DE102010055934B4

DE102010055934B4 - Aktuator und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010055934B4
Application number: DE102010055934.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gabl Reinhard
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: JP2014504018A; DE102010055934A1; US9252351B2; WO2012084694A1; JP5756526B2; US20140009034A1

Abstract

Aktuator (1) mit mehreren Schichten, die stapelförmig geschichtet und gesintert sind und von denen eine eine Sensorschicht (10) ist, mit der eine Temperatur detektierbar ist, wobei der Aktuator (1) ferner aufweist
- Sensorelektroden (11) zur Kontaktierung der Sensorschicht (10),
- einen längenveränderbaren Bereich (5) mit einer Vielzahl von abwechselnd schichtweise angeordneten Innenelektroden (4) und Piezoelementen (3),
- Außenelektroden (6, 7), die elektrisch leitend mit den Innenelektroden (4) verbunden sind und die elektrisch getrennt von den Sensorelektroden (11) sind,
wobei die Sensorschicht (10) eine Widerstandsbahn (12), die zwischen zwei keramischen Schichten (13) angeordnet ist und mit mehreren Richtungsänderungen zwischen den Sensorelektroden (11) verläuft, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aktuatoren, auch als Aktoren bezeichnet, kommen beispielsweise bei Treibstoffinjektionssystemen zur Anwendung. Solche Aktuatoren haben einen längenveränderbaren Bereich mit Piezoelementen, die sich in Abhängigkeit einer angelegten Spannung dehnen oder gestaucht werden. In Vielschichtaktuatoren oder Piezomultilagenaktuatoren, wie sie in den Treibstoffinjektionssystemen zur Anwendung kommen, mit einer geschichteten Anordnung der Piezoelemente ist beispielsweise die Betriebstemperatur ein Aspekt, der sich auf die Lebensdauer dieses Bauelements auswirkt. In einigen Anwendungen wird die Temperatur nichtsdestotrotz nicht überwacht.
Um einen die Lebensdauer limitierenden Betriebsbereich oder eine mögliche beginnende Schädigung des Bauelements zu detektieren, ist es wünschenswert, die Temperatur des Bauelements, beispielsweise sensorisch, zu überwachen.
Zur Temperaturüberwachung können am Aktuator thermisch angekoppelte Temperatursensoren verwendet werden. Diese separaten, nicht integrierten Sensoren benötigen zusätzlichen Bauraum. Sie sind zudem nicht geeignet, die Kerntemperatur des Bauelements zu erfassen. Je nach thermischen Widerständen der verwendeten Materialien und dem spezifischen Design kann sich die gemessene Temperatur deutlich von der Kerntemperatur des Aktuators unterscheiden.
Eine weitere Möglichkeit der Temperaturdetektion umfasst Temperaturinformation aus dem Wert der Kleinsignalkapazität des Aktuators zu ermitteln. Dieses Verfahren besitzt jedoch nur eine eingeschränkte Genauigkeit. Zudem wird der Messwert durch die pyroelektrische Charakteristik des verwendeten Piezokeramik(PZT)-Materials verfälscht. Die für diese Art der Temperaturdetektion erforderliche lineare Kleinsignalmessung ist zudem aufwändig mit der Großsignalansteuerung des Aktuators zu kombinieren, wodurch zusätzliche Kosten für die Elektronik entstehen.
Die DE 10 2004 006 266 A1 zeigt einen Aktuator, dessen Piezostapel ein elektrisches Widerstandselement umfasst.
Die DE 101 47 666 A1 zeigt ein Piezoelement mit einem Ableitwiderstand, gebildet aus einer strukturierten Widerstandsschicht, vorzugsweise im Kopf- oder Fußteil des Piezoelements.
Die DE 693 08 512 T2 zeigt ein Piezoelement, an dessen Außenseite ein Dehnungsmesser angeklebt ist.
Die DE 103 49 309 A1 zeigt einen Aktuator mit einer strukturierten Schicht, die als Temperatursensor dient.
Die JP H09-321 359 A zeigt einen piezoelektrischen Aktuator, in dessen Schichtenstapel ein Sensor angeordnet ist.
Die DE 197 15 488 C1 zeigt einen Piezoaktuator mit seitlich überstehenden Kontaktfahnen.
Die DE 195 40 194 C1 zeigt ein Widerstandsthermometer mit einem Metall aus der Platingruppe.
Es stellt sich die Aufgabe, einen hinsichtlich der oben genannten Aspekte verbesserten Aktuator bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Aktuator umfasst eine Sensorschicht, mit der eine Temperatur detektierbar ist.
Der Aktuator ist ein Aktuator mit schichtweise angeordneten Piezoelementen. Die Dehn- beziehungsweise Stauchbarkeit dieser Elemente ermöglicht eine Längenänderung. Der Aktuator ist vorzugsweise ein Vielschichtaktuator mit mehreren Schichten oder Lagen, von denen eine oder mehrere Lagen als Sensorschicht ausgeführt sind. Die anderen Lagen können als piezoaktive Schichten dehn- beziehungsweise stauchbar sein, zu deren Ansteuerung dienen oder lediglich stabilisierenden Zweck haben. Der Sensor mit der Sensorschicht kann beispielsweise als thermoresistiver Sensor ausgebildet sein, bei dem die Temperaturdetektion mittels einer temperaturabhängigen Widerstandsänderung detektiert wird. Der Sensor ist in den Multilagenaufbau des Vielschichtaktuators integriert. Vorteilhafterweise haben diese Sensorlagen oder -schichten eine vom eigentlichen Aktuatorbereich, in dem die Piezoelemente angeordnet sind, getrennte Ansteuerung.
Ein derartiges Bauelement ermöglicht die zusätzliche Erfassung der Keramikkerntemperatur des Aktuators. Gegenüber einer Hybridlösung, also einem an einem Aktuator angekoppelten Sensorelement, erfordert die im Aktuator integrierte Sensorschicht kaum oder nahezu keinen zusätzlichen Platzbedarf. Durch die Sensorschicht entstehen nur geringe zusätzliche Kosten, da der Temperatursensor weitgehend im Rahmen eines Standard-Piezo-Prozesses gefertigt werden kann.
Die Nutzung des Temperatursensors erhöht die Ausfallsicherheit des Bauelements, indem gefährdete Betriebszustände frühzeitig erkannt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der Aktuator umfasst einen längenveränderbaren Bereich mit einer Vielzahl von abwechselnd schichtweise angeordneten Innenelektroden und Piezoelementen, mittels derer die Dehnung beziehungsweise Stauchung des Aktuator ermöglicht wird. Außenelektroden, die elektrisch leitend mit den Innenelektroden verbunden sind, erlauben, eine Ansteuerspannung an das Bauelement anzulegen, welche die Dehnung beziehungsweise Stauchung steuert.
Ferner sind Sensorelektroden zur Kontaktierung der Sensorschicht vorgesehen, über die ein temperaturabhängiger Wert auslesbar ist. Zur verbesserten Detektion oder als Redundanz können weitere Sensorebenen vorgesehen sein.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Sensorschicht strukturiert und umfasst eine Widerstandsbahn, dessen temperaturabhängige Widerstandsänderung detektiert wird. Die Widerstandsbahn kann zwischen zwei keramischen Schichten angeordnet sein. Die keramischen Schichten sind in einem Ausführungsbeispiel aus demselben Material wie die Piezoelemente gefertigt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind sie aus einem davon verschiedenen Material gefertigt.
Die Widerstandsbahn ist vorteilhafterweise metallen. Sie umfasst beispielsweise Palladium und/oder Platin, die eine genaue Temperaturdetektion ermöglichen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsbahn mäanderförmig ausgebildet ist, sodass die Widerstandsbahn sich über eine große Länge erstreckt und einen wohldefinierten Widerstandswert hat.
Das Verfahren zur Herstellung eines Aktuators umfasst das Drucken einer Sensorstruktur, beispielsweise auf eine Folie. Die Sensorstruktur ist eine strukturierte Sensorschicht, die eine Widerstandsbahn umfassen kann. In einem weiteren Schritt wird die Folie, auf der die Sensorstruktur gedruckt ist, sowie weitere Folien zur Ausbildung eines längenveränderbaren Bereichs, zu einem Stapel gruppiert und dieser gepresst. Der Stapel wird nachfolgend gesintert. Bis auf die Fertigung der Sensorstruktur sind keine zusätzlichen Schritte im Vergleich mit der Herstellung eines konventionellen Vielschichtaktuators erforderlich, da mit dem Stapeln die Sensorfolie in den Herstellungsprozess integriert ist.

1 zeigt schematisch eine Querschnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Aktuators.
2 zeigt eine Aufsicht auf einen Temperatursensor im Aktuator.

1 zeigt schematisch eine Querschnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Aktuators 1 oder Aktors mit einem integrierten Temperatursensor 2.
Der Aktuator 1 ist ein Vielschichtaktuator mit einer Vielzahl von Piezoelementen 3 und einer Vielzahl von Innenelektroden 4. Der Aktuator 1 umfasst einen Bereich 5 mit Piezoelementen 3 und Innenelektroden 4, die abwechselnd angeordnet sind, sodass sie stapelförmig geschichtet sind. Dabei wechseln sich Innenelektroden 4 einer ersten Polarität und Innenelektroden 4 einer zweiten Polarität entlang des Stapels ab. Die Innenelektroden 4 der ersten Polarität sind elektrisch leitend mit einer ersten Außenelektrode 6 verbunden, beispielsweise indem sie an eine Außenseite des Aktuatorstapels 8 geführt sind, wobei die Außenelektrode 6 auf diese Außenseite aufgebracht ist. Die Innenelektroden 4 der zweiten Polarität sind elektrisch leitend mit einer zweiten Außenelektrode 7 verbunden, beispielsweise indem sie an eine andere Außenseite des Stapels 8 geführt sind, wobei die Außenelektrode 7 auf diese Außenseite aufgebracht ist. An den Außenelektroden 6, 7 ist eine Ansteuerspannung anlegbar.
Die Piezoelemente 3 und Innenelektroden 4 formen Schichten des Vielschichtaktuators 1. Die Piezoelemente 3 sind aus einer piezoelektrischen Keramik geformt und verändern bei Anlegen der Ansteuerspannung an die Innenelektroden 4 ihre axiale Ausdehnung. Der Bereich 5 des Aktuators 1, mit den Piezoelementen 3 und den Innenelektroden 4, die mit den Außenelektroden 6, 7 elektrisch leitend verbunden sind, ist längenveränderbar in axialer Richtung 9 des Aktuators 1.
Der Aktuator 1 umfasst eine oder mehrere weitere Schichten, die als Sensorschichten oder -ebenen 10 ausgeführt sind und durch Sensorelektroden 11 kontaktiert werden. Zumindest eine der Sensorelektroden 11 muss elektrisch getrennt von den Außenelektroden 6, 7 sein, vorteilhafterweise beide, wie in 1 dargestellt. Die Sensorschicht 10 oder die Sensorschichten 10 können randseitig des längenveränderbaren Bereichs 5 des Aktuator angeordnet sein, wie in 1 dargestellt. Alternativ können eine oder mehre Sensorschichten 10 so angeordnet sein, dass zu deren beiden Seiten ein längenveränderbarer Bereich 5 vorgesehen ist; oder mit anderen Worten: Der Sensor 2 ist in der Mitte des Aktuatorstapels 8 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Sensorschichten 10 vorgesehen, die durch längenveränderbare Aktuatorbereiche 5 getrennt voneinander angeordnet sein können: beispielsweise an den Rändern und in der Mitte des Aktuatorstapels 8. In einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Sensorschichten 10 vorgesehen, die benachbart angeordnet sind.
2 zeigt eine Aufsicht auf den Sensor 2 mit seiner strukturierten Sensorschicht 10. Der Sensor 2 ist als thermoelektrischer Sensor 2 ausgeführt und umfasst eine Widerstandsbahn 12 mit einem vorgegebenen Widerstandswert, der sich in Abhängigkeit der Temperatur verändert, sowie die Sensorelektroden 11. Die Sensorelektroden 11 können an nach außen geführten Kontaktbereichen 14 der Sensorschicht 10 gelötet werden. Die Länge der Widerstandsbahn 12 übersteigt vorteilhafterweise den direkten Abstand zwischen den Kontaktbereichen 14. Dieser Effekt wird beispielsweise durch eine mäanderförmige Ausbildung der Widerstandsbahn 12 erreicht. Die mäanderförmige Widerstandsbahn 12 verläuft mit mehreren Richtungsänderungen zwischen den Sensorelektroden 11.
Es ist auch denkbar, dass die Breite der Widerstandsbahn 12 sich entlang ihres Verlaufs ändert, beispielsweise verjüngt.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsbahn 12 zwischen zwei Keramikschichten 13 aus Piezokeramik (PZT) eingebettet. Vorzugsweise ist die Widerstandsbahn 12 aus einem co-sinterfähigem Metall ausgebildet, beispielsweise Palladium und/oder Platin. Die Auswertung des Sensors 2 erfolgt in einem Ausführungsbeispiel in einem Temperaturbereich von -100 °C bis 200 °C. In diesem typischen Temperaturbereich ist die Widerstandsänderung der metallenen Widerstandbahn 12 weitgehend linear von der Temperatur abhängig.
In einem weiteren Ausführungsbeipiel ist die Sensorschicht 10 zwischen zwei Schichten 13 einer Keramik, die sich von der unterscheidet, welche für die Piezoelemente 3 verwendet wird. Diese ist aber bezüglich der Herstellung kompatibel zur Keramik, welche für die Piezoelemente 3 verwendet wird, das heißt, dass diese Keramik in gleicher Weise bei der Herstellung des Aktuators 1 verarbeitet werden kann, wie die Keramik für die Piezoelemente 3, sodass beispielsweise keine Spannungen zwischen den Materialien bei der Herstellung auftreten.
Der Aktuator 1 kann hergestellt werden, indem auf den für die Sensorfunktion vorgesehenen Ebenen oder Folien metallische Sensorstrukturen 10 aufgebracht werden. Dieses kann beispielsweise mittels Siebdruck erfolgen. Die für den längenveränderbaren Bereich 5 vorgesehenen metallenen Schichten zur Ausbildung der Innenelektroden 4 und Piezokeramiken, welche ebenfalls als Folien vorliegen können, werden mit den strukturierten Folien für den Sensor 2 als Stapel geschichtet und der Stapel aus Piezolagen und Sensorlagen wird verpresst. Der Stapel mit dem späteren längenveränderbaren oder piezoaktiven Bereich 5 und dem Sensor 2 wird in einem Schritt gesintert. Durch integrierte Fertigung sind nur vor dem Stapeln wenige weitere Arbeitsschritte für die Ausbildung der Sensorschicht erforderlich.
Es sei noch bemerkt, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele kombinierbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Sensor
3: Piezoelement
4: Innenelektrode
5: längenveränderbarer Bereich
6, 7: Außenelektrode
8: Stapel
9: Axialrichtung
10: Sensorschicht
11: Sensorelektrode
12: Widerstandsbahn
13: Keramikschicht
14: Kontaktbereiche

Claims

Aktuator (1) mit mehreren Schichten, die stapelförmig geschichtet und gesintert sind und von denen eine eine Sensorschicht (10) ist, mit der eine Temperatur detektierbar ist, wobei der Aktuator (1) ferner aufweist - Sensorelektroden (11) zur Kontaktierung der Sensorschicht (10), - einen längenveränderbaren Bereich (5) mit einer Vielzahl von abwechselnd schichtweise angeordneten Innenelektroden (4) und Piezoelementen (3), - Außenelektroden (6, 7), die elektrisch leitend mit den Innenelektroden (4) verbunden sind und die elektrisch getrennt von den Sensorelektroden (11) sind, wobei die Sensorschicht (10) eine Widerstandsbahn (12), die zwischen zwei keramischen Schichten (13) angeordnet ist und mit mehreren Richtungsänderungen zwischen den Sensorelektroden (11) verläuft, aufweist.
Aktuator (1) nach Anspruch 1, mit weiteren Sensorschichten (10).
Aktuator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die keramischen Schichten (13) aus demselben Material wie die Piezoelemente (3) gefertigt sind oder aus einem davon verschiedenen Material.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Widerstandsbahn (12) Palladium und/oder Platin aufweist.
Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Widerstandsbahn (12) mäanderförmig ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren für einen Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Drucken einer Sensorstruktur, die eine Sensorschicht (10) mit einer Widerstandsbahn (12) mit mehreren Richtungsänderungen zwischen Sensorelektroden (11) verlaufend aufweist, auf eine Folie, Stapeln der Folie, auf der die Sensorstruktur gedruckt ist, zwischen zwei keramischen Schichten (13) sowie weiterer Folien zur Ausbildung eines längenveränderbaren Bereichs (5) zu einem Stapel, Pressen des Stapels und Sintern des Stapels.