DE102011083543A1 - Piezoelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Piezoelement mit einem Grundkörper aus einer bleifreien Piezokeramik, insbesondere K0,5Na0,5NbO3, wobei der Grundkörper zumindest zwei Bereiche unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Piezoelement mit einem Grundkörper aus einer bleifreien Piezokeramik nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Piezoelements.
  • Zur Herstellung von Piezoelementen werden zunehmend polykristalline piezoelektrische Keramiken eingesetzt, da diese bei relativ kleinen Spannungen größere Längenänderungen als Piezokristalle ergeben. Der heute am häufigsten eingesetzte Werkstoff ist Bleizirkonat-Titanat. Unter anderem aus ökologischen Gründen sollen jedoch zunehmend bleifreie Piezokeramiken Anwendungen finden. Ein Beispiel für eine derartige Keramik ist das Kalium-Natrium-Niobat (KNN).
  • KNN und andere bleifreie Piezokeramiken auf perovskitischer Basis weisen im Allgemeinen einen Phasenübergang zwischen orthorombischer und tetragonaler Struktur im Bereich zwischen 0° und 100° Celsius auf. Im Bereich dieses Phasenübergangs werden die piezoelektrischen Eigenschaften des Materials maximal. Dies führt wiederum dazu, dass beispielsweise für industrielle und Automobilanwendungen besonders relevanten Temperaturbereich zwischen –40° und +180° Celsius die piezoelektrischen Eigenschaften derartiger Materialien hohe Temperaturkoeffizienten besitzen, welche der zuverlässigen Anwendung solcher Keramiken entgegenstehen. Es ist zwar bekannt, durch die Bildung mikroheterogener Keramikgefüge beispielsweise mit unterschiedlicher Dotierung, den Temperaturgang der piezoelektrischen Eigenschaften im relevanten Temperaturbereich zu stabilisieren, der Herstellung derartiger Keramiken ist jedoch außerordentlich aufwändig und teuer.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Piezoelement nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches einfach herzustellen ist und dabei besonders thermisch stabile piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum einfachen und ökonomischen Herstellen eines derartigen Piezoelements anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Piezoelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
  • Ein derartiges Piezoelement mit einem Grundkörper aus einer bleifreien Piezokeramik, insbesondere K0,5Na0,5NbO3 zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Grundkörper zumindest zwei Bereich unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aufweist. Im Falle des Kalium-Natrium-Niobats betrifft dies die orthorombisch-tetragonale Phasenübergangstemperatur. Bei entsprechend anderen bleifreien Piezokeramiken kann der Phasenübergang auch andere Kristallstrukturtypen betreffen.
  • Durch das Vorsehen von wenigstens zwei Bereichen unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur kann eine Vergleichmäßigung und Reduzierung des Temperaturganges wichtiger piezo- und dielektrischer Eigenschaften des Piezoelements erzielt werden. Ferner verringert sich durch das Vorsehen von mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur das Auftreten von mechanischen Spannungen beim Phasenübergang, da von einem Phasenübergangsereignis jeweils nur ein Teilbereich des Kristalls betroffen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Bereiche unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aus unterschiedlich dotiertem Kalium-Natrium-Niobat. Dies kann durch die Zugabe bzw. Dotierung der Bereiche mit unterschiedlichen Mengen und/oder Stoffzusammensetzungen von Seltenerdelementen erzielt werden. Auf diese Art können die Bereiche auf besonders einfache Art hergestellt werden.
  • Vorzugsweise weist der Grundkörper einen monoton steigenden Gradienten der Phasenübergangstemperatur entlang einer Vorzugsrichtung auf. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach zu realisieren und führt gleichzeitig zu besonders guter piezoelektrischen mechanischen Eigenschaften des Piezoelements.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden die Bereiche unterschiedlicher Phaseübergangstemperatur im Grundkörper ein 2-2-Komposit, also einen Mehrlagenaufbau, ein 3-3-Komposit, also ein Durchdringungsgefüge, 1-3-Komposit, also ein Stäbchenarray oder ein 0-3-Komposit, also eine Struktur mit in einer Matrix verteilten Partikeln aus. Die konkrete Wahl der Gefügestruktur des Piezoelements richtet sich dabei nach dem Anwendungsbereich.
  • Bei der Ausbildung des Piezoelements als Piezostapel, also als eine Vielschichtstruktur mit Innenelektroden, ist dabei insbesondere die Verwendung von 2-2-Kompositen zweckmäßig, da in diesem Fall die Innenelektroden zur Abgrenzung von Bereichen unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur verwendet werden können. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Materialspannungen beim Phasenübergang besonders günstig.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoelements, bei welchem zunächst zumindest zwei Stoffgemische zur Ausbildung jeweiliger bleifreier Piezokeramiken, insbesondere von K0,5Na0,5NbO3-Keramiken, mit unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur bereitgestellt und zu einem Grünkörper geformt werden. Der Grünkörper wird anschließend zu einem Grundkörper des Piezoelements gesintert, der zumindest zwei Bereiche unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aufweist. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Piezoelements geschildert, kann so auf einfache und ökonomische Weise eine Vergleichmäßigung und Reduzierung des Temperaturgangs der wichtigsten piezo- und dielektrischen Eigenschaften des Piezoelements erzielt werden und die beim Übergang zwischen den Kristallstrukturen der jeweiligen Bereiche entstehenden mechanischen Spannungen reduziert werden.
  • Das Verfahren ist zudem besonders einfach durchzuführen und kostengünstig sowie großserienfähig und prozesssicher.
  • Vorzugsweise werden die zumindest zwei Stoffgemische mit unterschiedlichen Mengen und/oder Stoffzusammensetzungen von Seltenerdelementen dotiert. Bei den Stoffgemischen kann es sich dabei beispielsweise um Keramikpulver, Keramikaufschlämmungen, also Schlicke, oder auch Vorprodukte zur Herstellung der eigentlichen Keramik handeln.
  • Der Grünkörper selbst kann durch Stapeln von durch Foliengießen erzeugten Grünfolien, durch Siebdruck, durch Sprühverfahren, durch Infiltration von porösen Vorformkörpern, durch Sedimentation oder durch elektrophoretische Abscheidung der zumindest zwei Stoffgemische geformt werden. Alle genannten Herstellungsverfahren sind im Keramikbereich etabliert und daher besonders einfach und zuverlässig durchzuführen.
  • Vorzugsweise wird beim Formen des Grünkörpers ein in eine Vorzugsrichtung monoton steigender Gradient der Phasenübergangstemperatur erzeugt, um auf diese Art die bereits anhand des erfindungsgemäßen Piezoelements geschilderten Vorteile zu erzielen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden beim Formen des Grünkörpers in regelmäßigen Abständen Innenelektroden in den Grünkörper eingebracht, um so einen Piezostapel zu schaffen.
  • Schließlich wird der keramische Grünkörper nach dem Sintern noch durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes von etwa 106 Volt pro Meter polarisiert. Dies ist notwendig, da bei keramischen Piezoelementen die internen Dipole nach dem Sintern noch ungeordnet sind. An den Korngrenzen sind im unpolarisierten Keramikbauteil die weißschen Bezirke noch willkürlich räumlich geordnet und gleichen sich daher gegenseitig aus. Erst durch Anlegen eine äußeren elektrischen Gleichfeldes während der Erwärmung des Materials bis knapp unter die Curie-Temperatur ordnen sich die Domänen, wobei die eingeprägte Orientierung danach als remanente Polarisation größtenteils erhalten bleibt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Piezoelements.
  • Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Piezoelement besteht aus einer Mehrzahl von Schichten 12, 14, 16, zwischen denen jeweils Innenelektroden 18 angeordnet sind. Die Innenelektroden 18 kontaktieren jeweilige Außenelektroden 20, über welche das Piezoelement 10 bestromt werden kann bzw. über welche elektrische Signale vom Piezoelement 10 abgenommen werden können.
  • Die Schichten 12, 14, 16 sind aus einer piezoelektrischen Keramik, insbesondere aus Kalium-Natrium-Niobat aufgebaut. Kalium-Natrium-Niobat weist im Temperaturbereich zwischen 0° und 100° Celsius einen strukturellen Phasenübergang auf, bei dem die Kristallstruktur von einer orthorombischen zu einer tetragonalen Struktur übergeht. Im Nahbereich dieses Phasenübergangs sind die piezoelektrischen Eigenschaften der Keramik maximal. Aufgrund der Lage des Phasenübergangs kommt es im Temperaturbereich von –40° bis +180° Celsius zu starken Schwankungen der piezoelektrischen und dieelektrischen Eigenschaften derartiger Kalium-Natrium-Niobat basierter Keramiken. Dies ist unerwünscht, da dies dem üblichen Anwendungsbereich derartiger Piezoelemente 10 in der Industrie und im Automobilbau entspricht.
  • Um den Temperaturgang der piezoelektrischen Eigenschaften des Piezoelements 10 zu vergleichmäßigen, sind die Schichten 12, 14, 16 daher unterschiedlich stark mit Seltenerdelementen oder dergleichen dotiert. Durch eine derartige Dotierung kann die Phasenübergangstemperatur der Keramik verschoben werden. Insgesamt sind Verschiebungen im Temperaturbereich von –40° Celsius bis +100° Celsius möglich. Im gezeigten Beispiel weisen die Schichten 14 eine Phasenübergangstemperatur für den orthorombisch-tetragonalen Phasenübergang auf, die um 15° Celsius höher liegt als diejenige der Schichten 12. Die Phasenübergangstemperatur der Schichten 16 liegt wiederum um 15° höher als diejenige der Schichten 14, also um 30° Celsius höher als diejenige der Schichten 12. Hierdurch kann über einen deutlich weiteren Temperaturbereich ein konstantes piezoelektrisches und dielektrisches Verhalten des Piezoelements 10 erzielt werden. Gleichzeitig werden die beim Übergang der orthorombischen und tetragonalen Kristallstruktur entstehenden Materialspannungen im Piezoelement 10 durch den Schichtaufbau mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen reduziert, da bei einer bestimmten Temperatur jeweils nur eine der Schichten 12, 14, 16 einen Übergang durchführt, der somit nicht das gesamte Piezoelement 10 betrifft.
  • Zur Herstellung eines derartigen Piezoelements 10 können beispielsweise für die Schichten 12, 14, 16 jeweilige Schlicker aus Kalium-Niobat-Partikeln mit entsprechender Dotierung bereitgestellt werden. Durch Foliengießen können aus diesen Schlicken Grünfolien erzeugt werden, die – unter Einlegen der Innenelektroden 18 – zur gewünschten Höhe gestapelt werden, so dass der gewünschte Gradient der Phasenübergangstemperatur erzeugt wird.
  • Selbstverständlich sind auch andere Herstellungsprozesse, wie beispielsweise der Siebdruck, das Aufsprühen der Schlicker, die Infiltration eines porösen Vorformkörpers, eine gradierte Sedimentation oder elektrophoretische Abscheidung oder dergleichen möglich.
  • Neben der gezeigten Schichtstruktur, deren Gefüge ein 2-2-Komposit bildet, können auch andere Gefüge realisiert werden. Möglich sind insbesondere 3-3-Komposite, also Durchdringungsgefüge, 1-3-Komposite, also Stäbchenarrays, oder auch 0-3-Komposite, also verteilte Partikel in einer Matrix. Bei allen genannten Gefügestrukturen können ebenfalls Gradienten der orthorombisch-tetragonalen Phasenübergangstemperatur realisiert werden, so dass die geschilderten Vorteile erzielt werden können.
  • Die geschilderten Herstellungsverfahren sind besonders prozesssicher durchzuführen und eignen sich daher für eine leichte und kostengünstige Herstellung des Piezoelements 10 im Rahmen einer Großserienfertigung.

Claims (13)

  1. Piezoelement (10) mit einem Grundkörper aus einer bleifreien Piezokeramik, insbesondere K0,5Na0,5NbO3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper zumindest zwei Bereiche (12, 14, 16) unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aufweist.
  2. Piezoelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (12, 14, 16) unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aus unterschiedlich dotiertem K0,5Na0,5NbO3 bestehen.
  3. Piezoelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (12, 14, 16) unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur mit unterschiedlichen Mengen und/oder Stoffzusammensetzungen von Seltenerdelementen dotiert sind.
  4. Piezoelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundköper einen monoton steigenden Gradienten der Phasenübergangstemperatur entlang einer Vorzugsrichtung aufweist.
  5. Piezoelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (12, 14, 16) unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur im Grundkörper ein 2-2-Komposit, 3-3-Komposit, 1-3-Komposit oder 0-3-Komposit ausbilden.
  6. Piezoelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (10) als Vielschichtstruktur mit Innenelektroden (18) ausgebildet ist.
  7. Piezoelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden (18) Bereiche (12, 14, 16) unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aufweisen.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Piezoelements (10), bei welchem zumindest zwei Stoffgemische zur Ausbildung jeweiliger bleifreier Piezokeramiken, insbesondere von K0,5Na0,5NbO3-Keramiken, mit unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur bereitgestellt und zu einem Grünkörper geformt werden, welcher zu einer Grundkörper des Piezoelements gesintert wird, der zumindest zwei Bereiche (12, 14, 16) unterschiedlicher Phasenübergangstemperatur aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Stoffgemische mit unterschiedlichen Mengen und/oder Stoffzusammensetzungen von Seltenerdelementen dotiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper durch Stapeln von durch Foliengießen hergestellten Grünfolien, durch Siebdruck, durch Sprühverfahren, durch Infiltration eines porösen Vorformkörpers, durch Sedimentation oder durch elektrophoretische Abscheidung der zumindest zwei Stoffgemische geformt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Formen des Grünkörpers ein in einer Vorzugsrichtung monoton steigender Gradient der Phasenübergangstemperatur erzeugt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Formen des Grünkörpers in regelmäßigen Abständen Innenelektroden (18) in den Grünkörper eingebracht werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Grundkörper nach dem Sintern durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes von etwa 106 V/m polarisiert wird.
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