DE102013210561A1

DE102013210561A1 - Piezoelektrisches element

Info

Publication number: DE102013210561A1
Application number: DE102013210561.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Christian Wapler; Ulrike Wallrabe; Moritz Florian Stürmer
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg; Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg; Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: DE102013210561B4

Abstract

Ein piezoelektrisches Element weist eine oder mehrere piezoelektrische Schichten auf. Eine Elektrodenanordnung ist ausgelegt, um einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt in der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten zu bewirken. Die Elektrodenanordnung ist auf der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten angeordnet ist und unterteilt die eine oder die mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten in ein Raster von polarisierbaren Bereichen unterteilt, in dem die polarisierbaren Bereiche in Zeilen in einer ersten Richtung und Spalten in einer zweiten Richtung angeordnet sind

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Elemente und insbesondere piezoelektrische Elemente, die eine oder mehrere piezoelektrische Schichten aufweisen und eine Elektrodenanordnung, um elektrische Felder in vorbestimmten Richtungen in der einen oder den mehreren piezoelektrischen Schichten zu erzeugen.
Biegewandler weisen in der Regel einen Schichtaufbau auf, der eine aktive Piezolage und eine passive Lage oder zwei aktive Piezolagen aufweist. Eine Biegung stellt sich dabei durch unterschiedliche Dehnungen in den beiden Lagen ein. Die meisten Piezobiegeaktoren arbeiten mit dem transversalen d₃₁-Piezoeffekt und verwenden dafür flächig auf gegenüberliegenden Seiten aufgebrachte Elektroden. Auch die Anwendung des longitudinalen d₃₃-Piezoeffekts wird aufgrund der höheren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten seit längerem diskutiert. Als Elektroden kommen bei Piezobiegewandlern, die den longitudinalen d₃₃-Effekt nutzen, bisher ineinandergreifende Fingerstrukturen zum Einsatz.
Hinsichtlich Piezobiegewandlern, die den longitudinalen d₃₃-Piezoeffekt verwenden, kann beispielsweise auf N. W. Hagood; R. Kindel; K. Ghandi, P. Gaudenzi: „Improving transverse actuation of piezoceramics using interdigitated surface electrodes", Proc. SPIE 1917, Smart Structures and Materials 1993; A. A. Bent, N. W. Hagood: „Piezoelectric Fiber Composites with Interdigitated Elektrodes", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 8, Nr. 11, Seiten 903–919, 1997; und W. Beckert, W. S. Kreher: „Modelling piezoelectric modules with interdigitated electrode structures", Computational Materials Science, Vol. 26, Seiten 36–45, 2003, verwiesen werden. Ferner beschreibt beispielsweise die US 2,540,412 Piezowandler mit interdigitalen Elektroden, die einen longitudinalen Piezoeffekt verwenden, wobei ferner zueinander spiralförmig angeordnete Elektroden offenbart sind.
Eine anisotrope Betätigung von aktiven Schichten, die piezoelektrische Fasern aufweisen, unter Verwendung von interdigitalen Elektroden ist ferner bei A. Bent, et al.: „Anisotropic Activation with Piezoelectric Fiber Composites", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 6, Mai 1995, Seiten 338–349, beschrieben.
Ein piezoelektrischer Spiegel für optische Anwendungen, bei dem ringförmige Elektroden auf einem ringförmigen piezoelektrischen Aktor angeordnet sind, ist bei M. Mescher: „A Novel-High-Speed Piezoelectric Deformable Varifocal Mirror for Optical Applications", IEEE, 2002, Seiten 511–515, beschrieben.
Herkömmliche Piezoaktoren haben ein festes Verhältnis der Auslenkung in verschiedenen Richtungen, was sich durch die Materialeigenschaften ergibt. Die Ausdehnung entlang der Polarisationsrichtung ist in der Regel doppelt so hoch wie die Kontraktion senkrecht zur Polarisationsrichtung. Insofern sie nicht besonders eingespannt sind, biegen sich Biegewandler, die senkrecht zur Ebene polarisiert sind, also d₃₁-Aktoren, kugelförmig (sphärisch), und solche, die in der Ebene polarisiert sind (d₃₃-Aktoren) sattelförmig (grob mit einem Krümmungsverhältnis von –1:2). Andere Formen lassen sich nur durch entsprechende Einspannungen oder die Verwendung von aktiven oder passiven Fasern einstellen. Ersteres ist nur in wenigen Situation möglich und letztgenanntes ist kostenaufwändig und schränkt die Materialauswahl und Leistungsfähigkeit ein, wobei homogene Materialien dabei nicht möglich sind.
Versuche, andere Verschiebungen zu erhalten, weisen typischerweise Begrenzungen hinsichtlich des Betätigungsbereichs und der Flexibilität auf und enthalten einen komplizierten Satz vieler Elektroden und Steuerspannungen, wie dies für transversale Biegewandler beispielsweise bei I. Kanno et al.: „Development of Deformable Mirror Composed of Piezoelectric Thin Films for Adaptive Optics", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 13, Nr. 2, März/April 2007, Seiten 155–161, beschrieben ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein piezoelektrisches Element mit verbesserten Charakteristika hinsichtlich einer erzeugbaren Auslenkung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein piezoelektrisches Element gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein piezoelektrisches Element mit folgenden Merkmalen:
einer oder mehreren piezoelektrischen Schichten; und
einer Elektrodenanordnung, die ausgelegt ist, um zumindest einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt in der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten zu bewirken,
wobei die Elektrodenanordnung auf der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten angeordnet ist und die eine oder die mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten in ein Raster von polarisierbaren Bereichen unterteilt, in dem die polarisierbaren Bereiche in Zeilen in einer ersten Richtung und Spalten in einer zweiten Richtung angeordnet sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit ein piezoelektrisches Element, das eine Elektrodenanordnung aufweist, die in zwei Richtungen Bereiche einer oder mehrerer piezoelektrischer Schichten definiert, die unterschiedlich polarisiert werden können. Ausführungsbeispiele der Erfindung können beispielsweise in jeder der Richtungen vier oder mehr entsprechende Bereiche aufweisen. Anders ausgedrückt schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein zweidimensionales Raster von Abschnitten einer oder mehrerer piezoelektrischer Schichten, die unterschiedlich polarisiert werden können, um beispielsweise Piezobiegeaktoren oder Biegewandler mit variabler Oberflächenkrümmung zu implementieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen neuartige d₃₃-Biegewandler, denen die Oberflächenform einer Krümmung bei Betätigung entweder über die während der Herstellung festgelegte Elektrodenkonfiguration oder im Betrieb variabel über zwei Steuerspannungen nahezu frei eingestellt werden kann. Somit erlauben Ausführungsbeispiele der Erfindung neben sattelförmigen und sphärischen Auslenkungen auch elliptische und unidirektionale Auslenkungen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die erste Richtung und die zweite Richtung senkrecht zueinander. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein rechtwinkliges Raster von entsprechend polarisierbaren Bereichen.
Bei Ausführungsbeispielen weisen die polarisierbaren Bereiche jeweils zwei sich in der ersten Richtung gegenüberliegende Elektrodenabschnitte und zwei sich in der zweiten Richtung gegenüberliegende Elektrodenabschnitte auf. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte gerade.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte Teile einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die auf zumindest einer Seite der einen oder einer der mehreren piezoelektrischen Schichten angeordnet sind, so dass eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und somit den sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitten anlegbar ist, um elektrische Felder in der piezoelektrischen Schicht zu erzeugen. Über die entsprechenden Elektroden kann ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Schicht angelegt werden, das eine gezielte Kombination eines longitudinalen Piezoeffekts (d₃₃-Effekt) und eines transversalten Piezoeffekts (d₃₁-Effekt) in der piezoelektrischen Schicht bewirkt, um eine gewünschte Auslenkung zu erreichen. Die gewünschte Auslenkung kann dabei über eine entsprechende Einstellung der Längen der Elektrodenabschnitte, die sich in den jeweiligen Richtungen gegenüberliegen, eingestellt werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weisen die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils Fingerstrukturen auf, die jeweils zumindest einen sich in die erste Richtung erstreckenden Abschnitt und einen sich in die zweite Richtung erstreckenden Abschnitt aufweisen. Beispielsweise können die erste und die zweite Elektrode eine doppelt interdigitale Elektrodenanordnung bilden, wobei die Elektroden jeweils Hauptfinger, die sich in der ersten Richtung erstrecken, und Nebenfinger, die sich in der zweiten Richtung von den Hauptfingern erstrecken, aufweisen. Alternativ können die Fingerstrukturen einen stufenstufenförmigen Verlauf aufweisen. Bei solchen Ausführungsbeispielen können verschiedene Fingerstrukturen eine unterschiedliche Anzahl von Stufen aufweisen, d. h. eine unterschiedliche Anzahl von sich in der ersten Richtung erstreckenden Abschnitten und/oder eine unterschiedliche Anzahl von sich in der zweiten Richtung erstreckenden Abschnitten. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die Fingerstrukturen einen Zick-Zack-förmigen Verlauf aufweisen.
Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen kann die erste Elektrode eine gitterförmige Struktur aufweisen, wobei die zweite Elektrode sich in Gitterzwischenräumen der gitterförmigen Struktur der ersten Elektrode erstreckende Elektrodenabschnitte aufweist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das piezoelektrische Element eine erste piezoelektrische Schicht und eine zweite piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei die sich in der ersten Richtung gegenfüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet sind und die sich in der zweiten Richtung gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der zweiten piezoelektrischen Schicht angeordnet sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der ersten piezoelektrischen Schicht Teile einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sein, wobei die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der zweiten piezoelektrischen Schicht Teile einer dritten und vierten Elektrode sein können. Die erste, zweite, dritte und vierte Elektrode können dann interdigitale Elektroden sein. Bei solchen Ausführungsbeispielen ist es möglich, durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen zwischen der ersten und zweiten Elektrode und der dritten und vierten Elektrode unterschiedliche Dehnungsverhältnisse des piezoelektrischen Elements in der ersten Richtung und der zweiten Richtung einzustellen, so dass sich unterschiedliche Oberflächenkrümmungen einstellen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen piezoelektrische Elemente, die Biegewandler, also piezoelektrische Aktoren, mit einstellbaren Auslenkungen in verschiedenen Richtungen darstellen können.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das piezoelektrische Element ein piezoelektrischer Aktor mit einstellbaren Dehnungen in verschiedenen Richtungen. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen Biegewandler mit einem solchen piezoelektrischen Element, der einstellbare Krümmungsradien in verschiedenen Richtungen aufweist. Dazu kann prinzipiell die piezoelektrische Schicht, also die aktive Schicht, allein als Aktor genutzt werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind eine oder mehrere piezoelektrische Schichten auf einer oder mehreren passiven Schichten angeordnet, um einen Biegewandler zu implementieren. Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist ein Biegewandler durch mehrere aufeinander angeordnete piezoelektrische Schichten implementiert.
Bei Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Auslenkungen variabel über verschiedene Spannungen eingestellt werden, indem entsprechend mehrere Elektrodenpaare auf mehreren aktiven Schichten angeordnet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist die Auslenkung in einem konstanten Verhältnis vorgegeben, das bei der Herstellung über die Elektrodenstruktur kontrolliert wird.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das piezoelektrische Element ein Sensorelement, wobei gleiches wie für die Auslenkung bei einem Aktor für die Sensitivität eines entsprechenden Sensors und dessen Kopplung an verschiedene Schwingungsmoden gilt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b schematisch eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Elements;
2 eine schematische Draufsicht eines vergrößerten Abschnitts von 1a;
3 einen Graph, der theoretische Dehnungsverhältnisse eines Ausführungsbeispiels zeigt;
4 schematisch eine Darstellung, die eine elektrische Feldverteilung in einem polarisierbaren Bereich darstellt;
5 schematische Darstellungen, die unterschiedliche Oberflächenkrümmungen zeigen;
6a bis 6c schematische Draufsichten und eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Elements;
7 schematisch Krümmungen eines Ausführungsbeispiels gemäß den 6a bis 6c;
8a und 8b schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Elements; und
9 schematisch eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Elements.
Anhand der Figuren werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die sich auf Piezoaktoren beziehen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die entsprechenden Erläuterungen in analoger Weise auch für Sensorelemente gelten können, bei denen durch Anregung von verschiedenen Schwingungsmoden durch den piezoelektrischen Effekt der aktiven Schicht Spannungen erzeugt werden, die über die Elektroden abgegriffen werden können. Bei solchen Sensoren kann es sich beispielsweise um akustische Sensoren handeln. Alternative Sensoren können statische Biegesensoren sein, durch die unterschiedliche Biegungen erfasst werden können.
Wie insbesondere auch nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren deutlich wird, wird bei Ausführungsbeispielen der Erfindung das variable Verhältnis der Auslenkungen dadurch herbeigeführt, dass kleine Bereiche des Aktors, d. h. einer oder mehrerer piezoelektrischer Schichten, in unterschiedliche Richtungen, überwiegend in der Ebene des Aktors, d. h. der Schichten, polarisiert werden. Ein Teil der Polarisation kann auch senkrecht zur Ebene erfolgen. Die Bereiche sind so klein, dass eine gleichmäßige Auslenkung entsprechend des Mittelwerts der der Polarisierung entsprechenden Dehnungen entsteht. Die Richtung der Polarisierung ergibt sich bei Ausführungsbeispielen durch die Struktur der Elektroden. Die Bereiche können entweder kleine Bereiche in der Ebene sein, oder in verschiedenen Schichten des Aktors. Eine Biegung senkrecht zur Ebene kann wie bei herkömmlichen Biegewandlern durch die Verbindung mit einer passiven Schicht oder durch die Verbindung mehrerer aktiver Schichten erzielt werden, oder dadurch, dass durch die Wahl der Elektroden und angelegten Spannungen verschiedene Ebenen in der piezoelektrischen Schicht unterschiedlich polarisiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die erfinderische Erkenntnis darin, dass kleine Bereiche in einem homogenen Piezomaterial gezielt unterschiedlich polarisiert werden, um gewünschte mittlere Auslenkungen zu erreichen. Ein Vorteil gegenüber herkömmlichen homogen polarisierten Piezoaktoren ist die Möglichkeit, das Verhältnis der Dehnungen in verschiedenen Richtungen flexibel einzustellen, entweder bei der Herstellung über die entsprechende Auslegung der Elektrodenstruktur bzw. Anordnung, oder über das Anlegen entsprechend unterschiedlicher Spannungen an verschiedene Elektrodenpaare auf mehreren piezoelektrischen Schichten.
Gegenüber Aktoren aus Fasern besteht der Vorteil von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einem hinsichtlich des Materials homogenen Piezoaktor, der mit herkömmlichen Verfahren mit homogenen Materialien verarbeitet werden kann. Zudem gibt es keine Einschränkungen bei der Wahl der Materialien und der Füllfaktor besteht 100% gegenüber einem weitaus geringeren Füllfaktor von 20% bis 50% bei Piezo-Komposit-Aktoren. Darüber hinaus besteht eine bessere Miniaturisierbarkeit, sowohl durch die Prozessierung als auch durch die Skalierbarkeit des Aktors.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen piezoelektrische Elemente, bei denen anisotrope In-Ebene-Spannungen erzeugt werden, um Piezobiegeaktoren mit einstellbarem Krümmungsprofil zu schaffen. Dabei nutzen Ausführungsbeispiele der Erfindung das volle Potential der Anisotropie des Piezoeffekts, um in bezüglich des Materials isotropen und homogenen Piezoschichten frei einstellbare Krümmungsprofile erzeugen zu können. Piezoelemente mit unterschiedlichen Elektrodenanordnungen, die hierfür geeignet sind, werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Die 1a und 1b zeigen ein piezoelektrisches Element mit einer doppelt interdigitalen Elektrodenstruktur, die ein feines stückweises, In-Ebene-Polarisierungsmuster in unterschiedlichen Richtungen ergibt, wobei ein gewünschtes makroskopisches Verhältnis der mittleren Spannungen in der Ebene erreicht werden kann.
Die 1a und 1b zeigen einen Biegewandler mit einer aktiven piezoelektrischen Schicht 10 und einer passiven Schicht 12. Die piezoelektrische Schicht kann aus einem geeigneten piezoelektrischen Material, beispielsweise PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) bestehen. Die passive Schicht kann aus einem geeigneten isolierenden Material, beispielsweise Oxid, Nitrid oder einem geeigneten Polymer, bestehen. Eine Elektrodenanordnung 14 ist auf der piezoelektrischen Schicht 10 vorgesehen. Die Elektrodenanordnung 14 weist eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18 auf. Die erste Elektrode 16 weist einen Anschluss 20 auf und die zweite Elektrode 18 weist einen Anschluss 22 auf. Über die Anschlüsse 20 und 22 kann eine geeignete Spannung zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 angelegt werden. Wie in 1a zu sehen ist, bilden die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 eine doppelt interdigitale Elektrodenanordnung. Die erste Elektrode weist Hauptfinger 26 auf und die zweite Elektrode 18 weist Hauptfinger 28 auf. Die Hauptfinger 26, 28 erstrecken sich senkrecht von jeweiligen Basisabschnitten 16a und 18a der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18. Senkrecht von den Hauptfingern 26 und 28 erstrecken sich jeweilige Nebenfinger 36 bzw. 38. Dadurch ergibt sich die doppelt interdigitale Struktur.
Jeweilige Abschnitte der Hauptfinger 26 und 28 der ersten und zweiten Elektroden liegen sich gegenüber, und jeweilige Abschnitte der Nebenfinger 36 und 38 liegen sich jeweils gegenüber. Diesbezüglich wird beispielsweise auf den vergrößerten Abschnitt in 2 verwiesen, der einen Ausschnitt aus einem entsprechend doppelt ineinander verschränkten Elektrodendesign zeigt.
Durch die entsprechend angeordneten doppelt interdigitalen Elektroden ergibt sich ein zweidimensionales Muster aus mehreren in einer ersten Richtung hintereinander angeordneten polarisierbaren Bereichen und mehreren in einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, hintereinander angeordneten polarisierbaren Bereichen. Ein solcher polarisierbarer Bereich 40 ist in 2 grau hinterlegt. Der polarisierbare Bereich weist zwei sich gegenüberliegende Abschnitte 26a und 28a der Hauptfinger 26 und 28 und zwei sich gegenüberliegende Abschnitte 36a und 38a der Nebenfinger auf. Entsprechende gegenüberliegende Elektrodenabschnitte weisen auch die übrigen polarisierbaren Bereiche des Rasters auf.
Bei dem gezeigten Beispiel beträgt die Breite der Nebenfinger t, der Abstand zwischen sich gegenüberliegenden Nebenfingern 36 und 38 beträgt d₁, die Länge der Nebenfinger beträgt 1, und der Abstand des Endes eines Nebenfingers einer Elektrode von dem Hauptfinger der anderen Elektrode beträgt d₂.
Die doppelt interdigitale Elektrodenanordnung unterteilt die homogene piezoelektrische Schicht 10 in ein Raster von polarisierbaren Bereichen, die in Zeilen in einer ersten Richtung und Spalten in einer zweiten Richtung angeordnet sind, wobei die Richtungen senkrecht zueinander angeordnet sind. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer simulierten Potentialverteilung in einem solchen Bereich 40, wobei die Pfeile in 4 das elektrische Feld anzeigen. Die Größenangaben in 4 sind rein beispielhafter Natur. Wie 4 zeigt, weist das Feld sowohl x- als auch y-Richtungsanteile auf. Der Anteil in den jeweiligen Richtungen lässt sich durch die Länge l der Nebenfinger einstellen, und somit auch das Verhältnis der Dehnungen in den beiden Hauptrichtungen.
Mittels einer analytischen Abschätzung lassen sich die Dehnungsverhältnisse in Abhängigkeit von der Elektrodengeometrie bestimmen, wie dies in 3 für einen optimalen Fall (mit unendlich dünnen piezoelektrischen Schichten und Elektroden) und für eine reale, hergestellte Geometrie dargestellt ist. Die Abkürzung „DIDE” in 3 steht dabei für „doppelt interdigitale Elektrode”. Wie in 3 zu erkennen ist, stellt sich bei gleichen Dehnungen in den beiden Richtungen, d. h. s_x = s_y eine sphärische Form ein. Bei ungleichen Dehnungen entspricht die Form einem Ellipsoiden, einem Sattel oder bei s_x = 0 bzw. s_y = 0 einer uniaxialen Biegung. In 3 sind neben dem theoretischen Verhältnis der Dehnungen auch tatsächlich gemessene Werte als Punkte dargestellt.
Somit ist es möglich, bei der Herstellung durch entsprechendes Einstellen der Elektrodengeometrie eine gewünschten Oberflächenkrümmung zu erhalten.
Unterschiedliche DIDE-Elektrodenkonfigurationen wurden hergestellt und die entsprechenden Verformungsprofile wurden in Verbindung mit einer passiven Schicht bei einem E-Feld von 625 V/mm, bei t = 80 μm und d₁ = 320 μm gemessen. Die entsprechenden Verformungsprofile sind in 5 dargestellt. Der in 5a gezeigte Sattel ergibt sich bei l = 0, d. h. ohne Nebenfinger. Die in 5b gezeigte Sphäre ergibt sich, wenn s_x = s_y bei einer Länge l = 620 μm. In 5c ist eine unidirektionale Auslenkung gezeigt, die sich bei s_y = 0 ergibt, bei einer Länge l = 443 μm. In 5d ist eine unidirektionale Auslenkung gezeigt, die sich bei s_x = 0 bei einer Länge l = 834 μm ergibt.
Es zeigt sich somit, dass durch Einstellung der Länge der Nebenfinger unterschiedliche Verformungsprofile erzeugt werden können.
Die entsprechende Polarisation der polarisierbaren Bereiche erfolgte durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode 26 und 28. Um Effekte einer Randeinspannung zu vermeiden, wurden die Aktoren zur Messung mittig auf einem weichen Stück Polyurethan gelagert.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements ist in den 6a bis 6c gezeigt. Das piezoelektrische Element weist eine erste homogene piezoelektrische Schicht 100 und eine zweite homogene piezoelektrische Schicht 102 auf. Auf der ersten piezoelektrischen Schicht 100 sind eine erste Interdigitalelektrode 116 und eine zweite Interdigitalelektrode 118 gebildet. Jeweilige Anschlüsse 120 und 122 für die Interdigitalelektroden 116 und 118 sind vorgesehen. Die Interdigitalelektroden 116 und 118 weisen jeweilige Elektrodenfinger 126 und 128 auf, die sich in einer ersten Richtung, x in 6a, gegenüberliegen. Auf der zweiten piezoelektrischen Schicht 102 sind eine dritte Interdigitalelektrode 136 und eine vierte Interdigitalelektrode 138 angeordnet. Ein Anschluss 140 ist für die erste Interdigitalelektrode und ein Anschluss 142 ist für die zweite Interdigitalelektrode vorgesehen. Die erste Interdigitalelektrode 136 weist Elektrodenfinger 146 auf, und die zweite Interdigitalelektrode 128 weist Elektrodenfinger 148 auf, die sich in einer zweiten Richtung y in 6b, gegenüberliegen.
Die beiden piezoelektrischen Schichten 100 und 102, die in den 6a und 6b separat gezeigt sind, werden miteinander verbunden, beispielsweise unter Verwendung einer isolierenden Haftschicht 150, wie dies in 6c gezeigt ist. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die jeweiligen Elektroden nach dem Verbinden der piezoelektrischen Schichten 100 und 102 auf der Oberseite bzw. Unterseite angeordnet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die piezoelektrischen Schichten auch derart aneinander angebracht werden, dass die Elektroden, die auf einer der Schichten angeordnet sind, zwischen den beiden piezoelektrischen Schichten angeordnet sind, wobei ein dielektrisches Haftmittel zwischen den Schichten angeordnet sein kann.
Ist eine piezoelektrische Schicht 100 oder 102, wie sie in den 6a und 6b gezeigt ist, mit einer passiven Lage verbunden, kommt es beim Anlegen einer Spannung durch das Verhältnis der elektromechanischen Koppelkoeffizienten (d₃₃ ≈ –2d₃₁) zu einer sattelförmigen Verbiegung. Um eine Modulation des Oberflächenprofils bewirken zu können, werden bei dem in den 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel zwei entsprechende Piezolagen miteinander verklebt, wobei die Elektrodenstrukturen der beiden Lagen um 90° gegeneinander verdreht sind. Die beiden Richtungen x und y sind somit senkrecht zueinander. Die Anschlüsse 120 und 122 stellen eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 126 und 128 dar, und die Anschlüsse 140 und 142 stellen eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 136 und 138 dar. Durch das Anlegen unterschiedlicher Spannung lassen sich unterschiedliche Dehnungen in der ersten Richtung und der zweiten Richtung bewirken. Je nach Verhältnis der angelegten Spannungen kann das Verhältnis der Dehnungen in beiden Richtungen beeinflusst werden, um unterschiedliche Auslenkungen zu bewirken.
Bei Ausführungsbeispielen kann eine mechanisch passive Schicht, beispielsweise eine Glasschicht, auf zwei Piezobiegewandlern, deren Fingerstrukturen im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet sind, angeordnet sein. Die mechanisch passive Schicht kann eine Steifheit aufweisen, die größer ist als die Steifheit der Piezobiegewandler, so dass die neutrale Auslenkungsebene in der passiven Schicht liegt und die Richtung der Auslenkung durch die mechanisch passive Schicht gesteuert wird. Die passive Schicht kann beispielsweise mit einer Spiegelschicht versehen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann dadurch ein Spiegel mit einstellbarer Brennweite und Kompensation unterschiedlicher Einfallswinkel sowie einer Komakorrektur erzeugt werden.
Um das Verhalten des in den 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiels dynamisch nachzuweisen, wurde der in der oberen Bildhälfte von 7 gezeigte Betriebsspannungsverlauf gewählt. Darunter sind die jeweiligen Krümmungen in x- und y-Richtung, sowie die sich einstellenden Profile gezeigt. Wie dargestellt ist, können durch ein entsprechendes Anlegen von Spannungen variable Oberflächenkrümmungen bewirkt werden. Es hat sich gezeigt, dass der Biegewandler Krümmungen durchlaufen kann, die positiven und negativen Sphären, beiden unidirektionalen Richtungen sowie einem Sattel entsprechen. Lediglich am Rande sei angemerkt, dass die in 7 exemplarisch angegebenen Fehlerbalken die Standardabweichung der in die Oberflächenprofile gefitteten Krümmungen zeigen.
Bei dem Bezug nehmend auf die 6a bis 6c beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Interdigitalelektroden zueinander verdreht. Dadurch definieren die in einem Winkel zueinander verlaufenden Interdigitalelektroden, die auf den beiden piezoelektrischen Schichten vorgesehen sind, die polarisierbaren Bereiche. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel sind die Interdigitalelektroden mit einem Winkel von 90° relativ zueinander verdreht, so dass die Richtungen x und y senkrecht zueinander sind. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Interdigitalelektroden in einem anderen Winkel zueinander verdreht sein.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elements, bei dem eine Elektrodenanordnung 200 auf einer homogenen piezoelektrischen Schicht 202 angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung 200 weist eine erste gitterförmige Elektrode 204 und zweite Elektroden 206, die sich im Gitterzwischenräumen der ersten Elektrode 204 erstrecken, auf. 8a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein solches piezoelektrisches Element und 8b einen Schnitt entlang der Linie C-C. Die Elektroden sind zweischichtig aufgebaut, wobei zwischen der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 206 ein Dielektrikum angeordnet ist. Ferner sind in 8b obere Verbindungen 210, die die sich in die Gitterausnehmungen der ersten Elektrode 204 erstreckenden Abschnitte der zweiten Elektrode verbinden, dargestellt. In 8a sind diese aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Über Anschlüsse 212 und 214 kann eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 206 angelegt werden. Durch eine Einstellung der Länge der Abschnitte der zweiten Elektrode 206, die sich in den Gitterzwischenräumen erstrecken, kann das Verhältnis der Spannungen in der x-Richtung und der y-Richtung und somit das Auslenkungsverhältnis eingestellt werden. Gestaltet man die Abschnitte der zweiten Elektrode 206, die sich in den Gitterzwischenräumen der ersten Elektrode 204 erstrecken, punktförmig, so sollte sich eine isotrope, bzw. bei Biegewandlern sphärische, Auslenkung ergeben. Somit ermöglicht auch eine Elektrodenanordnung, wie sie in 8a und 8b gezeigt ist, die Einstellung eines gewünschten Dehnungsverhältnisses bei der Herstellung des piezoelektrischen Elements.
Eine weitere alternative Ausführungsform einer Elektrodenanordnung, die auf einer piezoelektrischen Schicht 302 angeordnet ist, ist in 9 gezeigt. Die in 9 gezeigte Elektrodenanordnung weist eine erste Elektrode 304 und eine zweite Elektrode 306 auf. Ein Anschluss 308 ist für die erste Elektrode 304 vorgesehen und ein Anschluss 310 ist für die zweite Elektrode 306 vorgesehen. Somit ist eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 304 und der zweiten Elektrode 306 anlegbar.
Wie in 9 zu sehen ist, weist die erste Elektrode 304 eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 314 auf und die zweite Elektrode 306 weist eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 316 auf. Die Elektrodenfinger weisen jeweils zumindest einen Abschnitt auf, der sich in einer ersten Richtung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich in einer zweiten Richtung erstreckt. In 9 erstrecken sich die jeweiligen Abschnitte in der x-Richtung und der y-Richtung, die senkrecht zueinander sind. Wie ferner in 9 gezeigt ist, liegen sich jeweilige Abschnitte der Elektrodenfinger 314 der ersten Elektrode 304 und jeweilige Abschnitte der Elektrodenfinger 316 der zweiten Elektrode 306 gegenüber, um polarisierbare Bereiche zu definieren. Dabei sind jeweils mehrere dieser polarisierbaren Bereiche in x-Richtung hintereinander angeordnet und mehrere polarisierbare Bereiche sind in y-Richtung hintereinander angeordnet. Somit ergibt sich auch bei der in 9 gezeigten Elektrodenanordnung ein Raster von polarisierbaren Bereichen, in dem die polarisierbaren Bereiche in Zeilen in einer ersten Richtung und Spalten in einer zweiten Richtung angeordnet sind.
Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzen die sich in x-Richtung erstreckenden Abschnitte der Elektrodenfinger eine Länge L1, während die sich in y-Richtung erstreckenden Abschnitte der Elektrodenfinger eine Länge L2 besitzen. Durch ein entsprechendes Einstellen dieser Längen können wiederum die mechanischen Dehnungen in den beiden Richtungen und somit das Auslenkungsverhältnis eingestellt werden.
Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden jeweils stufenförmige Elektrodenfinger 314 und 316 auf, wobei die Anzahl von Stufen der jeweiligen Elektrodenfinger unterschiedlich ist, so dass sich die in 9 gezeigte Anordnung ergibt.
Obwohl oben Bezug nehmend auf die Figuren spezielle Elektrodenanordnungen beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass andere Anordnungen von Elektroden verwendet werden können, um eine homogene piezoelektrische Schicht in ein Raster von polarisierbaren Bereichen zu unterteilen. Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die beiden Richtungen ferner senkrecht zueinander. Es ist für Fachleute jedoch offensichtlich, dass die beiden Richtungen nicht senkrecht zueinander sein müssen, sondern dass auch andere Winkel möglich sind, beispielsweise Winkel zwischen 45° und 90°.
Ist hierin von sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitten die Rede, so liegen sich diese jeweils über ein isolierendes Medium gegenüber. Beispielsweise kann dabei Luft oder ein Dielektrikum, wie z. B. Oxid, zwischen den jeweiligen Elektroden angeordnet sein. Ferner ist für Fachleute offensichtlich, dass zusätzliche Schichten, wie z. B. Spiegelschichten und dergleichen, vorgesehen sein können, ohne dass dies einer speziellen Erläuterung bedarf.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden jeweils Elektroden bzw. Elektrodenanordnungen beschrieben, die auf einer Seite einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sind. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können entsprechende Elektroden oder Elektrodenanordnungen auf beiden gegenüberliegenden Seiten einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sein, wodurch höhere Dehnungen bewirkt werden können. Dabei können jeweils identische Elektrodenanordnungen deckungsgleich auf beiden Seiten einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sein.
Die Elektrodenanordnung ist ausgelegt, um eine gezielte Kombination eines longitudinalen piezoelektrischen Effekts und eines transversalten piezoelektrischen Effekts in der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten zu bewirken. Unter einem longitudinalen piezoelektrischen Effekt (d₃₃-Effekt) ist dabei ein solcher piezoelektrischer Effekt zu verstehen, der in der Richtung der Polarisation in der piezoelektrischen Schicht bzw. Schichten wirksam ist. Im Gegensatz dazu ist ein transversaler Piezoeffekt (d₃₁-Effekt) senkrecht zur Polarisation in der piezoelektrischen Schicht bzw. Schichten wirksam.
Die piezoelektrische Schicht weist eine erste Hauptoberfläche und eine zweite, der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende Hauptoberfläche auf, die durch die beiden flächenmäßig größten Oberflächen der piezoelektrischen Schichten gebildet sind. Die Elektrodenanordnung ist ausgelegt, um einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt in der Ebene der piezoelektrischen Schicht (also parallel zu den Hautoberflächen) zu bewirken. Eine Elektrodenanordnung, die ausgelegt ist, um einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt in der Ebene der piezoelektrischen Schicht zu bewirken, kann auf der ersten Hauptoberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnete Elektroden aufweisen, die mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden. Eine Elektrodenanordnung, die ausgelegt ist, um einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt zu bewirken, kann ferner entsprechende Elektroden auf der zweiten Hauptoberfläche aufweisen.
Dagegen kann eine Elektrodenanordnung, die ausgelegt ist, um in der Ebene der piezoelektrischen Schicht einen lediglich transversalen piezoelektrischen Effekt zu bewirken, Elektroden, die sich auf den gegenüberliegenden Hauptoberflächen über die piezoelektrische Schicht gegenüberliegen und die mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden, aufweisen.
Durch die Raster-mäßige periodische Anordnung von polarisierbaren Bereichen kann das Potential der Polarisierung in der Fläche der piezoelektrischen Schicht bzw. Schichten voll ausgenutzt werden. Dabei kann die Oberflächenkrümmung bei Ausführungsbeispielen durch das Design der Elektrodenanordnung beeinflusst werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Oberflächenkrümmung auch durch den Betriebsmodus beeinflusst werden, wie oben beispielsweise Bezug nehmend auf das in den 6a bis 6c gezeigte Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eignen sich dabei für monomorphe Biegewandler, die aus einer aktiven und einer passiven Lage bestehen, wobei verschiedene Auslenkungsverhältnisse über die Elektrodenstruktur, ein- und doppelseitige Elektroden und verschiedene Elektrodenabstände eingestellt werden können. Ausführungsbeispiele ermöglichen die Implementierung von monomorphen Biegewandlern, die aus zwei aktiven und einer passiven Lage bestehen, wobei die aktiven Lagen in unterschiedliche Richtungen polarisiert sind, mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden und somit die Bereiche unterschiedlicher Polarisation formen. Die passive Lage kann beispielsweise mit einer reflektierenden Schicht versehen werden, so dass sich ein elliptisch in beide Richtungen verformbarer Spiegel ergibt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung weisen einen „bimorphen” Biegewandler auf, der aus zwei aktiven Schichten besteht, die in zwei unterschiedlichen Richtungen polarisiert sind und die mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2540412 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

N. W. Hagood; R. Kindel; K. Ghandi, P. Gaudenzi: „Improving transverse actuation of piezoceramics using interdigitated surface electrodes”, Proc. SPIE 1917, Smart Structures and Materials 1993 [0003]
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M. Mescher: „A Novel-High-Speed Piezoelectric Deformable Varifocal Mirror for Optical Applications”, IEEE, 2002, Seiten 511–515 [0005]
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Claims

Piezoelektrisches Element mit folgenden Merkmalen: einer oder mehreren piezoelektrischen Schichten (10; 100, 102; 202, 302); einer Elektrodenanordnung (18; 200), die ausgelegt ist, um einen longitudinalen piezoelektrischen Effekt in der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten (10; 100, 102; 202, 302) zu bewirken, wobei die Elektrodenanordnung (18; 200) auf der einen oder den mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten (10; 100, 102; 202, 302) angeordnet ist und die eine oder die mehreren homogenen piezoelektrischen Schichten (10; 100, 102; 202, 302) in ein Raster von polarisierbaren Bereichen (40) unterteilt, in dem die polarisierbaren Bereiche (140) in Zeilen in einer ersten Richtung und Spalten in einer zweiten Richtung angeordnet sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem die erste Richtung und die zweite Richtung senkrecht zueinander sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die polarisierbaren Bereiche (40) jeweils zwei sich in der ersten Richtung gegenüberliegende Elektrodenabschnitte und zwei sich in der zweiten Richtung gegenüberliegende Elektrodenabschnitte aufweisen.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 3, wobei die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte jeweils gerade sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte Teile einer ersten Elektrode (16; 304) und einer zweiten Elektrode (18; 306) sind, die auf zumindest einer Seite der einen oder einer der mehreren piezoelektrischen Schichten (10; 302) angeordnet sind, so dass eine Spannung zwischen der ersten Elektrode (16; 304) und der zweiten Elektrode (18; 306) und somit den sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitten anlegbar ist, um elektrische Felder in der piezoelektrischen Schicht (10; 302) zu erzeugen.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5, bei dem die erste Elektrode (16; 304) und die zweite Elektrode (18; 306) Fingerstrukturen (26, 28, 36, 38; 314, 316) aufweisen, die jeweils zumindest einen sich in die erste Richtung erstreckenden Abschnitt und einen sich in die zweite Richtung erstreckenden Abschnitt aufweisen.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die erste und die zweite Elektrode (16, 18) eine doppelt interdigitale Elektrodenanordnung bilden, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils Hauptfinger (26, 28), die sich in der ersten Richtung erstrecken, und Nebenfinger (36, 38), die sich in der zweiten Richtung von den Hauptfingern erstrecken, aufweisen.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 6, bei dem die erste und die zweite Elektrode (304, 306) jeweils zumindest zwei Fingerstrukturen (314, 316) aufweisen, die eine unterschiedliche Anzahl von sich in der ersten Richtung erstreckenden Abschnitten und/oder eine unterschiedliche Anzahl von sich in der zweiten Richtung erstreckenden Abschnitten aufweist.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 6 oder 8, bei dem die Fingerstrukturen (314, 316) einen Zick-Zack-förmigen Verlauf aufweisen.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Elektrode (204) eine gitterförmige Struktur aufweist, und wobei die zweite Elektrode (206) sich in Gitterzwischenräumen der gitterförmigen Struktur der ersten Elektrode (204) erstreckende Elektrodenabschnitte aufweist.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 3, das eine erste piezoelektrische Schicht (100) und eine zweite piezoelektrische Schicht (102) aufweist, wobei die sich in der ersten Richtung gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der ersten piezoelektrischen Schicht (100) angeordnet sind und die sich in der zweiten Richtung gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der zweiten piezoelektrischen Schicht (102) angeordnet sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 11, bei dem die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der ersten piezoelektrischen Schicht (100) Teile einer ersten Elektrode (116) und einer zweiten Elektrode (118) sind, und bei dem die sich gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte auf der zweiten piezoelektrischen Schicht (102) Teile einer dritten Elektrode (136) und einer vierten Elektrode (138) sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 12, bei dem die erste, zweite, dritte und vierte Elektrode (116, 118, 136, 138) interdigitale Elektroden sind.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 12 oder 13, das eine Einrichtung (120, 122) zum Anlegen einer ersten Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (116, 118) und eine Einrichtung (140, 142) zum Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der dritten und der vierten Elektrode (136, 138) aufweist, wobei sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet.
Piezoelektrisches Element nach Anspruch 12 oder 13, das eine Einrichtung (120, 122) zum Anlegen einer ersten Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (116, 118) und eine Einrichtung (140, 142) zum Anlegen einer zweiten Spannung zwischen der dritten und der vierten Elektrode (136, 138), und eine Einrichtung zum Einstellen der ersten Spannung und/oder der zweiten Spannung, um ein Verhältnis von |Dehnungen|_[s1]|_[w2] des piezoelektrischen Elements in der ersten Richtung und der zweiten Richtung einzustellen, aufweist.
Biegewandler mit einem piezoelektrischen Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15.