DE102010025659A1 - Piezoelectric component e.g. monolithic piezoceramic multilayer actuator, for controlling fuel injection valve of combustion engine for motor car, has piezoceramic layer comprising sodium, lithium, silver and ozone in specified composition - Google Patents

Piezoelectric component e.g. monolithic piezoceramic multilayer actuator, for controlling fuel injection valve of combustion engine for motor car, has piezoceramic layer comprising sodium, lithium, silver and ozone in specified composition Download PDF

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Dr. Schuh Carsten
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Abstract

The component e.g. monolithic piezoceramic multilayer actuator (1), has piezo elements (10) comprising electrode layers (11, 12) with electrode materials. A piezoceramic layer (13) is arranged between the electrode layers. One of the electrode materials comprises silver. The piezoceramic layer comprises potassium, sodium, lithium, silver, niobium, tantalum and ozone in specified stoichiometric composition. The piezo elements are arranged one above the other to form a piezo element stack. A mixed oxide of silver niobate is utilized in piezoceramic output composition of a piezoceramic material. An independent claim is also included for a method for manufacturing a piezoelectric component.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit einem bleifreien, piezokeramischen Werkstoff auf Basis eines mit Silber dotierten Kalium-Natrium-Niobats und ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils.The invention relates to a piezoelectric component with a lead-free, piezoceramic material based on a silver-doped potassium-sodium niobate and a method for producing the component.

Piezokeramische Werkstoffe auf der Basis des binären Mischsystems von Bleizirkonat und Bleititanat, so genannte Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (Pb(Ti,Zr)O3, PZT), werden wegen ihrer sehr guten mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise hohe Curie-Temperatur Tc von über 300°C oder hoher d33-Koeffizient im Groß- und Kleinsignalbereich, in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Piezoelektrische Bauteile mit diesen Werkstoffen sind beispielsweise Biegewandler, Vielschichtaktoren und Ultraschallwandler. Diese Bauteile werden in der Aktorik, der Medizintechnik, der Ultraschalltechnik oder der Automobiltechnik eingesetzt.Piezoceramic materials based on the binary mixed system of lead zirconate and lead titanate, so-called lead zirconate titanate ceramic (Pb (Ti, Zr) O 3 , PZT), are used because of their very good mechanical and piezoelectric properties, for example high Curie temperature T c of over 300 ° C or high d 33 coefficient in the large and small signal range, used in many areas of technology. Piezoelectric components with these materials are, for example, bending transducers, multilayer actuators and ultrasonic transducers. These components are used in actuators, medical technology, ultrasound technology or automotive engineering.

Mit Inkrafttreten der RoHS(Restriction of the use of certain hazardous substances)-Richtline im Jahr 2006 wurde der gesetzlich erlaubte Gehalt an Schwermetallen in elektrischen und elektronischen Bauteilen innerhalb der Europäischen Union (EU) stark beschränkt. Dies betrifft auch oben beschriebene Piezoelektrische Bauteile. Der Einsatz von Bauteilen mit PZT als piezokeramischen Werkstoff ist derzeit nur über eine befristete EU-Ausnahmegenehmigung möglich.With the entry into force of the Restriction of Hazardous Substances (RoHS) directive in 2006, the legally permitted levels of heavy metals in electrical and electronic components within the European Union (EU) were severely restricted. This also applies to the above-described piezoelectric components. The use of components with PZT as a piezoceramic material is currently only possible through a temporary EU exemption.

Im Hinblick auf eine verbesserte Umweltverträglichkeit ist beispielsweise aus der US 7,101,491 B2 ein viel versprechender bleifreier, phasenreiner piezokeramischer Werkstoff mit guten piezoelektrischen Eigenschaften bekannt. Der Werkstoff besteht aus einer Perowskit-Phase auf der Basis eines Kalium-Natrium-Niobats (KNN). Zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften des piezokeramischen Werkstoffs kann eine Vielzahl von Dotierungen vorhanden sein. Besonders gute piezoelektrische Eigenschaften werden mit Lithium, Tantal und/oder Antimon als Dotierungen erhalten.With regard to an improved environmental performance is for example from the US Pat. No. 7,101,491 B2 a promising lead-free, phase-pure piezoceramic material with good piezoelectric properties known. The material consists of a perovskite phase based on potassium niobate (KNN). To improve the piezoelectric properties of the piezoceramic material, a plurality of dopants may be present. Particularly good piezoelectric properties are obtained with lithium, tantalum and / or antimony as dopants.

Diese neuartigen Werkstoffe weisen aber im Vergleich zum PZT niedrigere elektrische Isolationswiderstände auf. Der Isolationswiderstand von PZT beträgt typischerweise 10 GΩcm bis 20 GΩcm (Messung mit 100 V, 60 s). Dagegen liegen die Isolationswiderstände der neuartigen bleifreien piezokeramischen Werkstoffe bei gleichen Messbedingungen im Bereich von 0,5 GΩcm bis 3 GΩcm.However, these new materials have lower electrical insulation resistance compared to the PZT. The insulation resistance of PZT is typically 10 GΩcm to 20 GΩcm (100 V, 60 s measurement). By contrast, the insulation resistances of the novel lead-free piezoceramic materials are in the range of 0.5 GΩcm to 3 GΩcm under the same measuring conditions.

Darüber hinaus sind diese neuartigen Werkstoffe hygroskopisch, d. h. sie neigen zur Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Umgebung (z. B. Luftfeuchtigkeit). Dies führt zu einer weiteren Verminderung des Isolationswiderstandes. Somit ist ein Einsatz piezoelektrischer Bauteile mit diesen neuartigen piezokeramischen Werkstoffen nur begrenzt möglich.In addition, these novel materials are hygroscopic, i. H. they tend to absorb moisture from the environment (eg humidity). This leads to a further reduction of the insulation resistance. Thus, a use of piezoelectric components with these novel piezoceramic materials is limited.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Bauteil mit einem bleifreien piezokeramischen Werkstoff anzugeben, das auch in feuchter Umgebung eingesetzt werden kann.The object of the invention is to provide a piezoelectric component with a lead-free piezoceramic material, which can also be used in a humid environment.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem Piezoelement angegeben, das eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht aufweist. Dabei weist zumindest eines der Elektrodenmaterialien elementares Silber auf. Der piezokeramische Werkstoff weist eine stöchiometrische Zusammensetzung [KxNayLiz)1-aAga]b(NbuTav)O3 auf. Darüber hinaus gelten folgende Zusammenhänge:

  • – 0 ≤ x ≤ 0,75;
  • – 0 ≤ y ≤ 0,75;
  • – 0 ≤ z ≤ 0,07;
  • – 0 ≤ a ≤ 0,5;
  • – 0,95 ≤ b ≤ 1,05;
  • – x + y + z + a = 1;
  • – 0 ≤ u ≤ 1;
  • – 0 ≤ v ≤ 0,4;
  • – u + v = 1.
To achieve the object, a piezoelectric component with at least one piezo element is specified, which has an electrode layer with electrode material, at least one further electrode layer with a further electrode material and at least one piezoceramic layer arranged between the electrode layers. At least one of the electrode materials has elemental silver. The piezoceramic material has a stoichiometric composition [K x Na y Li z ) 1-a Ag a ] b (Nb u Ta v ) O 3 . In addition, the following relationships apply:
  • - 0 ≤ x ≤ 0.75;
  • - 0 ≤ y ≤ 0.75;
  • - 0 ≤ z ≤ 0.07;
  • - 0 ≤ a ≤ 0.5;
  • - 0.95 ≤ b ≤ 1.05;
  • - x + y + z + a = 1;
  • - 0 ≤ u ≤ 1;
  • - 0 ≤ v ≤ 0.4;
  • - u + v = 1.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:

  • a) Bereitstellen mindestens einer keramischen Grünfolie mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und mit beidseitig an den Hauptflächen der Grünfolie angeordneten Elektrodenmaterialien;
  • b) Wärmebehandeln der Grünfolie, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Piezoelements und aus des Elektrodenmaterialien die Elektrodeschichten des Piezoelements entstehen.
To achieve the object, a method for producing the piezoelectric component is also specified with the following method steps:
  • a) providing at least one ceramic green sheet with a piezoceramic starting composition of the piezoceramic material and with electrode materials arranged on both sides on the main surfaces of the green sheet;
  • b) heat treating the green sheet, wherein the piezoceramic material of the piezoelectric element is formed from the piezoceramic starting composition and the electrode layers of the piezoelectric element are formed from the electrode materials.

Das piezoelektrische Bauteil weist einen bleifreien, piezokeramischen Werkstoff auf. Bleifrei bedeutet dabei, dass sehr geringe, nachweisbare Verunreinigungen an Blei, beispielsweise im pm-Bereich vorhanden sein können.The piezoelectric component has a lead-free piezoceramic material. Lead-free means that very small, detectable impurities can be present on lead, for example in the pm range.

Die grundlegende Erkenntnis der Erfindung liegt darin, dass sich durch die Dotierung der bleifreien KNN-Keramik mit Silber der elektrische Isolationswiderstand gegenüber dem elektrischen Isolationswiderstand einer undotierten KNN-Keramik verbessern lässt. Zudem neigt eine derartiger Werkstoff im Vergleich zur undotierten KNN-Keramik in deutlich geringerem Maße dazu, Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen. Dies führt zu einem zusätzlich verbesserten elektrischen Isolationswiderstand.The fundamental finding of the invention lies in the fact that the electrical insulation resistance to the electrical insulation resistance of an undoped KNN ceramic can be improved by doping the lead-free CNN ceramic with silver. Moreover, such a material tends to absorb moisture from the environment to a much lesser extent compared to the undoped KNN ceramic. This leads to an additionally improved electrical insulation resistance.

Zumindest eine der Elektrodenschichten weist Silber als Elektrodenmaterial auf. Vorzugsweise weisen aber beide Elektrodenschichten Silber als Elektrodenmaterial auf. Dabei kann reines Silber oder eine Silber-Legierung (z. B. Palladium-Silber) verwendet werden.At least one of the electrode layers has silver as electrode material. Preferably, however, both electrode layers have silver as the electrode material. In this case, pure silver or a silver alloy (eg palladium-silver) can be used.

Der piezokeramische Werkstoff des Piezoelements kann aus mehreren Phasen bestehen. Eine Haupt-Phase des Werkstoffs weist die stöchiometrische Zusammensetzung auf. Haupt-Phase bedeutet dabei, dass ein Anteil dieser Phase am gesamten piezokeramischen Werkstoff über 50 Vol.%, vorzugsweise über 75 Vol.% beträgt. Beispielsweise beträgt der Anteil der Haupt-Phase 90 Vol.%.The piezoceramic material of the piezoelectric element can consist of several phases. A major phase of the material has the stoichiometric composition. In this case, the main phase means that a proportion of this phase in the entire piezoceramic material is more than 50% by volume, preferably more than 75% by volume. For example, the proportion of the main phase is 90 vol.%.

Vorzugsweise ist der piezokeramische Werkstoff aber einphasig. Der Werkstoff weist im Wesentlichen eine einzige Phase mit der stöchiometrischen Zusammensetzung auf. Verunreinigungen im Bereich von wenigen Vol.% sind dabei möglich. Dadurch, dass der piezokeramische Werkstoff einphasig ist, resultiert ein hoch effizienter piezokeramischer Werkstoff.Preferably, however, the piezoceramic material is single-phase. The material essentially has a single phase with the stoichiometric composition. Impurities in the range of a few vol.% Are possible. The fact that the piezoceramic material is single-phase results in a highly efficient piezoceramic material.

Das piezoelektrische Bauteil kann ein einziges Piezoelement aufweisen. Insbesondere ist eine Vielzahl von übereinander zu einem Piezoelement-Stapel angeordneten Piezoelementen vorhanden. Vorzugsweise sind die Piezoelemente bündig gestapelt. Die Piezoelemente bilden eine gemeinsame, im Wesentlichen planare Stapel-Seitenfläche.The piezoelectric component may have a single piezoelectric element. In particular, a multiplicity of piezo elements arranged one above the other to form a piezoelement stack is present. Preferably, the piezo elements are stacked flush. The piezo elements form a common, substantially planar stack side surface.

Im Piezoelement-Stapel können benachbarte Piezoelemente gemeinsame Elektrodenschichten aufweisen. Somit resultiert ein piezoelektrisches Bauteil in Vielschichtbauweise mit abwechselnd übereinander angeordneten Piezokeramikschichten und Elektrodenschichten.In the piezoelectric element stack, adjacent piezoelectric elements may have common electrode layers. Thus results in a piezoelectric component in multi-layer construction with alternately stacked piezoceramic layers and electrode layers.

Prinzipiell kann jedes beliebige piezoelektrische Bauteil mit dem piezokeramischen Werkstoff ausgestattet sein. Vorzugsweise ist das piezoelektrische Bauteil mit dem Piezoelement aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt. Das Piezoelement ist beispielsweise Bestandteil eines piezoelektrischen Biegewandlers. Denkbar ist auch, dass das Piezoelement Bestandteil eines monolithischen, piezokeramischen Vielschichtaktors ist. Dieser piezokeramische Vielschichtaktor wird vorzugsweise zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Durch die stapelförmige Anordnung der Piezoelemente ist auch, bei geeigneter Dimensionierung und Form, ein piezokeramischer Ultraschallwandler zugänglich. Der Ultraschallwandler wird beispielsweise in der Medizintechnik oder zur Materialprüfung eingesetzt.In principle, any piezoelectric component can be equipped with the piezoceramic material. Preferably, the piezoelectric component with the piezoelectric element is selected from the group of piezoceramic bending transducers, piezoceramic multilayer actuator, piezoceramic transformer, piezoceramic motor and piezoceramic ultrasonic transducer. The piezoelectric element is for example part of a piezoelectric bending transducer. It is also conceivable that the piezoelectric element is part of a monolithic, piezoceramic multilayer actuator. This piezoceramic multilayer actuator is preferably used to control a fuel injection valve of an internal combustion engine. Due to the stacked arrangement of the piezoelectric elements, a piezoceramic ultrasonic transducer is also accessible, with suitable dimensioning and shape. The ultrasonic transducer is used for example in medical technology or for material testing.

Für die Herstellung des piezokeramischen Werkstoffs können beliebige Ausgangsmaterialien eingesetzt werden. Vorteilhaft wird zum Bereitstellen zum Bereitstellen des Grünkörpers ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen von Metallen der stöchiometrischen Zusammensetzung zum Bilden der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung durchgeführt. Dabei können neben Oxiden der Metalle, wie Natriumoxid (Na2O), Kaliumoxid (K2O) oder Niobtrioxid (Nb2O3) auch Vorstufen der Oxide der Metalle, beispielsweise Carbonate oder Oxalate eingesetzt werden. Beide Arten von Metallverbindungen, also die Vorstufen der Oxide sowie die Oxide selbst, können als oxidische Metallverbindungen bezeichnet werden.Any starting materials can be used for the production of the piezoceramic material. Advantageously, to provide the green body, a mixing of powdered oxidic metal compounds of metals of the stoichiometric composition to form the piezoceramic starting composition is performed. Besides oxides of the metals, such as sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O) or niobium trioxide (Nb 2 O 3 ), it is also possible to use precursors of the oxides of the metals, for example carbonates or oxalates. Both types of metal compounds, ie the precursors of the oxides and the oxides themselves, can be referred to as oxidic metal compounds.

Die Pulver der oxidischen Metallverbindungen können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Sol-Gel-, dem Citrat-, dem Hydrothermal- oder dem Oxalat-Verfahren. Dabei können oxidische Metallverbindungen mit nur einer Art Metall hergestellt werden. Denkbar ist insbesondere auch, dass oxidische Metallverbindungen mit mehren Arten von Metallen eingesetzt werden (Mischoxide). Es wird eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einem Mischoxid mit mindestens zwei der Metalle der stöchiometrischen Zusammensetzung verwendet. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird dabei als Mischoxid Silberniobat (AgNbO3) verwendet. The powders of the oxidic metal compounds can be prepared by known processes, for example by the sol-gel, citrate, hydrothermal or oxalate process. In this case, oxidic metal compounds can be produced with only one kind of metal. It is also conceivable, in particular, that oxidic metal compounds are used with a plurality of types of metals (mixed oxides). A piezoceramic starting composition having at least one mixed oxide with at least two of the metals of the stoichiometric composition is used. According to a particular embodiment, silver niobate (AgNbO 3 ) is used as the mixed oxide.

Zum Bereitstellen von Mischoxiden kann auch auf die oben erwähnten Fällungreaktionen zurückgegriffen werden. Denkbar ist auch ein Mixed-Oxide-Verfahren. Dabei werden pulverförmige Oxide der Metalle miteinander vermischt und bei höheren Temperaturen kalziniert. Beim Kalzinieren entstehen die Mischoxide.For providing mixed oxides, it is also possible to resort to the abovementioned precipitation reactions. Also conceivable is a mixed-oxide process. In this case, powdery oxides of the metals are mixed together and calcined at higher temperatures. Calcination results in mixed oxides.

Der Grünkörper, beispielsweise eine Grünfolie, kann mindestens ein organisches Additiv aufweisen. Das organische Additiv ist beispielsweise ein Binder oder ein Dispergator. So wird ein solches Additiv mit den Oxiden der Metalle zu einem Schlicker verarbeitet. Aus dem Schlicker wird in einem Formgebungsprozess die Grünfolie erzeugt. Die Grünfolie wird die durch den Formgebungsprozess „Folienziehen” (Folien-Zieh-Prozess) hergestellt.The green body, for example a green sheet, may have at least one organic additive. The organic additive is, for example, a binder or a dispersant. Thus, such an additive is processed with the oxides of the metals to a slurry. The green film is produced from the slurry in a shaping process. The green sheet is made by the forming process "film drawing".

Die Elektrodenmaterialien werden beispielsweise in Form einer Silber haltigen Paste mit Hilfe eines Siebdruck-Verfahrens auf zumindest einer der Hauptflächen der Grünfolie aufgetragen. Die Wärmebehandlung umfasst neben einem Entbindern der Grünfolie ein gemeinsames Sintern des eingesetzten keramischen Materials und des eingesetzten Elektrodenmaterials. In einem solchen als „cofiring” bezeichneten Prozess entsteht ein monolithisches (einstückiges) Piezoelement. Im Hinblick auf eine Vielzahl übereinander gestapelter Piezoelemente werden beispielsweise keramische Grünfolien einseitig mit Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, entbindert und gesintert. Es entsteht ein piezoelektrisches Bauteil in monolithischer Vielschichtbauweise. Die Elektrodenschichten werden hier als Innenelektroden bezeichnet.The electrode materials are applied, for example in the form of a silver-containing paste by means of a screen printing process on at least one of the main surfaces of the green sheet. In addition to debindering the green sheet, the heat treatment comprises a common sintering of the ceramic material used and of the electrode material used. In such a process called "cofiring", a monolithic (one-piece) piezoelectric element is created. With regard to a plurality of stacked piezoelectric elements, for example, ceramic green sheets are printed on one side with electrode material, stacked on top of one another, debinded and sintered. The result is a piezoelectric component in a monolithic multilayer construction. The electrode layers are referred to herein as internal electrodes.

Zum Herstellen des piezokeramischen Werkstoffs wird vorzugsweise auf den so genannten „templated grain growth process” (TGG)-Prozess zurückgegriffen. Dabei werden beispielsweise Textur-Keime mit der stöchiometrischen Zusammensetzung der Hauptphase in die keramische Grünfolie eingebracht. An den Textur-Keimen findet im Verlauf der Wärmebehandlung (Sintern) ein epitaktisches Wachstum von Kristalliten mit der stöchiometrischen Zusammensetzung statt. Die Textur-Keime sind Kristallisations-Keime und fungieren als Schablonen. Sie bilden eine Matrix, anhand der Kristallite der Keramik mit der stöchiometrischen Zusammensetzung im Verlauf des Sinterprozesses orientiert aufwachsen.To produce the piezoceramic material, use is preferably made of the so-called "templated grain growth process" (TGG) process. For example, texture nuclei with the stoichiometric composition of the main phase are introduced into the ceramic green sheet. During the heat treatment (sintering) epitaxial growth of crystallites with the stoichiometric composition takes place on the texture germs. The texture germs are crystallization nuclei and act as templates. They form a matrix by means of which crystallites of ceramics with the stoichiometric composition are grown in the course of the sintering process.

Es können aber auch Textur-Keime eingesetzt werden, die eine von der Zusammensetzung der Haupt-Phase abweichende Textur-Keim-Zusammensetzung aufweisen. Dadurch entsteht allerdings ein zumindest zweiphasiger keramischer Werkstoff.However, it is also possible to use texture germs which have a texture-germ composition deviating from the composition of the main phase. However, this creates an at least two-phase ceramic material.

Folgende Vorteile sind mit der Erfindung:

  • – Durch die Dotierung der bleifreien KNN-Keramik mit Silber wird der elektrische Isolationswiderstand gegenüber dem elektrischen Isolationswiderstand einer undotierten KNN-Keramik erhöht.
  • – Im resultierenden Gefüge des piezokeramischen Werkstoffs des Piezoelements erhöhen sich im Vergleich zur undotierten KNN-Keramik eine Sinterdichte und eine mittlere Korngröße der entstehenden Keramik-Kristallite.
  • – Es stellt sich ein im Vergleich zur undotierten KNN-Keramik verbessertes Alterungsverhalten ein. Piezoelektrische Kennwerte ändern sich im Verlauf der Zeit nicht oder nur geringfügig und bleiben im Wesentlichen gleich.
  • – Ein piezoelektrisches Bauteil in Vielschichtbauweise weist sehr unterschiedliche Bereiche auf (piezoelektrisch aktive und inaktive Bereiche, eventuell Deckpakete oder gradierte Bereiche mit unterschiedlichen Elektrodenstrukturen, etc.) Bezüglich dieser unterschiedlichen Bereiche können prinzipiell unterschiedliche Verdichtungs- und Schwindungsverhalten der Piezokeramik beim Sintern auftreten. Durch die Kombination von Silber haltigem Elektrodenmaterial und Silber haltiger KNN-Keramik gelingt eine Anpassung des Schwindungs-Verhaltens der verschiedenen Bereiche aneinander.
  • – Durch die Dotierung der KNN-Keramik mit Silber wird eine Eindiffusion von Silber aus den Innenelektroden in die KNN-Keramik während des Sinterns vermindert bzw. nahezu ganz unterdrückt. Dadurch wird die Gefahr einer Degradation der Innenelektroden verringert.
The following advantages are with the invention:
  • - By doping the lead-free CNN ceramic with silver, the electrical insulation resistance to the electrical insulation resistance of an undoped KNN ceramic is increased.
  • - In the resulting structure of the piezoceramic material of the piezoelectric element increase in comparison to the undoped KNN ceramic, a sintering density and an average grain size of the resulting ceramic crystallites.
  • - There is an improved compared to the undoped KNN ceramic aging behavior. Piezoelectric characteristics do not change or only slightly over time and remain essentially the same.
  • - A piezoelectric component in multilayer construction has very different areas (piezoelectrically active and inactive areas, possibly deck packages or graded areas with different electrode structures, etc.) With respect to these different areas in principle different compression and shrinkage behavior of the piezoceramic can occur during sintering. The combination of silver-containing electrode material and silver-containing KNN ceramics allows an adaptation of the shrinkage behavior of the different areas to one another.
  • - By doping the KNN ceramic with silver, a diffusion of silver from the inner electrodes into the KNN ceramic during sintering is reduced or almost completely suppressed. This reduces the risk of degradation of the internal electrodes.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.With reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.

1 zeigt ein keramisches Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt. 1 shows a ceramic piezoelectric element in a lateral cross-section.

2 zeigt ein piezoelektrisches Bauteil mit einer Vielzahl von Piezoelementen in einem seitlichen Querschnitt. 2 shows a piezoelectric component having a plurality of piezo elements in a lateral cross-section.

3 zeigt den d33-Koeffizienten der piezokeramischen Werkstoffe, die bei unterschiedlichen Sintertemperaturen gesintert wurden, bei einer Feldstärke von 2 kV/mm. 3 33 shows the d coefficients of the piezoceramic materials that were sintered at different sintering temperatures at a field strength of 2 kV / mm.

4 zeigt den Verlustwinkel tanδ der Ausführungsbeispiele. 4 shows the loss angle tanδ of the embodiments.

5 zeigt die Permittivität der Ausführungsbeispiele. 5 shows the permittivity of the embodiments.

Gegeben ist ein einphasiger, bleifreier piezokeramischer Werkstoff. Der Werkstoff weist folgende stöchiometrische Zusammensetzung auf: KxNayLiz)1-aAga)b(NbuTav)O3. Der Werkstoff ist eine KNN-Keramik, die mit Silber dotiert (Ag-Dotierung) ist.Given is a single-phase, lead-free piezoceramic material. The material has the following stoichiometric composition: K x Na y Li z ) 1-a Ag a ) b (Nb u Ta v ) O 3 . The material is a CNN ceramic doped with silver (Ag doping).

Die Ausführungsbeispiele umfassen folgende Effektiv-Zusammensetzungen: Ag-Dotierung [mol.%] x y z a u v Sinterdichte [g/cm3] 0 0,4462 0,5238 0,0300 0 0,8100 0,1900 4,77 0,5 0,4440 0,5212 0,0299 0,0050 0,8109 0,1891 4,81 1,0 0,4418 0,5186 0,0287 0,0099 0,8119 0,1881 4,84 3,0 0,4332 0,5085 0,0291 0,0291 0,8155 0,1845 4,84 5,0 0,4250 0,4989 0,0286 0,0476 0,8190 0,1810 4,91 The embodiments include the following effective compositions: Ag doping [mol.%] x y z a u v Sintered density [g / cm 3 ] 0 .4462 .5238 0.0300 0 .8100 .1900 4.77 0.5 .4440 .5212 0.0299 0.0050 .8109 0.1891 4.81 1.0 0.4418 .5186 0.0287 0.0099 .8119 .1881 4.84 3.0 .4332 .5085 0.0291 0.0291 .8155 0.1845 4.84 5.0 .4250 .4989 0.0286 0.0476 .8190 .1810 4.91

Die Ag-Dotierung von 0 mol.% ist nicht durch die Erfindung erfasst und fungiert lediglich als Referenz. Gesintert wurde bei einer Temperatur von 1140°C, 1150°C oder von 1160°C. Dabei ergab sich jeweils eine Sinterdichte von ca. 4,8 g/cm3.The 0 mol% Ag doping is not covered by the invention and is for reference only. Sintering was carried out at a temperature of 1140 ° C, 1150 ° C or 1160 ° C. This resulted in each case a sintering density of about 4.8 g / cm 3 .

Zur Charakterisierung der dielektrischen Eigenschaften der piezokeramischen Werkstoffe wird eine Probe in Form einer Tablette aus dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt. Dazu werden pulverförmige, oxidische Ausgangsstoffe miteinander zu einem keramischen Grünkörper in Form einer Tablette verpresst und bei Temperaturen von 1140°C, 1150°C bzw. 1160°C gesintert. Für Silber wird das Silber-Niobat eingesetzt. Auf die Hauptflächen der jeweils resultierenden Tablette werden Elektrodenschichten aus Silber aufgebracht, über die in die Keramik ein elektrisches Feld eingekoppelt wird. Es entsteht ein Piezoelement mit Elektrodenschichten aus Silber und dazwischen angeordneter Piezokeramikschicht mit dem jeweiligen piezokeramischen Werkstoff.To characterize the dielectric properties of the piezoceramic materials, a sample in the form of a tablet of the piezoceramic material is produced. For this purpose, pulverulent, oxidic starting materials are pressed together to form a ceramic green body in the form of a tablet and sintered at temperatures of 1140 ° C, 1150 ° C and 1160 ° C, respectively. For silver, the silver niobate is used. On the main surfaces of each resulting tablet electrode layers of silver are applied, via which an electric field is coupled into the ceramic. The result is a piezoelectric element with electrode layers of silver and arranged therebetween piezoceramic layer with the respective piezoceramic material.

Bei den Sintertemperaturen von 1140°C und 1150°C sind die d33-Koeffizienten der piezokeramischen Werkstoffe gegenüber der undotierten KNN-Keramik erhöht (3). Dagegen sind die d33-Koeffizienten der piezokeramischen Werkstoffe gegenüber der undotierten KNN-Keramik bei einer Sintertemperatur von 1160°C gleich bzw. etwas erniedrigt.At the sintering temperatures of 1140 ° C. and 1150 ° C., the d 33 coefficients of the piezoceramic materials are increased compared to the undoped KNN ceramics ( 3 ). In contrast, the d 33 coefficients of the piezoceramic materials compared to the undoped KNN ceramic at a sintering temperature of 1160 ° C are the same or slightly lowered.

Es stellen sich bei den Sintertemperaturen 1140°C und 1150°C Verlustwinkel tanδ von 2% bis 3% ein. Dem gegenüber sind die Verlustwinkel bei der Sintertemperatur von 1160°C erhöht.There are 1140 ° C and 1150 ° C loss angle tanδ from 2% to 3% at the sintering temperatures. On the other hand, the loss angles at the sintering temperature of 1160 ° C are increased.

Im Vergleich zur Permittivität der undotierten KNN-Keramik ist die Permittivität der piezokeramischen Werkstoffe mit Ag-Dotierung, die bei 1160°C gesintert wurde, durchweg erhöht. Bei einer Sinterung bei 1140°C oder 1150°C ergeben sich Permittivitäten, die mit der Permittivität der undotierten und bei gleichen Sintertemperaturen gesinterten KNN-Keramik vergleichbar ist.In comparison to the permittivity of the undoped KNN ceramic, the permittivity of the piezoceramic materials with Ag doping, which was sintered at 1160 ° C., is consistently increased. Sintering at 1140 ° C or 1150 ° C results in permittivities comparable to the permittivity of the undoped and CNN ceramic sintered at the same sintering temperatures.

Der elektrische Isolationswiderstand der Ausführungsbeispiele ist gegenüber der undotierten KNN-Keramik erhöht.The electrical insulation resistance of the embodiments is increased compared to the undoped KNN ceramic.

In Anlehnung an das beschriebene Verfahren zur Herstellung der Proben wird ein piezoelektrisches Bauteil 1 mit dem piezokeramischen Werkstoff hergestellt. Das piezoelektrische Bauteil 1 ist gemäß einer ersten Ausführungsform ein Piezoaktor 1 in monolithischer Vielschichtbauweise (2). Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Piezoelementen 10 (1). Jedes der Piezoelemente 10 weist eine Elektrodenschicht 11, eine weitere Elektrodenschicht 12 und eine zwischen den Elektrodenschichten 11 und 12 angeordnete Piezokeramikschicht 13 auf. Die im Stapel benachbarten Piezoelemente 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf. Die Elektrodenschichten 11 und 12 bestehen aus (annähernd) reinem Silber. In einer dazu alternativen Ausführungsform weisen die Elektrodenschichten 11 und 12 ein Elektrodenmaterial aus einer Silber-Palladium-Legierung auf, bei der Palladium zu einem Anteil von 5 Gew.% enthalten ist.Based on the described method for producing the samples is a piezoelectric component 1 made with the piezoceramic material. The piezoelectric component 1 is according to one first embodiment, a piezoelectric actuator 1 in monolithic multilayer construction ( 2 ). The piezo actuator 1 consists of a plurality of piezo elements arranged one above the other to form a stack 10 ( 1 ). Each of the piezo elements 10 has an electrode layer 11 , another electrode layer 12 and one between the electrode layers 11 and 12 arranged piezoceramic layer 13 on. The piezo elements adjacent in the stack 10 each have a common electrode layer. The electrode layers 11 and 12 consist of (nearly) pure silver. In an alternative embodiment, the electrode layers 11 and 12 an electrode material of a silver-palladium alloy in which palladium is contained in a proportion of 5% by weight.

Die Grünfolien werden getrocknet, mit einer Paste mit dem Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, laminiert, entbindert und zum Piezoaktor 1 unter oxidierender Sinteratmosphäre (Silber oder Silber-Palladium-Legierung als Elektrodenmaterial) gesintert.The green sheets are dried, printed with a paste with the electrode material, stacked on top of one another, laminated, debinded and transferred to the piezoactuator 1 sintered under oxidizing sintering atmosphere (silver or silver-palladium alloy as electrode material).

Der resultierende monolithische piezokeramische Vielschichtaktor wird zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.The resulting monolithic piezoceramic multilayer actuator is used to actuate a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle.

Weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen wie piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Transformator oder piezokeramischer Ultraschallwandler mit dem neuen piezokeramischen Werkstoff sind ebenfalls zugänglich.Further, not shown embodiments such as piezoceramic bending transducer, piezoceramic transformer or piezoceramic ultrasonic transducer with the new piezoceramic material are also accessible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7101491 B2 [0004] US 7101491 B2 [0004]

Claims (8)

Piezoelektrisches Bauteil (1) mit mindestens einem Piezoelement, das eine Elektrodenschicht (11) mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht (12) mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (11, 12) angeordnete Piezokeramikschicht (13) aufweist, wobei zumindest eines der Elektrodenmaterialien elementares Silber aufweist, der piezokeramische Werkstoff eine stöchiometrische Zusammensetzung [KxNayLiz)1-aAga]b(NbuTav)O3 aufweist und folgende Zusammenhänge gelten: – 0 ≤ x ≤ 0,75; – 0 ≤ y ≤ 0,75; – 0 ≤ z ≤ 0,07; – 0 ≤ a ≤ 0,5; – 0,95 ≤ b ≤ 1,05; – x + y + z + a = 1; – 0 ≤ u ≤ 1; – 0 ≤ v ≤ 0,4; – u + v = 1.Piezoelectric component ( 1 ) having at least one piezoelectric element which has an electrode layer ( 11 ) with electrode material, at least one further electrode layer ( 12 ) with a further electrode material and at least one between the electrode layers ( 11 . 12 ) arranged piezoceramic layer ( 13 ), wherein at least one of the electrode materials has elemental silver, the piezoceramic material has a stoichiometric composition [K x Na y Li z ) 1-a Ag a ] b (Nb u Ta v ) O 3 and the following relationships apply: - 0 ≤ x ≤ 0.75; - 0 ≤ y ≤ 0.75; - 0 ≤ z ≤ 0.07; - 0 ≤ a ≤ 0.5; - 0.95 ≤ b ≤ 1.05; - x + y + z + a = 1; - 0 ≤ u ≤ 1; - 0 ≤ v ≤ 0.4; - u + v = 1. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei der Werkstoff im Wesentlichen eine einzige Phase aufweist.A piezoelectric device according to claim 1, wherein the material has substantially a single phase. Piezoelektrisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Vielzahl von übereinander zu einem Piezoelement-Stapel angeordneten Piezoelementen.Piezoelectric component according to claim 1 or 2 with a plurality of piezo elements arranged one above the other to form a piezoelement stack. Piezoelektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezokeramische Bauteil (1) aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt ist.Piezoelectric component according to one of claims 1 to 3, wherein the piezoceramic component ( 1 ) is selected from the group piezoceramic bending transducer, piezoceramic multilayer actuator, piezoceramic transformer, piezoceramic motor and piezoceramic ultrasonic transducer. Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen mindestens einer keramischen Grünfolie mit einer piezokeramischen Ausgangszusammensetzung des piezokeramischen Werkstoffs und mit beidseitig an den Hauptflächen der Grünfolie angeordneten Elektrodenmaterialien; b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung der piezokeramische Werkstoff des Bauteils (1) und aus des Elektrodenmaterialien die Elektrodeschichten entstehen.Method for producing a piezoceramic component ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, comprising the following process steps: a) provision of at least one ceramic green sheet with a piezoceramic starting composition of the piezoceramic material and with electrode materials arranged on both sides on the main surfaces of the green sheet; b) heat treating the green body, wherein from the piezoceramic starting composition of the piezoceramic material of the component ( 1 ) and from the electrode materials the electrode layers are formed. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zum Bereitstellen des Grünkörpers ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen von Metallen der stöchiometrischen Zusammensetzung zum Bilden der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung durchgeführt wird.The method of claim 5, wherein for providing the green body, mixing of powdery oxidic metal compounds of metals of the stoichiometric composition to form the piezoceramic starting composition is performed. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einem Mischoxid mit mindestens zwei der Metalle der stöchiometrischen Zusammensetzung verwendet wird.The method of claim 6, wherein a piezoceramic starting composition having at least one compound oxide with at least two of the metals of the stoichiometric composition is used. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Mischoxid Silber-Niobat verwendet wird.A method according to claim 7, wherein silver niobate is used as the mixed oxide.
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