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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Mehrschicht-Bauelements insbesondere eines Biegewandlers sowie ein piezokeramisches Mehrschicht-Bauelement insbesondere Biegewandler herstellbar mit diesem Verfahren.
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Biegewandler gehören neben den Stapelaktoren zu den am häufigsten eingesetzten Formen piezoelektrischer Aktoren und sind anwendungsspezifisch modifizierbar. Ein üblicher bimopher Biegewandler umfasst zwei piezoelektrische Schichten. Die Aktorschicht ist in der Regel aus einem PZT-Keramik genannten Bleizirkonattitanat ausgebildet. Darüber hinaus sind weitere piezoelektrische Biegewandler bekannt, die sich im Design, in der Art ihres Aufbaus, in der Auswahl des Trägermaterials und anderen Kriterien unterscheiden können. Ein unimorpher Biegewandler entspricht einem Bauelement mit nur einer piezoelektrisch aktiven Schicht und einem passiven Trägermaterial. Als Trimorph bezeichnete Biegewandler umfassen zwei piezoelektrische Aktorschichten, die mit einer Trägerschicht als (Mittel-)Lage verbunden sind. Werden die beiden mit einem Trägermaterial verklebten piezoelektrischen Schichten wechselseitig angesteuert, erhält man eine starke Verbiegung des Verbundes. Darüber hinaus sind Multilayer-Biegewandler bekannt, die keine Trägerschicht aufweisen und eine Vielzahl piezokeramischer Aktorschichten aufweisen. Bei diesen wird jeweils nur eine Hälfte elektrisch angesteuert, um eine Ausbiegung zu erzeugen. Die Trägerschicht oder (Mittel-)Lage kann beispielsweise aus mit Glasfasern verstärktem Epoxidharz ausgebildet sein.
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Zur Aktivierung wird an die piezokeramische Schicht eine Ansteuerspannung angelegt, wodurch relativ zu dem Träger eine Längenänderung hervorgerufen wird. Dies führt zu einer seitlichen Auslenkung. Hierdurch kann beispielsweise die Fluidströmung in einem Ventil gesteuert werden. Damit sich der Biegewandler unabhängig von Temperatureinflüssen neutral verhält, kann der Träger auf der der piezokeramischen Schicht entgegengesetzten Seite mit einer als Anpassschicht bezeichneten Kompensationsschicht belegt sein. Diese ist üblicherweise aus einem Material mit im wesentlichen gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie dem der Piezokeramik ausgebildet. Die Anpassschicht zeigt dann in dem während des Einsatzes des Biegewandlers auftretenden Temperaturbereich eine der Piezokeramik entsprechende Ausdehnung, so dass sich die Temperatureinflüsse gegenseitig kompensieren. Für die Anpassschicht kann ein Glas oder Aluminiumoxid verwendet werden, da diese Materialien einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das häufig verwendete Bleizirkonattitanat aufweisen.
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Biegewandler sind üblicherweise einseitig eingespannt, wobei die an dem freien Ende des Festkörperaktors erzeugte Kraft und/oder Auslenkung als aktorische Eigenschaft genutzt wird. Wird eine aktive Aktorschicht des Biegewandlers mit einem elektrischen Feld in Dickenrichtung angesteuert, so verkürzt sich die aktive Aktorschicht des Wandlers in ihrer Querrichtung, wodurch der Biegewandler an seiner Spitze in Richtung der Aktorschicht auslenkt. Durch das jeweilige Design eines Biegewandlers können Auslenkungen von einigen Millimetern, Kräfte bis zu einigen Newton und kurze Stellzeiten erzielt werden. Biegewandler sind als leistungsfähige und schnelle Stellelemente vielseitig einsetzbar.
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Piezokeramische Biegewandler können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Bei der Klebetechnik werden die piezoelektrisch aktive Schicht oder Schichten als Bulk- oder Vielschichtkeramik mit der passiven (Mittel-)Lage und gegebenenfalls einer Anpassschicht verklebt.
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Alternativ können piezokeramische Biegewandler mittels monolithischer Fertigungstechniken hergestellt werden. Monolithisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Schichtverbund etwa durch gemeinsames Sintern (Co-Firing) der Schichten hergestellt wird. Ein Verfahren zur Herstellung monolithischer Vielschichtaktoren durch Sintern von Grünfolien ist beispielsweise aus der
DE 102 34 787 C1 bekannt. Hierbei müssen die verwendeten Materialien aufgrund des Cofiring-Prozesses die Sintertemperatur der Keramik ertragen können. Typische Sintertemperaturen liegen zwischen 900°C und 1200°C.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Biegewandlers bereit zu stellen, das wenigstens einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Mehrschicht-Bauelements, insbesondere eines Biegewandlers, umfassend wenigstens eine piezoelektrische Keramikschicht, wenigstens eine Elektrodenschicht und wenigstens eine weitere Schicht umfassend eine Trägerschicht und/oder eine Anpassschicht, wobei man die piezoelektrische Keramikschicht mittels Aerosol-Abscheidung von piezokeramischen Partikeln und die weitere Schicht umfassend eine Trägerschicht und/oder eine Anpassschicht mittels Aerosol-Abscheidung von Partikeln ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Metalle oder Metalllegierungen, Keramiken, Gläser und/oder Polymere auf einem Substrat abscheidet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Begriffe "piezokeramisches" Material und "piezoelektrische Keramik" bezeichnen im Sinne der vorliegenden Erfindung ein keramisches Material, welches piezoelektrisch aktiv ist, als auch ein solches keramisches Material, welches erst durch Polarisation oder eine sonstige Vorbehandlung piezoelektrisch aktiv wird. Eine Piezokeramik wird durch Polarisation in einem homogenen elektrischen Feld piezoelektrisch aktiv.
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Erfindungsgemäß können die Trägerschicht und/oder die Anpassschicht mittels Aerosol-Abscheidung auf einem Substrat abgeschieden werden. In vorteilhafter Weise erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren weite Variationsmöglichkeiten in der Herstellung des Bauelementes und des Aufbaus der einzelnen Schichten.
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Weiterhin kann die Elektrodenschicht(en) mittels Aerosol-Abscheidung von Partikeln ausgewählt aus der Gruppe umfassend Partikel von Nichtedelmetallen, Partikel von Nichtedelmetalllegierungen oder Kohlenstoffpartikel abgeschieden werden.
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Das Substrat kann nach der Abscheidung entfernt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass der gesamte Schichtaufbau des Bauelementes mittels Aerosol-Abscheidung aufgebracht werden kann. Dies ermöglicht, dass sämtliche Schichten in Aufbau und Dicke frei wählbar sind. Beispielsweise können die Schichten gradiert abgeschieden werden.
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Alternativ kann die Abscheidung auf ein Substrat erfolgen, das nach der Abscheidung nicht entfernt wird, sondern eine der Schichten des Bauelements ausbilden kann, beispielsweise die Trägerschicht oder die Anpassschicht. Hierbei ist von Vorteil, dass das Bauelement ohne einen weiteren Verfahrensschritt verwendet werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass in diesem Fall ein bereits gradiertes Substrat verwendet wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass man die piezoelektrische Keramikschicht(en), die Elektrodenschicht(en), die Trägerschicht und optional die Anpassschicht auf ein Substrat aufbringt, wobei man das Substrat nach der Abscheidung entfernt.
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Zur Entfernung des Substrats kann vorgesehen sein, dass auf das Substrat eine Schicht mit niedriger Haftung oder eine chemisch ätzbare oder auflösbare Schicht abgeschieden wird.
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Auf diese Schicht, die leicht entfernbar ausgebildet ist, oder von der das Bauteil leicht entfernt werden kann, kann der weitere Schichtaufbau des Bauteils abgeschieden werden. Das abgeschiedene Bauteil kann leicht von einer Schicht mit niedriger Haftung abgelöst werden. Alternativ kann eine chemisch ätzbare oder auflösbare Schicht durch Nassätzen in Ätzlösung oder durch Trockenätzen entfernt werden, so dass das Bauteil und das Substrat getrennt vorliegen.
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Da in dieser Ausführungsform das Substrat nicht eine Schicht des hergestellten Bauelementes ausbildet, kann der gesamte Schichtaufbau des Bauelementes, insbesondere die piezoelektrische Keramikschicht(en), die Elektrodenschicht(en), die Trägerschicht und optional die Anpassschicht, mittels Aerosol-Abscheidung aufgebracht werden. Eine Anpassschicht ist nicht zwingend erforderlich. Es können somit wenigstens eine piezoelektrische Keramikschicht, wenigstens eine Elektrodenschicht und eine Trägerschicht, oder wenigstens eine piezoelektrische Keramikschicht, wenigstens eine Elektrodenschicht, eine Trägerschicht und eine Anpassschicht auf ein Substrat abgeschieden werden, das nach der Abscheidung entfernt wird.
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Das Substrat, das nach der Abscheidung entfernt wird, kann ausgebildet sein aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Keramiken, Gläser und/oder Kunststoffe. Bevorzugte Kunststoffe sind harte Kunststoffe insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Epoxidharze oder Polycarbonat, Polyethersulfon, Polyetheretherketon, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyoxymethylen, Polysulfon, Polyetherimid oder Polyamid. Geeignet sind auch glaskeramische Folien, die in der Mikrotechnik häufig als Substrate für Schichtbauelemente dienen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass man die piezoelektrische Keramikschicht(en), die Elektrodenschicht(en) und die Trägerschicht oder die Anpassschicht auf ein Substrat aufbringt, wobei man das Substrat nach der Abscheidung nicht entfernt.
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In dieser Ausführungsform bildet das Substrat eine Schicht des hergestellten Bauelementes aus. Vorzugsweise bildet das Substrat die Trägerschicht oder die Anpassschicht aus. In vorteilhafter Weise wird somit ein Aufbau des Bauelementes ausgehend von der Trägerschicht oder passiven (Mittel-)Lage oder der Anpassschicht ermöglicht. In dieser Ausführungsform können diese Schichten als Substrate zur Beschichtung der anderen funktionalen Schichten des Bauelementes insbesondere Biegewandlers dienen.
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Es können somit die piezoelektrische Keramikschicht(en), die Elektrodenschicht(en) und eine Trägerschicht, oder die piezoelektrische Keramikschicht(en), die Elektrodenschicht(en) und eine Anpassschicht auf einem Substrat abgeschieden werden, das entsprechend die Anpassschicht oder die Trägerschicht des Bauelements ausbildet.
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Das Substrat, das nach der Abscheidung nicht entfernt wird, kann ausgebildet sein aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Metalle oder Metalllegierungen, Faserverbundwerkstoffe, Keramiken, Gläser, Kohlenstoff und/oder Kunststoffe.
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Bevorzugte Metalle oder Metalllegierungen sind insbesondere niedrigschmelzende und/oder unedle Metalle oder deren Legierungen, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Magnesium, Aluminium, Kupfer, Nickel, Chrom und deren Legierungen. Der Begriff "niedrig schmelzendes" Metall bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Metall, dass unterhalb einer Temperatur von 950°C schmilzt.
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Bevorzugte Keramiken sind piezoelektrische Keramiken, insbesondere ausgebildet aus Materialien ausgewählt aus der Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat, Lithiumniobat, Kalium-Natrium-Niobat, Barium-Titanat, Blei-Magnesium-Niobat – Blei-Titanat (PMN-PT), Blei-Zirkonium-Niobat – Blei-Titanat und/oder Bismuth-Natrium-Titanat, sowie Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid. Insbesondere bevorzugt ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT-Keramik).
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Bevorzugte Kunststoffe sind hochtemperaturstabile und harte Kunststoffe insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der Epoxidharze oder Polycarbonat, Polyethersulfon, Polyetheretherketon, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyoxymethylen, Polysulfon, Polyetherimid oder Polyamid. Geeignet sind auch glaskeramische Folien, die in der Mikrotechnik häufig als Substrate für Schichtbauelemente dienen.
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Bevorzugte Faserverbundwerkstoffe sind faserverstärkte Polymere oder Polymerkomposite.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, dass ausgehend von einem Substrat, das die Trägerschicht oder Anpassschicht des Bauelementes ausbildet, die weiteren Schichten mittels Aerosol-Abscheidung direkt auf dieses aufgebracht werden können.
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Vorzugsweise ist die Trägerschicht ebenso wie die Anpassschicht aus einem Metall, einer Keramik, einem Glas oder einem gegebenenfalls faserverstärkten Polymer oder Polymerkomposit ausgebildet. Besonders bevorzugt können sowohl die piezoelektrische Keramikschicht wie auch die Trägerschicht und gegebenenfalls die Anpassschicht aus dem gleichen Piezokeramikmaterial ausgebildet sein.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die weitere Schicht umfassend eine Trägerschicht und/oder eine Anpassschicht mittels Aerosol-Abscheidung von Partikeln ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Metalle oder Metalllegierungen, Keramiken, Gläser und/oder Kunststoffe abgeschieden. Bevorzugte Metallpartikel oder Partikel von Metalllegierungen sind ausgebildet aus niedrigschmelzenden und/oder unedlen Metallen oder deren Legierungen, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Magnesium, Aluminium, Kupfer, Nickel, Chrom und deren Legierungen. Bevorzugte Keramikpartikel sind ausgebildet aus piezoelektrischen Keramiken, insbesondere aus Materialien ausgewählt aus der Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat, Blei-Magnesium-Niobat – Blei-Titanat, Blei-Zirkonium-Niobat – Blei-Titanat, Lithiumniobat, Kalium-Natrium-Niobat, Barium-Titanat und/oder Bismuth-Natrium-Titanat. Insbesondere bevorzugt ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT-Keramik).
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Bevorzugt ist eine Aerosolabscheidung mittels der sogenannten aerosol deposition method. Bei der Aerosolabscheidung wird aus einem Pulver ein Aerosol hergestellt. Eine Aerosol-Abscheidung von Partikeln erfolgt insbesondere bei hoher Geschwindigkeit und niedriger Temperatur. Das Aerosol kann beispielsweise in einer Vakuumstrecke unter der Sogwirkung einer Vakuumpumpe beschleunigt werden. Beim Aufprall der Partikel auf ein Substrat bildet sich die Schicht. Vorzugsweise treten die Partikel aus einer in drei Achsen verfahrbaren Düse aus. Alternativ kann das Substrat bei still stehender Düse verfahren werden. In vorteilhafter Weise treffen die Pulverpartikel mit einer hohen kinetischen Energie auf. Eine bevorzugte Geschwindigkeit der Partikel liegt im Bereich von ≥ 10 m/s bis ≤ 3000 m/s, vorzugsweise im Bereich von ≥ 100 m/s bis ≤ 1000 m/s. Bevorzugt scheidet man die Schichten bei Temperaturen ≤ 300°C ab. Vorzugsweise scheidet man die Schichten bei Temperaturen im Bereich von ≥ 18°C bis ≤ 300°C ab.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass durch die Abscheidung und Temperung der Schichten bei niedrigen Prozesstemperaturen die Generierung schädlicher mechanischer Spannungen in den Piezokeramikschichten durch die Verschiedenheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Piezokeramik, Elektroden, Trägerschicht, die auch als passive (Mittel-)Lage bezeichnet wird, und Anpassschicht weitgehend vermieden werden kann. Weiter ist von Vorteil, dass für die Innen- und Außenelektroden sowie die passive (Mittel-)Lage und die Anpassschicht kostengünstige Metalle wie Aluminium, Magnesium oder Magnesiumlegierungen, Kupfer, Nickel, Chrom oder beliebige Keramiken, Gläser sowie vorzugsweise hoch temperaturstabile Kunststoffe Verwendung finden können. Weiterhin ist von Vorteil, dass die bei der Sinterung monolithischer Mehrschichtbiegewandler gegebenenfalls auftretende Verkrümmung vermieden werden kann. Geeigneter Weise verwendet man für die Aerosol-Abscheidung Partikel einer Partikelgröße im Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 100 µm, bevorzugt im Bereich von ≥ 100 nm bis ≤ 50 µm, vorzugsweise eine Partikelgröße im Bereich von ≥ 200 nm bis ≤ 10 µm, insbesondere eine Partikelgröße im Bereich von ≥ 300 nm bis ≤ 5 µm.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die piezoelektrische Keramikschicht mittels Aerosol-Abscheidung von piezokeramischen Partikeln abgeschieden. Piezokeramische Partikel umfassen vorzugsweise Partikel piezoelektrischer Materialien ausgewählt aus der Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat, Blei-Magnesium-Niobat – Blei-Titanat, Blei-Zirkonium-Niobat – Blei-Titanat, Lithiumniobat, Kalium-Natrium-Niobat, Barium-Titanat und/oder Bismuth-Natrium-Titanat, insbesondere Blei-Zirkonat-Titanat.
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Mittels Aerosol-Abscheidung von piezokeramischen Partikeln abgeschiedene piezoelektrische Keramikschichten werden nachfolgend vorzugsweise getempert. Bevorzugt tempert man die Schichten bei Temperaturen ≤ 800°C. Vorzugsweise tempert man die Schichten bei Temperaturen im Bereich von ≥ 400°C bis ≤ 700°C, bevorzugt im Bereich von ≥ 400°C bis ≤ 600°C. Es ist von Vorteil, dass die Temperung, durch die gute piezoelektrische Eigenschaften der Piezokeramikschicht erzielt werden können, bei so niedrigen Temperaturen stattfinden kann, so dass die anderen Schichten weder aufschmelzen, sich zersetzen, noch vermehrt oxidiert werden oder mit den Keramikschichten chemisch reagieren.
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Von Vorteil ist, dass unerwünschte chemische Reaktionen zwischen Piezokeramik und Elektrodenmaterial aufgrund der geringen Verfahrens- und Temperungstemperaturen weitgehend unterdrückt werden können.
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Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit eines gradierten Aufbaus der piezokeramischen Schicht, sowie ebenso der Trägerschicht und/oder der Anpassschicht. Dies ermöglicht, die Biegelinie des Wandlers zu modifizieren, beispielsweise zu homogenisieren, die neutrale Faser der Biegung in eine gewünschte Ebene im Biegewandler zu bringen, oder die mechanischen Spannungen im Biegewandler zu reduzieren und Lastspitzen abzubauen.
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Ein Gradient kann ein Gradient der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften einer Schicht sein, insbesondere ein Gradient der chemischen oder strukturellen Zusammensetzung. Ein struktureller Gradient kann insbesondere ein Dichtegradient, ein Gradient der Porosität oder ein Gradient der Schichtdicke sein. Ein Gradient ist vorzugsweise in Dickenrichtung einer Schicht und damit in Stapelrichtung des Bauelements vorhanden. Ein Gradient in Dickenrichtung ergibt sich beispielsweise durch das Wachstum in Dickenrichtung der aufgebrachten Schichten.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens erzeugt man einen Gradienten der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der piezoelektrischen Keramikschicht(en) durch Gradieren der Basis- und/oder Dotierelemente der piezokeramischen Partikel. Beispielsweise kann der Silbergehalt einer Keramik variiert werden, und/oder der Gehalt an Zirkon und/oder Titan.
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Unter den Basiselementen einer piezoelektrischen Keramik werden die Elemente, insbesondere Metalle, verstanden, aus denen die Keramik ausgebildet ist, insbesondere Blei, Zirkon, Titan, Niob, Tantal, Kalium, Natrium, Barium, und Bismuth. Unter den Dotierelementen einer piezoelektrischen Keramik werden Elemente insbesondere Metalle verstanden, die der Keramik als Dotierstoffe beigefügt werden können, insbesondere Silber, Calcium, Strontium, Lithium, Nickel, Mangan, Antimon, Molybdän, Wolfram, Hafnium oder Seltenerdmetalle. Dotierelemente werden vorzugsweise in Form ihrer Oxide zugesetzt.
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Das Gradieren der Basis- und Dotierelemente kann insbesondere durch Variieren der Zusammensetzung des Aerosols eingestellt werden, beispielsweise durch Mischen oder abwechselndes Sprühen mehrerer, beispielsweise zweier, Aerosole enthaltend die Basis- und Dotierelemente in unterschiedlicher Zusammensetzung. Weiter bevorzugt können zur Einstellung eines Gradienten Mischungen von Partikeln piezoelektrischer Keramik und Polymer oder Mischungen von Metall und Kohlenstoff verwendet werden.
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Von Vorteil ist, dass durch Gradieren der Basis- und Dotierelemente eine Verringerung der Diffusionsneigung, die zur Verarmung der Elektroden an Metallbestandteilen führt, sowie eine Anpassung der piezoelektrischen Eigenschaften insbesondere über die Schichtgrenzen eingestellt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erzeugt man einen Gradienten der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der piezoelektrischen Keramikschicht(en) durch Gradieren der Porosität und/oder der Dichte der piezoelektrischen Keramikschicht(en) und/oder durch Gradieren der Korngröße der piezokeramischen Partikel.
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Ein Gradieren der Porosität und/oder der Dichte kann insbesondere durch Variation der Verfahrensparameter, der Temperatur, des Drucks, des Gasstroms, der Düsengeometrie, der Substraterwärmung oder des Auftreffwinkels der Partikel erzeugt werden. Ebenso können Mischungen von Partikeln piezoelektrischer Keramik und Polymer oder Mischungen von Metall und Kohlenstoff verwendet werden.
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Von Vorteil ist, dass durch Gradieren der Porosität und/oder der Dichte oder der Korngröße eine Anpassung der piezoelektrischen Eigenschaften insbesondere über die Schichtgrenzen eingestellt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erzeugt man einen Gradienten der Schichtdicke der piezoelektrischen Keramikschicht(en). Von Vorteil ist, dass durch einen Gradienten der Schichtdicke mechanische Spannungen an den Grenzflächen abgebaut werden können.
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Vorzugsweise liegt die Schichtdicke der piezoelektrische Keramikschicht bei < 20 µm, insbesondere im Bereich von ≥ 0,1 µm bis < 20 µm, vorzugsweise im Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 15 µm, bevorzugt im Bereich von ≥ 5 µm bis ≤ 10 µm.
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In vorteilhafter Weise sind Biegewandler mit derart geringen Schichtdicken im aktorischen Betrieb mit Ansteuerspannungen unter 24 V bis zur Großsignalsättigung ansteuerbar. Insbesondere kann somit das Leistungspotential wesentlich verbessert werden. Insbesondere vorteilhaft im Sensor-/Generatorbetrieb ist die Kenngröße Ladung/Volumen maximierbar.
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Ein Gradient kann neben der piezoelektrischen Keramikschicht ebenso in der Trägerschicht und/oder der Anpassschicht ausgebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erzeugt man einen Gradienten der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Trägerschicht durch Gradieren der Zusammensetzung der Partikel, durch Gradieren der Korngröße der Partikel, durch Gradieren der Porosität und/oder der Dichte der Trägerschicht, und/oder durch einen Gradienten der Schichtdicke.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erzeugt man einen Gradienten der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Anpassschicht durch Gradieren der Zusammensetzung der Partikel, durch Gradieren der Porosität und/oder der Dichte der Trägerschicht, durch Gradieren der Korngröße der Partikel, und/oder durch einen Gradienten der Schichtdicke.
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Ein Gradient der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Trägerschicht und/oder der Anpassschicht kann durch Gradieren der Basis- und/oder Dotierelemente piezokeramischer Partikel erzielt werden, wenn die Träger- oder Anpassschicht aus einem piezokeramischen Material ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Silbergehalt variiert werden, und/oder der Gehalt an Zirkon und/oder Titan. Ebenso können Mischungen von Partikeln piezoelektrischer Keramik und Polymer oder Mischungen von Metall und Kohlenstoff verwendet werden.
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Ein Gradieren der Porosität und/oder der Dichte der Trägerschicht und/oder der Anpassschicht kann ebenso durch Variation der Verfahrensparameter, der Temperatur, des Drucks, des Gasstroms, der Düsengeometrie, der Substraterwärmung oder des Auftreffwinkels der Partikel erzeugt werden.
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Durch die Abscheidung hinsichtlich der Dicke variabel einstellbarer Schichten können Designänderungen im Aufbau eines Biegewandlers flexibel und ohne größere Anpassarbeiten durchgeführt werden.
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Vorzugsweise können auch die Elektrodenschicht(en) mittels Aerosol-Abscheidung ausgebildet werden. Vorzugsweise bilden Partikel eines niedrig schmelzenden Nichtedelmetalls oder Partikel einer niedrig schmelzenden Nichtedelmetalllegierung eine Elektrodenschicht ausgebildet aus einem niedrig schmelzenden Nichtedelmetall oder Nichtedelmetalllegierung aus. Bevorzugte Partikel, insbesondere niedrig schmelzender Nichtedelmetalle, sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Indium-, Blei-, Cadmium-, Zinn-, Zink-, Magnesium-, Kupfer-, Nickel-, Chrom- und/oder Aluminium-Partikel. Weiter bevorzugt sind Kohlenstoff-Partikel. Besonders bevorzugt sind Graphit-Partikel. Weiter bevorzugt sind Mischungen von Partikeln aus einem oder mehreren niedrig schmelzenden Nichtedelmetallen, insbesondere Aluminium und Polymeren oder Kohlenstoff.
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Vorzugsweise scheidet man mittels Aerosol-Abscheidung von Aluminium-Partikeln oder Partikeln einer Aluminiumlegierung eine Elektrodenschicht ausgebildet aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend AlMg und/oder AlSiMg, ab. Verwendbar sind Aluminium-Partikel oder Partikel von Aluminium-Legierungen. Geeignete Aluminiumlegierungen sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend AlMg-, AlSiMg-, AlCuMg-, AlCuSiMn-, AlZnMg-, AlZnMgCu-, AlSi-, AlSiCu-, AlCuTi- und/oder AlCuTiMg-Legierungen. Bevorzugte Aluminiumlegierungen sind insbesondere AlMg- und AlSiMg-Legierungen. Geeignet sind Elektrodenschichten mit einer Schichtdicke ≤ 3 µm, vorzugsweise ≤ 2 µm, weiter bevorzugt ≤ 1 µm. Bevorzugt bringt man Elektrodenschichten mit einer Schichtdicke im Bereich von ≥ 0,1 µm bis ≤ 3 µm, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,5 µm bis ≤ 2 µm, auf.
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Das Abscheiden eines Aerosols insbesondere eine Aerosolabscheidung mittels des sogenannten Aerosol-Deposition-Verfahrens ermöglicht in vorteilhafter Weise eine dreidimensionale Ausgestaltung des Mehrschichtaufbaus durch die Möglichkeit zur strukturkonformen Beschichtung, beispielsweise auf gewölbten Substraten, insbesondere Trägerschichten.
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Weiterhin kann in einem weiteren Verfahrensschritt optional eine isolierende Oberflächenbeschichtung zur elektrischen Passivierung des Bauelementes mittels Aerosol-Abscheidung abgeschieden werden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein piezokeramisches Mehrschicht-Bauelement, insbesondere Biegewandler, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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In bevorzugten Ausführungsformen weisen die piezoelektrische Keramikschicht(en), die Trägerschicht und/oder die Anpassschicht des piezokeramischen Mehrschicht-Bauelements, insbesondere Biegewandlers, in Stapelrichtung einen Gradienten der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften auf.
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Der Gradient der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften einer Schicht kann insbesondere ein Gradient der chemischen oder strukturellen Zusammensetzung sein. Ein struktureller Gradient kann insbesondere ein Dichtegradient, ein Gradient der Porosität oder ein Gradient der Schichtdicke sein.
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Das Mehrschicht-Bauelement, insbesondere der Biegewandler, weist wenigstens eine piezoelektrische Keramikschicht und wenigstens eine Elektrodenschicht auf. Das Bauelement kann mehrere piezoelektrische Keramikschichten und Elektrodenschichten aufweisen, insbesondere einen Schichtenstapel, in dem piezoelektrische Keramikschichten und Elektrodenschichten alternierend angeordnet sind.
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Beispiele und eine schematisch Figur, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Biegewandlers.
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Der in 1 dargestellte Biegewandler 1 umfasst einen Schichtenstapel, in dem piezoelektrische Keramikschichten 10 und Elektrodenschichten 20 alternierend angeordnet sind. Der Schichtenstapel ist auf einer Trägerschicht 30 aufgebracht, die auf der von dem Schichtenstapel abgewandten Seite eine Anpassschicht 40 aufweist.
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Der Biegewandler wurde mittels Aerosol-Abscheidung erzeugt. Die piezoelektrischen Keramikschichten 10 sind ausgebildet aus Blei-Zirkonat-Titanat und wurden durch Abscheiden eines Aerosols von Blei-Zirkonat-Titanat-Partikeln in einem Trägergas abgeschieden. Zum Erzeugen der piezoelektrischen Keramikschichten 10 wurden Blei-Zirkonat-Titanat-Partikel in Pulverform einem Trägergas unter Bildung eines Aerosols zugeführt, das auf einem Substrat abgeschieden wurde. Gleichermaßen wurden Aluminiumpartikel durch Abscheiden eines Aerosols als Elektrodenschichten 20 abgeschieden. Die Abscheidung erfolgte auf einem Substrat von Bleizirkonat-Titanat (PZT), das nach der Abscheidung nicht entfernt wurde, sondern die Trägerschicht oder passive (Mittel-)Lage 30 ausbildete. Auf die von dem Schichtenstapel abgewandte Seite der Trägerschicht oder passiven (Mittel-)Lage 30 wurde mittels Aerosol-Abscheidung von Bleizirkonat-Titanat-Partikeln die Anpassschicht 40 abgeschieden.
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Die piezoelektrische Keramikschicht 10 weisen in Stapelrichtung einen Gradienten der Schichtdicke auf. So weist die piezoelektrische Keramikschicht 11 eine Schichtdicke von 20 µm auf, die piezoelektrische Keramikschicht 12 eine Schichtdicke von 19 µm auf, die piezoelektrische Keramikschicht 13 eine Schichtdicke von 17 µm, die piezoelektrische Keramikschicht 14 eine Schichtdicke von 14 µm, und die piezoelektrische Keramikschicht 15 eine Schichtdicke von 10 µm. Die Elektrodenschichten 20 weisen eine Schichtdicke von 1 µm auf. Die Elektrodenschichten 20 sind zur elektrischen Kontaktierung in alternierender Polarität jeweils mit zumindest einer seitlich am Stapel angeordneten Metallisierung 50 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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