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Die
Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit photostrukturierter
Einzelkontaktierung der Innenelektroden. Daneben werden ein Verfahren zum
Herstellen des Bauteils und eine Verwendung des Bauteils angegeben.
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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.
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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.
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Üblicherweise
ist zur Kontaktierung der Elektrodenschichten eine sogenannte Mehrlagenkondensator-Struktur
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.
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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.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie die Elektrodenschichten
eines Piezoelements eines piezoelektrischen Bauteils elektrisch
unabhängig
voneinander und zuverlässig kontaktiert
werden können.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil angegeben mit mindestens
einem stapelförmigen
Piezoelement, 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 elektrische
Kontaktierung der Elektrodenschicht mindestens ein mittels Photostrukturierung
hergestelltes Kontaktierungsfeld (Kontaktierungspad) mit Kontaktierungsfeldmaterial
aufgebracht ist und eine Außenelektrode
mit Außenelektrodenmaterial
derart angeordnet ist, dass die Außenelektrode mittelbar über das
Kontaktierungsfeld mit der Elektrodenschicht elektrisch leitend
verbunden und von der weiteren Elektrodenschicht elektrisch isoliert
ist. Das Kontaktierungsfeld ist unter Verwendung einer Photostrukturierung
hergestellt.
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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
mittels weiterer Photostrukturierung Kontaktierungsfeld mit Kontaktierungsfeldmaterial
aufgebracht ist und eine weitere Außenelektrode mit weiterem Außenelektrodenmaterial
derart angeordnet ist, dass die weitere Außenelektrode mittelbar über das
weitere Kontaktierungsfeld mit der weiteren Elektrodenschicht elektrisch
leitend verbunden und von der Elektrodenschicht elektrisch isoliert
ist.
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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 eines Kontaktierungsfeldes auf den
Oberflächenabschnitt
zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht mittels Photostrukturierung
und
- c) Verbinden mindestens einer Außenelektrode und des Kontaktierungsfeld
derart, dass die Außenelektrode
und die Elektrodenschicht mittelbar über das Kontaktierungsfeld
elektrisch leitend verbunden und die Außenelektrode und die weitere Elektrodenschicht
elektrisch voneinander isoliert sind. Die aufgebrachte photoempfindliche
Schicht wird belichtet. Mit Hilfe der photoempfindlichen Schicht
können
auf lichtoptischem Weg feinste Strukturen erzeugt werden. Die Photostrukturierung
beinhaltet ein Aufbringen einer photoempfindlichen Schicht, eine
Belichtung der Schicht und ein anschließendes Auswaschen von nicht umgesetztem
Schichtmaterial. Vorteilhaft schließt sich eine Wärmebehandlung
an.
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Vorzugsweise
wird ein Piezoelement bereitgestellt, das mindestens eine weitere
Elektrodenschicht aufweist, die sich bis an einen weiteren Oberflächenabschnitt
des Piezoelements erstreckt. Zusätzlich
werden folgende weitere Verfahrensschritte durchgeführt:
- b')
Aufbringen mindestens eines weiteren Kontaktierungsfeldes auf den
weiteren Oberflächenabschnitt
zur elektrischen Kontaktierung der weiteren Elektrodenschicht mittels
weiterer Photostrukturierung und
- c') Verbinden
mindestens einer weiteren Außenelektrode
und des weiteren Kontaktierungsfeld derart, dass die weitere Außenelektrode
und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über das weitere Kontaktierungsfeld
elektrisch leitend verbunden und die weitere Außenelektrode und die weitere Elektrodenschicht
elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die
grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, zur Kontaktierung
der Elektrodenschichten die photostrukturierten Kontaktierungsfelder
bereitzustellen. Die Kontaktierungsfelder werden mit den Außenelektroden
verbunden. Im Fall mehrerer übereinander
gestapelter Piezoelemente (siehe unten) fungiert die Außenelektrode
als Sammelelektrode, die die Kontaktierungsfelder der Piezoelemente
miteinander verbindet.
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Das
piezoelektrische Bauteil kann ein einziges, oben beschriebenes Piezoelement
aufweisen. Vorzugsweise verfügt
das piezoelektrische Bauteil über
eine Mehrzahl von übereinander
gestapelten Piezoelementen auf. Das piezoelektrische Bauteil weist
eine Vielschichtbauweise mit übereinander
angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten.
Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung ist eine Mehrzahl von Piezoelementen übereinander
zu einem Piezoelement-Stapel derart angeordnet, dass die Oberflächenabschnitte
der Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt
bilden, die Außenelektroden
der Piezoelemente eine gemeinsame Stapel-Außenelektrode bilden, die derart
angeordnet ist, dass die gemeinsame Stapel-Außenelektrode und die Elektrodenschichten der
Piezoelemente mittelbar über
die Kontaktierungsfelder der Piezoelemente elektrisch kontaktiert und
die gemeinsame Stapel-Außenelektrode
und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente elektrisch
voneinander isoliert sind.
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Vorzugsweise
ist die Mehrzahl von Piezoelementen derart zu dem Piezoelement-Stapel
angeordnet, dass die weiteren Oberflächenabschnitte der Piezoelemente
einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt bilden, die Außenelektroden
der Piezoelemente eine gemeinsame weitere Stapel-Außenelektrode
bilden, die derart angeordnet ist, dass die gemeinsame weitere Stapel-Außenelektrode
und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente mittelbar über die
weiteren Kontaktierungsfelder der Piezoelemente elektrisch kontaktiert und
die gemeinsame weitere Stapel-Außenelektrode und die Elektrodenschichten
der Piezoelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
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Mit
der vorgeschlagenen Einzelkontaktierung der Elektrodenschichten
und der weiteren Elektrodenschichten kann eine Mehrschichtkondensatorstruktur
(Elektrodenschichten mit Kammstruktur) 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.
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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.
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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.
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In
einer besonderen Ausgestaltung sind die Außenelektrode Bestandteil eines
Lead-Frames und die weitere Außenelektrode
Bestandteil eines weiteren Leadframes. Ein Leadframe besteht beispielsweise
aus einem strukturierten Metallrahmen. Der Metallrahmen enthält Leiterbahnen.
Damit sind definierte elektrische Verbindungen zu den Elektrodenschichten
eines Piezoelements bzw. eines Piezoelement-Stapels möglich. Somit
können
die Elektrodenschichten elektrisch individuell angesteuert werden.
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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.
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Als
Elektrodenmaterial sind verschiedene Metalle denkbar. Insbesondere
weisen das weitere Elektrodenmaterial, das Kontaktierungsfeldmaterial, das
weitere Kontaktierungsfeldmaterial, das Außenelektrodenmaterial und/oder
das weitere Außenelektrodenmaterial
mindestens ein aus der Gruppe Gold, Kupfer, Nickel, Palladium, Platin
und Silber ausgewähltes
Metall auf.
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In
einer besonderen Ausgestaltung weist die photoempfindliche Schicht
eine Vorstufe eines Isolationsmaterials auf, das bei der Photostrukturierung durch
Wärmebehandlung
in das Isolationsmaterial umgesetzt wird. Durch Einwirken von Licht
wird die photoempfindliche Schicht vor der Wärmebehandlung strukturiert.
Die unbelichteten Bereiche werden entfernt. So können gezielt Isolationsfelder
(isolierende Gereicht) auf den Oberflächenabschnitten erzeugt werden.
Alternativ dazu oder in Kombination damit weist die photoempfindliche
Schicht eine Vorstufe des Kontaktierungsmaterials auf, das bei der Photostrukturierung
durch Einwirken von Licht in das Kontaktierungsfeldmaterial umgesetzt
wird.
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Verwendung
findet das piezoelektrische Bauteil, insbesondere das Bauteil in
monolithischer Vielschichtbauweise zum Ansteuern eines Einspritzventils,
insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.
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Zusammenfassend
ergeben sich mit der Erfindung folgende besondere Vorteile:
- – Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt eine individuelle Positionierung der Kontaktierungsfelder
bzw. von Isolationsflächen
an Oberflächenabschnitte
eines piezoelektrischen Bauteils.
- – Die
Erfindung erlaubt es erlaubt eine individuelle Kontaktierung der
Elektroden und weiteren Elektroden, und damit eine Homogenisierung
der elektrischen und mechanischen Felder im Bauteil
- – Es
wird eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erreicht, da der Strukturierungsprozess
zur Herstellung der individuellen Kontaktierungsfelder und/oder
der Isolationsfelde lichtoptisch erfolgt. Bei den übrigen Prozessschritten
werden alle Strukturen parallel erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt damit einen entscheidenden Schlüssel für die Zuverlässigkeitserhöhung, Erhöhung der
Regelgenauigkeit sowie Kontrollierbarkeit des piezoelektrischen
Bauteils dar. Insbesondere wird damit die Verbindungstechnik zwischen
den Innenelektroden des keramischen Multilager-Bauteils mit den
charakteristischen Anforderungen an Miniaturisierung und extremer
Lagetoleranz und einem Leadframe zur Weiterkontaktierung an die Ansteuerschaltung
gelöst.
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Anhand
mehrer Ausführungsbeispiele
und der dazugehörigen
Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch
und stellen keine maßstabsgetreue
Abbildung dar.
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1 zeigt
ein stapelförmiges
Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt.
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2a zeigt
einen Piezoelement-Stapel von der Seite.
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2b zeigt
den Piezoelement-Stapel der 2a in
Aufsicht.
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3 zeigt
eine stereomikroskopische Aufnahme von Kontaktierungsfeldern aus
Silber
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4 zeigt
eine stereomikroskopische Aufnahme von Isolationsfeldern aus dielektrischem
Material.
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Kern
des piezoelektrischen Bauteils 1 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.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
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 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.
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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.
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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.
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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 in einer Ausführungsform
als Kontaktierungsstreifen 170 ausgestaltet (3).
Der Kontaktierungsstreifen verfügt über eine
Längsausdehnung 171.
Die Längsausdehnung
ist dabei parallel zur Elektrodenschicht angeordnet.
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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. In einer Ausführungsform
ist das weitere elektrische Kontaktierungsfeld 18 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 (3).
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Im
Piezoelement-Stapel sind die Piezoelemente derart übereinander
angeordnet, dass die Oberflächenabschnitte
die Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt 102 bilden. Die
Außenelektroden
der Piezoelemente ist zu einer gemeinsamen Stapel-Außenelektrode 104 zusammengefasst.
Gleiches trifft für
die weiteren Elektrodenschichten zu: Die weiteren Oberflächenabschnitte
der Piezoelemente bilden einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt 103 und
die weiteren Außenelektroden
der Piezoelemente eine weitere Stapel-Außenelektrode 105.
Zur Spannungsversorgung der Stapel-Kontaktierungsbahn ist ein elektrisches
Anschlusselement 108 angelötet. Ein entsprechendes weiteres
elektrisches Anschlusselement 109 ist an die weitere Stapel-Kontaktierungsbahn
angelötet.
In der Darstellung der 2B sind weder die beiden Leadframes
noch die beiden Anschlusselemente aufgelöst. 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.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
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
(1).
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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 (vgl. 2a und 2b).
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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.
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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.
Dazu wird eine photoempfindliche Schicht aufgebracht und nachfolgend belichtet.
Zur Photostrukturierung können
verschiedene Wege beschritten werden:
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Verfahrensvariante 1:
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Es
wird eine photoempfindliche Schicht flächig aufgebracht. Diese Schicht
enthält
organische und anorganische Komponenten, die nach einer geeigneten
Wärmebehandlung
elektrisch leitfähige Funktionsschichten
ergeben
Anschließend
wird die Lage der Elektrodenschichten an der Piezoelement durch
optische, physikalische oder chemische Verfahren bestimmt.
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Nachfolgend
wird eine Belichtung der fotoempfindlichen Schicht an den ermittelten
Positionen durchgeführt,
an denen die Kontaktierungsfelder entstehen sollen. Dabei erfolgt
eine Aushärtung
und Einstellung chemischer Resistenz gegen Ablösung durch organische Lösungsmittel.
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Im
Anschluss daran wird der unbelichteten Bereiche der fotoempfindlichen
Schicht durch ein Lösungsmittel
entfernt.
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Schließlich wird
eine Wärmebehandlung
des Bauteils zur thermischen Zersetzung organischer Bestandteile
und Einstellung der erforderlichen elektrischen Eigenschaften der
Kontaktierungsfelder durchgeführt.
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Verfahrensvariante 2:
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Es
wird eine photoempfindliche Schicht auf der seitlichen Oberfläche des
Piezoelement-Stapels flächig
aufgebracht. Diese Schicht enthält – im Unterschied
zur Verfahrensvariante 1 – organische
und anorganische Komponenten, die nach einer geeigneten Wärmebehandlung
die nach einer geeigneten Wärmbehandlung
elektrisch isolierende Funktionsschichten ergeben.
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Anschließend wird
die Lage der Elektrodenschichten des Piezoelement-Stapels durch
optische, physikalische oder chemische Verfahren bestimmt, an denen
keine Kontaktierungsfelder, sondern Isolationsfelder 41 entstehen
sollen.
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Nachfolgend
wird eine Belichtung der fotoempfindlichen Schicht an den ermittelten
Positionen durchgeführt.
Dabei erfolgt eine Aushärtung
und Einstellung chemischer Resistenz gegen Ablösung durch organische Lösungsmittel.
Es entstehen entsprechende Isolationsfelder.
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Im
Anschluss daran wird der unbelichteten Bereiche der fotoempfindlichen
Schicht durch ein Lösungsmittel
entfernt. Schließlich
wird eine Wärmebehandlung
des Bauteils zur thermischen Zersetzung organischer Bestandteile
und Einstellung der erforderlichen elektrischen Isolationseigenschaften durchgeführt.
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Verfahrensvariante 3:
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Diese
Variante beinhaltet eine Kombination der Verfahrensvariante 1 und
2, bei der sowohl strukturierte, elektrisch leitfähige Bereiche
zur Kontaktierung der Innenelektrodenlagen als auch strukturierte, elektrisch
isolierende Bereiche zur Isolierung der leitfähigen Strukturen an der Oberfläche hergestellt
werden.
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Für alle drei
Verfahrensvarianten gilt: Nach Herstellung der Kontaktierungsfelder
bzw. der Isolationsfelder auf jeder zweiten Innenelektrode erfolgt
die Zuführung
und Anbindung einer Außenelektrode, beispielsweise
Metallnetz, Metallblech, Bonddraht, elektrisch leitendes Polymer
etc., an die freiliegende Elektrodenschichten (Innenelektroden-Linien)
oder das Kontaktierungsfeld durch Bonden, Löten, Schweißen und Kleben.
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Zur
Herstellung von Feinlinien im Hinblick auf die Herstellung der Kontaktierungsfelder
und der Isolationsfelder wurde beispielsweise der FODEL® Prozess
der Firma DuPont untersucht. Er beinhaltet die Herstellung feiner
Strukturen über
die Belichtung und Entwicklung fotoempfindlicher Schichten. Die
für die Herstellung
benötigten
Prozessschritte sind:
- • Siebdruck der fotoempfindlichen
Schicht
- • Belichtung über eine
Maske im Kontaktverfahren
- • Entwicklung
mit Na2CO3-Lösung
- • Einbrennen
der belichteten Strukturen
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Es
wurden jeweils eine leitfähige
Paste und eine Dielektrikumspaste untersucht:
- 1)
Dielektrikum QM44F FODEL® Multilager Dielectric
- 2) Silber-Paste FODEL® 6778 Silver Conductor
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Die
Entwicklung erfolgte im Sprühverfahren mit
1%iger Na2CO3-Lösung. Nach
der Entwicklung wurden die Strukturen bei 850°C/10 min eingebrannt. Über den
FODEL® Prozess
ließen
sich Ag Elektroden mit einer Stärke
von 20 μm
bei Verwendung einer Maske mit 20 μm breiten Linien und Dielektrikumsschichten
mit einer Stärke
von 130 μm
bei Verwendung einer Maske mit 50 μm breiten Linien herstellen. Stereomikroskopische
Aufnahmen der Strukturen sind in den 3 und 4 dargestellt.
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Da
die Innenelektroden nicht in einem festen Raster angeordnet sind,
wird der Masken-Belichtungsprozess durch eine Belichtung mit einer
variablen fokussierten Strahlquelle, z. B. einem Laser ersetzt.
Hierfür
ist beispielsweise ein frequenzverdreifachter Nd-YAG-Laser geeignet
mit einer Wellenlänge
im UV-Bereich bei 355 nm.
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Verwendung
findet das Bauteil zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.