DE102013100764B4

DE102013100764B4 - A method for the production of electrodes produced by physical vapor deposition and a method for the production of piezo elements with electrodes produced by physical vapor deposition

Info

Publication number: DE102013100764B4
Application number: DE102013100764.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Hess
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2033-01-26
Also published as: DE102013100764A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer vertikalen Elektrode (26) in einer Aussparung (20) einer piezoelektrischen Schicht (12), wobei die vertikale Elektrode (26) durch physikalische Gasphasenabscheidung erzeugt wird, sodass die vertikale Elektrode (26) von einer auf der piezoelektrischen Schicht (12) angeordneten horizontalen Elektrode (14) durch einen Spalt getrennt ist und die horizontale Elektrode (14) durchquert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochmaske (34) zur physikalische Gasphasenabscheidung verwendet wird, die eine mit der Aussparung (20) fluchtende Öffnung (16) in der horizontalen Elektrode (14) teilweise, insbesondere jedoch die Randbereiche der Öffnung (16) vollständig, verdeckt.Method for producing a vertical electrode (26) in a recess (20) of a piezoelectric layer (12), wherein the vertical electrode (26) is produced by physical vapor deposition, so that the vertical electrode (26) is supported by one on the piezoelectric layer (12 ) arranged horizontal electrode (14) is separated by a gap and traverses the horizontal electrode (14), characterized in that a perforated mask (34) is used for physical vapor deposition, which has an opening (16) aligned with the recess (20) in of the horizontal electrode (14) partially, but in particular completely covers the edge regions of the opening (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer vertikalen Elektrode. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung mehrerer vertikaler Elektroden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements und eines Piezostacks.The invention relates to a method for manufacturing a vertical electrode. The invention also relates to a method for producing a plurality of vertical electrodes. The invention also relates to a method for producing a piezo element and a piezo stack.

Piezoelemente bestehen aus einer Schicht eines piezoelektrischen Materials, die von beiden Seiten mit einer Elektrode versehen ist. Durch eine an die Elektroden angelegte Spannung wird im Bereich der piezoelektrischen Schicht ein elektrisches Feld aufgebaut, das zu einer Größenänderung der piezoelektrischen Schicht aufgrund des piezoelektrischen Effektes führt. Dazu müssen die beiden Elektroden mit unterschiedlichen Polen einer Spannungsquelle verbunden sein.Piezo elements consist of a layer of piezoelectric material, which is provided with an electrode on both sides. A voltage applied to the electrodes creates an electric field in the area of the piezoelectric layer, which leads to a change in the size of the piezoelectric layer due to the piezoelectric effect. To do this, the two electrodes must be connected to different poles of a voltage source.

Handelsübliche Piezoelemente bestehen in der Regel aus einer Vielzahl übereinander angeordneter piezoelektrischer Schichten mit entsprechenden Elektroden. Bei Piezoelementen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten spricht man von Piezostacks. Dabei ist zwischen zwei piezoelektrischen Schichten nur jeweils eine Elektrode angeordnet. Die Kontaktierung der Elektroden mit der Spannungsquelle erfolgt hierbei durch vertikale Elektroden, die sich orthogonal zu den piezoelektrischen Schichten erstrecken. Um die für den Betrieb des Piezostacks notwendige abwechselnde Polung der Elektroden zu erreichen, kontaktiert jede vertikale Elektrode nur jede zweite horizontale Elektrode.Commercially available piezo elements usually consist of a large number of piezoelectric layers arranged one above the other with corresponding electrodes. Piezo stacks are used in the case of piezo elements with a large number of piezoelectric layers. Only one electrode is arranged between two piezoelectric layers. The electrodes are contacted with the voltage source by vertical electrodes that extend orthogonally to the piezoelectric layers. In order to achieve the alternating polarity of the electrodes necessary for the operation of the piezo stack, each vertical electrode only makes contact with every second horizontal electrode.

Zur Herstellung eines Piezostacks wird üblicherweise das Schichtsystem aus den piezoelektrischen Schichten und den horizontalen Elektroden durch Sintern hergestellt. Anschließend wird ein Loch für die vertikalen Elektroden in den Schichtstapel gebohrt. In das Loch wird in einem nachfolgenden Schritt eine vorgeformte vertikale Elektrode eingeführt. Aufgrund der hohen Temperaturbelastung, der der Piezostack während des Sinterns ausgesetzt werden muss, ist die Auswahl der Elektrodenmaterialien auf solche beschränkt, die stabil bei den beim Sintern auftretenden Temperaturen sind. Zudem führt das Bohren der Löcher zu starken mechanischen Belastungen, sodass sich Risse bilden können.To produce a piezo stack, the layer system from the piezoelectric layers and the horizontal electrodes is usually produced by sintering. Then a hole for the vertical electrodes is drilled into the stack of layers. In a subsequent step, a preformed vertical electrode is inserted into the hole. Due to the high temperature load to which the piezostack has to be exposed during sintering, the choice of electrode materials is limited to those that are stable at the temperatures occurring during sintering. In addition, drilling the holes leads to strong mechanical loads, so that cracks can form.

Die WO 2008/ 116 173 A1 offenbart eine Energy-Harvesting-Vorrichtung mit einer Vielzahl von Modulen, die jeweils mehrere Gruppen von Balken aufweisen. Die Balken können in Form eines Monomorphs mit einer piezoelektrischen Schicht sowie zwei Elektrodenschichten vorliegen. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger Balken gezeigt, in welchem Seitenelektroden beispielsweise mittels Sputtern erzeugt werden.WO 2008/116 173 A1 discloses an energy harvesting device with a plurality of modules, each of which has a plurality of groups of bars. The bars can be in the form of a monomorph with a piezoelectric layer and two electrode layers. Furthermore, a method for producing such bars is shown, in which side electrodes are produced, for example, by means of sputtering.

Die US 5 920 421 A zeigt angetriebene Spiegelanordnungen („actuated mirror arrays“, AMA) mit einem Reflektor, an welchem ein erster Aktuator und ein zweiter Aktuator vorgesehen sind. Der erste Aktuator umfasst eine Supportschicht sowie eine piezoelektrische Schicht, die von einer ersten Elektrode sowie einer zweiten Elektrode umgeben ist. Die Supportschicht, die piezoelektrische Schicht sowie die erste Elektrode weisen rund um einen Anker eine Vertiefung mit einer Durchbohrung auf. In der Vertiefung ist ein Kontakt vorgesehen, der die erste Elektrode mit einem Verbindungsterminal elektrisch kontaktiert, wobei der Kontakt beispielsweise mittels Sputtern erzeugt wird. Der zweite Aktuator ist analog zum ersten Aktuator ausgeführt.The U.S. 5,920,421 A shows powered mirror arrays (“actuated mirror arrays”, AMA) with a reflector on which a first actuator and a second actuator are provided. The first actuator comprises a support layer and a piezoelectric layer which is surrounded by a first electrode and a second electrode. The support layer, the piezoelectric layer and the first electrode have a recess with a through-hole around an anchor. A contact is provided in the recess which makes electrical contact between the first electrode and a connection terminal, the contact being produced, for example, by means of sputtering. The second actuator is designed analogously to the first actuator.

Aus der US 2001 / 0 022 489 A1 ist ein piezoelektrischer Aktuator bekannt, der eine Vielzahl von übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten umfasst, die jeweils von einer Elektrode voneinander getrennt sind. Senkrecht zu den Elektroden verlaufen zwei Öffnungen, die mit einer elektrisch leitenden Paste gefüllt sind, um die einzelnen Elektroden zu kontaktieren.From US 2001/0 022 489 A1 a piezoelectric actuator is known which comprises a plurality of piezoelectric layers arranged one above the other, each of which is separated from one another by an electrode. Two openings, which are filled with an electrically conductive paste, run perpendicular to the electrodes in order to contact the individual electrodes.

Die DE 102 15 993 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikschichtkörpers, in welchem mehrere Einheiten mit jeweils einer Keramikschicht zwischen zwei Elektrodenschichten aufgeschichtet und anschließend in einem Thermoverbindungsschritt miteinander verbunden werden.The DE 102 15 993 A1 discloses a method for producing a ceramic laminated body in which a plurality of units, each with a ceramic layer, are stacked between two electrode layers and then connected to one another in a thermoconnecting step.

Die US 5 479 377 A zeigt einen Energiewandler mit einer Membran, die einen Bereich aus piezoelektrischem Material aufweist. Der Bereich aus piezoelektrischem Material ist auf einer Oberseite der Membran mit einer Elektrode und auf einer Unterseite mit einer zweiten Elektrode verbunden. Die Elektroden sind mit Signalleitungen elektrisch kontaktiert und werden beispielsweise mittels thermischen Verdampfens unter Verwendung einer Maske auf die Membran aufgebracht.The U.S. 5,479,377 A shows an energy converter with a membrane which has a region made of piezoelectric material. The area made of piezoelectric material is connected to an electrode on an upper side of the membrane and to a second electrode on an underside. The electrodes are electrically contacted with signal lines and are applied to the membrane, for example by means of thermal evaporation using a mask.

Aus der DE 36 07 048 A1 ist ein piezoelektrischer Schallgeber mit einem monolithischen gesinterten Körper bekannt. Der Schallgeber wird durch Übereinanderschichten mehrerer ungebrannter Keramikplatten und Elektroden und anschließendem Sintern hergestellt, wobei die Elektroden mittels eines elektrischen Verbindungsteil miteinander verbunden sind. Das elektrische Verbindungsteil wird durch eine Öffnung gebildet, die so angeordnet ist, dass sie die Schwingungen des Schallgebers nicht behindert. Die Öffnung ist insbesondere auf einer Schwingungs-Knotenlinie angeordnet.From the DE 36 07 048 A1 a piezoelectric sounder having a monolithic sintered body is known. The sound generator is produced by layering several unfired ceramic plates and electrodes on top of one another and then sintering them, the electrodes being connected to one another by means of an electrical connection part. The electrical connection part is formed by an opening which is arranged so that it does not impede the vibrations of the sounder. The opening is arranged in particular on a vibration node line.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Elektroden für Piezostacks bereitzustellen, welches sich durch geringe Herstellungskosten, große Flexibilität und hohe Prozesssicherheit auszeichnet.It is the object of the invention to provide a manufacturing method for electrodes for piezo stacks, which is characterized by low Manufacturing costs, great flexibility and high process reliability.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer vertikalen Elektrode in einer Aussparung einer piezoelektrischen Schicht, wobei die vertikale Elektrode durch physikalische Gasphasenabscheidung erzeugt wird, sodass die vertikale Elektrode von einer auf der piezoelektrischen Schicht angeordneten horizontalen Elektrode durch einen Spalt getrennt ist und die horizontale Elektrode durchquert. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine abwechselnde Kontaktierung der horizontalen Elektroden auch durch vertikale Elektroden möglich ist, die durch physikalische Gasphasenabscheidung erzeugt wurden. Die Herstellung durch physikalische Gasphasenabscheidung ermöglicht eine kostengünstige Produktion bei hoher Prozesssicherheit. Zudem erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine flexible Auswahl an Materialien für die vertikale Elektrode, da hierzu grundsätzlich alle elektrisch leitenden Materialen, die durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden können, infrage kommen. Dies sind beispielsweise alle Metalle, insbesondere Platin, Gold und Kupfer.This object is achieved by a method for producing a vertical electrode in a recess of a piezoelectric layer, the vertical electrode being produced by physical vapor deposition, so that the vertical electrode is separated from a horizontal electrode arranged on the piezoelectric layer by a gap and the horizontal electrode Electrode crossed. The invention is based on the knowledge that alternating contacting of the horizontal electrodes is also possible by means of vertical electrodes that have been generated by physical vapor deposition. Manufacturing by physical vapor deposition enables cost-effective production with high process reliability. In addition, the method according to the invention allows a flexible selection of materials for the vertical electrode, since in principle all electrically conductive materials that can be applied by physical vapor deposition can be used for this purpose. These are, for example, all metals, especially platinum, gold and copper.

Es wird eine Lochmaske zur physikalischen Gasphasen-abscheidung verwendet, die eine mit der Aussparung fluchtende Öffnung in der horizontalen Elektrode teilweise, insbesondere jedoch die Randbereiche der Öffnung vollständig, verdeckt. Die auf diese Weise erzeugte vertikale Elektrode füllt somit den Querschnitt der Aussparung im Bereich der horizontalen Elektrode nur im Bereich um ihr Zentrum herum aus, sodass die vertikale Elektrode von der auf der piezoelektrischen Schicht angeordneten horizontalen Elektrode beabstandet ist.A perforated mask is used for physical vapor deposition, which partially covers an opening in the horizontal electrode that is aligned with the recess, but in particular completely covers the edge regions of the opening. The vertical electrode produced in this way thus fills the cross section of the recess in the area of the horizontal electrode only in the area around its center, so that the vertical electrode is spaced from the horizontal electrode arranged on the piezoelectric layer.

Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Durchmesser der Öffnung und eines im Bereich der Öffnung gelegenen Loches der Lochmaske zwischen 3 und 6, wodurch sichergestellt ist, dass die physikalische Gasphasenabscheidung eine vertikale Elektrode erzeugt, die die horizontale Elektrode nicht kontaktiert.Particularly preferred is the ratio of the diameter of the opening and a hole in the shadow mask located in the area of the opening between 3 and 6, which ensures that the physical vapor deposition generates a vertical electrode which does not contact the horizontal electrode.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung mehrerer vertikaler Elektroden in Aussparungen einer piezoelektrischen Schicht wird wenigstens eine erste vertikale Elektrode in einer ersten Aussparung hergestellt sowie wenigstens eine zweite vertikale Elektrode durch physikalische Gasphasenabscheidung in einer zweiten Aussparung erzeugt, wobei die zweite vertikale Elektrode mit der auf der piezoelektrischen Schicht angeordneten horizontalen Elektrode in Kontakt tritt. Auf diese Weise kann eine piezoelektrische Schicht mit einer auf ihr angeordneten horizontalen Elektrode mit zwei vertikalen Elektroden versehen werden, die die piezoelektrische Schicht und die darauf angeordnete horizontale Elektrode durchqueren, wobei nur eine dieser beiden vertikalen Elektroden die horizontale Elektrode kontaktiert. Dadurch können die Vorteile der Elektrodenherstellung durch physikalische Gasphasenabscheidung auch bei der Herstellung mehrerer Elektroden genutzt werden.In a method according to the invention for producing a plurality of vertical electrodes in recesses of a piezoelectric layer, at least one first vertical electrode is produced in a first recess and at least one second vertical electrode is produced by physical vapor deposition in a second recess, the second vertical electrode with the one on the piezoelectric Layer arranged horizontal electrode comes into contact. In this way, a piezoelectric layer with a horizontal electrode arranged on it can be provided with two vertical electrodes which traverse the piezoelectric layer and the horizontal electrode arranged thereon, only one of these two vertical electrodes contacting the horizontal electrode. As a result, the advantages of producing electrodes through physical vapor deposition can also be used when producing several electrodes.

Vorzugsweise wird zur Herstellung der zweiten vertikalen Elektrode eine Lochmaske verwendet, die im gesamten Bereich einer zweiten, mit der zweiten Aussparung fluchtenden Öffnung in der horizontalen Elektrode geöffnet ist, wodurch gewährleistet ist, dass die gesamte Aussparung in der piezoelektrischen Schicht durch die zweite vertikale Elektrode vollständig ausgefüllt wird und somit die zweite vertikale Elektrode die horizontale Elektrode kontaktiert.A perforated mask is preferably used to produce the second vertical electrode, which is opened in the entire area of a second opening in the horizontal electrode that is aligned with the second recess, which ensures that the entire recess in the piezoelectric layer is completely covered by the second vertical electrode is filled and thus the second vertical electrode contacts the horizontal electrode.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoelements, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer Startschicht, vorzugsweise aus Siliziumdioxid oder Zirkoniumdioxid,
b) Abscheiden einer Bodenelektrode,
c) Aufbringen einer piezoelektrischen Schicht und Ausbilden mehrerer Aussparungen in der piezoelektrischen Schicht,
d) Abscheiden einer horizontalen Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht mit entsprechenden Öffnungen, und
e) Herstellen mehrerer vertikaler Elektroden.

In addition, the invention relates to a method for producing a piezo element, characterized by the following steps:

a) providing a starting layer, preferably made of silicon dioxide or zirconium dioxide,
b) depositing a bottom electrode,
c) applying a piezoelectric layer and forming several recesses in the piezoelectric layer,
d) depositing a horizontal electrode on the piezoelectric layer with corresponding openings, and
e) making several vertical electrodes.

Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache Herstellung eines Piezoelements mit einer flexiblen Auswahl des Elektrodenmaterials. Zudem führt das Aufbringen der vertikalen Elektrode durch physikalische Gasphasenabscheidung zu einer größeren Kontaktfläche der vertikalen Elektrode mit der zu kontaktierenden horizontalen Elektrode. Außerdem ist kein Sintern nötig, wodurch hohe Temperaturen und die damit verbundenen Probleme vermieden werden.This method enables a simple production of a piezo element with a flexible selection of the electrode material. In addition, the application of the vertical electrode by physical vapor deposition leads to a larger contact area of the vertical electrode with the horizontal electrode to be contacted. In addition, no sintering is necessary, which avoids high temperatures and the associated problems.

Vorzugsweise wird das Aufbringen der piezoelektrischen Schicht durch ein Sol-Gel-Verfahren realisiert, wobei die Aussparungen nach Aufbringen der piezoelektrischen Schicht in diese geätzt werden oder wobei das Aufbringen der piezoelektrischen Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung realisiert wird, wobei hierbei die Ausbildung der Aussparungen durch die Anwendung einer Schattenmaske erfolgt. Dadurch wird die Herstellung eines Piezoelements ohne mechanische Belastungen auf das Element ermöglicht, da die Aussparungen durch chemische Prozesse oder gleich beim Herstellen der piezoelektrischen Schicht erzeugt werden.The application of the piezoelectric layer is preferably implemented using a sol-gel process, the recesses being etched into them after the piezoelectric layer has been applied, or the application of the piezoelectric layer being implemented by physical vapor deposition, with the formation of the recesses as a result of the application a shadow mask takes place. This enables the production of a piezo element without mechanical loads on the element, since the recesses are produced by chemical processes or when the piezoelectric layer is produced.

Beispielsweise kann vor Schritt e) eine weitere piezoelektrische Schicht und eine weitere horizontale Elektrode durch Wiederholen der Schritte c) und d) aufgebracht werden. Dadurch ist es möglich, zwei piezoelektrische Schichten gleichzeitig mit einer vertikalen Elektrode zu versehen und somit einen Arbeitsschritt im Herstellungsprozess einzusparen.For example, before step e) a further piezoelectric layer and a further horizontal electrode can be created by repeating steps c) and d) are applied. This makes it possible to provide two piezoelectric layers with a vertical electrode at the same time, thus saving one work step in the manufacturing process.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch das Wiederholen der Schritte c), d) und e) ein Piezoelement mit mehreren piezoelektrischen Schichten hergestellt, sodass Piezoelemente mit der gewünschten Anzahl an piezoelektrischen Schichten hergestellt werden können.In a further embodiment of the invention, by repeating steps c), d) and e), a piezo element with a plurality of piezoelectric layers is produced, so that piezo elements with the desired number of piezoelectric layers can be produced.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung wird eine Zwischenschicht, beispielsweise aus Rutheniumoxid oder Strontiumtitanat, auf die horizontale Elektrode oder auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht, wodurch das Kristallwachstum der piezoelektrischen Schichte gezielt beeinflusst werden kann und die darunterliegende Schicht geglättet wird.In one embodiment of the invention, an intermediate layer, for example made of ruthenium oxide or strontium titanate, is applied to the horizontal electrode or to the piezoelectric layer, whereby the crystal growth of the piezoelectric layer can be specifically influenced and the layer underneath is smoothed.

Vorzugsweise weist jede horizontale Elektrode mindestens eine erste Öffnung und mindestens eine zweite Öffnung auf, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung verschieden große, insbesondere kreisförmige, Querschnittsflächen aufweisen. Dadurch wird ermöglicht, dass wenigstens zwei vertikale Elektroden die horizontale Elektrode durchqueren, wobei wenigstens eine vertikale Elektrode die horizontale Elektrode kontaktiert und wenigstens eine weitere vertikale Elektrode nicht in Kontakt mit der horizontalen Elektrode tritt.Each horizontal electrode preferably has at least one first opening and at least one second opening, the first opening and the second opening having different sized, in particular circular, cross-sectional areas. This enables at least two vertical electrodes to traverse the horizontal electrode, at least one vertical electrode contacting the horizontal electrode and at least one further vertical electrode not coming into contact with the horizontal electrode.

Besonders bevorzugt weisen die horizontalen Elektroden in Stapelrichtung abwechselnd erste und zweite Öffnungen auf, die jeweils fluchtend angeordnet sind, wodurch die horizontalen Elektroden abwechselnd durch die vertikalen Elektroden kontaktiert werden können.Particularly preferably, the horizontal electrodes have alternating first and second openings in the stacking direction, which are each arranged in alignment, whereby the horizontal electrodes can be contacted alternately by the vertical electrodes.

In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung werden die Öffnungen der horizontalen Elektroden und die Aussparungen der nächsten darunterliegenden piezoelektrischen Schicht konzentrisch ausgebildet, wodurch durchgehende vertikalen Elektroden ausgebildet werden können.In a further embodiment variant of the invention, the openings of the horizontal electrodes and the recesses of the next piezoelectric layer below are formed concentrically, as a result of which continuous vertical electrodes can be formed.

Beispielsweise können die erste und die zweite Aussparung deckungsgleiche Querschnittsflächen haben, wodurch die Herstellung des Piezoelements vereinfacht wird.For example, the first and second cutouts can have congruent cross-sectional areas, as a result of which the production of the piezo element is simplified.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden etwaige, zwischen vertikaler Elektrode und horizontaler Elektrode und/oder piezoelektrischer Schicht entstehende Spalten mit einem Isolationsmaterial, insbesondere dem Material der piezoelektrischen Schicht, gefüllt. Dadurch kann eine ebene Fläche zum Auftragen der nachfolgenden piezoelektrischen Schicht auch bei Herstellung von Piezoelementen mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten gewährleistet werden.In a further embodiment of the invention, any gaps that arise between the vertical electrode and the horizontal electrode and / or the piezoelectric layer are filled with an insulation material, in particular the material of the piezoelectric layer. As a result, a flat surface for applying the subsequent piezoelectric layer can also be ensured when producing piezoelectric elements with a large number of piezoelectric layers.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird die horizontale Elektrode erst in einem späteren Verfahrensschritt aufgetragen, wobei die Lochmaske zum Abscheiden der vertikalen Elektrode bereits an die noch aufzutragende horizontale Elektrode angepasst wird. Dies ermöglicht eine flexible Abfolge der Verfahrensschritte.In a further embodiment variant, the horizontal electrode is only applied in a later method step, the perforated mask for depositing the vertical electrode already being adapted to the horizontal electrode still to be applied. This enables a flexible sequence of process steps.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Piezostacks werden zwei oder mehr Piezoelemente zu einem größeren Piezostack zusammengesetzt. Hierdurch kann die Prozesssicherheit des Herstellungsprozesses vergrößert werden, da häufigere Qualitätskontrollen möglich sind und ein Defekt eines einzelnen Elementes oder einer einzelnen Schicht während der Herstellung nicht dazu führt, dass der gesamte Piezostack verworfen werden muss.In a method according to the invention for producing a piezo stack, two or more piezo elements are combined to form a larger piezo stack. This can increase the process reliability of the manufacturing process, since more frequent quality controls are possible and a defect in an individual element or an individual layer during manufacture does not result in the entire piezo stack having to be discarded.

Vorzugsweise ist die physikalische Gasphasenabscheidung Sputterdeposition. Die Anwendung dieses weitverbreiteten Verfahrens vergrößert die Prozesssicherheit des Herstellungsprozesses.The physical vapor deposition is preferably sputter deposition. The use of this widespread method increases the process reliability of the manufacturing process.

Besonders bevorzugt wird die vertikale Elektrode aus Platin, Gold oder Kupfer hergestellt, wodurch besonders hochwertige vertikale Elektroden entstehen.The vertical electrode is particularly preferably made of platinum, gold or copper, which results in particularly high-quality vertical electrodes.

Beispielsweise wird die piezoelektrische Schicht aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) hergestellt, da sich Blei-Zirkonat-Titanat als piezoelektrisches Material in Piezoelementen bewährt hat.For example, the piezoelectric layer is made of lead zirconate titanate (PZT), since lead zirconate titanate has proven itself as a piezoelectric material in piezo elements.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine perspektivische Ansicht eines Piezostacks,
- 2 eine schematische Darstellung der Schichten in einem Piezostack mit vertikalen Elektroden,
- 3a) - 3f) eine Teilansicht eines Piezoelement in unterschiedlichen Stadien der Herstellung, und
- 4 eine Seitenansicht eines Piezostacks mit Zwischenschichten.

Further features and advantages of the invention emerge from the following description and from the accompanying drawings, to which reference is made. In the drawings show:

- 1 a perspective view of a piezo stack,
- 2 a schematic representation of the layers in a piezo stack with vertical electrodes,
- 3a) - 3f) a partial view of a piezo element in different stages of manufacture, and
- 4th a side view of a piezo stack with intermediate layers.

1 zeigt eine Piezoelement 10 in perspektivischer Ansicht. Das Piezoelement 10 besteht aus mehreren piezoelektrischen Schichten 12, die aufeinandergestapelt sind. Jeweils zwischen zwei piezoelektrischen Schichten 12 ist eine horizontale Elektrode 14 angeordnet. Auch auf der obersten piezoelektrischen Schicht 12 und auf der Unterseite der untersten piezoelektrischen Schicht 12 ist eine horizontale Elektrode 14 vorgesehen. Die horizontalen Elektroden 14 weisen jeweils eine kreisförmige erste Öffnung 16 und eine kreisförmige zweite Öffnung 18 auf. Ebenso weisen die piezoelektrischen Schichten 12 eine kreisförmige erste Aussparung 20 und eine kreisförmige zweite Aussparung 22 auf (2). Dabei weisen die ersten Öffnungen 16 und die ersten Aussparungen 20 einen gleichen Durchmesser auf, ebenso wie die zweiten Öffnungen 18 und die zweiten Aussparungen 22 einen gleichen Durchmesser haben. Weiterhin ist der Durchmesser der ersten Öffnungen 16 und der ersten Aussparungen 20 größer als der der zweiten Öffnungen 18 und der zweiten Aussparungen 22. Zur Vereinfachung wird in der folgenden Beschreibung dieser Ausführungsform die erste, größere Öffnung 16 und die erste, größere Aussparung 20 als große Öffnung 16 bzw. große Aussparung 20 bezeichnet. Dementsprechend wird die zweite, kleinere Öffnung 18 und die zweite, kleinere Aussparung 22 als kleine Öffnung 18 bzw. kleine Aussparung 22 bezeichnet. Die Öffnungen 16, 18 der horizontalen Elektrode 14 sind mit den Aussparungen 20, 22 der nächsten darunterliegenden piezoelektrischen Schicht 12 konzentrisch angeordnet, wie in 2 zu sehen. Dabei fluchtet die große Öffnung 16 mit der großen Aussparung 20 und die kleine Öffnung 18 mit der kleinen Aussparung 22. 1 shows a piezo element 10 in perspective view. The piezo element 10 consists of several piezoelectric layers 12th stacked on top of each other. Each between two piezoelectric layers 12th is a horizontal electrode 14th arranged. Also on the top one piezoelectric layer 12th and on the underside of the lowermost piezoelectric layer 12th is a horizontal electrode 14th intended. The horizontal electrodes 14th each have a circular first opening 16 and a circular second opening 18th on. Likewise, the piezoelectric layers 12th a circular first recess 20th and a circular second recess 22nd on ( 2 ). The first openings have 16 and the first notches 20th the same diameter as the second openings 18th and the second recesses 22nd have the same diameter. Furthermore, the diameter of the first openings 16 and the first notches 20th larger than that of the second openings 18th and the second cutout 22nd . For the sake of simplicity, the first, larger opening is used in the following description of this embodiment 16 and the first, larger recess 20th as a large opening 16 or large recess 20th designated. The second, smaller opening becomes accordingly 18th and the second, smaller recess 22nd as a small opening 18th or small recess 22nd designated. The openings 16 , 18th the horizontal electrode 14th are with the cutouts 20th , 22nd the next underlying piezoelectric layer 12th arranged concentrically, as in 2 to see. The large opening is aligned 16 with the large recess 20th and the small opening 18th with the small recess 22nd .

Die Öffnungen 16, 18 zweier benachbarter horizontalen Elektroden 14 sind abwechselnd angeordnet, sodass die große Öffnung 16 der horizontalen Elektrode 14 mit der kleinen Öffnung 18 einer benachbarten horizontalen Elektrode 14 fluchtet und umgekehrt. Somit sind im Piezoelement 10 zwei Elektrodenkanäle 24 ausgebildet, deren Durchmesser zwischen zwei Größen wechseln. Ein Abschnitt des Elektrodenkanals 24 mit großem Durchmesser besteht jeweils aus der großen Öffnung 16 einer horizontalen Elektrode und der großen Aussparung 20 der darunterliegenden piezoelektrischen Schicht 12. Daran angrenzend befindet sich ein Abschnitt des Elektrodenkanals 24 mit kleinem Durchmesser, der aus der kleinen Öffnung 18 einer horizontalen Elektrode 14 und der kleinen Aussparung 22 der darunterliegenden piezoelektrischen Schicht 12 gebildet wird. Dabei weist in einer piezoelektrischen Schicht 12 und der dazugehörigen, darüber liegenden horizontalen Elektrode 14 immer einer der beiden Elektrodenkanäle 24 einen großen Durchmesser und der andere Elektrodenkanal 24 einen kleinen Durchmesser auf. Die Elektrodenkanäle 24 wechseln beim Übergang zur benachbarten Piezoelektrischen Schicht ihre Durchmesser.The openings 16 , 18th two adjacent horizontal electrodes 14th are arranged alternately so that the large opening 16 the horizontal electrode 14th with the small opening 18th an adjacent horizontal electrode 14th aligns and vice versa. Thus are in the piezo element 10 two electrode channels 24 formed, the diameter of which alternate between two sizes. A section of the electrode channel 24 large diameter each consists of the large opening 16 a horizontal electrode and the large recess 20th the underlying piezoelectric layer 12th . Adjacent to this is a section of the electrode channel 24 small diameter that emerges from the small opening 18th a horizontal electrode 14th and the small recess 22nd the underlying piezoelectric layer 12th is formed. It has a piezoelectric layer 12th and the associated, overlying horizontal electrode 14th always one of the two electrode channels 24 one large diameter and the other electrode channel 24 a small diameter. The electrode channels 24 change their diameter at the transition to the neighboring piezoelectric layer.

Die Mittelachsen der Elektrodenkanäle sind senkrecht zu den horizontalen Elektroden 14 und definieren eine Stapelrichtung. Grundsätzlich ist auch ein schräg angeordneter Elektrodenkanal denkbar.The central axes of the electrode channels are perpendicular to the horizontal electrodes 14th and define a stacking direction. In principle, an electrode channel arranged at an angle is also conceivable.

Zusammenfassend befinden sich in jeder piezoelektrischen Schicht 12 jeweils ein Elektrodenkanal 24 mit einem großen und ein Elektrodenkanal 24 mit einem kleinen Durchmesser. Weiterhin ist der Durchmesser jedes Elektrodenkanals 24 entlang seiner Achse abwechselnd groß oder klein, wobei der Durchmesser bei jedem Übergang zu einer benachbarten piezoelektrischen Schicht 12 wechselt.In summary, there are piezoelectric layers in each 12th one electrode channel each 24 with one large and one electrode channel 24 with a small diameter. Furthermore, the diameter of each electrode channel is 24 along its axis alternately large or small, the diameter at each transition to an adjacent piezoelectric layer 12th changes.

Im Elektrodenkanal 24 befindet sich jeweils eine vertikale Elektrode 26, deren Durchmesser sich ähnlich wie der Durchmesser des Elektrodenkanals 24 entlang der Stapelrichtung ändert. Diese Änderung des Durchmessers erfolgt entweder kontinuierlich oder sprunghaft. Der geringste Durchmesser der vertikalen Elektrode 26 entspricht dabei dem Durchmesser der kleinen Öffnung 18 der horizontalen Elektrode 14. So weist die vertikale Elektrode 26 im Bereich der kleinen Öffnung 18 und der kleinen Aussparung 22 diesen Durchmesser auf und füllt somit die kleine Öffnung 18 und die kleine Aussparung 22 vollständig aus. Im Bereich der großen Öffnung 16 der horizontalen Elektroden 14 entspricht der Durchmesser der vertikalen Elektrode 26 auch, zumindest im Wesentlichen, dem Durchmesser der kleinen Öffnung 18, sodass kein Kontakt zwischen der vertikalen Elektrode 26 und der horizontalen Elektrode 14 im Bereich der großen Öffnung 16 entsteht. Im Bereich der großen Aussparung 20 einer piezoelektrischen Schicht 12 vergrößert sich der Durchmesser der vertikalen Elektrode vom Bereich der großen Öffnung 16 ausgehend zum Bereich der kleinen Öffnung 18 hin. Im Randabschnitt des Bereichs der großen Aussparung 20 zur kleinen Öffnung 18 hin weist die vertikale Elektrode 26 einen Durchmesser auf, der dem Durchmesser der großen Aussparung 20 entspricht. Dadurch entsteht in einem ringförmigen Bereich mit einer Breite B Kontakt zwischen der vertikalen Elektrode 26 und der horizontalen Elektrode 14.In the electrode channel 24 there is a vertical electrode in each case 26th whose diameter is similar to the diameter of the electrode channel 24 changes along the stacking direction. This change in diameter occurs either continuously or abruptly. The smallest diameter of the vertical electrode 26th corresponds to the diameter of the small opening 18th the horizontal electrode 14th . So points the vertical electrode 26th in the area of the small opening 18th and the small recess 22nd this diameter and thus fills the small opening 18th and the small recess 22nd completely off. In the area of the large opening 16 of the horizontal electrodes 14th corresponds to the diameter of the vertical electrode 26th also, at least essentially, the diameter of the small opening 18th so that there is no contact between the vertical electrode 26th and the horizontal electrode 14th in the area of the large opening 16 arises. In the area of the large recess 20th a piezoelectric layer 12th the diameter of the vertical electrode increases from the area of the large opening 16 starting to the area of the small opening 18th down. In the edge section of the area of the large recess 20th to the small opening 18th the vertical electrode points to this 26th a diameter equal to the diameter of the large recess 20th corresponds to. This creates an annular area with a width B. Contact between the vertical electrode 26th and the horizontal electrode 14th .

Die vertikale Elektrode 26 kontaktiert, wie in 2 zu sehen, somit nur jede zweite horizontale Elektrode 14, und zwar diese, deren kleine Öffnungen 18 einen Abschnitt des Elektrodenkanals 24 bilden. Aufgrund der wechselnden Durchmesser der Abschnitte der Elektrodenkanäle 24 kontaktieren die vertikalen Elektroden 26 die horizontalen Elektroden 14 in Stapelrichtung abwechselnd.The vertical electrode 26th contacted as in 2 can be seen, thus only every second horizontal electrode 14th , namely these, their small openings 18th a section of the electrode channel 24 form. Due to the changing diameter of the sections of the electrode channels 24 contact the vertical electrodes 26th the horizontal electrodes 14th alternately in the stacking direction.

Der Herstellungsprozess des Piezoelements 10 wird anhand der 3a) bis 3f) erläutert. Auf einer Startschicht 28, beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Zirkoniumdioxid, wird eine Bodenelektrode 29 aufgetragen. Dabei unterscheidet sich die Bodenelektrode 29 nicht von den horizontalen Elektroden 14. Die Abscheidung der Bodenelektrode 29 erfolgt durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), vorzugsweise Sputterdeposition. Optional kann die Startschicht 28 auch zunächst mit einem Haftvermittler, beispielweise Titan oder einem Titanoxid, versehen werden, bevor die Bodenelektrode 29 aufgebracht wird. Weiterhin optional kann die große Öffnung der Bodenelektrode 29 durch Isolationsmaterial 30, beispielsweise das Material der piezoelektrischen Schicht 12, teilweise oder vollständig gefüllt werden.The manufacturing process of the piezo element 10 is based on the 3a) to 3f) explained. On a starting shift 28 , for example made of silicon dioxide or zirconium dioxide, becomes a bottom electrode 29 applied. The bottom electrode is different 29 not from the horizontal electrodes 14th . The deposition of the bottom electrode 29 takes place by physical vapor deposition (PVD), preferably sputter deposition. Optionally, the start shift 28 also initially with an adhesion promoter, for example titanium or a titanium oxide, be provided before the bottom electrode 29 is applied. The large opening of the bottom electrode 29 through insulation material 30th , for example the material of the piezoelectric layer 12th , partially or completely filled.

Auf die Bodenelektrode 29 oder, bei Herstellung von Piezoelementen 10 mit mehreren piezoelektrischen Schichten 12, auf eine horizontale Elektrode 14 wird eine piezoelektrische Schicht 12 aufgebracht. Vorzugsweise besteht die piezoelektrische Schicht 12 aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). In die piezoelektrische Schicht 12 werden die große Aussparung 20 und die kleine Aussparung 22 eingebracht. Das Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 12 kann beispielsweise durch ein Sol-Gel-Verfahren oder durch Sputterdeposition realisiert werden. Im Falle des Aufbringens der piezoelektrischen Schicht mittels Sol-Gel-Verfahren werden die Aussparungen 20, 22 durch Ätzen ausgebildet. Im Falle der Sputterdeposition der piezoelektrischen Schicht 12 werden durch eine Schattenmaske 31 die Bereiche der Aussparungen 20, 22 abgedeckt, sodass sich in diesen Bereichen kein Material niederschlägt.On the bottom electrode 29 or, when manufacturing piezo elements 10 with several piezoelectric layers 12th , on a horizontal electrode 14th becomes a piezoelectric layer 12th upset. The piezoelectric layer is preferably made 12th made of lead zirconate titanate (PZT). In the piezoelectric layer 12th become the big recess 20th and the small recess 22nd brought in. The application of the piezoelectric layer 12th can be implemented, for example, by a sol-gel process or by sputter deposition. In the case of the application of the piezoelectric layer by means of a sol-gel process, the cutouts are made 20th , 22nd formed by etching. In the case of sputter deposition of the piezoelectric layer 12th are through a shadow mask 31 the areas of the recesses 20th , 22nd covered so that no material precipitates in these areas.

Auf die piezoelektrische Schicht 12 wird eine horizontale Elektrode 14 mit einer großen Öffnung 16 und einer kleinen Öffnung 18 aufgebracht, beispielsweise ebenfalls durch Sputterdeposition.On the piezoelectric layer 12th becomes a horizontal electrode 14th with a large opening 16 and a small opening 18th applied, for example also by sputter deposition.

3a) zeigt einen Teil des auf diese Weise hergestellten Schichtsystems 32 mit der verwendeten Schattenmaske 31. 3a) shows part of the layer system produced in this way 32 with the shadow mask used 31 .

In 3b) ist das Schichtsystem 32 nach dem Herstellen der vertikalen Elektroden 26 durch physikalische Gasphasenabscheidung dargestellt. Zur Herstellung wird das Schichtsystem 32 mit einer Lochmaske 34 abgedeckt, deren Löcher mit den Öffnungen 16, 18 der obersten horizontalen Elektrode 14 fluchten. Der Durchmesser beider Löcher entspricht dabei dem Durchmesser der kleinen Öffnung 18 der horizontalen Elektrode 14. Dies führt dazu, dass die Lochmaske 34 über den Rand der großen Öffnung 16 der horizontalen Elektrode 14 hinausragt, sodass der Randbereich der großen Öffnung 16 vollständig verdeckt ist. Beispielsweise liegt das Verhältnis der Durchmesser der großen Öffnung 16 zum Durchmesser der Löcher der Lochmaske 34 zwischen 3 und 6.In 3b) is the shift system 32 after making the vertical electrodes 26th represented by physical vapor deposition. The layer system is used for production 32 with a shadow mask 34 covered their holes with the openings 16 , 18th the top horizontal electrode 14th cursing. The diameter of both holes corresponds to the diameter of the small opening 18th the horizontal electrode 14th . This leads to the shadow mask 34 over the edge of the large opening 16 the horizontal electrode 14th protrudes so that the edge area of the large opening 16 is completely covered. For example, the ratio is the diameter of the large opening 16 the diameter of the holes in the shadow mask 34 between 3 and 6.

Durch physikalische Gasphasenabscheidung, vorzugsweise Sputterdeposition, wird nun Material abgeschieden, das die vertikale Elektrode 26 bilden wird, beispielsweise Platin, Gold oder Kupfer. Das Material schlägt sich innerhalb der kleinen Aussparung 22 und der kleinen Öffnung 18 der piezoelektrischen Schicht 12 bzw. horizontalen Elektrode 14 nieder und füllt diese vollständig aus.By means of physical vapor deposition, preferably sputter deposition, material is now deposited that forms the vertical electrode 26th will form, for example platinum, gold or copper. The material beats itself up inside the small recess 22nd and the small opening 18th the piezoelectric layer 12th or horizontal electrode 14th and fills it out completely.

In der großen Aussparung 20 und der großen Öffnung 16 der piezoelektrischen Schicht 12 bzw. der horizontalen Elektrode 14 kann sich das Material aufgrund der Lochmaske 34 nicht überall niederschlagen. So entsteht ein kegelförmiger Abschnitt der vertikalen Elektrode 26, dessen Durchmesser insbesondere im Bereich der großen Öffnung 16 der oberen horizontalen Elektrode 14 kleiner ist als der Durchmesser der großen Öffnung 16 selbst.In the big recess 20th and the large opening 16 the piezoelectric layer 12th or the horizontal electrode 14th the material may change due to the shadow mask 34 don't knock down anywhere. This creates a conical section of the vertical electrode 26th , its diameter especially in the area of the large opening 16 the top horizontal electrode 14th is smaller than the diameter of the large opening 16 self.

Nach Beenden der physikalischen Gasphasenabscheidung wird die Lochmaske 34 entfernt, und es kann der zwischen vertikaler Elektrode 26 und horizontaler Elektrode 14 entstandene Spalt mit einem Isolationsmaterial 30, beispielsweise dem Material der piezoelektrischen Schicht 12, aufgefüllt werden (vgl. 3c)).After the physical vapor deposition has ended, the shadow mask becomes 34 removed, and it can be of the between vertical electrode 26th and horizontal electrode 14th resulting gap with an insulation material 30th , for example the material of the piezoelectric layer 12th , be filled (cf. 3c )).

Auf das auf diese Weise hergestellte Schichtsystem 32' kann nun erneut eine piezoelektrische Schicht 12 unter Wiederholung des vorangegangenen Verfahrens aufgebracht werden. Allerdings wird nun die Schattenmaske 31 derart verwendet, dass eine piezoelektrische Schicht 12 und eine horizontale Elektrode 14 abgeschieden werden können, deren große Aussparung 20 bzw. Öffnung 16 oberhalb der kleinen Aussparung 22 bzw. Öffnung 18 der darunterliegenden piezoelektrischen Schicht 12 entsteht (vgl. 3d)). Dies kann beispielsweise durch Rotation der Schattenmaske 31 um 180° um eine senkrecht auf der Abscheidungsebene stehende Mittelachse erfolgen.On the layer system produced in this way 32 ' can now use a piezoelectric layer again 12th can be applied by repeating the previous procedure. However, the shadow mask is now 31 used such that a piezoelectric layer 12th and a horizontal electrode 14th can be deposited whose large recess 20th or opening 16 above the small recess 22nd or opening 18th the underlying piezoelectric layer 12th arises (cf. 3d )). This can be done, for example, by rotating the shadow mask 31 take place by 180 ° around a center axis perpendicular to the deposition plane.

Die Abscheidung der vertikalen Elektroden 26 erfolgt daraufhin wie oben beschrieben. Der zwischen vertikaler Elektrode 26 und horizontaler Elektrode 14 entstandene Spalt (vgl. 3e)) kann wieder mit einem Isolationsmaterial 30 aufgefüllt werden. Dies führt zu einem Schichtsystem 32" wie in 3f) gezeigt.Deposition of the vertical electrodes 26th then takes place as described above. The one between vertical electrode 26th and horizontal electrode 14th resulting gap (cf. 3e) ) can again with an insulation material 30th be replenished. This leads to a layer system 32 " as in 3f) shown.

Das Aufbringen weiterer piezoelektrischer Schichten 12 auf das Schichtsystem 32" kann wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl an piezoelektrischen Schichten 12 für das Piezoelement 10 erreicht ist. Dabei sind Piezoelemente 10 mit 1000 oder mehr piezoelektrischen Schichten 12 denkbar.The application of further piezoelectric layers 12th on the shift system 32 " can be repeated until the desired number of piezoelectric layers 12th for the piezo element 10 is reached. There are piezo elements 10 with 1000 or more piezoelectric layers 12th conceivable.

Ebenfalls denkbar ist, dass aus zwei oder mehr Piezoelementen ein Piezostack hergestellt wird, indem die Piezoelemente mit ihren Oberseiten zusammengesetzt werden. In diesem Fall muss jedoch eine der Startschichten 28, beispielsweise durch Ätzen, entfernt werden. Das Zusammenfügen der einzelnen Piezoelemente 10 kann durch Ultraschallschweißen oder Mikroschweißen durchgeführt werden.It is also conceivable that a piezo stack is produced from two or more piezo elements by assembling the piezo elements with their upper sides. In this case, however, one of the start layers must be used 28 , for example by etching, can be removed. The joining of the individual piezo elements 10 can be done by ultrasonic welding or micro welding.

In dem beschriebenen Verfahren wurde ein Abschnitt der vertikalen Elektrode 26 nach dem Auftragen von jeweils zwei piezoelektrischen Schichten und zwei horizontalen Elektroden durchgeführt. Ebenfalls denkbar ist es, einen Abschnitt der vertikalen Elektrode 26 nach dem Auftragen einer einzelnen piezoelektrischen Schicht 12 mit einer horizontalen Elektrode 14 aufzubringen.In the procedure described, a section of the vertical electrode 26th carried out after the application of two piezoelectric layers and two horizontal electrodes. It is also conceivable to use a section of the vertical electrode 26th after applying a single piezoelectric layer 12th with a horizontal electrode 14th to raise.

In 4 ist ein Piezoelement 10' gemäß einer alternativen Ausführungsform gezeigt. Hier ist zwischen der piezoelektrischen Schicht 12 und der horizontalen Elektrode 14 jeweils eine Zwischenschicht 38, beispielsweise aus Rutheniumoxid oder Strontiumtitanat, vorgesehen, die auf die horizontale Elektrode 14 oder die piezoelektrische Schicht 12 aufgebracht worden ist.In 4th is a piezo element 10 ' shown according to an alternative embodiment. Here is between the piezoelectric layer 12th and the horizontal electrode 14th an intermediate layer each 38 , for example made of ruthenium oxide or strontium titanate, is provided, which is applied to the horizontal electrode 14th or the piezoelectric layer 12th has been applied.

Ebenfalls denkbar ist auch, dass die erste Aussparung 20 und die zweite Aussparung 22 der piezoelektrischen Schicht 12 gleiche Durchmesser haben. Dies würde zwar nicht zu den kegelförmigen Abschnitten der vertikalen Elektrode 26 führen, beeinträchtigt jedoch nicht das erfindungsgemäße Verfahren.It is also conceivable that the first recess 20th and the second recess 22nd the piezoelectric layer 12th have the same diameter. This would not result in the tapered sections of the vertical electrode 26th lead, but does not affect the inventive method.

Ebenso kann die horizontale Elektrode 14 erst nach dem Abscheiden der vertikalen Elektrode 26 aufgebracht werden, wobei die Lochmaske 34 zum Abscheiden der vertikalen Elektrode 26 bereits an die noch aufzutragende horizontale Elektrode 14 angepasst ist.Likewise, the horizontal electrode 14th only after the vertical electrode has been deposited 26th be applied, the shadow mask 34 to deposit the vertical electrode 26th already to the horizontal electrode still to be applied 14th is adapted.

Ein beispielhaftes, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Piezoelement 10 umfasst ungefähr 500 piezoelektrische Schichten 12 aus PZT mit einer Dicke zwischen 1 µm und 3 µm. Die Elektroden 14, 26 sind aus Platin, wobei die horizontalen Elektroden 14 eine Schichtdicke von 30 nm - 50 nm haben. Der Durchmesser der erste Öffnung 16 der horizontalen Elektrode 14 ist 30 µm - 60 µm und die Löcher der Lochmaske 34 haben einen Durchmesser von 5 µm - 20 µm. Zwischen einer piezoelektrischen Schicht 12 und der darüberliegenden horizontalen Elektrode 14 ist eine ca. 50 nm dicke Zwischenschicht aus Rutheniumoxid vorgesehen. Die Abmessungen des Piezoelements 10 betragen in etwa 1 mm x 1 mm x 1 mm.An exemplary piezo element produced with the method according to the invention 10 comprises approximately 500 piezoelectric layers 12th made of PZT with a thickness between 1 µm and 3 µm. The electrodes 14th , 26th are made of platinum, with the horizontal electrodes 14th have a layer thickness of 30 nm - 50 nm. The diameter of the first opening 16 the horizontal electrode 14th is 30 µm - 60 µm and the holes of the shadow mask 34 have a diameter of 5 µm - 20 µm. Between a piezoelectric layer 12th and the overlying horizontal electrode 14th an approx. 50 nm thick intermediate layer of ruthenium oxide is provided. The dimensions of the piezo element 10 are approximately 1 mm x 1 mm x 1 mm.

Claims

Method for producing a vertical electrode (26) in a recess (20) of a piezoelectric layer (12), wherein the vertical electrode (26) is produced by physical vapor deposition, so that the vertical electrode (26) is from one on the piezoelectric layer (12 ) arranged horizontal electrode (14) is separated by a gap and traverses the horizontal electrode (14), characterized in that a perforated mask (34) is used for physical vapor deposition, which has an opening (16) aligned with the recess (20) in of the horizontal electrode (14) partially, but in particular completely covers the edge regions of the opening (16).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the ratio of the diameter of the opening (16) and a hole in the perforated mask (34) located in the region of the opening (16) is between 3 and 6.

A method for producing a plurality of vertical electrodes (26) in recesses (20, 22) of a piezoelectric layer (12), wherein at least one first vertical electrode (26) according to the method according to Claim 1 is produced in a first recess (20) and at least one second vertical electrode (26) is produced by physical vapor deposition in a second recess (22), the second vertical electrode (26) being arranged on the piezoelectric layer (12) horizontal electrode (14) comes into contact.

Procedure according to Claim 3 , characterized in that a perforated mask (34) is used to produce the second vertical electrode (26) which is open in the entire area of a second opening (18) in the horizontal electrode (14) which is aligned with the second recess (22).

Method for producing a piezo element (10), characterized by the following steps: a) providing a starting layer (28), preferably made of silicon dioxide or zirconium dioxide, b) depositing a bottom electrode (29), c) applying a piezoelectric layer (12) and forming it several recesses (20, 22) in the piezoelectric layer (12), d) depositing a horizontal electrode (14) on the piezoelectric layer (12) with corresponding openings (16, 18) and e) producing several vertical electrodes (26) according to Claim 4 or 5 .

Procedure according to Claim 5 , characterized in that the application of the piezoelectric layer (12) is realized by a sol-gel method, the recesses (20, 22) being etched into them after the piezoelectric layer (12) has been applied, or that the application of the piezoelectric layer (12) is realized by physical vapor deposition, the recesses (20, 22) being formed by means of a shadow mask (31).

Procedure according to Claim 5 , characterized in that before step e) a further piezoelectric layer (12) and a further horizontal electrode (14) are applied by repeating steps c) and d).

Method according to one of the Claims 5 to 7th , characterized in that by repeating steps c), d) and e) a piezo element (10) with a plurality of piezoelectric layers (12) is produced.

Method according to one of the Claims 5 to 8th , characterized in that an intermediate layer (38), for example made of ruthenium oxide or strontium titanate, is applied to the horizontal electrode (14) or to the piezoelectric layer (12).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that each horizontal electrode (14) has at least one first opening (16) and at least one second opening (18), the first opening (16) and the second opening (18) being of different sizes , in particular circular, cross-sectional areas.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the horizontal electrodes (14) alternately have first and second openings (16, 18) in the stacking direction, which are each arranged in alignment.

Method according to one of the Claims 3 to 11 , characterized in that the openings (16, 18) of the horizontal electrodes (14) and the recesses (20, 22) of the next underlying piezoelectric layer (12) are formed concentrically.

Method according to one of the Claims 3 to 12th , characterized in that the first and the second recess (20, 22) have congruent cross-sectional areas.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that any gaps that arise between the vertical electrode (26) and the horizontal electrode (14) and / or piezoelectric layer (12) are made of an insulating material (30), in particular the material of the piezoelectric layer (12) ), to be filled.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the horizontal electrode (14) is only applied in a later method step, the perforated mask (34) for depositing the vertical electrode (26) already being adapted to the horizontal electrode (14) still to be applied becomes.

Method for producing a piezo stack, characterized in that two or more piezo stacks, which according to one of the Claims 5 to 14th can be assembled into a larger piezo stack.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the physical vapor deposition is sputter deposition.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the vertical electrode (26) is made of platinum, gold or copper.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric layer (12) consists of lead zirconate titanate (PZT).