetallisierung 20 mit einer Metallisierungspaste auf Basis einer Silber-Glas-Paste, die aufgrund der verwendeten Silber-Pulver-Körnungen und des eingesetzten blei- und wismutfreien Glases eine Einbrenntemperatur von üblicherweise 700 bis 800°C, insbesondere 720 bis 750°C benötigt. Damit die flexible Metallelektrode 25 mechanisch und elektrisch eine gute Verbindung zur Grundmetallisierung 20 aufweist, hat sich Invardraht bewährt, der mit einer Silberschicht überzogen ist. Um das eingebettete versilberte Invargewebe der Metallelektrode 25 vor Oxidation zu schützen, erfolgt das Einbrennen der Außenelektroden 10, 10' in zwei Phasen. Die erste Einbrennphase erfolgt bei ca. 300°C bis zum Ende der Entbinderungsphase unter Luft, während die sich anschließende zweite Einbrennphase zur Bildung der Grundmetallisierung 20 vorzugsweise unter Schutzgasatmosphäre, also zum Beispiel unter Stickstoff- oder Argonatmosphäre, wobei auch andere Edelgase in Frage kommen, erfolgt. Die Temperatur in dieser zweiten Phase liegt bei den bereits erwähnten 700 bis 800°C. 7 verdeutlicht in einem Diagramm mit dem Temperatur-Zeit-Verlauf den Vorgang des Einbrennens der Außenelektroden 10, 10' gemäß dem bekannten Verfahren. Die Ofentechnik für einen solchen Prozess ist kompliziert und durch den Einsatz des Edelgases vergleichsweise teuer. Die Einbrenntemperaturen sind zudem so hoch, dass hier bereits die Korngrenzenphase des gesinterten PZT-Materials wieder erweicht, was zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Glas aus der Metallisierungspaste führen kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht insofern darin, eine kostengünstige, robuste Lösung der elektrischen Anbindung eines Multilager-Piezoaktors zu finden, die mit einem einfacheren Einbrennverfahren möglichst unter Vermeidung der Verwendung einer Schutzgasatmosphäre auskommt. Bei Verwendung von Invar als Gewebematerial für die Metallelektrode 25 beginnt dessen Oxidation bei bereits ca. 300°C, was über Thermogravimetrische Analysen messbar ist. Bis ca. 450°C ist diese Oxidation bei entsprechend kurzer Haltezeit von ca. 10 min noch technisch vertretbar gering. Darüber hinaus steigt die Oxidationsgeschwindigkeit deutlich an. Nach dem Stand der Technik sind kommerziell erhältliche Einbrennpasten auf Silberbasis jedoch nur für minimale Einbrenntemperaturen von 550°C bekannt. Darunter sind nur organisch gebundene Silberleitkleber (z. B. Epoxid- oder Silikonharz) einsetzbar, um eine vergleichbare Einbettung der Metallelektrode 25 zu erreichen. Die sichere elektrische Anbindung bei Leitklebern bedingt allerdings zudem eine vorherige flächige eingebrannte Metallisierungsschicht, um die sehr schmalen Kontaktflächen der Innenelektroden 5, 5' zu bündeln. Die thermische Belastbarkeit der Leitkleber ist zudem auf maximal 200°C beschränkt, und die chemische und thermische Langzeitbeständigkeit von harzgebundenen Leitklebern ist unter realen Betriebsbedingungen mit verkürzten Lebenszeittests sehr schwierig nachzuweisen.
  • Erfindungsgemäß wurde eine Rezeptur für eine Metallisierungspaste als Grundmetallisierung 20 gefunden, die eine silberhaltige Paste ist und ein Einbrennen bei maximalen Temperaturen von 450°C ausschließlich unter Luft ermöglicht, wodurch eine anorganisch basierte elektrische Anbindung der Metallelektrode 25 auf der PZT-Keramik (Piezostapel 1) bei dieser niedrigen Temperatur erzeugbar ist. Für die Rezeptur der mit einer niedrigen Temperatur einbrennbaren Metallisierungspaste auf Ag-Basis ist Folgendes zu berücksichtigen. Um eine gute Anbindung auf der PZT-Keramik zu erhalten, ist ein auf dem sehr niedrigen Temperaturniveau schmelzendes Glas notwendig. Um ein Sintern der metallischen Matrix bei diesem Temperaturniveau zu erreichen, sind zudem sehr feine Ag-Partikel im nm-Bereich nötig.
  • Sehr niedrig schmelzende Gläser sind aus einer anderen Anwendung bekannt, und zwar sogenannte Sealgläser zur Herstellung von z. B. gasdichten IC-Kapselungen, Plasma-Displays usw. Diese Sealgläser sind zumeist Pb-Zn-B-Gläser mit sehr niedrigen Erweichungstemperaturen von ca. 350°C und typischen Einbrenntemperaturen von 400 bis 450°C.
  • Der Volumenanteil des Pb-B-Zn-Sn-Sealglases, das eine Erweichungstemperatur von 360°C besitzt, beträgt bei der erfindungsgemäßen Metallisierungspaste zwischen 5 und 25 Vol-%, insbesondere 15 Vol-% der anorganischen Bestandteile, und das Glas besitzt einen mittleren Korndurchmesser d50 von 5 bis 15 μm, insbesondere von 12 μm. Das Problem der Schwindung wird in der erfindungsgemäßen Metallisierungspaste dadurch behoben, dass die Packungsdichte in der getrockneten Pastenschicht optimiert ist, durch Verwendung verschiedener Ag-Pulver-Körnungen, die angenähert an eine Fuller-Verteilung miteinander kombiniert werden und Körner bis maximal 8 μm enthalten. Dabei entsprechen das grobe Silberpulver A dem „Kies", das mittelgrobe Silberpulver B dem „Sand" und das nanoskalige Silberpulver C dem „Zement". Die Ag-Pulver A und B sind hier die groben Füllstoffe, die bei 450°C noch nicht ausreichend versintern würden, aber eine dichte Packung in der getrockneten Schicht ermöglichen. Das sehr feine Ag-Pulver C dient als Binder und bildet aufgrund seiner sehr hohen Sinteraktivität die Grundlage der hohen mechanischen Festigkeit der Metallisierungsschicht. Dadurch ist auch erst ein sehr hoher Feststoffanteil (Ag + Glaspulver) der Metallisierungspaste von ca. 54 Vol-% möglich, was ca. 92 Masse% entspricht. Während die Körner des groben Silberpulvers A eine Korngröße bis zu 8 μm aufweisen können, enthält das feine Silberpulver C z. B. noch Anteile mit < 0,1 μm. Die Mischung der Ag-Pulver beträgt beispielsweise C:B:A = 2:3:5. Außerdem wird in dieser Zusammensetzung eine hochviskose, aber sehr gut fließfähige Konsistenz erreicht, die für Sieb- und Schablonendruck gut geeignet ist. Mit verantwortlich ist dafür auch die speziell abgestimmte organische Bindermischung, die aus einem sehr kurzkettigen Cellulosederivat und einem kurzkettigen Dispergierharz auf Basis eines Polymethacrylates besteht. Die Lösungsmittel sind Butyldiglycolacetat und Butylcarbitol, können aber auch chemisch ähnliche Lösungsmittel sein.
  • Wie bereits erwähnt, erfordert die neue Rezeptur der Metallisierungspaste für die Grundmetallisierung 20 in vorteilhafter Weise eine niedrige Einbrenntemperatur der Ag-Glas-Paste von nur maximal 450°C und ermöglicht eine thermisch und chemisch resistente, anorganische Bindung des Leitmaterials Silber an die PZT-Keramik und das Invargewebe der flexiblen Metallelektrode 25 unter Verwendung einer sehr kostengünstigen Prozesstechnik mit ausschließlich Luft-Atmosphäre. Von Vorteil ist es, dass auch andere Materialien außer Invar für das Material der Metallelektrode 25 einsetzbar sind, die bis zu der Einbrenntemperatur von 450°C nur sehr dünne Oxidschichten ausbilden, insbesondere verzunderungsbeständige, hochtemperaturbeständige bzw. hochwarmfeste, hochlegierte Stähle, wie der Edelstahl 1.4301 oder der CrNi-Hochtemperaturstahl 1.4841, oder Zinnbronze oder Aluminium, das eine Schmelztemperatur von ca. 660°C besitzt, oder Aluminium-Legierungen. Die höheren Ausdehnungskoeffizienten dieser alternativen Materialien sind zwar weniger günstig als der von Invar, diese können aber durch die niedrige Einbrenntemperatur kompensiert werden. Das geringere Temperatur-Delta beim Einbrennen führt zu einem geringeren Unterschied in der thermischen Dehnung der beiden zu verbindenden Materialien PZT-Keramik (Piezostapel 1) und Metallelektrode 25 und macht damit eine rissfreie Verbindung möglich. 8 zeigt einen beispielhaften erfindungsgemäßen Temperatur-Zeit-Verlauf beim Einbrennen der Außenelektrode 10, 10'. Dabei wird deutlich, dass der eigentliche Brennvorgang ca. 55 min dauert, wobei die höchste Temperatur von 450°C ca. 10 min gehalten wird.
  • Der erfindungsgemäß hergestellte Piezoaktor weist den Vorteil auf, dass er mit relativ wenigen, kostengünstigen Prozess-Schritten herzustellen ist. Anders als beim Auflöten der flexiblen Metallelektrode 25 entfallen aufwendige Reinigungsprozesse, die den Piezoaktor deutlich verteuern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19928189 A1 [0001]

Claims (15)

  1. Piezoaktor mit einer Vielzahl von Piezoschichten (3), zwischen denen jeweils eine metallische Innenelektrode (5, 5') angeordnet ist, so dass ein Piezostapel (1) gebildet wird, wobei die Innenelektroden (5, 5') abwechselnd an verschiedene Teilflächen der Oberfläche des Piezostapels (1) geführt sind, und mit wenigstens zwei Außenelektroden (10, 10'), die auf die Oberfläche des Piezostapels (1) aufgebracht sind und die jeweils mit einem Teil der Innenelektroden (5, 5') elektrisch verbunden sind, wobei die Außenelektroden (10, 10') aus einer direkt auf den Piezostapel (1) aufgebrachten Grundmetallisierung (20, 120, 220) und einer darauf angebrachten flexiblen Metallelektrode (25) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmetallisierung (20, 120, 220) mittels einer Metallisierungspaste realisiert ist, die als eine Ag-Glas-Paste mehrere verschiedene Ag-Pulver-Körnungen besitzt.
  2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Ag-Pulver-Körnungen in der Metallisierungspaste verwendet sind, ein grobes Ag-Pulver A, ein mittelgrobes Ag-Pulver B und ein nanoskaliges Ag-Pulver C.
  3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung der Ag-Pulver C:B:A = 2:3:5 beträgt.
  4. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ag-Pulver-Körnungen an eine Fuller-Verteilung angenähert miteinander kombiniert sind und maximal Korngrößen bis 8 μm enthalten.
  5. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Komponente der Metallisierungspaste ein bei maximal 450°C schmelzendes Glas ist.
  6. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas-Komponente der Metallisierungspaste ein Pb-Zn-B-Sealglas oder ein Pb-B-Zn-Sn-Sealglas ist.
  7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Glas-Komponente in der Metallisierungspaste zwischen 5 und 25 Vol-%, insbesondere 15 Vol-% der anorganischen Bestandteile beträgt.
  8. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas einen mittleren Korndurchmesser d50 von 5 bis 15 μm, insbesondere von 12 μm hat.
  9. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffanteil der Metallisierungspaste aus Ag-Pulver und Glaspulver > 50 Vol-% beträgt.
  10. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ag-Glas-Paste eine organische Bindermischung beinhaltet, die aus einem sehr kurzkettigen Cellulosederivat und einem kurzkettigen Dispergierharz auf Basis eines Polymethacrylates besteht.
  11. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Metallelektrode (25) aus Invar oder aus einem insbesondere verzunderungsbeständigen, hochtemperaturbeständigen bzw. hochwarmfesten Stahl oder aus Zinnbronze oder aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung gefertigt ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors mit einer Vielzahl von Piezoschichten (3), zwischen denen jeweils eine metallische Innenelektrode (5, 5') angeordnet ist, so dass ein Piezostapel (1) gebildet wird, wobei die Innenelektroden (5, 5') abwechselnd an verschiedene Teilflächen der Oberfläche des Piezostapels (1) geführt sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Aufbringen von Metallisierungspaste auf einen Teil der Oberfläche des Piezostapels (1), – Aufsetzen einer flexiblen Metallelektrode (25) auf die Metallisierungspaste, – Trocknen der Metallisierungspaste, – Brennen des Piezoaktors, so dass die Metallisierungspaste eine Grundmetallisierung (20, 120, 220) bildet, die mit der Oberfläche des Piezostapels (1) verbunden ist, so dass sich die flexible Metallelektrode (25) mit der Grundmetallisierung (20, 120, 220) stoffschlüssig verbindet, wobei das Brennen ausschließlich unter Luft-Atmosphäre erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennen des Piezostapels (1) bei einer Temperatur von maximal 450°C erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennen ca. 55 min dauert, wobei die höchste Temperatur von 450°C ca. 10 min gehalten wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungspaste beim Aufbringen auf den Piezostapel (1) flüssig ist.
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