DE102011014296A1

DE102011014296A1 - Piezoelektrisches Aktorbauelement und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktorbauelements

Info

Publication number: DE102011014296A1
Application number: DE102011014296A
Authority: DE
Inventors: Dr. Auer Christoph; Dr. Gabl Reinhard
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-20
Also published as: WO2012123156A1

Abstract

Ein piezoelektrisches Aktorbauelement umfasst eine Vielzahl von leitfähigen Schichten (10, 20) und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel (100) angeordneten piezoelektrischen Schichten (30), wobei die Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sind. Mindestens eine der Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) weist in einem Abschnitt (A0) eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt (A1, A2) eine zweite Schichtdicke auf, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktorbauelement mit piezoelektrischen Schichten, bei dem eine Zerstörung durch Polungsrisse weitgehend verhindert werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktorbauelements mit piezoelektrischen Schichten, wobei eine Zerstörung des Bauelements durch Ausbildung von Polungsrissen weitgehend vermieden werden kann.
Ein piezoelektrisches Aktuatorbauelement umfasst einen Stapel von übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten, die beispielsweise keramische Schichten sein können. Zwischen den keramischen Schichten sind leitfähige Schichten als Elektrodenschichten zum Anlegen einer Spannung an die Stapelanordnung angeordnet. Erste der Elektrodenschichten erstrecken sich ausgehend von einer ersten Oberfläche in den Schichtstapel hinein und enden in einem Abstand vor einer zweiten Oberfläche in den Stapel. Die zweite Oberfläche des Schichtstapels kann eine zu der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche sein. Zweite der Elektrodenschichten erstrecken sich ausgehend von der zweiten Oberfläche in den Schichtstapel und enden in einem Abstand vor der ersten Oberfläche.
Beim Anlegen einer Spannung an die ersten und zweiten Elektrodenschichten tritt in einem aktiven Bereich der piezoelektrischen Schichten, in dem sowohl die ersten als auch die zweiten Elektrodenschichten angeordnet sind, ein piezoelektrischer Effekt auf, der zu einer Auslenkung des Aktuatorbautells führt. In Isolationszonen nahe der ersten und zweiten Oberfläche des Stapels, in denen jeweils nur die ersten Elektrodenschichten oder nur die zweiten Elektrodenschichten angeordnet sind, tritt beim Anlegen einer Spannung an die ersten und zweiten Elektrodenschichten keine Längenänderung der piezoelektrischen Schichten auf.
Nach der Polung der piezoelektrischen Schichten und auch im späteren Betrieb können sich im piezoelektrischen Material der Isolationszone Risse, sogenannte Polungsrisse, ausbilden. Diese Polungsrisse entstehen durch mechanische Spannungen in der Isolationszone. Die Polungsrisse führen zu einer Reduktion der mechanischen Spannungsfelder in der Isolationszone. Je nach Design des Piezoaktuators bilden sich die Polungsrisse an der Grenzfläche zwischen Elektrodenschicht und benachbarter keramischer Schicht, innerhalb der keramischen Schichten, oder aber in eigens dafür vorgesehenen Sollbruch-Lagen aus.
In der Isolationszone verlaufen die Risse im Allgemeinen parallel zur Elektrodenebene. Bei zu hohen Spannungen an den Elektrodenschichten kann es in Abhängigkeit von der elektromechanischen Last zu einem Wachstum der Polungsrisse kommen. Durch die Charakteristik des mechanischen Spannungsfeldes kann insbesondere am Übergang von Isolationszone und aktivem Bereich des Aktuators ein Abzweigen der Risse auftreten. Dadurch können innerhalb des Stapels leitfähige Pfade entstehen, infolgedessen es zu einem Bauteilversagen kommen kann.
Es ist wünschenswert, ein piezoelektrisches Aktorbauelement anzugeben, bei dem ein Abzweigen der Polungsrisse in das piezoelektrische Material weitestgehend verhindert werden kann. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuatorbauteils angegeben werden, bei dem ein Abzweigen von Polungsrissen in das piezoelektrische Material weitestgehend verhindert wird.
Ein derartiges piezoelektrisches Aktorbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktorbauelements sind den Patentansprüchen zu entnehmen.
Eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst eine Vielzahl von leitfähigen Schichten und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel angeordneten piezoelektrischen Schichten. Die Vielzahl der leitfähigen Schichten sind zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet. Mindestens eine der Vielzahl der leitfähigen Schichten weist in einem Abschnitt eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt eine zweite Schichtdicke auf, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist.
Durch das spezielle Design der Innenelektrodenschichten mit unterschiedlicher Schichtstärke kann durch Ausbildung eines zusätzlichen Spannungsfeldes die Ausbildung abzweigender Risse im Übergangsbereich zwischen Isolationszone und dem aktiven Bereich des Aktuators weitgehend unterdrückt beziehungsweise verhindert werden. Das Elektrodendesign zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenelektrodenschichten im Übergangsbereich zwischen Isolationszone und aktivem Bereich deutlich dicker als im aktiven Bereich ausgeführt sind.
Bei der Herstellung von Multilagen-Piezoaktuatoren führt die Abkühlung nach dem Sintern aufgrund des deutlich kleineren Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten der piezoelektrischen beziehungsweise keramischen Schichten gegenüber den metallischen Schichten der Elektroden dazu, dass sich in dem Stapel aus keramischen Material und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten Spannungen einstellen. Durch diese Spannungen werden die Elektroden lateral, das heißt normal zur Aktorachse, unter Zug und die benachbarte Keramik unter Druck beansprucht. Da die Höhe dieses Drucks von der Dicke der benachbarten Elektrodenschichten abhängt, führt die oben genannte Ausführungsform des piezoelektrischen Aktorbauelements dazu, dass im Übergangsbereich Isolationszone/aktiver Bereich die herstellungsbedingten lateralen Druckspannungen in der Keramik größer als in den übrigen Bereichen sind. Dadurch werden im Betrieb auftretende Zugkomponenten verringert. Somit kann die Neigung zum Abzweigen der Polungsrisse deutlich reduziert beziehungsweise gänzlich verhindert werden.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktorbauelements umfasst das Bereitstellen einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, das Beschichten jeder der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten mit einer leitfähigen Schicht durch ein Bedruckungsverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, unter Verwendung einer ersten Schablone. Zusätzliches Material der leitfähigen Schicht wird auf mindestens eine der leitfähigen Schichten in einem nachfolgenden Bedruckungsverfahren unter Verwendung einer zweiten Schablone derart aufgebracht, dass die mindestens eine der leitfähigen Schichten in einem Abschnitt eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist. Die beschichteten piezoelektrischen Schichten werden zu einem Stapel übereinander gestapelt und verpresst. Aus dem Stapel können einzelne Aktorbauteile vereinzelt werden, die anschließend zu einem dichten Körper gesintert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements,
2 einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform eines Aktuatorbauelements mit abzweigenden Polungsrissen,
3A eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements zur Vermeidung der Abzweigung von Polungsrissen,
3B eine vergrößerte Darstellung einer Ausführungsform eines Bereichs von Elektrodenschichten mit erhöhter Schichtdicke,
4A eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements zur Vermeidung der Abzweigung von Polungsrissen,
4B eine vergrößerte Darstellung einer Ausführungsform eines Bereichs von Elektrodenschichten mit erhöhter Schichtdicke,
5 eine grafische Veranschaulichung zur Definition einer Umfangsspannung an einer Rissspitze,
6 ein Diagramm einer Umfangsspannung als Funktion der Rissfortschrittsrichtung,
7A eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Elektrodenschicht auf einer piezoelektrischen Schicht,
7B eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Aufbringen von zusätzlichem Material auf einer leitfähigen Schicht zur Ausbildung eines Bereichs der leitfähigen Schicht mit einer höheren Schichtdicke.
1 zeigt eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktuatorbauelements, bei dem piezoelektrische Schichten 30 in einem Stapel 100 übereinander angeordnet sind. Zwischen den piezoelektrischen Schichten 30 sind leitfähige Schichten 10, 20 angeordnet, die jeweils eine Innenelektrodenschicht im Inneren des Stapels 100 bilden. Elektrodenschichten 10 erstrecken sich von einer Oberfläche O100a in den piezoelektrischen Schichtstapel und enden in einem Abstand vor einer gegenüberliegenden Oberfläche O100b. Elektrodenschichten 20 verlaufen ausgehend von der Oberfläche O100b in das Innere des Stapels 100 und enden in einem Abstand vor der Oberfläche O100a. Die Elektrodenschichten 10 sind über eine Außenmetallisierung 41 zum Anlegen einer Spannung miteinander verbunden. Die Elektrodenschichten 20 sind über eine Außenmetallisierung 42 zum Anlegen einer Spannung miteinander verbunden.
Die Elektrodenschichten 10 und 20 sind in Längsrichtung des Aktors abwechselnd in dem Schichtstapel 100 angeordnet. Diejenigen Bereiche des Stapels 100, an denen sich die Elektrodenschichten 10 und 20 überlappen, stellen den aktiven Bereich B0 des Aktuators dar. Die Randbereiche zwischen den Außenmetallisierungen 41, 42 und dem Beginn des aktiven Bereichs, in denen somit jeweils nur eine der Elektrodenschichten 10 oder 20 angeordnet ist, bilden die Isolationszone B1. Beim Anlegen einer Spannung an die Außenmetallisierungen 41 und 42 tritt lediglich im aktiven Bereich eine Auslenkung des Aktuatorbauelements auf. Im Bereich der Isolationszone, in der nur ein Potential anliegt, tritt beim Anlegen einer äußeren Spannung keine Auslenkung des Aktuatorbauelements auf.
Bei der Polung und auch im weiteren Betrieb des Piezoaktuators können sich an der Grenzfläche zwischen Elektrodenschicht und piezoelektrischer beziehungsweise keramischer Schicht Risse, die sogenannten Polungsrisse, ausbilden. Wie in 1 gezeigt ist, verlaufen die Risse in der Isolationszone weitgehend parallel zur Elektrodenebene. Insbesondere am Übergang zwischen Isolationszone B1 und dem aktiven Bereich B0 weist das mechanische Spannungsfeld der übereinander gestapelten Schichten jedoch wesentliche laterale Spannungskomponenten, das heißt Spannungskomponenten die normal zur Aktorachse verlaufen, auf. Bei weiterem Rissfortschritt können diese Spannungen potentiell zu einem Abzweigen der Risse führen.
2 zeigt einen Ausschnitt des piezoelektrischen Aktorbauelements der 1 mit den Elektrodenschichten 10 und 20, die sich von verschiedenen Seiten des Stapels 100 in das Material der Keramik 30 erstrecken. Der Verlauf von Rissen R, die bei der Polung oder im späteren Betrieb des Bauteils entstanden sein können, ist im Material der piezoelektrischen Schichten 30 strichliert eingezeichnet. Zunächst verlaufen die Risse ausgehend von den Oberflächen O100a beziehungsweise O100b noch weitgehend parallel zu den Elektrodenebenen, zweigen dann jedoch in das keramische Material 30 ab. Die Risse können die keramischen Schichten zwischen zwei Elektrodenebenen durchdringen und somit zur Bildung leitfähiger Pfade führen, die ein Bauelementversagen zur Folge haben können.
Ob in dem Übergangsbereich zwischen Isolationszone B1 und aktivem Bereich B0 ein Abzweigen der Risse auftritt, hängt zum einen von den einzelnen Hauptkomponenten des Spannungsfeldes und damit von der elektromechanischen Belastung ab. Insbesondere fördern laterale, das heißt normal zur Aktorachse verlaufende Anteile des Spannungstensors das Abzweigen der Risse. Zum anderen hängt das Abzweigen der Risse von der Inhomogenität der Festigkeit, insbesondere der Auszeichnung einer Ebene geringer Festigkeit parallel zu den Innenelektroden, ab. Bei Aktoren, bei denen sich die Risse zwischen einer Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht ausbilden, ist der Unterschied in der Festigkeit dieser Anbindung im Vergleich zur Festigkeit der piezoelektrischen Schicht sehr gering. Dadurch treten bei diesen Aktoren häufig bereits bei geringen Überspannungen abzweigende Risse auf.
Die 3A und 4A zeigen jeweils eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements 1, 2 zur Vermeidung der Abzweigung von Polungsrissen in das Innere der piezoelektrischen Schichten 30. Die Aktorbauelemente 1 und 2 weisen eine Vielzahl von leitfähigen Schichten 10, 20 und eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel 100 angeordneten piezoelektrischen Schichten 30 auf. Die Vielzahl der leitfähigen Schichten 10, 20 ist zwischen den piezoelektrischen Schichten 30 angeordnet. Mindestens eine der Vielzahl der leitfähigen Schichten 10, 20 weist in einem Abschnitt A0 der mindestens einen leitfähigen Schicht eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt, A1, A2 eine zweite Schichtdicke auf, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist.
Bei den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen der piezoelektrischen Aktorbauelemente verlaufen die leitfähigen Schichten 10 von einer Oberfläche O100a des Stapels 100 in den Stapel der piezoelektrischen Schichten und enden in einem Abstand d entfernt von einer Oberfläche O100b des Schichtstapels. Leitfähige Schichten 20 erstrecken sich ausgehend von der Oberfläche O100b des Schichtstapels in den Stapel 100 hinein und enden in dem Abstand d vor der Oberfläche O100a. Die ersten und zweiten leitfähigen Schichten bilden Elektrodenschichten, an die ein Spannungspotential anlegbar ist. Die Elektrodenschichten 10 können beispielsweise durch eine auf der Oberfläche O100a angebrachte Außenmetallisierung 41 miteinander verbunden sein. Ebenso können die Elektrodenschichten 20 durch eine auf der Oberfläche O100b aufgebrachte Außenmetallisierung 42 untereinander elektrisch verbunden sein.
Diejenigen Bereiche innerhalb des Schichtstapels 100 der 3A und 4B, an denen sich die Elektrodenschichten 10 und 20 überlappen, bilden den aktiven Bereich des Aktuators, der beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 10 und 20 eine Längenänderung erfährt. Der Randbereiche zwischen der Oberfläche O100a und dem aktiven Bereich B0 und der Randbereiche zwischen der Oberfläche O100b und dem aktiven Bereich B0 stellen die Isolationszonen B1 dar. Im Bereich der Isolationszonen B1 tritt beim Anlegen einer äußeren Spannung an das Aktuatorbauelement keine Auslenkung auf.
3B zeigt den Abschnitt A1 einer der leitfähigen Schichten 10, der im Vergleich zu dem Abschnitt A0 der leitfähigen Schicht 10 die erhöhte Schichtdicke aufweist, in einer vergrößerten Darstellung. Der Abschnitt A1 der leitfähigen Schicht 10 weist einen Teilabschnitt TA1 auf, der zwischen einer Position P10a und einer Position P10b der leitfähigen Schicht 10 liegt. Die Position P10a liegt in dem Abstand d von der Oberfläche O100a entfernt. Die Position P10b liegt zwischen der Position P10a und der Oberfläche O100a.
Der Abschnitt A1 der leitfähigen Schicht 10 weist einen Teilabschnitt TA2 auf, der zwischen der Position P10a und einer Position P10c der leitfähigen Schicht 10 liegt. Die Position P10c liegt zwischen der Position P10a und der Oberfläche O100b des Schichtstapels. Der Abschnitt A1 der leitfähigen Schicht weist des Weiteren einen Teilabschnitt TA3 auf. Der Teilabschnitt TA3 liegt zwischen der Position P10b und der Oberfläche O100a des Schichtstapels.
3B zeigt des Weiteren den Abschnitt A1 einer der leitfähigen Schichten 20, die in dem Schichtstapel benachbart zu der leitfähigen Schicht 10 angeordnet ist, in einer vergrößerten Darstellung. In dem Abschnitt A1 weist die leitfähige Schicht 20 im Vergleich zu ihrem übrigen Abschnitt A0 eine erhöhte Schichtdicke auf. Der Abschnitt A1 der leitfähigen Schicht 20 umfasst einen Teilabschnitt TA1, der zwischen einer Position P20a und einer Position P20b der leitfähigen Schicht 20 liegt. Die Position P20a liegt von der Oberfläche O100b des Schichtstapels in dem Abstand d entfernt. Die Position P20b liegt zwischen der Position P20a und der Oberfläche O100b des Schichtstapels.
Der Abschnitt A1 der leitfähigen Schicht 20 weist einen Teilabschnitt TA2 und einen Teilabschnitt TA3 auf. Der Teilabschnitt TA2 liegt zwischen der Position P20a und einer Position P20c der leitfähigen Schicht 20. Die Position P20c liegt zwischen der Position P20a und der Oberfläche O100a. Der Teilabschnitt TA3 liegt zwischen der Position P20b und der Oberfläche O100b des Schichtstapels.
Bei den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen liegen die Positionen P10b, P20b und die Position P10c, P20c um weniger als den Abstand d der Isolationszone von der Position P10a, P20a entfernt. Um ein Abzweigen der Polungsrisse in dem gesamten Schichtstapel zu vermeiden, weisen sämtliche der leitfähigen Schichten 10 und 20 in dem Schichtstapel 10 in dem Abschnitt A1 gegenüber dem Abschnitt A0 eine erhöhte Schichtdicke auf. Die erhöhte Schichtdicke kann das Zwei- bis Vierfache der Schichtdicke des Abschnitts A0 betragen. Die Elektrodenschichten 10 und 20 können beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 1 μm und 3 μm aufweisen. In dem aufgedickten Bereich weisen die Elektrodenschichten eine Schichtdicke zwischen 2 μm und 12 μm auf.
Das Material der leitfähigen Schichten 10 und 20 kann im Abschnitt A1 dasselbe Material wie im Abschnitt A0 sein. Für den Abschnitt A1 können die leitfähigen Schichten 10 und 20 aber auch im Vergleich zum Abschnitt A0 eine andere Materialzusammensetzung haben. Es können auch die gleichen Materialien mit unterschiedlichem Mischungsverhältnis für den Abschnitt A1 und den Abschnitt A0 verwendet werden.
4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Aktorbauelements 2 zur Vermeidung von abzweigenden Polungsrissen im Übergangsbereich zwischen aktivem Bereich B0 und inaktivem Bereich B1. Im Unterschied zu den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen erstreckt sich ein Abschnitt A2 des verdickten Innenelektrodenbereichs lediglich teilweise in der Isolationszone B1 und im aktiven Bereich B0. Der Abschnitt A2 der erhöhten Schichtdicke reicht insbesondere in der Isolationszone B1 nicht bis an die Oberflächen O100a und O100b des Schichtstapels.
4B zeigt die leitfähigen Schichten 10 und 20 mit den Abschnitten A2 der erhöhten Schichtdicke in einer vergrößerten Darstellung. Im Unterschied zu der in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsform weisen die leitfähigen Schichten 10 und 20 in den Abschnitten A2 lediglich den Teilabschnitt TA1 und den Teilabschnitt TA2 auf.
Der Teilabschnitt TA1 des Abschnitts A2 der leitfähigen Schicht 10 ist zwischen der Position P10a und der Position P10b der leitfähigen Schicht 10 angeordnet, wobei die Position P10a in dem Abstand d von der Oberfläche O100a entfernt liegt und die Position P10b zwischen der Position P10a und der Oberfläche O100a liegt. Der Teilabschnitt TA2 der leitfähigen Schicht 10 liegt zwischen der Position P10a und einer Position P10c der leitfähigen Schicht 10, wobei die Position P10c zwischen der Position P10a und der Oberfläche O100b des Schichtstapels liegt.
Der Teilabschnitt TA1 des Abschnitts A2 der leitfähigen Schicht 20 ist zwischen einer Position P20a und einer Position P20b der leitfähigen Schicht 10 angeordnet, wobei die Position P20a in dem Abstand d von der Oberfläche O100b entfernt liegt und die Position P20b zwischen der Position P10a und der Oberfläche O100b liegt. Der Teilabschnitt TA2 der leitfähigen Schicht 20 liegt zwischen der Position P20a und einer Position P20c der leitfähigen Schicht 20, wobei die Position P20c zwischen der Position P20a und der Oberfläche O100a des Schichtstapels liegt.
Bei der in den 4A und 4B gezeigten Ausführungsform weisen sämtliche der leitfähigen Schichten 10 und 20 in ihren jeweiligen Abschnitten A2 im Vergleich zu ihren jeweiligen Abschnitten A0 die erhöhte Schichtdicke auf. Die erhöhte Schichtdicke kann das Zwei- bis Vierfache der Schichtdicke in dem Abschnitt A0 betragen. Die Elektrodenschichten 10 und 20 können beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 1 μm und 3 μm aufweisen. In dem aufgedickten Bereich weisen die Elektrodenschichten eine Schichtdicke zwischen 2 μm und 12 μm auf.
Im Abschnitt A2 können die leitfähigen Schichten 10 und 20 das gleiche Material wie im Abschnitt A0 aufweisen. Im Abschnitt A2 kann auch ein anderes Material als im Abschnitt A0, insbesondere ein Material mit einer anderen Zusammensetzung beziehungsweise einem anderen Mischungsverhältnis, verwendet werden. Mittels einer finite Elementsimulation lassen sich Spannungsfelder an der Rissspitze von Polungsrissen simulieren. Auf Basis der berechneten Spannungsfelder kann das Risiko zur Rissabzweigung abgeschätzt werden. Berechnet wurden Spannungsfelder für herkömmliche Vielschicht-Piezoaktoren, bei denen die Elektrodenschichten eine einheitliche Dicke aufweisen, sowie für Aktoren mit einer Verstärkung der Elektrodenschichten im Abschnitt A2. Für die Simulation wurde in den Abschnitten A2 die zweifache und dreifache Elektrodendicke angenommen.
In 5 ist das verwendete Simulationsmodell mit der aktiven Zone B0, der Isolationszone B1 und einem Polungsriss R dargestellt. Aufgrund von Bauteilsymmetrien können die Untersuchungen anhand des abgebildeten Ausschnitts des Vielschichtaktors erfolgen.
Die Komponente des Spannungstensors tangential zu einem Kreisbogen mit Radius r um die Rissspitze beschreibt die sogenannte Umfangsspannung Sf in Richtung des Vektors e_f. Die Rissfortpflanzungsrichtung ist im linear elastischen Fall und bei homogener Risszähigkeit des Materials durch jenen Winkel f bestimmt, für den die Umfangsspannung maximal ist.
In 6 sind die Simulationsergebnisse der Umfangsspannung als Funktion des Winkels f dargestellt. Die Simulationen wurden für einen Piezoaktor einfacher Schichtdicke im Abschnitt A2 und mit einer zweifach beziehungsweise dreifach erhöhten Schichtdicke unter Überlastbedingungen mit einem E-Feld von 3 kV/mm und einer axial mechanischen Vorspannung von 20 MPa durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass unter diesen Bedingungen bei einem Aktorbauelement, bei dem die Elektrodenschichten in den Abschnitten A0 und A2 eine einheitliche Schichtdicke aufweisen, die Umfangsspannung bei cirka ±60° maximal wird. Bei diesem Winkeln ist bei isotroper Risszähigkeit eine Abzweigung der Polungsrisse zu erwarten.
Das Diagramm der 6 zeigt weiter, dass sich durch die Verstärkung der Innenelektroden das Spannungsfeld an der Rissspitze durch die beim Kosintern von Elektrode und Keramik eingebrachten Druckspannungen parallel zur Rissrichtung verändert. Der Verlauf der Umfangsspannung für zweifache und insbesondere für dreifache Elektrodendicke zeigt, dass aufgrund der erhöhten Schichtdicke in dem Abschnitten A1 beziehungsweise A2 die Gefahr des Abzweigens von Polungsrissen deutlich reduziert wird.
Die 7A und 7B zeigen ein Verfahren zur Herstellung der leitfähigen Schichten 10, 20 auf der piezoelektrischen Schicht 30 eines piezoelektrischen Aktorbauelements. Der Einfachheit halber ist lediglich eine der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten 30 gezeigt, die mit einer Elektrodenschicht 10 beziehungsweise 20 beschichtet wird.
In 7A erfolgt die Beschichtung der piezoelektrischen Schicht 30 mit der leitfähigen Schicht 10, 20 durch ein Bedrucken der Keramikfolie 30 mit einem leitfähigen Material der Elektrodenschicht, insbesondere durch ein Siebdruckverfahren, unter Verwendung einer Schablone 51.
7B zeigt das Aufbringen von zusätzlichem Material für die Elektrodenschichten 10, 20 in den Abschnitten A1 beziehungsweise A2. Das Aufbringen des zusätzlichen Materials erfolgt in einem nachfolgenden Bedruckungsverfahren unter Verwendung einer weiteren Schablone S2. Die derart beschichteten piezoelektrischen Schichten 30 werden anschließend zu der Stapelanordnung 100 übereinander gestapelt und gesintert.
Bezugszeichenliste

10, 20: Leitfähige Schichten (Elektrodenschichten)
30: Piezoelektrische Schichten
41, 42: Außenmetallisierungen
B0: Aktiver Bereich
B1: Isolationszone
A0: Abschnitt mit einfacher Schichtdicke
A1, A2: Abschnitt mit erhöhter Schichtdicke
d: Breite der Isolationszone

Claims

Piezoelektrisches Aktorbauelement, umfassend: – eine Vielzahl von leitfähigen Schichten (10, 20), – eine Vielzahl von übereinander in einem Stapel (100) angeordneten piezoelektrischen Schichten (30), – wobei die Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sind, – wobei mindestens eine der Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) in einem Abschnitt (A0) eine erste Schichtdicke aufweist und in einem weiteren Abschnitt (A1, A2) eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 1, wobei die zweite Schichtdicke das Zwei- bis Vierfache der ersten Schichtdicke beträgt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste Schichtdicke zwischen 1 μm bis 3 μm und die zweite Schichtdicke zwischen 2 μm und 12 μm beträgt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material der mindestens einen der Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) in dem weiteren Abschnitt (A1, A2) dieselbe Zusammensetzung wie das Material in dem Abschnitt (A0) aufweist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich das Material der mindestens einen der Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) in dem weiteren Abschnitt (A1, A2) von dem Material der mindestens einen der Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) in dem Abschnitt (A0) unterscheidet.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Vielzahl der leitfähigen Schichten (10, 20) erste leitfähige Schichten (10), an die ein erstes Spannungspotential angelegbar ist, und zweite leitfähige Schichten (20), an die ein zweites von dem ersten Spannungspotential verschiedenes Spannungspotential anlegbar ist, umfasst, – wobei die ersten und zweiten leitfähigen Schichten (10, 20) derart in dem Stapel (100) angeordnet sind, dass zwischen zwei der ersten leitfähigen Schichten (10) eine der zweiten leitfähigen Schichten (20) und zwischen zwei der zweiten leitfähigen Schichten (20) eine der ersten leitfähigen Schichten (10) angeordnet ist.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 6, – wobei sich die ersten leitfähigen Schichten (10) jeweils von einer ersten Oberfläche (O100a) des Stapels (100) in den Stapel erstrecken und in dem Stapel in einem Abstand (d) von einer zweiten von der ersten Oberfläche verschiedenen Oberfläche (O100b) des Stapels entfernt enden, – wobei sich die zweiten leitfähigen Schichten (20) jeweils von der zweiten Oberfläche (O100b) des Stapels in den Stapel (100) erstrecken und in dem Stapel in dem Abstand (d) von der ersten Oberfläche (O100a) entfernt enden.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 7, – wobei mindestens eine der ersten leitfähigen Schichten (10) den Abschnitt (A0) mit der ersten Schichtdicke und den weiteren Abschnitt (A1, A2) mit der zweiten Schichtdicke aufweist, – wobei der weitere Abschnitt (A1, A2) der mindestens einen der ersten leitfähigen Schichten (10) einen ersten Teilabschnitt (TA1) aufweist, – wobei der erste Teilabschnitt (TA1) des weiteren Abschnitts (A1, A2) der mindestens einen der ersten leitfähigen Schichten (10) zwischen einer ersten Position (P10a) und einer zweiten Position (P10b) der mindestens einen der ersten leitfähigen Schichten (10) liegt, – wobei die erste Position (P10a) in dem Abstand (d) von der ersten Oberfläche (O100a) des Stapels entfernt liegt, – wobei die zweite Position (P10b) zwischen der ersten Position (P10a) und der ersten Oberfläche (O100a) liegt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 8, – wobei der weitere Abschnitt (A1, A2) der mindestens einen der ersten leitfähigen Schichten (10) einen zweiten Teilabschnitt (TA2) aufweist, – wobei der zweite Teilabschnitt (TA2) des weiteren Abschnitts (A1) zwischen der ersten Position (P10a) und einer dritten Position (P10c) der mindestens einen der ersten leitfähigen Schichten (10) liegt, – wobei die dritte Position (P10c) zwischen der ersten Position und der zweiten Oberfläche (O100b) des Stapels liegt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, – wobei der weitere Abschnitt (A1) der mindestens einen der ersten leitfähigen Schichten (10) einen dritten Teilabschnitt (TA3) aufweist, – wobei der dritte Teilabschnitt (TA3) des weiteren Abschnitts (A1) zwischen der zweiten Position (P10b) und der ersten Oberfläche (O100a) des Stapels liegt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, – wobei mindestens eine der zweiten leitfähigen Schichten (20) den Abschnitt (A0) mit der ersten Schichtdicke und den weiteren Abschnitt (A1, A2) mit der zweiten Schichtdicke aufweist, – wobei der weitere Abschnitt (A1, A2) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schichten (20) einen ersten Teilabschnitt (TA1) aufweist, – wobei der erste Teilabschnitt (TA1) des weiteren Abschnitts (A1, A2) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schichten (20) zwischen einer ersten Position (P20a) und einer zweiten Position (P20b) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schichten (20) liegt, – wobei die erste Position (P20a) in dem Abstand (d) von der zweiten Oberfläche (O100b) entfernt liegt, – wobei die zweite Position (P20b) zwischen der ersten Position (P20a) und der zweiten Oberfläche (O100b) des Stapels liegt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach Anspruch 11, – wobei der weitere Abschnitt (A1, A2) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schichten (20) einen zweiten Teilabschnitt (TA2) aufweist, – wobei der zweite Teilabschnitt (TA2) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schichten (20) zwischen der ersten Position (P20a) und einer dritten Position (P20c) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schichten (20) liegt, – wobei die dritte Position (P20c) zwischen der ersten Position (P20a) und der ersten Oberfläche (O100a) liegt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 11 oder 12, – wobei der weitere Abschnitt (A1) der mindestens einen der zweiten leitfähigen Schicht (20) einen dritten Teilabschnitt (TA3) aufweist, – wobei der dritte Teilabschnitt (TA3) zwischen der zweiten Position (P20b) und der zweiten Oberfläche (O100b) des Stapels liegt.
Piezoelektrisches Aktorbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die zweite Position (P10b, P20b) und die dritte Position (P10c, P20c) um weniger als den Abstand (d) von der ersten Position (P10a, P10b) entfernt sind.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktorbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend: – Bereitstellen einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (30), – Beschichten jeder der Vielzahl der piezoelektrischen Schichten (30) mit einer leitfähigen Schicht (10, 20) durch ein Bedruckungsverfahren, insbesondere ein Siebdruckverfahren, unter Verwendung einer ersten Schablone (S1), – Aufbringen von zusätzlichem Material der leitfähigen Schicht (10, 20) auf mindestens eine der leitfähigen Schichten in einem nachfolgenden Bedruckungsverfahren unter Verwendung einer zweiten Schablone (S2) derart, dass die mindestens eine der leitfähigen Schichten (10, 20) in einem Abschnitt (A0) eine erste Schichtdicke und in einem weiteren Abschnitt (A1, A2) eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die zweite Schichtdicke größer als die erste Schichtdicke ist, – Stapeln der beschichteten piezoelektrischen Schichten (30) zu einem Stapel (100).