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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Piezostapels. Ein Piezostapel ist ein Piezoelement, das aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Schichten aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet ist. Den piezoelektrischen Schichten sind jeweils zwei Elektroden zugeordnet. Ein derartiger Piezostapel kann als Aktor benutzt werden, indem an die Elektroden eine Spannung angelegt wird. Durch die Spannung baut sich im Bereich jeder piezoelektrischen Schicht ein elektrisches Feld auf, das zu einer Größenänderung der jeweils zugeordneten piezoelektrischen Schicht aufgrund des piezoelektrischen Effekts führt. Dazu müssen die beiden Elektroden mit unterschiedlichen Polen einer Spannungsquelle verbunden sein.
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Typischerweise ist der Piezostapel dabei derart aufgebaut, dass zwischen zwei piezoelektrischen Schichten jeweils nur eine Elektrode angeordnet ist. Um die beiden Pole bereitzustellen, werden die piezoelektrischen Schichten abwechselnd mit einer Elektrode eines ersten Typs und einer Elektrode eines zweiten Typs versehen. Abschließend werden die Elektroden des jeweiligen Typs miteinander verbunden, um eine elektrische Leitung durch jede Elektrode zu gewährleisten. Dazu sind vertikale Elektroden vorgesehen, die mittels eines aufwendigen Verfahrens eingebracht werden und nur jede zweite horizontale Elektrode kontaktieren, also jeweils alle Elektroden eines Typs. Derartige vertikale Elektroden werden auch als Kammelektroden bezeichnet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen Piezostapel bereitzustellen, mit dem ein Piezostapel einfacher und günstiger hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Piezostapels gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) es wird eine erste Schicht aus einem piezoelektrischen Material bereitgestellt;
- b) auf die erste Schicht wird eine Elektrode eines ersten Typs abgeschieden;
- c) auf die erste Schicht und die Elektrode des ersten Typs wird eine zweite Schicht aus einem piezoelektrischen Material aufgebracht;
- d) auf die zweite Schicht wird eine Elektrode eines zweiten Typs abgeschieden, die mit der Elektrode des ersten Typs, betrachtet in der Richtung des Aufwachsens der piezoelektrischen Schichten, einander abschnittsweise überlappen;
- e) die Schritte a) bis d) werden mehrfach wiederholt;
- f) vom so erhaltenen Stapel wird piezoelektrisches Material entfernt, sodass die Elektroden des ersten Typs und die Elektroden des zweiten Typs von unterschiedlichen Seiten des Stapels frei abstehen;
- g) die abstehenden Abschnitte der Elektroden werden umgeformt, sodass jede Elektrode eines Typs mindestens eine andere Elektrode desselben Typs elektrisch leitend berührt.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren dadurch zu vereinfachen, dass keine zusätzlichen Elektroden eingebracht werden müssen, welche die im Stapel vorhandenen Elektroden miteinander verbinden. Vielmehr werden die bereits im Stapel vorhandenen Elektroden an den entsprechenden Seiten seitlich freigelegt und die dabei entstehenden überstehenden Abschnitte umgeformt, sodass sich die Elektroden eines Typs kontaktieren. Hierdurch kann ein Piezostapel deutlich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden, da der Verfahrensschritt zum Kontaktieren der einzelnen Elektroden eines Typs untereinander einfacher ausgestaltet ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das piezoelektrische Material in Schritt f) durch Ätzen entfernt. Das piezoelektrische Material wird dabei mittels eines Stoffs weggeätzt, der lediglich das piezoelektrische Material entfernt und nicht die Elektroden angreift. Hierfür eignet sich insbesondere eine wässrige Lösung, die Chlorwasserstoff und/oder Fluorwasserstoff aufweist. Seitlich überschüssiges piezoelektrisches Material, welches die Elektroden seitlich verdeckt, kann dabei abgetragen werden. Zudem können die Elektroden seitlich unterhöhlt werden, um die überstehenden Abschnitte auszubilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stapel vor Schritt f) an mindestens einer Seite beschnitten wird, sodass die Elektroden eines Typs an dieser Seite enden. Hierüber kann der Herstellungsprozess des Piezostapels beschleunigt und noch kostengünstiger ausgebildet werden. Der Ätzprozess wird lediglich angewandt, um die Elektroden zu unterhöhlen, jedoch nicht um überschüssiges piezoelektrisches Material an den Seiten abzutragen. Dieses überschüssige piezoelektrische Material wird in einfacher Weise weggeschnitten.
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Insbesondere werden die Elektroden in Schritt g) mechanisch umgeformt. Dies stellt die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit dar, die abstehenden Abschnitte der Elektroden umzuformen.
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Alternativ können auch andere Umformprozesse für die abstehenden Abschnitte der Elektroden angewandt werden, beispielsweise elektromagnetische.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Elektroden in Schritt g) mittels einer Form umgeformt, die auf den Stapel aufgesetzt wird. Die Form kann insbesondere dem Gehäuse des Piezoelements entsprechen. Hierdurch ist sichergestellt, dass der fertiggestellte Piezostapel in das spätere Gehäuse passt.
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In einer alternativen Ausführungsform werden die Elektroden in Schritt g) mittels eines Andruckstempels umgeformt. Hiermit ist wiederum eine einfache mechanische Umformung der Elektroden möglich. Insbesondere ist ein gesteuerter oder geregelter Umformungsprozess der abstehenden Abschnitte der Elektroden möglich, der abhängig vom Hub oder von der Kraft ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Basiselement vorgesehen, auf dem die erste piezoelektrische Schicht aufgebracht wird und das Teil des Stapels wird. Bei dem Basiselement kann es sich um ein Substrat handeln. Die erste piezoelektrische Schicht kann auch zunächst auf dem Basiselement aufgebracht worden sein. Das Basiselement kann ferner mit dem piezoelektrischen Material beschnitten werden.
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Insbesondere sind auf dem Basiselement zwei verschiedene Elektroden vorgesehen, an denen beim Umformen der Elektroden des ersten und des zweiten Typs jeweils ein Elektrodentyp kontaktiert. Die Elektroden im Piezostapel können jeweils mit einer abwechselnden Polung beaufschlagt werden, sodass sich der piezoelektrische Effekt in den piezoelektrischen Schichten ergibt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die piezoelektrischen Schichten mittels Sputtern aufgebracht. Mit diesem Herstellungsverfahren kann die piezoelektrische Schicht besonders gleichmäßig aufgebracht werden, wodurch eine besonders glatte Oberfläche der piezoelektrischen Schichten entsteht.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden die piezoelektrischen Schichten durch ein Sol-Gel-Verfahren aufgebracht. Hierbei ist eine besonders kostengünstige Möglichkeit geschaffen, die piezoelektrischen Schichten aufzutragen.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen Stapel aus piezoelektrischen Schichten gemäß einer Ausführungsform zu einem ersten Herstellungszeitpunkt,
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2 den Stapel aus 1 nach dem Beschneiden,
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3 den Stapel der vorherigen Figuren nach dem Entfernen des piezoelektrischen Materials,
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4 den Stapel der vorherigen Figuren beim Umformen der abstehenden Abschnitte, und
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5 den Stapel der vorherigen Figuren beim abschließenden Kontaktieren der Elektroden, um den Piezostapel auszubilden.
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In 1 ist ein Stapel 10 zu einem ersten Herstellungszeitpunkt gezeigt, der ein Basiselement 12 sowie mehrere Schichten 14 aus einem piezoelektrischen Material aufweist, die nacheinander aufgebracht worden sind. Der Stapel 10 weist eine erste Seite 10a und eine zweite, der ersten Seite 10a entgegengesetzte Seite 10b auf.
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Der Stapel 10 weist zu diesem Herstellungszeitpunkt bereits Elektroden eines ersten Typs 16 sowie Elektroden eines zweiten Typs 18 auf, die jeweils einer ersten Bodenelektrode 20 bzw. einer zweiten Bodenelektrode 22 zugeordnet sind, die im Basiselement 12 vorgesehen sind. Die beiden Elektroden 16, 18 des ersten und zweiten Typs sind zwischen den piezoelektrischen Schichten 14 alternierend angeordnet und weisen jeweils einen sich in Wachstumsrichtung W des Stapels 10 überlappenden Abschnitt 16a, 18a auf.
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Der in 1 dargestellte Stapel 10 ist wie folgt hergestellt worden:
Zunächst ist das Basiselement 12 mit den beiden Bodenelektroden 20, 22 bereitgestellt worden, auf denen die erste piezoelektrische Schicht 14' mittels eines Abscheidungsverfahrens aufgebracht worden ist. Anschließend wurde die erste Elektrode des ersten Typs 16' auf die erste piezoelektrische Schicht 14' abgeschieden, wonach eine zweite piezoelektrische Schicht 14'' auf die erste piezoelektrische Schicht 14' und die erste Elektrode des ersten Typs 16' abgeschieden wurde. Auf die zweite piezoelektrische Schicht 14'' ist anschließend eine erste Elektrode des zweiten Typs 18' abgeschieden worden. Die erste Elektrode des zweiten Typs 18' wurde dabei zur ersten Elektrode des ersten Typs 16' derart versetzt aufgebracht, dass sich die in Wachstumsrichtung W einander überlappenden Bereiche 16a, 18a der Elektroden der beiden Typen 16, 18 ausbilden.
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Hiernach können weitere piezoelektrische Schichten 14 aufgebracht werden, wobei sich die vorherigen Wachstumsschritte wiederholen und der Stapel 10 in Wachstumsrichtung W weiter wächst.
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Alternativ kann auch mit der ersten piezoelektrischen Schicht 14‘ begonnen worden sein und das Basiselement 12 in einem Zwischenschritt oder nach Abschluss des Wachstums des Stapels 10 hinzugefügt worden sein.
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Die piezoelektrischen Schichten 14 können insbesondere mittels Sputtern aufgebracht werden. Alternativ können sie jedoch auch mit einem Sol-Gel-Verfahren aufgebracht worden sein.
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In 2 ist der Stapel 10 zu einem späteren Herstellungszeitpunkt gezeigt, bei dem die beiden Seiten 10a, 10b bereits beschnitten worden sind. Die beiden Seiten 10a, 10b des Stapels 10 sind dabei derart beschnitten worden, dass die Elektroden des jeweiligen Typs 16, 18 an den Seiten 10a, 10b freiliegen bzw. enden. Hierzu wurde nicht nur das Basiselement 12 samt zweiter Bodenelektrode 22 beschnitten, sondern auch die piezoelektrischen Schichten 14. Der Stapel 10 kann so weit innen beschnitten werden, dass der Schnitt an den Enden der Elektroden 16, 18 entlang geht.
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Der Schnitt kann alternativ auch so angesetzt werden, dass die Elektroden 16, 18 ebenfalls beschnitten werden, um sicherzustellen, dass die Elektroden 16, 18 definitiv an den Seiten 10a, 10b des Stapels 10 freiliegen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt (3) wurden die piezoelektrischen Schichten 14 seitlich entfernt, sodass die Elektroden 16, 18 unterhöhlt worden sind und sich überstehende Abschnitte 16b, 18b der Elektroden 16, 18 ergeben. Die überstehenden Abschnitte 16b, 18b ragen von den piezoelektrischen Schichten 14 ab, sodass sie auch als abstehende Abschnitte 16b, 18b bezeichnet werden können.
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Die piezoelektrischen Schichten 14 können dabei insbesondere durch ein Ätzverfahren teilweise entfernt werden, welches lediglich das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten 14 angreift, jedoch nicht die Elektroden 16, 18. Ebenfalls wird beim Ätzen das Basiselement 12 nicht angegriffen, sodass lediglich das piezoelektrische Material abgetragen wird.
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Eine wässrige Lösung von Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff eignet sich für das Ätzverfahren.
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Das piezoelektrische Material ist dabei nur soweit entfernt worden, dass beispielsweise von der Seite 10a aus gesehen zwischen den abstehenden Abschnitten 16b noch piezoelektrisches Material der Schichten 14 vorhanden ist. Dies stellt sicher, dass die Elektroden des zweiten Typs 18 nicht direkt an der Seite 10a enden, sondern von piezoelektrischem Material geschützt sind.
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Gleiches gilt für die andere Seite 10b analog.
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Die abstehenden Abschnitte 16b, 18b werden in einem weiteren Verfahrensschritt mechanisch umgeformt. In der in 4 gezeigten Verfahrensvariante werden die abstehenden Abschnitte 16b, 18b mittels einer Form 24 umgeformt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel die abstehenden Abschnitte 16b, 18b aus der zur Wachstumsrichtung W entgegengesetzten Richtung kontaktiert und sie zum Basiselement 12 sowie zu den beiden Bodenelektroden 20, 22 runterdrückt. Dabei werden die abstehenden Abschnitte 16b, 18b mechanisch umgeformt, sodass sich Elektroden 16, 18 des gleichen Typs kontaktieren, wodurch eine leitende Verbindung zwischen den einzelnen Elektroden 16, 18 des jeweiligen Typs hergestellt ist.
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Alternativ können die abstehenden Abschnitte 16b, 18b auch mittels eines Andruckstempels mechanisch oder mittels eines anderen Verfahrens umgeformt werden, beispielsweise einem elektromagnetischen Verfahren. Dies hängt insbesondere von dem verwendeten Material der Elektroden ab und dessen Wechselwirkung mit obigen Verfahren.
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In einer weiteren Ausführungsvariante können die abstehenden Abschnitte 16b, 18b auch in Wachstumsrichtung W umgeformt werden. Beispielsweise kann dies dann der Fall sein, wenn das Basiselement 12 als abschließende Schicht auf die letzte gewachsene Schicht 14 aufgebracht worden ist und die Elektroden 16, 18 zum Basiselement 12 umgeformt werden sollen.
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In einem letzten Verfahrensschritt können die sich kontaktierenden Elektroden 16, 18 des jeweiligen Typs miteinander verbunden werden, wobei sie ebenfalls mit den entsprechenden Bodenelektroden 20, 22 am Basiselement 12 elektrisch leitend verbunden werden. Die elektrisch leitende Verbindung kann dabei durch Kleben, Löten oder Schweißen oder ein sonstiges geeignetes Verfahren hergestellt werden.
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Durch die Verbindung der Elektroden 16, 18 untereinander und insbesondere mit den Bodenelektroden 20, 22 ist der Stapel 10 zu einem Piezostapel 26 ausgebildet worden.
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Die Bodenelektroden 20, 22 sowie die damit verbundenden Elektroden 16, 18 können abschließend mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Dabei wird an die Bodenelektroden 20, 22 eine unterschiedliche Polung angelegt, sodass sich insgesamt eine unterschiedliche Polung der einer piezoelektrischen Schicht 14 zugeordneten Elektroden 16, 18 ergibt. Hierdurch ist bei anliegender Spannung der piezoelektrische Effekt in jeder der piezoelektrischen Schichten 14 gewährleistet.
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Der dargestellte Stapel 10 sowie der fertige Piezostapel 26 können auch in Draufsicht als ein kreisrundes Element ausgebildet sein. Die unterschiedlichen Seiten sind demnach als unterschiedliche Winkelbereiche anzusehen.
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Die Elektroden 16, 18 sind allgemein derart angeordnet, dass sich ihre abstehenden Abschnitte 16b, 18b in Draufsicht auf den Stapel 10 nicht überlappen.
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Als Seite ist demnach nicht zwangsläufig die Seite eines Würfels zu verstehen, sondern auch nur ein Seitenabschnitt.
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In den gezeigten Figuren hat der Stapel 10 und der Piezostapel 26 lediglich fünf piezoelektrische Schichten 14. Diese sind jedoch nur beispielhaft dargestellt, da der Piezostapel 26 generell mit der gewünschten Anzahl an Schichten 14 ausgebildet werden kann. Typischerweise kann ein Piezostapel 26 bis zu mehrere Hundert piezoelektrische Schichten 14 aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist somit ein Piezostapel 26 geschaffen, der in einfacher Weise herzustellen ist, da keine aufwendig einzubringenden vertikalen Elektroden vorgesehen sind, welche die einzelnen Elektroden kontaktieren.
