DE102010049311A1

DE102010049311A1 - Piezoelektrisches Aktorbauelement

Info

Publication number: DE102010049311A1
Application number: DE102010049311A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rinner Franz
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-23
Also published as: DE102010049311B4

Abstract

Ein piezoelektrisches Aktorbauelement (1000) umfasst eine Vielzahl von ersten leitfähigen Schichten (10), die untereinander elektrisch verbunden sind, eine Vielzahl von zweiten leitfähigen Schichten (20), die untereinander elektrisch verbunden sind, und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel (100) angeordneten piezoelektrischen Schichten (40). In dem Stapel (100) der piezoelektrischen Schichten sind erste Bereiche (1) enthalten, in denen die ersten leitfähigen Schichten (10) untereinander verbunden sind, und zweite Bereiche (2) vorgesehen, in denen die zweiten leitfähigen Schichten (20) untereinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktorbauelement mit Elektrodenschichten, die zwischen piezoelektrischen Schichten angeordnet sind, wobei erste der Elektrodenschichten und zweite der Elektrodenschichten miteinander verbunden sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements, bei dem piezoelektrische Schichten, die mit leitfähigen Schichten beschichtet sind, in einem Stapel angeordnet sind und erste der leitfähigen Schichten miteinander verbunden sind und zweite der leitfähigen Schichten miteinander verbunden sind.
Ein Piezoaktor umfasst eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, die übereinander gestapelt angeordnet sind. Zwischen den piezoelektrischen Schichten befinden sich elektrisch leitfähige Schichten. Erste der Schichten sind an ein erstes Spannungspotenzial angeschlossen und zweite der leitfähigen Schichten sind an ein zweites Spannungspotenzial angeschlossen. Beim Anlegen einer Spannung an die leitfähigen Schichten dehnen sich die piezoelektrischen Schichten des Aktorbauelements aus.
Zum Betreiben des Aktorbauelements werden erste der leitfähigen Schichten an ein erstes Spannungspotenzial angeschlossen und zweite der leitfähigen Schichten an ein zweites von dem ersten Spannungspotenzial verschiedenes Potenzial angeschlossen. Die ersten leitfähigen Schichten sind jeweils untereinander verbunden und die zweiten leitfähigen Schichten sind jeweils untereinander verbunden.
Bei einer möglichen Realisierung eines Aktorbauelements werden die ersten der leitfähigen Schichten bis zu einer ersten Seitenfläche des Aktorbauelements herausgeführt. Von einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche sind die ersten leitfähigen Schichten beabstandet angeordnet. Die zweiten leitfähige Schichten erstrecken sich bis zu der zweiten Seitenfläche und sind zu der ersten Seitenfläche beabstandet angeordnet. Somit entstehen durch die ersten leitfähigen Schichten entlang der ersten Seitenfläche Isolationszonen, an denen die piezolektrischen Schichten nicht von den ersten leitfähigen Schichten bedeckt sind. Weitere Isolationszonen, an denen ein Teil der piezoelektrischen Schichten nicht von den zweiten leitfähigen Schichten beschichtet ist, entsteht entlang der zweiten Seitenfläche.
Im Bereich der Isolationszonen wirkt beim Anlegen einer Spannung kein elektrisches Feld. Da sich im Bereich dieser Isolationszonen die piezokeramischen Schichten weder remanent, noch unter Spannung dehnen und die Isolationszonen über die gesamte Länge des Aktors vorliegen, können in den elektrisch leitfähigen Schichten Polungsrisse auftreten. Derartige Risse treten beim Polen der piezoelektrischen Schichten zur Ausrichtung der Domänen für den Piezoeffekt als auch im späteren Betrieb auf.
Da infolge der Polungsrisse die Metallisierung einreißt, ist eine weitere Außenkontaktierung über die Länge des Aktors erforderlich. Dazu kann beispielsweise entlang der gesamten ersten und zweiten Seitenfläche des Aktors eine metallische Kontaktfläche angeordnet werden, die über eine Vielzahl von Drähten (Drahtharfen-Kontaktierung) zum Anlegen einer Spannung kontaktiert werden.
Polungsrisse infolge der unterschiedlichen Dehnung der piezoelektrischen Schichten im Bereich der Elektrodenschichten und der Isolationszonen können des Weiteren Kurzschlüsse zwischen den Schichten hervorrufen. Folgeschäden am Aktor können durch Eindringen von Substanzen in den piezoelektrischen Schichtstapel entstehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Aktorbauelement anzugeben, bei dem zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnete erste leitfähige Schichten und zweite leitfähige Schichten auf stabile und zuverlässige Weise verbunden werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements anzugeben, bei dem eine Verbindung zwischen ersten leitfähigen Schichten und zweiten leitfähigen Schichten, auf stabile und zuverlässige Weise ermöglicht wird.
Eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst eine Vielzahl von ersten leitfähigen Schichten, die untereinander elektrisch verbunden sind, eine Vielzahl von zweiten leitfähigen Schichten, die untereinander elektrisch verbunden sind und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel angeordneten piezoelektrischen Schichten, wobei auf jeder der piezoelektrischen Schichten eine der ersten und zweiten leitfähigen Schichten angeordnet ist. Die ersten leitfähigen Schichten sind von den zweiten leitfähigen Schichten elektrisch isoliert. In dem Stapel der piezoelektrischen Schichten sind erste Bereiche enthalten, in denen jeweils eine der ersten leitfähigen Schichten mit einer weiteren der ersten leitfähigen Schichten verbunden ist und in denen jeweils eine der zweiten leitfähigen Schichten unterbrochen ist. In dem Stapel der piezoelektrischen Schichten sind des Weiteren zweite Bereiche enthalten, in denen die eine der zweiten leitfähigen Schichten mit einer weiteren der zweiten leitfähigen Schichten verbunden ist und in denen jeweils die eine der ersten leitfähigen Schichten unterbrochen ist.
Somit kann eine Verbindung der Innenelektroden des Aktorbauelements untereinander durch Löcher oder Unterbrechungen in den Keramikfolien hergestellt werden. Die Löcher können beispielsweise vor dem Stapeln in die Folien gestanzt werden. Beim Verpressen des Schichtstapels werden die Löcher in dem Schichtstapel geschlossen und ein Kontakt zwischen den Innenelektroden hergestellt. Die Verbindungsstellen müssen so gestaltet und verteilt sein, dass sie durch das Verpressen geschlossen werden. Dadurch kann das Niveau der Zug- und Scherspannungen, die durch Dehnung des piezoelektrischen Aktors entstehen, unter der Grenze bleiben, bei der Risse entstehen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements angegeben. Gemäß dem Verfahren werden piezoelektrische Schichten bereitgestellt, wobei eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung in jeder der piezoelektrischen Schichten angebracht wird. Jeweils eine Seite der piezoelektrischen Schichten wird mit einer leitfähigen Schicht derart beschichtet, dass sich die leitfähige Schicht bis zu einem Rand der ersten Aussparung erstreckt und von einem Rand der zweiten Aussparung beabstandet angeordnet ist, wodurch zwischen dem Rand der zweiten Aussparung und der leitfähigen Schicht eine Isolationszone gebildet wird. Die piezoelektrischen Schichten werden in einem Stapel derart übereinander angeordnet, dass jeweils die erste Aussparung einer der piezoelektrischen Schichten ohne Versatz über der zweiten Aussparung einer weiteren der piezoelektrischen Schichten angeordnet ist. Die übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten werden derart verpresst, dass jeweils an Bereichen in dem Stapel der piezoelektrischen Schichten, an denen die erste und zweite Aussparung übereinander angeordnet sind, eine der leitfähigen Schichten mit einer weiteren der leitfähigen Schichten verbunden wird.
Weitere Ausführungsformen des piezoelektrischen Aktorbauelements und des Verfahrens zum Herstellen des piezoelektrischen Aktorbauelements sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines Schichtstapels eines piezoelektrischen Aktorbauelements,
2A eine Vielzahl von mit leitfähigen Schichten beschichtete piezoelektrische Schichten vor einem Stapeln,
2B eine Vielzahl von mit leitfähigen Schichten beschichtete piezoelektrische Schichten nach einem Stapeln und vor einem Verpressen,
2C eine Vielzahl von mit leitfähigen Schichten beschichtete piezoelektrische Schichten nach einem Verpressen,
3A eine Ausführungsform einer mit einer leitfähigen Schicht beschichteten piezoelektrischen Schicht,
3B eine weitere Ausführungsform einer mit einer leitfähigen Schicht beschichteten piezoelektrischen Schicht,
4 einen Stapel von übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten nach einem Verpressen,
5 eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten zum Anordnen in einem Stapel eines Aktorbauelements,
6A einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Stapels von piezoelektrischen Schichten eines Aktorbauelements vor einem Verpressen,
6B einen weiteren Querschnitt einer Ausführungsform eines Stapels von piezoelektrischen Schichten eines Aktorbauelements vor einem Verpressen,
7 eine Ausführungsform einer Stapelanordnung aus piezoelektrischen Schichten mit untereinander verbundenen elektrischen Schichten,
8 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Stapels von piezoelektrischen Schichten eines Aktorbauelements,
9A einen ersten Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Stapels von piezoelektrischen Schichten eines Aktorbauelements,
9B einen weiteren Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Stapels von piezoelektrischen Schichten eines Aktorbauelements,
9C einen weiteren Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Stapels von piezoelektrischen Schichten eines Aktorbauelements.
1 zeigt ein piezoelektrisches Aktorbauelement 1000 mit piezoelektrischen Schichten 40, die in einem Schichtstapel 100 angeordnet sind. Zwischen den piezoelektrischen Schichten sind abwechselnd leitfähige Schichten 10 und 20 angeordnet. Dazu können die piezoelektrischen Schichten 40 jeweils mit einer der leitfähigen Schichten 10 und 20 beschichtet sein. Nach dem Stapeln der piezoelektrischen und der leitfähigen Schichten wird die Vielschichtstruktur zur Verfestigung verpresst und gemeinsam gesintert.
Beim Anlegen eines ersten Spannungspotenzials an die leitfähigen Schichten 10 und eines zweiten von dem ersten Spannungspotenzial verschiedenen Potenzial tritt eine Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten auf. Bei dem Aktorbauelement 1000 sind der leitfähigen Schichten 10 untereinander durch Löcher oder Unterbrechungen in den piezoelektrischen Schichten 40 verbunden. In den piezoelektrischen Schichten 40 sind weitere Löcher oder Unterbrechungen vorgesehen, durch die die leitfähigen Schichten 20 untereinander verbunden sind. Die Löcher beziehungsweise Unterbrechungen können vor dem Stapeln in die piezoelektrischen Schichten gestanzt werden. Beim Verpressen des Schichtstapels werden die Löcher geschlossen und ein Kontakt zwischen jeweils den Elektrodenschichten 10 und jeweils den Elektrodenschichten 20 hergestellt.
2A zeigt eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 40, die jeweils mit einer der leitfähigen Schicht 10, 20 beschichtet sind. Vor dem Stapeln werden beispielsweise die piezoelektrischen Schichten 41, 42, 43, 44 und 45, auf denen jeweils eine der leitfähigen Schichten 10 oder 20 angeordnet ist, bereitgestellt. Im Beispiel der 2A ist eine piezoelektrische Schicht 43 mit einer leitfähigen Beschichtung 12 versehen. Auf einer piezoelektrischen Schicht 42 ist eine leitfähige Beschichtung 21 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 41 ist mit einer leitfähigen Schicht 11 beschichtet. Auf der darüber angeordneten piezoelektrischen Schicht 44 ist die leitfähige Schicht 22 angeordnet. Über der piezoelektrischen Schicht 44 ist eine weitere piezoelektrische Schicht 45, die ebenfalls mit einer leitfähigen Schicht versehen ist, angeordnet.
In jeder der piezoelektrischen Schichten werden jeweils zwei Aussparungen 50 und 60 angeordnet. Die Aussparungen können als durch die piezoelektrische Schicht 40 hindurchgehende Löcher oder Unterbrechungen ausgebildet sein. Um eine der beiden Aussparungen 60 wird eine Isolationszone gebildet, indem sich die leitfähige Schicht nicht bis zum Rand der Aussparung erstreckt, sondern von dem Rand beabstandet angeordnet ist. Zwischen dem Rand der Aussparung und der leitfähigen Schicht wird somit durch die hochohmige piezoelektrische Schicht 40 eine Isolationszone gebildet.
Die in 2A gezeigten piezoelektrischen Schichten 41, ..., 45 weisen jeweils eine Aussparung 50 und eine Aussparung 60 in Form eines durchgehenden Loches durch die jeweilige piezoelektrische Schicht auf. Die Aussparung 50 ist derart ausgebildet, dass sich die auf der piezoelektrischen Schicht angeordnete leitfähige Schicht bis zu einem Rand der Aussparung 50 sich erstreckt. Die Aussparung 60 ist derart ausgebildet, dass die leitfähige Schicht 10 oder 20 von einem Rand der Aussparung 60 beabstandet angeordnet ist, so dass zwischen dem Rand der Aussparung 60 und der leitfähigen Schicht 10, 20 eine Isolationszone mit hochohmigen Eigenschaften entsteht.
Die piezoelektrischen Schichten 41, ..., 45 sind derart angeordnet, dass jeweils eine Aussparung 50 fluchtend beziehungsweise ohne seitlichen Versatz über einer Aussparung 60 liegt.
Ein Abschnitt derjenigen piezoelektrischen Schicht, die über der Aussparung 50 vorgesehen ist, ist an einer Unterseite, die der darunter angeordneten piezoelektrischen Schicht beziehungsweise der Aussparung 50 zugewandt ist, mit einer leitfähigen Schicht 30 versehen.
2B zeigt die piezoelektrischen Schichten 41, ..., 45 nach einem Stapeln zu einer Schichtanordnung 100. Die piezoelektrischen Schichten sind derart angeordnet, dass die Aussparung 50 einer piezoelektrischen Schicht über der Aussparung 60 der darunter angeordneten piezoelektrischen Schicht ausgerichtet ist. Dadurch entstehen in dem Schichtstapel Bereiche 1 und Bereiche 2, in denen die piezoelektrischen Schichten unterbrochen sind.
2C zeigt den piezoelektrischen Schichtstapel nach einem Verpressen. Infolge der von oben und unten auf die Stapelanordnung beim Verpressen wirkenden Kräfte tritt im Hohlraum des Bereichs 1 und im Hohlraum des Bereichs 2 ein Verfließen der piezoelektrischen Schichten beziehungsweise der Elektrodenschichten ein.
Im Bereich 1 ist die leitfähige Schicht 11 und die leitfähige Schicht 12 beziehungsweise die piezoelektrische Schicht 44 und die piezoelektrische Schicht 43 derart verformt, dass die leitfähigen Schichten 11 und 12 miteinander kontaktiert sind. Die leitfähigen Schichten 11 und 12 sind von der dazwischen angeordneten leitfähigen Schicht 21 isoliert, da die leitfähige Schicht 21 von dem Rand der Aussparung 60 der piezoelektrischen Schicht 42 beabstandet angeordnet ist. Die leitfähigen Schichten 11 und 12 gehören zu den leitfähigen Schichten 10, die beispielsweise mit einem positiven Potenzial verbunden werden.
Im Bereich 2 der Stapelanordnung 100 hat sich aufgrund des Verfließens der piezoelektrischen Schichten 42 und 45 eine Verbindung zwischen den leitfähigen Schichten 21 und 22 gebildet. Die leitfähigen Schichten 21 und 22 sind von der dazwischen angeordneten leitfähigen Schicht 11 isoliert, da die leitfähige Schicht 11 von dem Rand der Aussparung 60 der piezoelektrischen Schicht 41 beabstandet angeordnet ist. Die leitfähigen Schichten 21 und 22 gehören zu den leitfähigen Schichten 20, die beispielsweise mit einem negativen Potenzial verbunden werden. Um ein ausreichendes Zusammenfließen der Kontaktschichten 10 und der Kontaktschichten 20 zu erreichen, müssen die Durchmesser der Aussparungen in den Bereichen 1 und 2 wesentlich größer sein als der doppelte Innenelektrodenabstand der Schichten 10 beziehungsweise 20.
3A zeigt eine Ausführungsform einer piezoelektrischen Schicht 40, die eine Aussparung 50 und eine Aussparung 60 aufweist. Die Aussparungen 50 und 60 sind bei der in 3A dargestellten Ausführungsform im inneren Bereich der piezoelektrischen Schicht vorgesehen. Die Aussparungen sind jeweils als Löcher ausgebildet, die durch das gesamte Material der piezoelektrischen Schicht hindurchgehen. Die Aussparung 50 ist derart ausgebildet, dass sich die leitfähige Schicht 10, 20 bis zu einem Rand 51 der Aussparung 50 erstreckt.
Im Bereich der Aussparung 60 ist die leitfähige Schicht 10, 20 nicht bis zum Rand 61 der Aussparung angeordnet. Stattdessen ist die piezoelektrische Schicht 40 derart beschichtet, dass die leitfähige Schicht 10, 20 von dem Rand 61 der Aussparung 60 beabstandet angeordnet ist. Somit entsteht zwischen dem Rand 61 und der leitfähigen Schicht 10, 20 eine hochohmige Isolationszone 62, die durch das nichtleitende Material der piezoelektrischen Schicht 40 gebildet wird.
3B zeigt eine weitere Ausführungsform einer piezoelektrischen Schicht 40, wobei die Aussparungen 50 und 60 am Rand der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind. Die leitfähige Schicht 10, 20, mit der die piezoelektrische Schicht 40 beschichtet ist, reicht bis zum Rand 51 der Aussparung 50. Im Bereich der Aussparung 60 ist die leitfähige Schicht 10, 20 von dem Rand 61 der Aussparung 60 beabstandet angeordnet, so dass eine hochohmige Isolationszone 62 gebildet wird.
4 zeigt einen Querschnitt durch piezoelektrische Schichten und leitfähige Schichten eines Schichtstapels der 2C eines Aktorbauelements nach einem Verpressen. Es wird lediglich die Durchkontaktierung der leitfähigen Schichten 10 gezeigt. Beispielsweise ist die leitfähige Schicht 11 in dem gekennzeichneten Bereich 1 der piezoelektrischen Schichten mit der leitfähigen Schicht 12 verbunden. In den Bereichen 1 sind die leitfähigen Schichten 20, beispielsweise die leitfähige Schicht 21, unterbrochen. Durch die Isolationszonen der Aussparungen 60 kann somit kein Kontakt zwischen leitfähigen Schichten 10 und leitfähigen Schichten 20 auftreten.
Die in 4 gezeigte Darstellung ist schematisch, das heißt beim realen Aktorbauteil wären die Oberflächen durch den Pressvorgang eben. Durch die Verbindung der leitfähigen Schichten in den Bereichen 1 können die leitfähigen Schichten 10 bis zu einer Oberseite O100 beziehungsweise Unterseite U100 des Aktors hinausgezogen werden. Dadurch wird es ermöglicht, die leitfähigen Schichten an einer Oberseite oder einer Unterseite des Schichtstapels zu kontaktieren. Beispielsweise kann eine Oberseite O100 des Aktorbauelements als Kontaktfläche zum Klemmen eines positiven Spannungspotenzials auf die Elektrodenschichten 10 und eine Unterseite U100 des Aktorbauelements als Kontaktfläche zum Einspeisen eines negativen Potenzials auf die leitfähigen Schichten 20 verwendet werden. Voraussetzung wäre der Verzicht auf ein passives Deckpaket und auf ein Schleifen der Deckflächen des Schichtstapels.
5 zeigt eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, die von 1 bis 13 durchnummeriert sind. Jede piezoelektrische Schicht ist mit einer der leitfähigen Schichten 10 beziehungsweise 20 bedruckt. Des Weiteren ist in jeder der piezoelektrischen Schichten eine Aussparung 50, bei der die elektrische Beschichtung bis zum Rand der Aussparung reicht, und eine Aussparung 60, bei der die leitfähige Beschichtung zum Rand der Aussparung beabstandet angeordnet ist, vorgesehen. Im Unterschied zu piezokeramischen Schichten, bei denen die Aussparungen 50 und 60 getrennt beziehungsweise beabstandet voneinander vorgesehen sind, können die Aussparungen auch wie bei der in 5 gezeigten Ausführungsform miteinander verbunden sein. Die piezoelektrischen Schichten 1 bis 13 ermöglichen ein gutes Zusammenfließen der Kontaktschichten. Wenn die mit den Nummern 1 bis 13 durchnummerierten piezoelektrischen Folien übereinander angeordnet werden, entsteht ein Schichtstapel eines piezoelektrischen Aktorbauelement mit den in den 6A und 6B gezeigten Querschnitten.
6A zeigt einen Querschnitt durch die Stapelanordnung der piezoelektrischen Schichten in dem in 5 mit A gekennzeichneten Bereich. Nach dem Stapeln der piezoelektrischen Schichten bilden die übereinander fluchtend angeordneten Aussparungen 50 und 60 im Querschnitt A Bereiche 2. Die Bereiche 2 dienen zum Verbinden der leitfähigen Schichten 20. Wenn beispielsweise in Folge des Verpressens des Schichtstapels 100 eine Kraft von oben und von unten auf den Schichtstapel wirkt, schieben sich die Bereiche 2 ineinander, indem sich der linke Teil des Schichtstapel nach unten verschiebt beziehungsweise sich der rechte Teil des Schichtstapels nach oben verschiebt. Dadurch werden die leitfähigen Schichten 20 in den Bereichen 2 verbogen. Durch eine solche Verformung wird beispielsweise die leitfähige Schicht 21 mit der leitfähigen Schicht 22 in dem gekennzeichneten Bereich 2 kontaktiert. Die leitfähigen Schichten 20 können beispielsweise mit einem negativen Potenzial verbunden werden, indem eine der leitfähigen Schichten 20 an ein negatives Potenzial angeschlossen wird.
6B zeigt einen Querschnitt des piezoelektrischen Schichtstapels in einem Bereich, der in 5 mit B gekennzeichnet ist. Nach dem Stapeln der piezoelektrischen Schichten treten in dem so gebildeten Schichtstapel 100 Bereiche 1 auf, in denen die Aussparung 50 und 60 übereinander ohne Versatz angeordnet sind. Beim Verpressen des Schichtstapels schieben sich jeweils zwei piezoelektrische Schichten, die unter den Bereichen 1 angeordnet sind, in die Aussparungen, so dass die leitfähigen Schichten verformt werden. Beim Verpressen der piezoelektrischen Schichten treten beispielsweise die Schichten 11 und 12 in Kontakt miteinander. Die untereinander verbundenen Schichten 10 können beispielsweise mit einem positiven Potenzial verbunden werden.
Bei den in den 6A und 6B gezeigten Querschnitten des Schichtstapels sind die gleiche Anzahl von piezoelektrischen Folien übereinander angeordnet. Im Schichtstapel untereinander angeordnete Bereiche 1 und 2 sind mit einem geringen Versatz zueinander angeordnet. Der Versatz ist derart gewählt, dass sich die an den Bereichen 1 und 2 im Schichtstapel befindlichen Hohlräume beim Verpressen ineinander schieben. Somit müssen die Kontaktschichten nicht mehr verfließen. Es ist jedoch notwendig, dass die piezoelektrischen Folien sich geringfügig überlappen, damit die Elektrodenschichten für die Dehnung genügend Substanz erhalten und beim Verpressen nicht abreißen.
7 zeigt den Schichtstapel des Querschnitts B nach dem Verpressen. In den Bereichen 1 sind der linke und rechte Teil des Schichtstapel ineinander geschoben worden, wodurch die zunächst noch unter den Aussparungen 50, 60 liegenden piezoelektrischen Schichten in die Bereiche 1 geschoben werden. Dadurch werden die leitfähigen Schichten derart verbogen, dass jede der leitfähigen Schichten nach dem Verpressen teilweise in einer Ebene und teilweise in einer anderen darüber liegenden Ebene des Schichtstapels angeordnet ist und dort jeweils mit einer weiteren der in dieser Ebene bereits angeordneten leitfähigen Schicht kontaktiert wird. Dadurch können die leitfähigen Schichten 10, wie am Beispiel der Schichten 11 und 12 gezeigt, untereinander verbunden werden. Da die leitfähigen Schichten 20, beispielsweise die leitfähige Schicht 21, von dem Rand der Aussparung der zugehörigen piezoelektrischen Schicht beabstandet ist, werden Kurzschlüsse zwischen entgegengesetzt gepolten Schichten vermieden. Zur Kontaktierung der leitfähigen Schichten 10 kann beispielsweise diejenige leitfähige Schicht, die an der Unterseite U100 des Schichtstapels angeordnet ist, mit einem elektrischen Potenzial kontaktiert werden.
8 zeigt eine weitere Anordnung von piezoelektrischen Schichten. Die piezoelektrischen Schichten sind derart gestapelt, dass sich die durch die Aussparungen in den piezoelektrischen Schichten gebildeten Hohlräume an den Bereiche 1 beziehungsweise 2 in einer Überlappungszone 70 vor dem Verpressen geringfügig überlappen. Zwischen den jeweils untereinander angeordneten Bereichen 1 beziehungsweise 2 sind jeweils zwei piezoelektrische Schichten vorgesehen, wie beispielhaft in 8 anhand der Schichten 41, 42 gezeigt ist. Beim Verpressen des Schichtstapels 100 verbiegen sich nicht nur die leitfähigen Schichten sondern auch jeweils die beiden unter den Bereichen 1 und 2 angeordneten piezoelektrischen Schichten in die Löcher der Bereiche 1 und 2. Damit wird die Stabilität der Elektrodenschicht im Vergleich zu der in den 6A, 6B gezeigten Ausführungsform verbessert. Der negative Überlapp 70 dient dazu, das Verformen der Folien zu erleichtern. Ähnlich wie bei der in den 6A und 6B gezeigten Ausführungsform liegt auch hier immer die gleiche Anzahl von piezoelektrischen Schichten übereinander.
Die 9A, 9B und 9C zeigen weitere mögliche Ausführungsformen der Stapelanordnung 100 aus den piezoelektrischen Schichten. Dargestellt sind jeweils Querschnitte des Schichtstapel an verschiedenen Schnittbereichen. Die mit „+” gekennzeichneten Bereiche bilden beim Verpressen die Verbindung der leitfähigen Schichten 10 untereinander, die beispielsweise mit einem positiven Potenzial verbunden werden. Die mit „–” gekennzeichneten Bereiche der Aussparungen dienen zum Verbinden der leitfähigen Schichten 20, die beispielsweise mit einem negativen Spannungspotenzial verbunden werden können.
Im Unterschied zu der in 8 gezeigten Ausführungsform ist zwischen den jeweiligen Bereichen 1 und 2 jeweils nur eine piezoelektrische Folie angeordnet. Die Bereiche 1 und 2 sind ähnlich der in 8 gezeigten Ausführungsform mit einem geringen Überlappungsbereich untereinander angeordnet, so dass sich die jeweils unter den Hohlraum-Bereichen 1 und 2 angeordnete piezoelektrische Schicht in die Aussparungen verbiegen kann. Grundsätzlich ist die Anzahl der zu verbiegenden piezoelektrischen Folien beliebig wählbar.
Die Verbindung der leitfähigen Schichten 10 und 20 erfolgt bei den in den 2 bis 9 gezeigten Ausführungsformen des Aktorbauelements mittels einer Durchkontaktierung des Aktors durch in die piezoelektrischen Schichten gestanzte Löcher. Die Löcher werden während des Fertigungsprozesses geschlossen, indem piezoelektrische Schichten verfließen beziehungsweise indem die leitfähigen Schichten beziehungsweise eine oder mehrere piezoelektrische Folienlagen beim Verpressen in die Löcher geschoben werden und somit eine Verbindung zwischen den leitfähigen Schichten 10 beziehungsweise 20 entsteht. Im Unterschied zu der Ausführungsform, bei der zwischen den piezoelektrischen Schichten Isolationszonen vorgesehen sind, ist kein geschlossener Bereich für eine Isolationszone mehr erforderlich und auch keine aufwändige Außenkontaktierung. Der äußere Kontakt zur Kontaktierung der leitfähigen Schichten 10 und 20 kann stattdessen durch einen Klemmkontakt an der Ober- und Unterseite des Aktors hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: erste leitfähige Schicht
20: zweite leitfähige Schicht
30: leitfähige Bedruckung
40: piezoelektrische Schicht
50: erste Aussparung
60: zweite Aussparung
70: Überlappungsbereich
1, 2: Bereiche mit Unterbrechungen/Löchern
100: Schichtstapel
1000: piezoelektrisches Aktorbauelement

Claims

Piezoelektrisches Aktorbauelement, umfassend: – eine Vielzahl von ersten leitfähigen Schichten (10), die untereinander elektrisch verbunden sind, – eine Vielzahl von zweiten leitfähigen Schichten (20), die untereinander elektrisch verbunden sind, – eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel (100) angeordneten piezoelektrischen Schichten (40), wobei auf jeder der piezoelektrischen Schichten (40) eine der ersten und zweiten leitfähigen Schichten (10, 20) angeordnet ist, – wobei die ersten leitfähigen Schichten (10) von den zweiten leitfähigen Schichten (20) elektrisch isoliert sind, – wobei in dem Stapel (100) der piezoelektrischen Schichten (40) erste Bereiche (1) enthalten sind, in denen jeweils eine der ersten leitfähigen Schichten (11) mit einer weiteren der ersten leitfähigen Schichten (12) verbunden ist und in denen jeweils eine der zweiten leitfähigen Schichten (21) unterbrochen ist, – wobei in dem Stapel (100) der piezoelektrischen Schichten (40) zweite Bereiche (2) enthalten sind, in denen die eine der zweiten leitfähigen Schichten (21) mit einer weiteren der zweiten leitfähigen Schichten (22) verbunden ist und in denen jeweils die eine der ersten leitfähigen Schichten (11) unterbrochen ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 1, – wobei in den ersten Bereichen (1) des Stapels der piezoelektrischen Schichten jeweils die eine der ersten leitfähigen Schichten (11) und/oder die eine weitere der ersten leitfähigen Schichten (12) derart verformt sind, dass die eine der ersten leitfähigen Schichten (11) mit der einen der weiteren leitfähigen Schichten (12) verbunden ist, – wobei in den zweiten Bereichen (2) des Stapels der piezoelektrischen Schichten jeweils die eine der zweiten leitfähigen Schichten (21) und/oder die eine weitere der zweiten leitfähigen Schichten (22) derart verformt sind, dass die eine der zweiten leitfähigen Schichten (21) mit der einen weiteren der zweiten leitfähigen Schichten (22) verbunden ist.
Piezoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, – wobei in den ersten und zweiten Bereichen (1) des Stapels der piezoelektrischen Schichten jeweils mindestens eine der piezoelektrischen Schichten (41, 42, 43, 44) derart verformt ist, dass die eine der ersten leitfähigen Schichten (11) mit der weiteren der ersten leitfähigen Schichten (12) verbunden ist, – wobei in den zweiten Bereichen (2) des Stapels der piezoelektrischen Schichten, jeweils mindestens eine weitere der piezoelektrischen Schichten (41, 42, 44, 45) derart verformt ist, dass die eine der zweiten leitfähigen Schichten (21) mit der weiteren der zweiten leitfähigen Schichten (22) verbunden ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Bereiche (1, 1') in dem Stapel der piezoelektrischen Schichten derart verteilt angeordnet sind, dass zwischen denjenigen der ersten Bereiche (1, 1'), die in dem Stapel der piezoelektrischen Schichten in einem Abstand übereinander und ohne Versatz zueinander angeordnet sind, die gleiche Anzahl von piezoelektrischen Schichten angeordnet ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei in den ersten Bereichen (1) des Stapels der piezoelektrischen Schichten, jeweils die eine der zweiten leitfähigen Schichten (21) von der einen der ersten leitfähigen Schichten (11) und der weiteren der leitfähigen Schichten (12) durch eine Isolationsschicht (40) isoliert ist, – wobei in den zweiten Bereichen (2) des Stapels der piezoelektrischen Schichten, jeweils die eine der ersten leitfähigen Schichten (11) von der einen der zweiten leitfähigen Schichten (21) und der weiteren der zweiten leitfähigen Schichten (22) durch die Isolationsschicht (40) isoliert ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 5, wobei die Isolationsschicht von der piezoelektrischen Schicht (40) gebildet ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei jede der piezoelektrischen Schichten (40) eine erste Aussparung (50) und eine zweite Aussparung (60) aufweist, – wobei die erste und zweite Aussparung (50) in jeder der piezoelektrischen Schichten (40) jeweils als ein Loch ausgebildet sind, – wobei die erste Aussparung (50) in jeder der piezoelektrischen Schichten (40) derart ausgebildet ist, dass sich die auf der jeweiligen piezoelektrischen Schicht angeordnete der ersten und zweiten leitfähigen Schichten (10, 20) bis zu einem Rand (51) der ersten Aussparung erstreckt, – wobei die zweite Aussparung (60) in jeder der piezoelektrischen Schichten (40) derart ausgebildet ist, dass die auf der jeweiligen piezoelektrischen Schicht angeordnete der ersten und zweiten leitfähigen Schichten (10, 20) von dem Rand (61) der zweiten Aussparung beabstandet angeordnet ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 7, umfassend: – eine erste der piezoelektrischen Schichten (41) und eine zweite der piezoelektrischen Schichten (42), – wobei die erste der piezoelektrischen Schichten (41) über der zweiten der piezoelektrischen Schichten (42) in dem Stapel (100) derart angeordnet ist, dass die erste Aussparung (50) der ersten der piezoelektrischen Schichten (31) ohne Versatz über der zweiten Aussparung (60) der zweiten der piezoelektrischen Schichten (42) angeordnet ist, – wobei die erste und zweite Aussparung (50, 60) der piezoelektrischen Schichten an einem der ersten und zweiten Bereiche (1, 2) des Stapels der piezoelektrischen Schichten angeordnet ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 8, umfassend: – eine dritte der piezoelektrischen Schichten (43) die unter der zweiten der piezoelektrischen Schichten (42) angeordnet ist, – wobei die auf der ersten der piezoelektrischen Schichten (41) angeordnete der ersten und zweiten leitfähigen Schicht (11) in der ersten Aussparung (50) der ersten der piezoelektrischen Schichten (41) und der zweiten Aussparung (60) der zweiten der piezoelektrischen Schichten (42) mit der auf der dritten der piezoelektrischen Schichten (43) angeordneten der ersten und zweiten leitfähigen Schichten (12) verbunden ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 9, umfassend: – eine vierte der piezoelektrischen Schichten (44), die über der ersten der piezoelektrischen Schichten (41) angeordnet ist, – wobei auf einer Seite der vierten der piezoelektrischen Schichten (44) die der ersten der piezoelektrischen Schichten (41) zugewandt ist, auf einem Abschnitt, der über der ersten Aussparung (50) der ersten der piezoelektrischen Schichten (41) angeordnet ist, eine dritte leitfähige Schicht (30) angeordnet ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die piezoelektrischen Schichten (40) in dem Stapel (100) derart übereinander angeordnet sind, dass eine der einen und der weiteren der ersten leitfähigen Schichten (11, 12) zum Kontaktieren der ersten leitfähigen Schichten (10) mit einem ersten Spannungspotenzial auf der Unterseite (U100) des Schichtstapels angeordnet ist und eine der einen und der weiteren der zweiten leitfähigen Schichten (21, 22) zum Kontaktieren der zweiten leitfähigen Schichten (20) mit einem zweiten von dem ersten Spannungspotenzial verschiedenen Potenzial auf der Oberseite (O100) des Stapels angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Aktorbauelements, umfassend: – Bereitstellen von piezoelektrischen Schichten (40), – Anbringen einer ersten Aussparung (50) und einer zweiten Aussparung (60) in jede der piezoelektrischen Schichten (40), – Beschichten jeweils einer Seite der piezoelektrischen Schichten (40) mit einer leitfähigen Schicht (10, 20) derart, dass sich die leitfähige Schicht bis zu einem Rand (51) der ersten Aussparung (50) erstreckt und von einem Rand (61) der zweiten Aussparung (60) beabstandet angeordnet ist, wodurch zwischen dem Rand (61) der zweiten Aussparung (60) und der leitfähigen Schicht (10, 20) eine Isolationszone (62) gebildet wird, – Anordnung der piezoelektrischen Schichten (40) in einem Stapel (100) derart übereinander, dass jeweils die erste Aussparung (50) einer der piezoelektrischen Schichten (41) ohne Versatz über der zweiten Aussparung (60) einer weiteren der piezoelektrischen Schichten (42) angeordnet ist, – Verpressen der übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten (40) derart, dass jeweils an Bereichen (1, 2) in dem Stapel (100) der piezoelektrischen Schichten, an denen die erste und zweite Aussparung (50, 60) übereinander angeordnet sind, eine der leitfähigen Schichten (11, 21) mit einer weiteren der leitfähigen Schichten (12, 22) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: Anordnen der piezoelektrischen Schichten (40) derart, dass die Bereiche (1) in dem Stapel (100) der piezoelektrischen Schichten mit einem Versatz zueinander angeordnet sind, wodurch bei dem Schritt des Verpressens der piezoelektrischen Schichten die leitfähigen Schichten (10, 20) jeweils in die erste und zweite Aussparung (50, 60) der piezoelektrischen Schichten (40) geschoben werden.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: Anordnen der piezoelektrischen Schichten (40) derart, dass die Bereiche (1) in dem Stapel (100) der piezoelektrischen. Schichten mit einem Versatz zueinander angeordnet sind, wodurch bei dem Verpressen der piezoelektrischen Schichten mindestens eine der piezoelektrischen Schichten (41, 42) jeweils in die erste und zweite Aussparung (50, 60) der piezoelektrischen Schichten geschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend: Anordnen der piezoelektrischen Schichten (40) derart, dass eine erste der piezoelektrischen Schichten (41) und eine zweite der piezoelektrischen Schichten (42) zwischen einer dritten der piezoelektrischen Schichten (43) und einer vierten der piezoelektrischen Schichten (44) angeordnet ist, wodurch bei dem Schritt des Verpressens des Stapels (100) der piezoelektrischen Schichten mindestens eine der dritten und vierten der piezoelektrischen Schichten (43, 44) derart verformt wird, dass die eine der leitfähigen Schichten (11, 21) mit der weiteren der leitfähigen Schichten (12, 22) verbunden wird.