DE102007051075A1

DE102007051075A1 - Aktorisch wirksames und/oder sensitives Element, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE102007051075A1
Application number: DE102007051075A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schönecker; Sylvia Dr. Gebhardt; Uwe Dr. Partsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: WO2009049613A2; WO2009049613A3; DE102007051075B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aktorisch wirksames und/oder sensitives Element, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verwendungen dieses Elementes. Aufgabe der Erfindung ist es, ein aktorisch wirksames und/oder sensitives Element zur Verfügung zu stellen, das unter erhöhten Belastungen und insbesondere auch innerhalb von Bauteilen in diese in integrierter Form eingesetzt werden kann. Ein erfindungsgemäßes aktorisch wirksames und/oder sensitives Element ist dabei so ausgebildet, dass das mindestens eine gesinterte piezoelektrische oder elektrostriktive Bauteil, das elektrisch leitend kontaktiert ist, von einer LTCC-Keramik umschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein aktorisch wirksames und/oder sensitives Element, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verwendungen dieses Elementes.
Das erfindungsgemäße Element kann als Aktor oder Sensor aber auch an bzw. in Bauteilen integriert eingesetzt werden, um mechanische Einflüsse auf das jeweilige Bauteil auszuüben oder auch auf das Bauteil wirkende mechanische Einflüsse detektieren zu können. So können beispielsweise auf ein entsprechendes Bauelement oder auf ein erfindungsgemäßes Element wirkende Kräfte, Drücke oder auch Momente detektiert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, ein solches Bauteil oder erfindungsgemäßes Element als Ultraschalldetektor oder Ultraschallwandler einzusetzen. Übt ein erfindungsgemäßes Element die Funktion eines Aktors aus, können Verformungen generiert und bei Integrati on in ein Bauteil auf das jeweilige Bauteil übertragen werden. So kann ein direkter Einfluss auf ein Bauelement an dem ein erfindungsgemäßes Element angebracht bzw. darin integriert ist oder auch solche Einflüsse auf andere weitere Bauelemente bzw. eine Umgebung ausgeübt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Element ist ein Einsatz bei relativ hohen thermischen und mechanischen Belastungen möglich, wobei auch ein Einsatz bei Bedingungen mit korrosivem Angriff gegeben ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, LTCC-Keramiken als Träger- oder das äußere schützender Werkstoff für sensitive Elemente einzusetzen. Mit solchen Keramikwerkstoffen besteht wegen der gegenüber anderen Keramiken deutlich reduzierten Sintertemperaturen die Möglichkeit einer gemeinsamen Sinterung mit anderen Komponenten, die der jeweiligen erforderlichen Sintertemperatur der LTCC-Keramik widerstehen können.
So ist beispielsweise in DE 10 2006 021 432 A1 eine Möglichkeit zur Integration von bereits gebrannten Substratkeramiken mit LTCC-Folien bekannt.
Mit der darin beschriebenen technischen Lösung können Sensoren hergestellt werden, wobei ein bereits gesintertes Substrat aus einer geeigneten Keramik, als Träger für ein sensorisch wirkendes Element mit einer Funktionsschicht versehen ist und dann gemeinsam mit einer LTCC-Keramik, die aus mehreren Folien gebildet ist, gesintert werden kann. Das von der LTCC-Keramik eingeschlossene Substrat mit der jeweiligen Funktionsschicht stellt aber in jedem Fall ein passives Element dar und es kann, wie aus DE 10 2006 021 432 A1 hervorgeht, ein Gassensor zur Verfügung gestellt wer den. Die dabei auftretende Versteifung des Sensorelements verhindert einen Einsatz als Aktor und Sensor für viele Anwendungsfälle, bei denen eine Verformung gewünscht ist bzw. auftreten soll oder kann.
Auf dem technischen Gebiet der Keramik versteht man unter einem Substrat einen Träger für elektrische oder elektronische Elemente, der in Verbindung mit aktiven und passiven Bauelementen eingesetzt und üblicherweise aus Al₂O₃ oder AlN hergestellt werden kann. Diese Definition kann beispielsweise H. Salmwang, H. Scholze, in „Keramik", 7. vollständig neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer Verlag, entnommen werden. Wesentliche dabei geforderte Eigenschaften sind die hohe mechanische Festigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit.
Aus W. Kollenberg, „Technische Keramik", Vulkanverlag Essen, 2004, wird für dementsprechende Substrate ausgeführt, dass deren wichtigste elektrische Eigenschaft eine gute Isolationsfähigkeit, durch eine geringe elektrische Leitfähigkeit, ist.
Gemäß J. Kriegesmann, „Technische keramische Werkstoffe", Deutscher Wirtschaftsdienst, 1998, versteht man unter Substraten unmetallisierte, einlagige Träger oder auch Gehäuse, die mit mehrlagigen Laminaten mit internen Leiterzugebenen ausgebildet sein können.
Dabei liegt es auf der Hand, dass ein solches mit einer Funktionsschicht versehenes Substrat, das von einer LTCC-Keramik umschlossen ist, lediglich einen Träger für eine sensorisch ausgebildete Funktionsschicht darstellt und demzufolge ausschließlich passiv wirkt und keine mechanische Wirkung erzielt oder detektiert werden kann.
Aus diesem Stand der Technik ist es außerdem bekannt, dass bevorzugt eine LTCC-Keramik eingesetzt werden soll, die beim Sintern eine extrem geringe Schwindung aufweist und solche Keramiken üblicherweise als Zero-Shrinkage-Keramik bezeichnet werden.
Die in DE 196 45 613 A1 beschriebene technische Lösung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Auch aus diesem Stand der Technik geht hervor, dass solche Drucksensoren mit LTCC-Keramiken hergestellt werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein aktorisch wirksames und/oder sensitives Element zur Verfügung zu stellen, das unter erhöhten Belastungen und insbesondere auch innerhalb von Bauteilen in diese in integrierter Form, eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 17 hergestellt werden. Vorteilhafte Verwendungen sind in Ansprüchen 25 bis 27 bezeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes aktorisch wirksames und/oder sensitives Element ist so ausgebildet, dass mindestens ein gesintertes piezokeramisches oder elektrostriktives Bauteil von einer LTCC-Keramik umschlossen ist. Das Bauteil ist innerhalb des Elementes elektrisch leitend kontaktiert und es wurde eine LTCC-Keramik eingesetzt. Bei der LTCC-Keramik sollte eine Schwindung während der Sinterung in eine X-Y-Richtung < 1%, bevorzugt < 0,5% und besonders bevorzugt < 0,2% auftreten. Dies kann durch Auswahl einer hierfür geeigneten Keramik oder durch ein Verfahren erreicht werden, bei dem eine dementsprechende sehr kleine Schwindung möglich ist. Dies sind beispielsweise das so genannte „Release Tape-Verfahren" oder ein Sintern unter Druck in einer Sinterpresse. Dabei können besonders vorteilhaft LTCC-Folien eingesetzt werden.
Das eine oder auch mehrere Bauteile sollten von der LTCC-Keramik vollflächig umschlossen sein und elektrisch leitend kontaktiert sein, was bevorzugt an zwei gegenüberliegend angeordneten Seiten, der Fall sein sollte.
Die Kontaktierung kann vollflächig an einer Oberfläche ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit eine elektrische Kontaktierung mit strukturiert ausgebildeten Elektroden einzusetzen. Dabei können Elektroden in Form von Interdigitalstrukturen, Netzstrukturen, linienförmig oder flächig ausgebildet sein. Die Kontaktierung kann auch für die Ausbildung im Inneren angeordneter elektrisch leitender Verbindungen genutzt werden. Innere elektrisch leitende Verbindungen können als Dick- oder Dünnschichten bzw. auch drahtförmig ausgebildet werden.
Ein in eine LTCC-Keramik eingebettetes Bauteil kann plattenförmig, aber auch als Formkörper ausgebildet sein, der von einer Platte eine abweichende geometrische Gestalt und gegebenenfalls auch eine Konturierung an mindestens einer Oberfläche aufweisen kann.
Ein Bauteil, das in die LTCC-Keramik aufgenommen ist, kann auch mit Fasern oder Stäbchen gebildet sein, die aus piezokeramischen oder elektrostriktiven Werkstoffen gebildet sein können.
Vorteilhaft ist es, mindestens ein Bauteil unsymmetrisch und in Bezug zu mindestens einer Achse des Elementes innerhalb der LTCC-Keramik anzuordnen. Dabei kann ein Bauteil auch in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zu einer Achse innerhalb eines erfindungsgemäßen Elementes ausgerichtet sein.
Ein Bauteil sollte außerhalb der neutralen Achse/Faser des Elementes innerhalb der LTCC-Keramik angeordnet sein. Dadurch kann bei auf ein erfindungsgemäßes Element wirkenden mechanischen Einflüssen eine Hebelwirkung genauso ausgenutzt werden, wie dies im Fall eines als Aktor eingesetzten Elementes der Fall ist.
So kann bei Anlegen einer elektrischen Spannung über die elektrisch leitende Kontaktierung an ein Bauteil eine gezielte Verformung eines erfindungsgemäßen Elementes erreicht werden. Wird ein erfindungsgemäßes Element in ein anderes Bauteil bzw. eine andere Struktur integriert bzw. daran befestigt, kann die Verformung übertragen werden.
Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Elementes als Sensor an bei auf ein erfindungsgemäßes Element wirkenden Kräften, Drücken oder auch Momenten, können diese beispielsweise unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes detektiert und ein entsprechendes elektrisches Messsignal, der jeweiligen mechanischen Einflussgröße entsprechend, erhalten werden.
So können Bauteile innerhalb der LTCC-Keramik bereits in vorab gesinterter Form zumindest an einer Oberfläche gewölbt oder als Ganzes gekrümmt ausgebildet sein, wobei letzteres durch ein geeignetes Biegen eines plattenförmigen Bauteils erreichbar ist. Bauteile können auch beim Sintern in eine solche Form gebracht werden.
Von Vorteil ist es, wenn Hohlräume, z. B. Kanäle, Kammern auch mit Membranen ausgebildet werden, um z. B. Drucksensoren, Pumpen, Ventile oder andere entsprechend nutzbare Elemente zur Verfügung stellen zu können.
An innerhalb der LTCC-Keramik eines erfindungsgemäßen Elementes angeordneten Bauteilen können zusätzliche passive Funktionselemente angebracht oder daran ausgebildet sein, wie dies beispielsweise Elektronikkomponenten, Kanäle, Kammern oder auch Membranen sein können.
Die elektrische Kontaktierung von Bauteilen kann an den jeweiligen gegenüber liegend angeordneten Oberflächen des Bauteils mit einem unterschiedlichen elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet sein.
Die elektrische Kontaktierung kann auch in strukturierter Form ausgebildet werden. Als Strukturen für solche Kontakte können Interdigitalstrukturen, Netzstrukturen, lienienförmig oder flächig strukturierte Strukturen gewählt werden.
An einem erfindungsgemäßen Element können auch, wie bereits angesprochen, mehr als ein Bauteil in diesem angeordnet sein. Dabei können mehrere Bauteile eine voneinander abweichende Gestaltung, Dimensionierung und/oder abweichende Funktionalität aufweisen. Letzt genannter Aspekt kann beispielsweise durch unterschiedliche Bauteile, die beispielsweise aus einer Piezokeramik und einem elektrostriktiven Werkstoff gebildet sein können. Mehrere Bauteile innerhalb eines erfindungsgemäßen Elementes können aber auch voneinander getrennt elektrisch leitend kontaktiert und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden sein. So besteht die Möglichkeit, ein Bauteil aktorisch und ein anderes Bauteil sensorisch nutzen zu können.
Erfindungsgemäße Elemente können mit ungesinterten Folien oder auch Laminaten (nachfolgend soll jedoch durchgängig der Begriff Folien gewählt werden) so hergestellt werden, dass in einer LTCC-Keramik-Folie eine Aufnahme ausgebildet ist. Dies kann bevorzugt durch eine Formgebung der Folie, bevorzugt aber durch Ausstanzen einer Durchbrechung in einer solchen Folie erreicht werden, wobei die Ränder einer solchen Aufnahme so dimensioniert sein sollten, dass ein in eine solche Aufnahme eingesetztes Bauteil unmittelbar an den Rändern der Aufnahme anliegt. Mit weiteren solcher LTCC-Keramik-Folien können das eine oder auch mehrere Bauteile eingeschlossen werden, wobei die LTCC-Keramik-Folie einen Stapel bilden und anschließend das eine oder mehrere bereits gesinterte Bauteile im Co-Firing mit gesintert werden, wobei lediglich eine Sinterung der LTCC-Keramik erfolgt.
Vorab sollte eine elektrische Kontaktierung für Bauteile ausgebildet worden sein, die an sich gegenüber liegenden Oberflächen von Bauteilen angeordnet ist. So kann eine elektrische Kontaktierung unmittelbar auf der Oberfläche von Bauteilen ausgebildet sein, was in an sich bekannter Form, beispielsweise in Dünnschicht-Technologie, erfolgen kann. Es können a ber auch dickere Schichten, beispielsweise mit Pasten aufgetragen werden.
Eine elektrische Kontaktierung kann aber auch lokal definiert in Bezug zur Anordnung eines Bauteils an der Oberfläche einer LTCC-Keramik-Folie ausgebildet worden sein, das mit entsprechender Ausrichtung auf eine Folie, in dem eine Aufnahme für ein Bauteil ausgebildet worden ist, vor dem Sintern aufgelegt werden kann. Die elektrische Kontaktierung auf der LTCC-Keramik-Folie gelangt so unmittelbar oder über Durchkontaktierungen elektrisch leitend in Kontakt mit einer Oberfläche eines Bauteils. Zusätzlich zu einer elektrischen Kontaktierung oder auch allein können innere elektrische Zuleitungen ausgebildet sein.
In an sich bekannter Form können an LTCC-Keramik-Folien weitere Durchbrechungen oder Gräben ausgebildet sein, die dann für elektrische Durchkontaktierungen und die Ausbildung elektrisch leitender Verbindungen genutzt werden. Solche Durchbrechungen oder auch Gräben können vor dem Sintern mit einem elektrisch leitenden Werkstoff gefüllt werden und sind dementsprechend an einem fertig hergestellten erfindungsgemäßen Element innerhalb dieses Elements angeordnet und von außen in geschützter Form, bis auf einen elektrischen Anschluss, nicht mehr zugänglich. Hier können elektrisch leitende Werkstoffe eingesetzt werden, die mit der LTCC-Keramik gesintert werden können und dabei gleichzeitig versintern. Die Befüllung von Durchbrechungen und Gräben kann dabei mit einem elektrischen Werkstoff in Pulverform oder auch in pastöser Form erfolgen.
Erfindungsgemäße Elemente können aber auch innerhalb der LTCC-Keramik mindestens einen Hohlraum aufweisen.
Dabei kann an einem Element zumindest ein elastischer verformbarer Bereich (Membran) vorhanden sein. Dadurch kann die Verformung dieses Bereichs ausgenutzt werden, was sowohl für Aktoren und auch Sensoren ausgenutzt werden kann. So kann beispielsweise ein Drucksensor hergestellt werden. Ist an einem Hohlraum zumindest ein nach außen geführter Kanal angeschlossen kann auch eine aktorisch wirkende Pumpe bzw. Dosiereinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Mit oder ohne Kanal können aber auch Schwingungen des elastisch verformbaren Bereichs initiiert werden.
Erfindungsgemäße Elemente können in einem Strukturbauteil, aus Metall, Glas, Kunststoff oder einem mit einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauteil, als Aktor, Ultraschallwandler oder Sensor, eingesetzt werden, wobei das Element dabei vollständig vom Bauteilwerkstoff umschlossen sein kann. Dies kann in einem Metallbauteil, auch einem Metalldruckgussbauteil, der Fall sein.
Es sind auch eine Verwendung für eine Pumpe, eine Dosiereinrichtung, Ventile, als Kraft-, Weg- oder Drucksensor möglich.
Eine Verwendung kann aber auch in Mikrosystemen oder adaptiven Strukturen erfolgen.
Dies ist insbesondere bei Metalldruckgussbauteilen beachtlich, da die Herstellung solcher Metalldruckgussbauteile bei Temperaturen von ca. 700°C und wirkenden Drücken in Höhe von 1000 bar erfolgt.
Erfindungsgemäße Elemente können aber auch als Schwingungserzeuger oder Ultraschallwandler oder auch für die Gewinnung elektrischer Energie eingesetzt werden. Dabei wirkt sich insbesondere positiv aus, dass sie sowohl thermisch, wie auch mechanisch hoch belastbar sind und durch den Einschluss in eine LTCC-Keramik u. a. auch gegen Korrosionsangriff geschützt sind.
Es treten ebenfalls keine Diffusionsprozesse zwischen dem Werkstoff, mit dem die Bauteile gebildet sind, und der LTCC-Keramik auf, so dass auf Barriereschichten verzichtet werden kann.
Für erfindungsgemäße Elemente geeignete LTCC-Keramik-Folien weisen üblicherweise eine Achsrichtung auf, bevorzugt als X-Y-Richtung bezeichnet, bei der eine deutlich geringere Schwindung zu verzeichen ist, als in einer senkrecht dazu ausgerichteten Achse auf, wodurch nach dem Sintern eine vorspannende Kraftwirkung in dieser Achsrichtung auf ein Bauteil ausgeübt werden kann, was sich wiederum vorteilhaft ausnutzen lässt.
Es kann auch das als „Constraint Sintering" bezeichnete Verfahren, also einem Aufbringen von Klemmfolien, z. B. aus Aluminiumoxid, oder das Sintern innerhalb einer Sinterpresse, durchgeführt werden.
Es ist eine vollflächige und dadurch zuverlässige Anbindung von Bauteilen innerhalb der LTCC-Keramik erreichbar. Die positiven Eigenschaften einer LTCC-Keramik, als hoch integrierter, zuverlässiger und robuster Träger, kann so durch zusätzliche Funktionsmöglichkeiten erweitert werden.
Die elektrisch leitende Kontaktierung und elektrisch leitende Verbindung der piezokeramischen oder elektrostriktiven Bauteile kann zuverlässig erhalten und die Gewährleistung einer erhöhten Lebensdauer erreicht werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Elementes und
2 für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Elementes einsetzbare LTCC-Keramik-Folien.
Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Elementes wurde ein Bauteil 2 aus Bleizirkonattitanat (PZT-Platte) eingesetzt, das als Folie vorab gesintert worden ist und so ein dünnes plattenförmiges Element mit den Abmessungen 50 × 12 × 0,2 mm darstellt, das an seinen größten Oberflächen mit einer aus TiPt gebildeten elektrischen Kontaktierung 3 versehen worden ist.
Die in 2 gezeigten vier LTCC-Keramik-Folien 1 sind aus einer ungesinterten LTCC-Keramik, die unter der Handelsbezeichnung Heralock von der Firma W. C. Heraeus GmbH, Hanau, Deutschland, kommerziell erhältlich ist, hergestellt worden. Sie hatten äußere Abmessungen von 75 × 25 mm und vor dem Sintern eine Dicke von jeweils 133 μm.
Im in der 2, als zweite von links gezeigten LTCC-Keramik-Folie 1 wurde vorab durch Ausstanzen einer Aufnahme ausgebildet, deren Abmessungen der äußeren Randkontur, also 50 × 12 mm, des Bauteils 2 angepasst worden sind. Außerdem wurde eine Durchbrechung für eine Durchkontaktierung 5, für die Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung vom Bauteil 2 nach außen zu elektrischen Kontakten 6, ausgebildet. Auf den in 2 unmittelbar neben dieser LTCC-Keramik-Folie 1 gezeigten LTCC-Keramik-Folien 1 wurden innere elektrische Zuleitungen 4 zur elektrischen Kontaktierung 3 mit einer Silberpaste, die für die Ausbildung von Elektroden eingesetzt werden kann und unter der Handelsbezeichnung TC 0307, ebenfalls von der Firma W. C. Heraeus GmbH kommerziell erhältlich ist, vor der nachfolgend noch zu beschreibenden Sinterung aufgebracht. Dabei ist eine Gitterstruktur gewählt worden. Die innere elektrische Zuleitung 4 für die links dargestellte LTCC-Keramik-Folie 1 ist gesondert dargestellt.
In den LTCC-Keramik-Folien 1 können weitere Durchbrechungen für eine elektrische Durchkontaktierung (VIAS) ebenfalls vor dem Sintern in den noch grünen LTCC-Keramik-Folien 1 ebenfalls durch Ausstanzen ausgebildet werden (nicht dargestellt). Auch diese können mit der Silberpaste gefüllt werden.
Wie 2 entnommen werden kann, wurde das Bauteil 2 in die Aufnahme, die vorab in einer der LTCC-Keramik-Folien 1 ausgebildet worden ist, eingesetzt.
Anschließend wurden die vier LTCC-Keramik-Folien 1 übereinander gestapelt.
Nachfolgend wurden die aufeinander gestapelten LTCC-Keramik-Folien 1 mit einem Druck von 1500 psi, bei einer Temperatur von 75°C, einer Verweilzeit von 90 Sekunden und einer Haltezeit von 10 Minuten laminiert und getrocknet.
Ein so vorbereitetes Element konnte dann bei einer Temperatur von 850°C innerhalb von 30 Minuten im Co-Firing gesintert werden. Dabei wurde bei Normalatmosphärenbedingungen gesintert.
Beim fertig hergestellten Element 1 konnte eine sehr gute Haftung zwischen der LTCC-Keramik und dem Bauteil 2 erreicht werden.
Mit 1 ist eine Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Elementes 1 im Schnitt gezeigt.
Dabei ist das Element 1 mit hier vier übereinander gestapelten LTCC-Keramik-Folien 1 hergestellt worden. An der in das Innere des Elementes weisenden Oberfläche der hier oben angeordneten LTCC-Keramik-Folie 1 ist eine elektrisch leitende Kontaktierung 3, wie sie in 2 gezeigt ist, vorab ausgebildet worden. Von dieser elektrischen Kontaktierung 3 ausgehend konnte mittels innerer elektrisch leitender Zuleitungen und der Durchbrechungen konnte eine Durchkontaktierung 5, durch die zwei oberen LTCC-Keramik-Folien 1 ausgebildet werden, die bis zur äußeren Oberfläche des Elementes geführt sind und so von dort zu einer hier nicht dargestellten elektronischen Auswerte- und Steuereinheit eine elektrisch leitende Verbindung herstellbar ist. Die Durchkonatktierungen 5 wurden durch Füllen der Durchbrechungen mit der Silberpaste ausgebildet.
Mit 1 wird außerdem deutlich, dass das Bauteil 2 oberhalb der Mittenachse, also außerhalb der neutralen Achse des Elementes angeordnet ist.
Mit den in LTCC-Keramik-Folien 1 zusätzlich ausbildbaren Durchbrechungen, die einen kleineren Durchmes ser aufweisen können, als die bereits vorab erwähnten Durchbrechungen, die für die Ausbildung der Durchkontaktierungen 5 eingesetzt werden konnten, kann das Bauteil 2 ebenfalls mit der Befüllung durch die Silberpaste elektrisch leitend mit der elektrischen Kontaktierung 3 verbunden werden.
Die äußeren elektrischen Kontakte 6 wurden durch Siebdruck der Silberpaste ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006021432 A1 [0005, 0006]
- DE 19645613 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- H. Salmwang, H. Scholze, in „Keramik", 7. vollständig neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer Verlag [0007]
- W. Kollenberg, „Technische Keramik", Vulkanverlag Essen, 2004 [0008]
- J. Kriegesmann, „Technische keramische Werkstoffe", Deutscher Wirtschaftsdienst, 1998 [0009]

Claims

Aktorisch wirksames und/oder sensitives Element, bei dem mindestens ein gesintertes piezoelektrisches oder elektrostriktives Bauteil (2), das elektrisch leitend kontaktiert ist, von einer LTCC-Keramik umschlossen ist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass LTCC-Folie(n) (1) eingesetzt ist/sind, bei der/denen beim Sintern eine Schwindung in x-y-Richtung kleiner 1% auftritt.
Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Bauteil(e) (2) von der LTCC-Keramik vollflächig umschlossen ist/sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Bauteil(e) (2) plattenförmig oder als Formkörper ausgebildet ist/sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (2) mit piezokeramischen oder elektrostriktiven Fasern oder Stäbchen gebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (2) unsymmetrisch in Bezug zu mindestens einer Achse des Elements innerhalb der LTCC-Keramik angeordnet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (2) außerhalb der neutralen Achse/Faser des Elements innerhalb der LTCC-Keramik angeordnet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Bauteil(e) (2) zumindest an einer Oberfläche gewölbt oder als ganzes gekrümmt ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hohlraum innerhalb der LTCC-Keramik ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an/im Element passive Funktionselemente angebracht oder daran ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass LTCC-Folie(n) (1) eingesetzt ist/sind, bei der/denen beim Sintern eine Schwindung in x-y-Richtung kleiner 0,5% auftritt.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (3, 4) an den sich gegenüberliegenden Oberflächen der/des Bauteile(s) (2) aus unterschiedlichem Werkstoff gebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Kontaktierung (3, 4) Elektroden in strukturierter Form an/am Bauteil(en) (2) ausgebildet sind.
Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (3, 4) in Form von Interdigitalstrukturen, Netzstrukturen, linienförmig oder flächenförmig strukturiert ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden und/oder elektrische Zuleitungen als Dick-, Dünnschicht oder drahtförmig ausgebildet sind.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bauteile (2) mit voneinander abweichender Gestaltung, Dimensionierung und/oder abweichender Funktionalität vorhanden sind.
Verfahren zur Herstellung eines aktorisch wirksamen und/oder sensitiven Elements, bei dem mindestens ein fertig gesintertes piezokeramisches oder elektrostriktives Bauteil (2) in eine Aufnahme einer aus LTCC-Keramik gebildeten ungesinterten Folie (1) eingesetzt und mit weiteren ungesinterten LTCC-Keramik-Folien (1) das/die Bauteil(e) (2) eingeschlossen wird/werden und die LTCC-Keramik-Folien (1) mit dem/den Bauteil(en) (2) anschließend gesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Bauteil(e) (2) vorab zumindest an einer Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Kontaktierung (3) und/oder innerer elektrischer Leitungen (4) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine LTCC- Keramik-Folie (1) eine Durchbrechung oder Aussparung zur Ausbildung der Aufnahme für ein Bauteil (2), vor dem Einsetzen des/der Bauteile(s) (2) und dem Sintern der LTCC-Keramik ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in LTCC-Keramik-Folien (1) Durchbrechungen für eine Durchkontaktierung (5) vor dem Einsetzen des/der Bauteile(s) (2) und dem Sintern der LTCC-Keramik ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die LTCC-Keramik-Folien (1) vor dem Sintern miteinander verpresst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an einer LTCC-Keramik-Folie (1) eine elektrische Kontaktierung (3, 4) für ein Bauteil (2) vor dem Sintern der LTCC-Keramik ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitender Werkstoff vor dem Sintern der LTCC-Keramik für die Ausbildung elektrisch leitender Verbindungen und Kontaktierung in Durchbrechungen und/oder Gräben, die in oder an LTCC-Keramik-Folien (1) ausgebildet sind, eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine LTCC-Keramik eingesetzt oder die Sinterung mit einem Verfahren durchgeführt wird, bei der/dem eine Schwindung in x-y-Richtung kleiner 1 auftritt.
Verwendung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 16, als Aktor, Sensor oder Ultraschallwandler in einem Strukturbauteil aus Metall, Glas, einem Kunststoff oder einem mit einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauteil.
Verwendung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 16, als Aktor, Sensor oder Ultraschallwandler in einem Metallbauteil oder in einem Strukturbauteil aus Metall, Glas, einem Kunststoff oder einem mit einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauteil.
Verwendung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 16, als Pumpe, Dosiereinrichtung, Ventil, Kraftsensor, Wegsensor oder Drucksensor.