DE102007058874A1

DE102007058874A1 - Piezoelektrisches Bauteil mit direkt strukturierter Außenkontaktierung, Verfahren zum Herstellen des Bauteils und Verwendung des Bauteils

Info

Publication number: DE102007058874A1
Application number: DE102007058874A
Authority: DE
Inventors: Stefan Denneler; Axel Ganster; Susanne Kornely; Andreas Dr. Lenk; Carsten Dr. Schuh; Andreas Wolff; Jörg ZAPF
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem vollaktiven Piezoelement aus Elektrodenschichten und dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schichten. Die Elektrodenschichten sind bis an einen seitlichen Rand des Piezoelements geführt und dort kontaktiert. Zur elektrischen Kontaktierung wird die Außenelektrode strukturiert aufgetragen bzw. es wird eine strukturierte Außenelektrode zur Verfügung gestellt. Die Außenelektrode besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten, nämlich dem Kontaktierungsfeld und der Kontaktierungsbahn. Im Fall mehrerer übereinander gestapelter Piezoelemente (Piezoaktor in Vielschichtbauweise) fungiert die Kontaktierungsbahn als Sammelelektrode, die die Kontaktierungsfelder der Piezoelemente miteinander verbindet. Zur elektrischen Isolierung der Kontaktierungsbahn von nicht zu kontaktierenden Elektrodenschichten ist die Isolationsbahn vine sichere Kontaktierung der Elektrodenschichten möglich. Verwendung findet ein vollaktiver, piezokeramischer Vielschichtaktor mit der beschriebenen Kontaktierung in der Automobiltechnik zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritz-Ventilen.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit direkt strukturierter Außenkontaktierung, ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils und eine Verwendung des Bauteils.
Piezoelektrische Bauteile werden beispielsweise in der Automobiltechnik zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen verwendet. Kern dieser Bauteile ist ein Piezoelement, bei dem eine Elektrodenschicht und eine weitere Elektrodenschicht übereinander angeordnet sind. Zwischen den Elektrodenschichten befindet sich eine piezoelektrische Schicht. Die piezoelektrische Schicht besteht beispielsweise aus einer Piezokeramik wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Durch eine Ansteuerung der Elektrodenschichten mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen wird ein elektrisches Feld in die piezoelektrische Schicht eingekoppelt. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zu einer Auslenkung (Expansion beziehungsweise Kontraktion) der piezoelektrischen Schicht und damit des Piezoelements.
Um eine möglicht große Auslenkung bei gleichzeitig möglichst hoher Kraftübertragung zu erzielen, sind die piezoelektrischen Bauteile in Vielschichtbauweise ausgestaltet. Dabei ist eine Vielzahl von Piezoelementen übereinander zu einem Piezoelement-Stapel angeordnet. Im Piezoelement-Stapel sind abwechselnd Elektrodenschichten (Innenelektroden) und piezoelektrische Schichten übereinander angeordnet.
Üblicherweise ist zur Kontaktierung der Elektrodenschichten eine sogenannte Mehrlagenkondensator-Struktur (Kammstruktur) realisiert. Dabei sind die Elektrodenschichten abwechselnd an unterschiedliche Seitenflächen des Piezoelements und damit an unterschiedliche Seitenflächen des Piezoelement-Stapels geführt und dort elektrisch kontaktiert. Insbesondere im Fall von monolithischen Piezoelement-Stapeln ist dabei problematisch, dass die Elektrodenschichten die dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht nicht vollflächig begrenzen. Die nicht vollflächige Anordnung führt zu piezoelektrisch aktiven und piezoelektrisch inaktiven Bereichen. In diese Bereiche werden unterschiedliche elektrische Felder eingekoppelt. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder kommt es zu unterschiedlichen Auslenkungen und damit zu mechanischen Spannungen. Diese mechanischen Spannungen führen in der Regel zu Rissen. Die Risse können an sich toleriert werden. Sie führen aber zu einem erheblichen Aufwand hinsichtlich einer an die Seitenfläche des Piezoelement-Stapels angebrachten Außenelektrode zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten.
Eine dazu alternative Variante stellt der so genannte vollaktive Piezoaktor dar. Bei diesem Piezoaktor begrenzen die Elektrodenschichten und die weiteren Elektrodenschichten die dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schichten vollflächig. Dadurch wird in die gesamte piezoelektrische Schicht ein im Wesentlichen gleiches elektrisches Feld eingekoppelt. Dies führt dazu, dass mechanische Spannungen und in Folge davon Risse kaum auftreten. Allerdings ist es dafür erforderlich, dass die Elektrodenschichten elektrisch individuell ansteuerbar sind. Es muss dafür gesorgt werden, dass die Elektrodenschichten unabhängig voneinander mit den entsprechenden elektrischen Potentialen beaufschlagt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie die Elektrodenschichten eines Piezoelements eines piezoelektrischen Bauteils elektrisch unabhängig voneinander und einzeln kontaktiert werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem stapelförmigen Piezoelement angegeben, das in Stapelrichtung mindestens eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit weiterem Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht mit piezoelektrischem Material aufweist, wobei sich die Elektrodenschicht bis an mindestens einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt, auf dem Oberflächenabschnitt zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht mindestens ein Kontaktierungsfeld (Kontaktierungspad) mit Kontaktierungsfeldmaterial aufgebracht ist, am Oberflächenabschnitt auf dem Kontaktierungsfeld und/oder auf der Elektrodenschicht mindestens eine elektrische Isolationsbahn mit elektrischem Isolationsmaterial aufgebracht ist und auf der Isolationsbahn mindestens eine elektrische Kontaktierungsbahn mit Kontaktierungsbahnmaterial derart angeordnet ist, dass die Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht mittelbar über das Kontaktierungsfeld elektrisch leitend miteinander verbunden und die Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.
Vorzugsweise ist auch die weitere Elektrodenschicht bis an eine Seitenfläche des Piezoelements geführt. Die weitere Elektrodenschicht erstreckt sich bis an mindestens einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements, wobei auf dem weiteren Oberflächenabschnitt zur elektrischen Kontaktierung der weiteren Elektrodenschicht mindestens ein weiteres Kontaktierungsfeld mit Kontaktierungsfeldmaterial aufgebracht ist, am weiteren Oberflächenabschnitt auf dem weiteren Kontaktierungsfeld und/oder auf der weiteren Elektrodenschicht mindestens eine weitere elektrische Isolationsbahn mit weiterem elektrischen Isolationsmaterial aufgebracht ist, und auf der weiteren Isolationsbahn mindestens eine weitere Kontaktierungsbahn mit weiterem Kontaktierungsbahnmaterial derart angeordnet ist, dass die weitere Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über das weitere Kontaktierungsfeld elektrisch leitend miteinander verbunden und die weitere Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:

a) Bereitstellen mindestens eines stapelförmigen Piezoelements mit einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht, wobei sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt,
b) Aufbringen mindestens einer Isolationsbahn auf den Oberflächenabschnitt, so dass die Elektrodenschicht zumindest teilweise frei zugänglich ist, und
c) Aufbringen mindestens eines Kontaktierungsfeldes auf die frei zugängliche Elektrodenschicht und Aufbringen einer Kontaktierungsbahn auf die Isolationsbahn, so dass die Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht mittelbar über das Kontaktierungsfeld elektrisch kontaktiert und die Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, die Außenelektrode strukturiert aufzutragen bzw. eine strukturierte Außenelektrode zur Verfügung zu stellen: Die Außenelektrode besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten, nämlich dem Kontaktierungsfeld und der Kontaktierungsbahn. Kontaktierungsfeld und Kontaktierungsbahn können nacheinander oder gleichzeitig aufgebracht werden. Das Kontaktierungsfeld kann sich bis auf die Isolationsbahn erstrecken. Ebenso kann das Kontaktierungsfeld bis auf den seitlichen Oberflächenabschnitt geführt sein. Ebenso ist denkbar, dass das Kontaktierungsfeld und die Kontaktierungsbahn eine einzige Einheit bilden.
Im Fall mehrerer übereinander gestapelter Piezoelemente (siehe unten) fungiert die Kontaktierungsbahn als Sammelelektrode, die die Kontaktierungsfelder der Piezoelemente miteinander verbindet. Zur elektrischen Isolierung der Kontaktierungsbahn von nicht zu kontaktierenden Elektrodenschichten ist die Isolationsbahn vorhanden. Mit dieser Struktur ist eine sichere Kontaktierung der Elektrodenschichten möglich.
Vorzugsweise wird ein Piezoelement bereitgestellt, das mindestens eine weitere Elektrodenschicht aufweist, die sich bis an mindestens einen weiteren Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt. Dabei sind folgende weitere Verfahrensschritte vorgesehen:

b') Aufbringen mindestens einer weiteren Isolationsbahn auf den weiteren Oberflächenabschnitt, so dass die weitere Elektrodenschicht zumindest teilweise frei zugänglich ist, und
c') Aufbringen mindestens eines weiteren Kontaktierungsfeldes auf die frei zugänglichen weitere Elektrodenschicht und Aufbringen einer weiteren Kontaktierungsbahn auf die weitere Isolationsbahn, so dass die weitere Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über das weitere Kontaktierungsfeld elektrisch miteinander verbunden und die weitere Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind. Auch hier ist es möglich, dass das weitere Kontaktierungsfeld und die weitere Kontaktierungsbahn gleichzeitig oder nacheinander aufgebracht werden. Ebenso kann das weitere Kontaktierungsfeld bis auf den weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt geführt sein. Ebenso ist denkbar, dass das weitere Kontaktierungsfeld und die weitere Kontaktierungsbahn eine einzige weitere Einheit bilden.

Das piezoelektrische Bauteil kann ein einziges, oben beschriebenes Piezoelement aufweisen. Vorzugsweise verfügt das piezoelektrische Bauteil über eine Mehrzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen. Das piezoelektrische Bauteil weist eine Vielschichtbauweise mit übereinander angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher ein piezoelektrisches Bauteil angegeben, wobei eine Mehrzahl von Piezoelementen übereinander zu einem Piezoelement-Stapel derart angeordnet ist, dass die Oberflächenabschnitte der Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt bilden, die Isolationsbahnen der Piezoelemente eine gemeinsame Stapel-Isolationsbahn bilden, die Kontaktierungsbahnen der Piezoelemente eine gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn (Sammelkontaktierungsbahn) bilden, die auf der gemeinsamen Stapel-Isolationsbahn derart aufgebracht ist, dass die gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschichten der Piezoelemente mittelbar über die Kontaktierungsfelder der Piezoelemente elektrisch kontaktiert und die gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
Vorzugsweise wird die Mehrzahl von Piezoelementen derart zu dem Piezoelement-Stapel angeordnet, dass die weiteren Oberflächenabschnitte der Piezoelemente einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt bilden, die weiteren Isolationsbahnen der Piezoelemente eine weitere gemeinsame Stapel-Isolationsbahn bilden, die weiteren Kontaktierungsbahnen der Piezoelemente eine weitere gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn bilden, die auf der gemeinsamen weiteren Stapel-Isolationsbahn derart aufgebracht ist, dass die weitere gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente mittelbar über die weiteren Kontaktierungsfelder der Piezoelemente elektrisch kontaktiert und die gemeinsame weitere Stapel-Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschichten der Piezoelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
Mit der vorgeschlagenen Einzelkontaktierung der Elektrodenschichten und der weiteren Elektrodenschichten kann eine Mehrschichtkondensatorstruktur realisiert sein: Die Elektrodenschichten und weiteren Elektrodenschichten begrenzen die piezoelektrische Schicht nicht vollflächig. Vorzugsweise aber begrenzen die Elektrodenschicht und die weitere Elektrodenschicht die piezoelektrische Schicht vollflächig. Das piezoelektrische Bauteil ist voll aktiv.
In einer besonderen Ausgestaltung sind der Oberflächenabschnitt mit dem Kontaktierungsfeld und der weitere Oberflächenabschnitt mit dem weiteren Kontaktierungsfeld an der gleichen Seite des Piezoelements angeordnet. In Folge davon sind der Stapel-Oberflächenabschnitt und der weitere Stapel-Oberflächenabschnitt beim Bauteil in Mehrschichtbauweise ebenfalls an einer gleichen Seite des Piezoelement-Stapels angeordnet. Denkbar ist aber auch, dass der Oberflächenabschnitt mit dem Kontaktierungsfeld und der weitere Oberflächenabschnitt mit dem weiteren Kontaktierungsfeld an verschiedenen Seiten des Piezoelements angeordnet sind. Der Stapel-Oberflächenabschnitt und der weitere Stapel-Oberflächenabschnitt sind an verschiedenen Seiten des Piezoelement-Stapels angeordnet.
Die Kontaktierungsfelder sind derart ausgestaltet, dass es jeweils zu einer Einzelkontaktierung der Elektrodenschichten kommt. Die Elektrodenschichten sind individuell kontaktiert. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist das Kontaktierungsfeld einen Kontaktierungsstreifen mit Längsausdehnung auf, die parallel zur Elektrodenschicht ausgerichtet ist, und/oder das weitere Kontaktierungsfeld weist einen weiteren Kontaktierungsstreifen mit weiterer Längsausrichtung auf, die parallel zur weiteren Elektrodenschicht ausgerichtet ist. Die Kontaktierungsfelder sind entlang der Oberflächenabschnitte angeordnet, an die die Elektrodenschichten geführt sind.
Das piezoelektrische Bauteil vollführt aufgrund der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten eine Expansion beziehungsweise Kontraktion. Besonders vorteilhaft ist es im Hinblick auf die Expansion und die Kontraktion des Piezoelements, dass die Kontaktierungsfelder als Kontaktierungsstreifen ausgestaltet sind, deren Längsausdehnungen parallel zu den Elektrodenschichten orientiert sind. Aufgrund dieser Orientierung entsteht im Wesentlichen kein mechanischer Stress in den Kontaktierungsstreifen, so dass hier nicht mit einem Ausfall aufgrund des mechanischen Stresses und der daraus resultierenden Rissbildung zu rechnen ist.
Wegen der Expansion und Kontraktion ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, das Kontaktierungsfeld, das weitere Kontaktierungsfeld, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn dehnbar ausgestaltet. Dies bedeutet, dass die Bahnen der Expansion und Kontraktion des Piezoelements und damit des Piezoelement-Stapels folgen können.
Eine dehnbare Ausgestaltung der Bahnen betrifft beispielsweise das verwendete Bahnmaterial. Als Isolationsmaterial eignet sich insbesondere ein Elastomer, beispielsweise ein Silikon-Elastomer.
Denkbar ist aber auch, dass die Bahnen entsprechend strukturiert sind. In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Bahnen Bahnkrümmungen auf. Die Bahnkrümmungen sorgen für die Dehnbarkeit der Bahnen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weisen die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, das Kontaktierungsfeld, das weitere Kontaktierungsfeld, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn mindestens eine Längsstrukturierung und/oder eine Querstrukturierung bezüglich der Stapelrichtung auf. Die Bahnen sind längs oder quer zur Stapelrichtung des Piezoelements beziehungsweise zur Stapelrichtung des Piezoelement-Stapels strukturiert. Die Strukturierungen sind derart ausgestaltet, dass die aufgrund der Expansion und Kontraktion im Piezoelement bzw. im Piezoelement-Stapel auftretenden mechanischen Zugspannungen in Scherspannungen umgewandelt werden. Eine Querstrukturierung führt zudem zu einer effizienten mechanischen Entkopplung der Bahnen von der Expansion und Kontraktion des Piezoelements bzw. des Piezoelement-Stapels. Eine Zugbelastung der Bahnen ist reduziert.
Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Dehnbarkeit (Flexibilität) der Bahnen können vorhanden sein. So ist insbesondere ein Bauteil denkbar, bei dem die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn eine in Stapelrichtung variierende Bahndicke (Bahnstärke) aufweist. Die Variation kann beispielsweise periodisch erfolgen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weisen die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn in Stapelrichtung einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf auf. Beispielsweise sind die Piezoelemente zu einem Piezoelement-Stapel angeordnet. Die Bahnen können an seitlichen Oberflächenabschnitten des Stapels in Stapelrichtung ausgerichtet sein. Denkbar ist beispielsweise auch, dass die Bahnen diagonal an einer Seitenfläche des Piezoelement-Stapels angeordnet sind.
Das piezoelektrische Material kann ein beliebiges Material sein. Vorzugsweise weist das piezoelektrische Material eine Piezokeramik auf. Bevorzugt ist dabei das Piezoelement monolithisch (einstückig). Dies bedeutet, dass die Elektrodenschicht, die weitere Elektrodenschicht und die Piezokeramikschicht in einem so gemeinsamen Sinterprozess (Cofiring) hergestellt werden. Bevorzugt ist der resultierende Piezoelement-Stapel ebenfalls monolithisch. Um einen derartigen, monolithischen Piezoelement-Stapel zu erhalten, werden beispielsweise piezokeramische Grünfolien, die mit Elektrodenmaterial bedruckt sind, übereinander gestapelt und gesintert. Beim Sintern entstehen die piezoelektrischen Schichten und die Elektrodenschichten.
Als Elektrodenmaterial sind verschiedene Metalle denkbar. Vorzugsweise weisen das Elektrodenmaterial, das weitere Elektrodenmaterial, das Kontaktierungsfeldmaterial, das weitere Kontaktierungsfeldmaterial, das Kontaktierungsbahnmaterial und/oder das weitere Kontaktierungsbahnmaterial mindestens ein aus der Gruppe Gold, Kupfer, Nickel, Palladium, Platin und Silber ausgewähltes Metall auf. Weitere Metalle sind ebenfalls denkbar. Die Materialien können nur aus den reinen Metallen bestehen. Denkbar sind aber auch Legierung der Metalle, beispielsweise eine Legierung aus Palladium und Silber.
Als Isolationsmaterialien sind beliebige elektrisch isolierende Werkstoffe denkbar. In einer besonderen Ausgestaltung weisen das Isolationsmaterial und/oder das weitere Isolationsmaterial mindestens einen aus der Gruppe Kunststoff (Polymer), Glas und/oder Keramik ausgewählten Isolationswerkstoff auf. Die Isolationsbahn und/oder die weitere Isolationsbahn ist aus einem Kunststoff-, einem Glas- oder Keramikwerkstoff hergestellt. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein Silikon-Elastomer, wie es als Passivierungsmaterial bei herkömmlichen Piezoaktoren eingesetzt wird. Beispielsweise ist das Silikon-Elastomer fluoriert, was zu einer erhöhten Stabilität gegenüber Kraftstoffen führt. Andere Polymere sind ebenfalls denkbar, beispielsweise Polyimid, Polyurethan, Epoxidharz oder ähnliches. Glas kann aus reinem Siliziumoxid bestehen. Denkbar ist aber auch eine Modifizierung des Siliziumdioxids mit einem Netzwerkwandler, beispielsweise Bariumoxid (BaO), Wismuthoxid (Bi₂O₃), Natriumoxid (Na₂O), Kaliumoxid (K₂O), Kalziumoxid (CaO), etc. Weitere Additive im Glas zur Senkung der Schmelztemperatur oder der Sintertemperatur sind ebenfalls denkbar. Diese Materialien sind beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder Magnesiumoxid (MgO). Vorteilhaft als Keramikwerkstoff der Isolationsbahn ist die Piezokeramik, die in den piezoelektrischen Schichten verwendet wird.
Zum Aufbringen der Isolationsbahn und/oder der weiteren Isolationsbahn wird auf bekannte Techniken wie Sprühtechnik, Siebdruck, Dispensen etc. zurückgegriffen. Bei der Verwendung der Polymerwerkstoffe wird dabei darauf geachtet, dass die für den Kunststoff maximal erträglichen Anwendungstemperaturen bei der Herstellung der Kontaktierungsbahnen nicht überschritten werden. Dies betrifft beispielsweise die Temperatur, bei der eine aufgetragene Metallpaste in die entsprechende Kontaktierungsbahn umgesetzt wird.
Zum Aufbringen des Kontaktierungsfeldes, des weiteren Kontaktierungsfeldes, der Kontaktierungsbahn und/oder der weiteren Kontaktierungsbahn wird bevorzugt eine Tinte oder Paste verwendet, die Metallpulver zumindest teilweise in Form von Nanopartikeln enthält. Dies bedeutet, dass sich ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser im Nanometerbereich befindet. Dieser Bereich erstreckt sich bevorzugt von 2 nm bis 100 nm. Diese Metallpulver zeichnen sich aufgrund ihrer großen Pulveroberfläche durch eine hohe Reaktivität aus. Damit fällt eine Umsetzungstemperatur relativ niedrig aus. Eine thermische Belastung des gesamten Bauteils und vor allen Dingen der Isolationsbahn ist gering.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende besonderen Vorteile:

– Mit Hilfe der strukturierten Außenelektrode ist es möglich, ein voll aktives piezoelektrisches Bauteil bereitzustellen, bei dem die Elektrodenschichten der Piezoelemente einzeln kontaktiert werden.
– Durch die Verwendung der Isolationsbahnen und der Kontaktierungsbahnen können die Elektrodenschichten individuell kontaktiert werden, wobei gleichzeitig für eine effiziente elektrische Isolierung zu den benachbarten Elektrodenschichten gesorgt ist.
– Aufgrund der Strukturierung der verwendeten Bahnen resultiert eine flexible Außenkontaktierung, die der Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Bauteils folgen kann. Es resultiert ein Bauteil mit hoher Zuverlässigkeit.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreue Abbildung dar.
1 zeigt ein stapelförmiges Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt.
2a zeigt einen Piezoelement-Stapel von der Seite.
2b zeigt den Piezoelement-Stapel der 2a in Aufsicht.
3a zeigt ein weiteres Beispiel eines Piezoelement-Stapels von der Seite.
3b zeigt den Piezoelement-Stapel aus 3a in Aufsicht.
4 zeigt einen Piezoelement-Stapel in einem seitlichen Querschnitt.
Nachfolgend werden verschiedene piezoelektrische Bauteile 1 beschrieben. Kern dieser piezoelektrischen Bauteile ist ein stapelförmiges Piezoelement 10, das aus einer Elektrodenschicht 12, einer weiteren Elektrodenschicht 13 und einer in Stapelrichtung 11 zwischen den beiden Elektroden angeordnete piezoelektrische Schicht 14 aufweist. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschicht und das weitere Elektrodenmaterial der weiteren Elektrodenschicht ist jeweils eine Silber-Palladium-Legierung. Das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht ist Blei-Zirkonat-Titanat, also eine Piezokeramik. Das Piezoelement ist monolithisch.
Gemäß den Ausführungsbeispielen liegt jeweils ein piezoelektrisches Bauteil in monolithischer Vielschichtbauweise vor. Es ist eine Mehrzahl von Piezoelementen in der Stapelrichtung 101 übereinander zu einem Piezoelement-Stapel 100 angeordnet. Den Abschluss der Piezoelement-Stapel bildet jeweils eine Deckplatte 110. Diese Deckplatten bestehen ebenfalls aus Blei-Zirkonat-Titanat. Allerdings sind die Deckplatten piezoelektrisch inaktiv, da hier kein elektrisches Feld eingekoppelt wird. Die Piezoelement-Stapel sind monolithisch. Die monolithischen Piezoelement-Stapel werden dadurch erzielt, dass keramische Grünfolien mit Elektrodenmaterial und mit weiterem Elektrodenmaterial bedruckt und übereinander gestapelt werden. Es resultiert ein vielschichtiger, piezokeramischer Grünkörper, der einer Entbinderung und nachfolgender Sinterung unterzogen wird. Durch das Sintern entsteht ein monolithischer Piezoelement-Stapel.
Das Bedrucken der keramischen Grünfolien erfolgt derart, dass in den Piezoelementen des Piezoelement-Stapels die Elektrodenschicht und/oder die weitere Elektrodenschicht die jeweils angrenzende piezoelektrische Schicht vollflächig begrenzen.
Die Elektrodenschicht erstreckt sich bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt 15 des Piezoelements. Die weitere Elektrodenschicht erstreckt sich bis an einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt 16 des Piezoelements. Am Oberflächenabschnitt 15 ist direkt auf die sich bis zum Oberflächenabschnitt erstreckende Elektrodenschicht ein Kontaktierungsfeld 17 aufgebracht. Das elektrische Kontaktierungsfeld 17 ist als Kontaktierungsstreifen 170 ausgestaltet. Der Kontaktierungsstreifen verfügt über eine Längsausdehnung 171. Die Längsausdehnung ist dabei parallel zur Elektrodenschicht angeordnet.
Auf das Kontaktierungsfeld 17 ist eine elektrische Isolationsbahn 19 zumindest teilweise aufgebracht. Das Isolationsmaterial der elektrischen Isolationsbahn ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein Silikon-Elastomer. Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist das Isolationsmaterial ein Glas. In einer dritten Ausführungsform ist das Isolationsmaterial Blei-Zirkonat-Titanat. Auf der Isolationsbahn ist eine Kontaktierungsbahn 21 derart aufgebracht, dass die Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht mittelbar über das Kontaktierungsfeld elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dagegen sind die Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert.
Die weitere Elektrodenschicht ist bis an einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt 16 des Piezoelementes geführt. Am weiteren Oberflächenabschnitt ist direkt auf der weiteren Elektrodenschicht ein weiteres elektrisches Kontaktierungsfeld 18 aufgebracht. Das weitere elektrische Kontaktierungsfeld 18 ist ebenfalls längs gestreckt, also als weiterer Kontaktierungsstreifen 180 ausgestaltet. Der weitere Kontaktierungsstreifen verfügt über eine weitere Längsausdehnung 181. Die weitere Längsausdehnung ist dabei parallel zur weiteren Elektrodenschicht angeordnet.
Auf das weitere Kontaktierungsfeld ist eine weitere Isolationsbahn 20 zumindest teilweise aufgebracht. Das weitere Isolationsmaterial der weiteren Isolationsbahn ist das Gleiche, wie das Isolationsmaterial der Isolationsbahn. Auf der weiteren Isolationsbahn ist eine weitere Kontaktierungsbahn 22 aufgebracht. Die weitere Kontaktierungsbahn 22 ist dabei derart auf der weiteren Isolationsbahn aufgebracht, dass die weitere Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über das weitere Kontaktierungsfeld elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dagegen sind die weitere Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert.
Im Piezoelement-Stapel sind die Piezoelemente derart übereinander angeordnet, dass die Oberflächenabschnitte der Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt 102 bilden. Die Isolationsbahnen der Piezoelemente führen zu einer gemeinsamen Stapel-Isolationsbahn 104. Ebenso sind die Kontaktierungsbahnen der Piezoelemente zu einer gemeinsamen Stapel-Kontaktierungsbahn 106 zusammengefasst. Gleiches trifft für die weiteren Elektrodenschichten zu: Die weiteren Oberflächenabschnitte der Piezoelemente bilden einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt 103, die weiteren Isolationsbahnen der Piezoelemente, eine weitere gemeinsame Stapel-Isolationsbahn 105 und die weiteren Kontaktierungsbahnen der Piezoelemente eine weitere Stapel-Kontaktierungsbahn 107. Zur Spannungsversorgung der Stapel-Kontaktierungsbahn ist ein elektrisches Anschlusselement 108 angelötet. Ein entsprechendes weiteres elektrisches. Anschlusselement 109 ist an die weitere Stapel-Kontaktierungsbahn angelötet. Über diese Anschlusselemente erfolgt die Spannungsversorgung der Elektrodenschichten und der weiteren Elektrodenschichten. Auf Grund der Anordnung der Elektrodenschichten und der weiteren Elektrodenschichten und aufgrund ihrer elektrischen Kontaktierung bzw. Isolierung können diese die Elektrodenschichten und die weiteren Elektrodenschichten mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden.
Gemäß einem ersten Beispiel sind der Oberflächenabschnitt mit dem Kontaktierungsfeld und der weitere Oberflächenabschnitt mit dem weiteren Kontaktierungsfeld an unterschiedlichen Seiten des Piezoelements angeordnet. Die Kontaktierung der Elektrodenschichten und die Kontaktierung der weiteren Elektrodenschichten erfolgt auf unterschiedlichen Seiten des Piezoelements und damit des Piezoelement-Stapels (2a und 2b).
Alternativ zum beschriebenen Beispiel sind der Oberflächenabschnitt mit dem Kontaktierungsfeld und der weitere Oberflächenabschnitt mit dem weiteren Kontaktierungsfeld an einer gleichen Seite 23 des Piezoelements angeordnet. Die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschicht und der weiteren Elektrodenschicht erfolgt von der gleichen Seite des Piezoelements und damit von der gleichen Seite des Piezoelement-Stapels (3a und 3b).
Die Kontaktierungs- und Isolationsbahnen können verschieden ausgeführt und verschieden am Piezoelemt-Stapel angeordnet sein. So ist gemäß 5a und 5c ein im Wesentlichen geradliniger Verlauf 26 vorgesehen. Gemäß 5a sind die Bahnen direkt in Stapelrichtung des Piezoelement-Stapels ausgerichtet. Gemäß 5c ist ein diagonaler Verlauf über die Seitenfläche des Piezoelement-Stapels realisiert. Abweichend vom geradlinigen Verlauf zeigt 5b Bahnen, die über Bahnkrümmungen 27 verfügen.
Neben einer Strukturierung, wie sie in 5b dargestellt ist, ist eine Strukturierung gemäß 4 ebenfalls vorgesehen: Die Bahnen verfügen über eine Querstrukturierung 24. Darüber hinaus weist die dargestellte weitere Isolationsbahn 105 eine in Stapelrichtung 101 des Gesamtstapels variierende Bahndicke 25 auf.
Zum Herstellen der Piezoelemente wird wie folgt vorgegangen: Es wird ein gesinterter Piezoelement-Stapel mit einer entsprechenden Anzahl von Piezoelementen bereitgestellt. Die Elektrodenschichten und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente begrenzen die jeweiligen piezoelektrischen Schichten vollflächig.
Nachfolgend wird die Isolationsbahn aufgebracht. Dazu wird eine nicht oder nur teilvernetzte Vorstufe des Isolationsmaterials strukturiert aufgetragen. Nachfolgendes Aushärten der Vorstufe führt zur entsprechenden Isolationsbahn beziehungsweise zur entsprechenden weiteren Isolationsbahn.
Nachfolgend werden die Kontaktierungsfelder auf den Oberflächenabschnitten beziehungsweise auf den Elektrodenschichten und die weiteren Kontaktierungsfelder auf den weiteren Oberflächenabschnitten beziehungsweise auf den weiteren Elektrodenschichten aufgebracht. Die Kontaktierungsfelder überdecken zumindest teilweise die Isolationsbahn. Es werden entsprechende Metallisierungen erzeugt. Dazu wird Kontaktierungstinte in einem Ink-Jet-Verfahren aufgetragen. Alternativ dazu wird die Kontaktierungstinte mittels Mikrosprühen aufgetragen. Die Kontaktierungstinte enthält ein Metallpulver in Form von Nanopartikeln.
Die aufgetragene Kontaktierungstinte wird anschließend eingebrannt. Auf die Isolationsbahn beziehungsweise auf die weitere Isolationsbahn wird wiederum die Kontaktierungsbahn beziehungsweise die weitere Kontaktierungsbahn mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahren aufgebracht. Abschließend erfolgt die elektrische Kontaktierung der Kontaktierungsbahn und der weiteren Kontaktierungsbahn durch Anlöten der entsprechenden elektrischen Anschlusselemente.
Verwendung findet das Bauteil zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.

Claims

Piezoelektrisches Bauteil (1) mit – mindestens einem stapelförmigen Piezoelement (10), das in Stapelrichtung (11) mindestens eine Elektrodenschicht (12) mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht (13) mit weiterem Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht (14) mit piezoelektrischem Material aufweist, wobei – sich die Elektrodenschicht bis an mindestens einen seitlichen Oberflächenabschnitt (15) des Piezoelements erstreckt, – auf dem Oberflächenabschnitt zur elektrische Kontaktierung der Elektrodenschicht mindestens ein Kontaktierungsfeld (17) mit Kontaktierungsfeldmaterial aufgebracht ist, – am Oberflächenabschnitt auf dem Kontaktierungsfeld und/oder auf der Elektrodenschicht mindestens eine elektrische Isolationsbahn (19) mit elektrischem Isolationsmaterial aufgebracht ist und – auf der Isolationsbahn mindestens eine elektrische Kontaktierungsbahn (21) mit Kontaktierungsbahnmaterial derart angeordnet ist, dass die Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht mittelbar über das Kontaktierungsfeld elektrisch leitend miteinander verbunden und die Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei – sich die weitere Elektrodenschicht bis an mindestens einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt (16) des Piezoelements erstreckt, – auf dem weiteren Oberflächenabschnitt zur elektrischen Kontaktierung der weiteren Elektrodenschicht mindestens ein weiteres Kontaktierungsfeld (18) mit Kontaktierungsfeldmaterial aufgebracht ist, – am weiteren Oberflächenabschnitt auf dem weiteren Kontaktierungsfeld und/oder auf der weiteren Elektrodenschicht mindestens eine weitere elektrische Isolationsbahn (20) mit weiterem elektrischen Isolationsmaterial aufgebracht ist und – auf der weiteren Isolationsbahn mindestens eine weitere Kontaktierungsbahn (22) mit weiterem Kontaktierungsbahnmaterial derart angeordnet ist, dass die weitere Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über das weitere Kontaktierungsfeld elektrisch leitend miteinander verbunden und die weitere Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Oberflächenabschnitt mit dem Kontaktierungsfeld und der weitere Oberflächenabschnitt mit dem weiteren Kontaktierungsfeld an einer gleichen Seite (23) des Piezoelements angeordnet sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Oberflächenabschnitt mit dem Kontaktierungsfeld und der weitere Oberflächenabschnitt mit dem weiteren Kontaktierungsfeld an verschiedenen Seiten des Piezoelements angeordnet sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrodenschicht und/oder die weitere Elektrodenschicht die piezoelektrische Schicht vollflächig begrenzen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kontaktierungsfeld einen Kontaktierungsstreifen (170) mit Längsausdehnung (171) aufweist, die parallel zur Elektrodenschicht ausgerichtet ist, und/oder das weitere Kontaktierungsfeld einen weiteren Kontaktierungsstreifen (180) mit weiterer Längsausdehnung (181) aufweist, die parallel zur weiteren Elektrodenschicht ausgerichtet ist.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 2 bis 6, wobei die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, das Kontaktierungsfeld, das weitere Kontaktierungsfeld, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn dehnbar ausgestalten sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, das Kontaktierungsfeld, das weitere Kontaktierungsfeld, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn mindestens eine Längsstrukturierung und/oder Querstrukturierung (24) bezüglich der Stapelrichtung aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn eine in Stapelrichtung variierende Bahndicke (25) aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn in Stapelrichtung einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf (26) aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Isolationsbahn, die weitere Isolationsbahn, die Kontaktierungsbahn und/oder die weitere Kontaktierungsbahn entlang Stapelrichtung mindestens eine Bahnkrümmung aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei das Elektrodenmaterial, das weitere Elektrodenmaterial, das Kontaktierungsfeldmaterial, das weitere Kontaktierungsfeldmaterial, das Kontaktierungsbahnmaterial und/oder das weitere Kontaktierungsbahnmaterial mindestens ein aus der Gruppe Gold, Kupfer, Nickel, Palladium, Platin und Silber ausgewähltes Metall aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei das Isolationsmaterial und/oder das weitere Isolationsmaterial mindestens einen aus der Gruppe Kunststoff, Glas und/oder Keramik ausgewählten Isolationswerkstoff aufweisen.
Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Mehrzahl von Piezoelementen übereinander zu einem Piezoelement-Stapel (100) derart angeordnet ist, dass – die Oberflächenabschnitte der Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt (102) bilden, – die Isolationsbahnen der Piezoelemente eine gemeinsame Stapel-Isolationsbahn (104) bilden, – die Kontaktierungsbahnen der Piezoelemente eine gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn (106) bilden, die auf der gemeinsamen Stapel-Isolationsbahn derart aufgebracht ist, dass die gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschichten der Piezoelemente mittelbar über die Kontaktierungsfelder der Piezoelemente elektrisch kontaktiert und die gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl von Piezoelementen derart zu dem Piezoelement-Stapel angeordnet ist, dass – die weiteren Oberflächenabschnitte der Piezoelemente einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt (102) bilden, – die weiteren Isolationsbahnen der Piezoelemente eine weitere gemeinsame Stapel-Isolationsbahn (105) bilden, – die weiteren Kontaktierungsbahnen der Piezoelemente eine weitere gemeinsame Stapel-Kontaktierungsbahn (107) bilden, die auf der gemeinsamen weiteren Stapel-Isolationsbahn derart aufgebracht ist, dass die weitere gemeinsame Stapel Kontaktierungsbahn und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente mittelbar über die weiteren Kontaktierungsfelder der Piezoelemente elektrisch kontaktiert und die gemeinsame weitere Stapel-Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschichten der Piezoelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils nach einem Ansprüche 1 bis 15 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen mindestens eines stapelförmigen Piezoelements mit einer Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und mindestens einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht, wobei sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt, b) Aufbringen mindestens einer Isolationsbahn auf den Oberflächenabschnitt, so dass die Elektrodenschicht zumindest teilweise frei zugänglich ist, und c) Aufbringen mindestens eines Kontaktierungsfeldes auf die frei zugängliche Elektrodenschicht und Aufbringen einer Kontaktierungsbahn auf die Isolationsbahn, so dass die Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht mittelbar über das Kontaktierungsfeld elektrisch kontaktiert und die Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18, wobei ein Piezoelement bereitgestellt wird, das mindestens eine weitere Elektrodenschicht aufweist, die sich bis an einen weiteren Oberflächenabschnitt des Piezoelements erstreckt, mit folgenden weiteren Verfahrensschritten: b') Aufbringen mindestens einer weiteren Isolationsbahn auf den weiteren Oberflächenabschnitt, so dass die weitere Elektrodenschicht zumindest teilweise frei zugänglich ist, und c') Aufbringen mindestens eines weiteren Kontaktierungsfeldes auf die frei zugänglichen weitere Elektrodenschicht und Aufbringen einer weiteren Kontaktierungsbahn auf die weitere Isolationsbahn, so dass die weitere Kontaktierungsbahn und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über das weitere Kontaktierungsfeld elektrisch miteinander verbunden und die weitere Kontaktierungsbahn und die Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17, wobei zum Aufbringen des Kontaktierungsfeldes, des weiteren Kontaktierungsfeldes, der Kontaktierungsbahn und/oder der weiteren Kontaktierungsbahn eine Tinte oder Paste verwendet wird, die Metallpulver zumindest teilweise in Form von Nanopartikeln enthält.
Verwendung eines piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Ansteuern eines Einspritzventils, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.