DE112016004905B4

DE112016004905B4 - Piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE112016004905B4
Application number: DE112016004905.6T
Authority: DE
Inventors: Shinsuke Tani
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: CN108352439A; US11380837B2; JPWO2017073317A1; US20180226562A1; CN108352439B; DE112016004905T5; WO2017073317A1; JP6562322B2

Abstract

Eine piezoelektrische Vorrichtung, die einen gesinterten Körper aufweist, bei dem Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet sind und zumindest einer der Leiterabschnitte auf den Hauptoberflächen eine Mehrzahl leitfähiger Filme mit einer vorbestimmten Struktur umfasst, wobei ein Isolierfilm auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers gebildet ist, auf der die leitfähigen Filme derart angeordnet sind, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen;wobei der Isolierfilm eine Formbarkeit aufweist, die gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist,wobei die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke ts des Isolierfilms, der durchschnittlichen Dicke tm der leitfähigen Filme, dem Youngschen Modul Es des Isolierfilms und dem Youngschen Modul Em der leitfähigen Filme (ts/tm)3< Em/Es ist;wobei der Youngsche Modul Es des Isolierfilms größer oder gleich 50 GPa ist; und wobei das Isoliermaterial ein Epoxidharz, ein Polyimidharz oder ein Acrylharz als Hauptkomponente enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Vorrichtung (ein piezoelektrisches Bauelement) und auf ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung, und insbesondere bezieht sie sich auf eine piezoelektrische Vorrichtung, die einen sehr dünnen Piezokeramikbasiskörper umfasst, und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben.
Stand der Technik
Heutzutage werden piezoelektrische Vorrichtungen, die hauptsächlich aus Piezokeramikmaterialien gebildet sind, vielfach bei Betätigungsgliedern und diversen Sensoren eingesetzt. Beispielsweise wird bei piezoelektrischen Betätigungsgliedern eingegebene elektrische Energie durch den inversen piezoelektrischen Effekt in mechanischer Energie umgewandelt, und anhand dieses Prinzips kann der Betrieb verschiedener Arten elektronischer Geräte mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Ferner wird bei piezoelektrischen Sensoren eingegebene mechanische Energie durch den piezoelektrischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt, so dass elektrische Signale detektiert werden können, und anhand dieses Prinzips können verschiedene Daten wie beispielsweise Druckwerte und Beschleunigung gemessen werden.
In den letzten Jahren besteht ein Bedarf an einer Verwirklichung von äußerst leistungsfähigen piezoelektrischen Vorrichtungen geringer Größe, und es wird aktiv Forschung und Entwicklung bezüglich piezoelektrischer Vorrichtungen betrieben, die Piezokeramikschichten mit verringerter Dicke umfassen.
Beispielsweise schlägt die JP 2012-33 866 A eine piezoelektrische Vorrichtung vor, die, wie in 12 gezeigt ist, eine erste Elektrode 101, eine erste piezoelektrische Schicht 102, die an einer Oberseite und an lateralen Seiten der ersten Elektrode 101 gebildet ist, eine poröse Schicht 103, die so gebildet ist, dass sie Seitenoberflächen der ersten piezoelektrischen Schicht 102 bedeckt, und eine zweite Elektrode 104, die an einer Oberseite der ersten piezoelektrischen Schicht 102 und der porösen Schicht 103 gebildet ist, umfasst, wobei die poröse Schicht 103 zumindest ein Metallelement enthält, das die erste piezoelektrische Schicht 102 bildet.
Bei der JP 2012-33866 A ist eine Isolierschicht 105, die aus einem Isoliermaterial gebildet ist, das einen niedrigeren Youngschen Modul aufweist als die zweite Elektrode 104, derart zwischen der porösen Schicht 103 und der zweiten Elektrode 104 angeordnet, dass Seitenoberflächen der Isolierschicht 105 bezüglich einer oberen Oberfläche der porösen Schicht 103 geneigt sind.
Ferner werden bei der JP 2012-33866 A die erste Elektrode 101, die erste piezoelektrische Schicht 102, die poröse Schicht 103, die Isolierschicht 105 und die zweite Elektrode 104 nacheinander auf einem flachen plattenförmigen Substrat 106 gebildet, das aus einem Halbleiter oder dergleichen besteht, indem ein Dünnfilmbildungsverfahren wie beispielsweise ein Sputterverfahren, ein Plattierungsverfahren oder dergleichen verwendet wird, und ferner indem eine photolithographische Technik verwendet wird. Dadurch wird eine piezoelektrische Vorrichtung hergestellt.
Dadurch, dass bei der JP 2012-33866 A eine dahin gehende Konfiguration erfolgt, dass Verbindungsabschnitte zwischen Seitenoberflächen der ersten piezoelektrischen Schicht 102 und einer oberen Oberfläche des Substrats 106 nicht durch die zweite Elektrode 104 bedeckt sind und dass die Isolierschicht 105, die einen niedrigeren Youngschen Modul aufweist als die zweite Elektrode 104, zwischen der porösen Schicht 103 und der zweiten Elektrode 104 angeordnet ist, wird unterbunden, dass sich eine Beanspruchung an der zweite Elektrode 104 konzentriert, und es wird verhindert, dass in der zweiten Elektrode 104, die Eckabschnitte der Isolierschicht 105 bedeckt, Sprünge erzeugt werden.
In der WO 2009/007 447 A2 wird ein verformbarer Spiegel bereitgestellt, der einzelne Einheiten aufweist, wobei jede Einheit ein durchgehend reflektierendes Substrat mit einer Vorder- und Rückseite auf der Rückseite des Substrats aufweist: eine durchgehende Massenelektrode und a mehrere in der Ebene befindliche Aktuatoren aus piezoelektrischem Material, die zwischen der Massenelektrode und einzelnen Adressierungselektroden angeordnet sind.
In der EP 0 793 120 A1 wird ein adaptiver Mosaik-Bimorphspiegel beschrieben, der mehrschichtige bimorphe Strukturen verwendet, um eine reflektierende Oberfläche zu verformen, wobei die bimorphen Strukturen als piezoelektrische Elemente hergestellt sind, die mindestens zwei piezokeramische Platten umfassen, die mit dem Boden eines hülsenförmigen Gehäuses verbunden sind.
In der EP 2 774 763 A1 wird ein Strömungskanalsubstrat bereitgestellt, das Druckkammern aufweist, und die Druckkammern kommunizieren mit Düsenöffnungen, die zum Ausstoßen von Flüssigkeit konfiguriert sind, wobei jedes der piezoelektrischen Elemente auf dem Strömungskanalsubstrat eine piezoelektrische Schicht, ein Elektrodenpaar und eine mit den Elektroden gekoppelte Verdrahtungsschicht aufweist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Die JP 2012-33 866 A , bei der die erste Elektrode 101, die piezoelektrische Schicht 102, die zweite Elektrode 104 und dergleichen nacheinander auf dem Substrat 106 gebildet werden, eignet sich zur Anwendung von MEMS (mikroelektromechanischen Systemen), bei denen verschiedene elektronische Komponenten und dergleichen auf dem Substrat 106 integriert sind. Jedoch eignet sich die Patentschrift 1 nicht für die Anwendung von piezoelektrischen Komponenten vom Biegetyp, die kein Substrat erfordern. In diesem Fall kann ein Verfahren denkbar sein, bei dem, nachdem Komponenten der piezoelektrischen Vorrichtung wie z. B. die piezoelektrische Schicht 102 auf dem Substrat 106 gebildet wurden, das Substrat 106 mittels Schleifens beseitigt wird. Jedoch weisen die gebildeten Komponenten wie z. B. die piezoelektrische Schicht 102 eine geringe mechanische Festigkeit auf, und die Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung wird durch das Substrat 106 gesichert. Deshalb ist es wahrscheinlich, dass bei dem Schleifvorgang strukturelle Defekte wie z. B. Sprünge, Zwischenschichttrennung und Verformung der Vorrichtung auftreten.
Um also eine piezoelektrische Vorrichtung zu erhalten, die kein Substrat erfordert, wird es als vorzuziehen erachtet, einen Hauptabschnitt zu bilden, indem ein gesinterter Körper verwendet wird statt anhand eines Dünnfilmbildungsverfahrens oder Plattierungsverfahrens. In diesem Fall, wie in 13 gezeigt ist, ist der Hauptabschnitt einer piezoelektrischen Vorrichtung aus einem gesinterten Körper gebildet, bei dem ein erster und ein zweiter Leiterabschnitt 108 und 109 auf beiden Hauptoberflächen eines dünnen Piezokeramikbasiskörpers 107 angeordnet sind. Die mechanische Festigkeit des Piezokeramikbasiskörpers 107 kann durch den ersten und den zweiten Leiterabschnitt 108 und 109 gesichert werden. Deshalb tritt beispielsweise in dem Fall, in dem der gesinterte Körper an einem Ende an einer Trageplatte 110 befestigt ist, wobei das andere Ende ein freies Ende ist, sogar dann, wenn eine äußere Kraft in einer durch einen Pfeil X angegebenen Richtung ausgeübt wird, aufgrund der Formbarkeit des ersten und des zweiten Leiterabschnitts 108 und 109 bei dem Piezokeramikbasiskörper 107 keine örtlich begrenzte Beanspruchungskonzentration auf, und in der Nähe des befestigten Endes tritt lediglich ein relativ geringes Maß an Beanspruchung auf. Demgemäß wird beispielsweise während der Bildung einer Elektrodenschicht auf dem ersten Leiterabschnitt 108 sogar dann, wenn eine äußere Kraft auf den Piezokeramikbasiskörper 107 ausgeübt wird, angenommen, dass ein Auftreten von strukturellen Defekten wie z. B. von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung unterbunden werden kann.
Andererseits kann bei einer derartigen piezoelektrischen Vorrichtung, die einen Piezokeramikbasiskörper 107 mit einer verringerten Dicke aufweist, wie in 14 gezeigt ist, in vielen Fällen entweder der erste und/oder der zweite Leiterabschnitt 108 oder 109, beispielsweise der erste Leiterabschnitt 108, verwendet werden, indem er einem Strukturierungsprozess unterzogen wird. In diesem Fall wird der erste Leiterabschnitt 108 in leitfähige Filme 108a und 108b, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen, unterteilt, wodurch das folgende Problem entsteht.
Das heißt, da der Piezokeramikbasiskörper 107 in dem Zwischenraum zwischen dem leitfähigen Film 108a und dem leitfähigen Film 108b zur Oberfläche hin frei liegt, konzentriert sich Beanspruchung dann, wenn eine äußere Kraft in der durch Pfeil X angegebenen Richtung ausgeübt wird, wie in 15 gezeigt ist, an einem Eckabschnitt Z, an dem der leitfähige Film 108a mit dem Piezokeramikbasiskörper 107 in Kontakt steht. Wie durch eine Zweipunktstrichlinie angegeben ist, bestehen Bedenken, dass ein Sprung 110 in dem Eckabschnitt Z entstehen kann, um den Piezokeramikbasiskörper 107 zu durchdringen, und dass strukturelle Defekte in dem Piezokeramikbasiskörper 107 auftreten können. Die Situation ist für den leitfähigen Film 108b im Wesentlichen dieselbe.
Falls der erste Leiterabschnitt 108 die leitfähigen Filme 108a und 108b umfasst, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen, wie oben beschrieben wurde, ist es sehr wahrscheinlich, dass bei dem Piezokeramikbasiskörper 107 eine örtlich begrenzte Beanspruchungskonzentration auftritt, da der Piezokeramikbasiskörper 107 teilweise zur Oberfläche hin frei liegt. Ferner tritt in dem Fall, in dem ein Piezokeramikbasiskörper eine Mehrschichtstruktur aufweist, die einen Innenleiter umfasst, und in dem beide Hauptoberflächen des Piezokeramikbasiskörpers aus einem Keramikmaterial gebildet sind, dasselbe Problem wieder das oben beschriebene auf. Deshalb bestehen dann, wenn bei einem Elektrodenschichtbildungsschritt oder dergleichen eine äußere Kraft auf den Piezokeramikbasiskörper 107 ausgeübt wird, Bedenken, dass eine Beanspruchungskonzentration eine Verformung der Vorrichtung und strukturelle Defekte wie z. B. Sprünge und eine Zwischenschichttrennung bewirken kann.
Unter diesen Umständen entstand die vorliegende Erfindung, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine piezoelektrische Vorrichtung, die ein Auftreten von strukturellen Defekten wie z. B. Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung sogar dann unterbinden kann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, die keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt und die eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung, bei der ein Auftreten einer Verformung und struktureller Defekte sogar dann unterbunden werden kann, wenn während des Herstellungsprozesses eine äußere Kraft ausgeübt wird, bereitzustellen.
Lösung des Problems
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat gründliche Studien an einem gesinterten Körper durchgeführt, bei dem Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet sind und der Leiterabschnitt auf einer der Hauptoberflächen eine Mehrzahl leitfähiger Filme umfasst, und hat eine Beanspruchungsanalyse durchgeführt. Folglich wurde festgestellt, dass durch Anordnen eines Isolierfilms, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist, in dem Zwischenraum zwischen den leitfähigen Filmen die Beanspruchungskonzentration bei dem Piezokeramikbasiskörper abgemildert werden kann und dass dadurch sogar dann, wenn eine äußere Kraft auf den Piezokeramikbasiskörper ausgeübt wird, keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt wird und dass strukturelle Defekte wie z. B. Sprünge und eine Zwischenschichttrennung unterbunden werden können.
Die vorliegende Erfindung beruht auf diesen Erkenntnissen. Eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen gesinterten Körper, bei dem Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet sind und zumindest einer der Leiterabschnitte auf den Hauptoberflächen eine Mehrzahl leitfähiger Filme einer vorbestimmten Struktur umfasst. Ein Isolierfilm ist auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers gebildet, auf der die leitfähigen Filme derart angeordnet sind, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen. Der Isolierfilm weist eine Formbarkeit auf, die gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist.
Da also der Piezokeramikbasiskörper durch die leitfähigen Filme und den Isolierfilm geschützt ist, kann ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration bei dem Piezokeramikbasiskörper abgemildert werden. Demgemäß kann sogar dann, wenn eine äußere Kraft auf den Piezokeramikbasiskörper ausgeübt wird, ein Auftreten von strukturellen Defekten wie z. B. Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung unterbunden werden, und es wird keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt. Es ist möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einer guten Verarbeitbarkeit zu erhalten. Da außerdem jeder Leiterabschnitt aus einem gesinterten Körper (gesintertem Metall) hergestellt ist, weist die Grenzfläche zwischen dem Piezokeramikbasiskörper und dem Leiterabschnitt Unregelmäßigkeiten von zumindest 50 nm oder mehr auf. Deshalb kann das Haftvermögen zwischen dem Piezokeramikbasiskörper und dem Leiterabschnitt durch den Verankerungseffekt weiter gefestigt werden.
Ferner besteht ein Zusammenhang zwischen der Formbarkeit und dem Youngschen Modul eines Materials. Ein Material, das eine hohe Formbarkeit aufweist, weist einen niedrigen Youngschen Modul auf, und ein Material mit einer niedrigen Formbarkeit weist einen hohen Youngschen Modul auf. Deshalb kann die Formbarkeit eines Materials ausgehend von dem Youngschen Modul bewertet werden.
Das heißt, bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist der Isolierfilm vorzugsweise einen Youngschen Modul auf, der gleich dem oder geringer als der der leitfähigen Filme ist.
Ferner ist das Ausmaß der Durchbiegung dann, wenn eine Beanspruchung auf ein Material ausgeübt wird, umgekehrt proportional zu dem Youngschen Modul des Materials und umgekehrt proportional zu der Kubikzahl der Dicke. Deshalb ist es in dem Fall, in dem der Isolierfilm dicker gebildet ist als die leitfähigen Filme, was zu einer Zunahme der Steifigkeit führt, durch Verwendung eines Isolierfilms mit einem niedrigen Youngschen Modul möglich, eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens einer piezoelektrischen Vorrichtung zu vermeiden.
Das heißt, bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine durch den Ausdruck (1) dargestellte Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke ts des Isolierfilms, der durchschnittlichen Dicke tm der leitfähigen Filme, dem Youngschen Modul Es des Isolierfilms und dem Youngschen Modul Em der leitfähigen Filme festgelegt. ${(ts / tm)}^{3} < Em / Es$
Ferner weist bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung der Piezokeramikbasiskörper vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 90 µm oder weniger auf und weist vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von 4 µm oder mehr auf.
Somit ist es möglich, einen folienförmigen gesinterten Körper zu erhalten, der einen sehr dünnen Piezokeramikbasiskörper mit einer durchschnittlichen Dicke von 90 µm oder weniger und 4 µm oder mehr umfasst. Eine dünne piezoelektrische Vorrichtung geringer Größe und mit hoher Verarbeitbarkeit kann sogar erhalten werden, ohne dass ein Dünnfilm anhand eines Dünnfilmbildungsverfahrens, Plattierungsverfahrens oder dergleichen auf einem Substrat gebildet wird.
Ferner weist bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung der Piezokeramikbasiskörper vorzugsweise eine Mehrschichtstruktur auf, die einen Innenleiter umfasst.
Somit kann sogar in dem Fall, in dem der Piezokeramikbasiskörper eine Mehrschichtstruktur aufweist, ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration bei dem Piezokeramikbasiskörper abgemildert werden, und es kann eine gewünschte piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen mechanischen Festigkeit erhalten werden.
Ferner kann als Material, das den Isolierfilm bildet, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist, beispielsweise eine organische Verbindung verwendet werden.
Das heißt, bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält der Isolierfilm vorzugsweise als Hauptkomponente eine organische Verbindung.
Ferner enthält bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung der Piezokeramikbasiskörper vorzugsweise eine Verbindung vom Perowskit-Typ, die zumindest Niob und ein Alkalimetallelement enthält, und vorzugsweise enthalten die Leiterabschnitte ein Material aus Nicht-Edelmetall.
Somit kann ohne Weiteres eine kostengünstige piezoelektrische Vorrichtung mit einer verringerten Umweltbelastung erhalten werden.
Ferner sind bei der piezoelektrischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Mehrzahl von Elektrodenschichten auf jedem der leitfähigen Filme angeordnet.
Somit können sogar in dem Fall, in dem die Struktur der leitfähigen Filme komplex ist, Mehrschichtverbindungen gebildet werden, ohne sich der Positionsbeziehung zwischen den leitfähigen Filmen und den Elektrodenschichten bewusst zu sein. Da der Piezokeramikbasiskörper ferner durch den Isolierfilm geschützt ist, ist es möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen Zähigkeit, einer hohen mechanischen Festigkeit und einem hohen Grad an Gestaltungsfreiheit zu erhalten.
Ferner umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Brennschritt, bei dem ein leitfähiges Material in Form einer Lage auf beide Hauptoberflächen einer Piezokeramiklage aufgebracht wird oder ein Mehrschichtkörper, der eine Piezokeramiklage und ein zu Lagen geformtes leitfähiges Material umfasst, erzeugt wird, und die Piezokeramiklage und das leitfähige Material gemeinsam gebrannt werden, um Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers zu bilden; einen Strukturierungsschritt, bei dem dadurch, dass zumindest einer der Leiterabschnitte einem Strukturierungsprozess unterworfen wird, eine Mehrzahl von leitfähigen Filmen gebildet werden, um dadurch einen gesinterten Körper zu erhalten; und einen Isolierfilmbildungsschritt, bei dem ein Isoliermaterial, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die des leitfähigen Materials ist, hergestellt wird, und bei dem dadurch, dass das Isoliermaterial derart auf den Piezokeramikbasiskörper aufgebracht wird, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen, ein Isolierfilm gebildet wird.
Wenn also eine äußere Kraft bei dem Herstellungsprozess ausgeübt wird, kann ein Auftreten einer Verformung und von strukturellen Defekten unterbunden werden, und es ist möglich, eine äußerst leistungsfähige, folienförmige piezoelektrische Vorrichtung mit einem gewünschten Betriebsverhalten zu erhalten.
Ferner weist bei dem Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Isoliermaterial vorzugsweise einen Youngschen Modul auf, der gleich dem oder geringer als der des leitfähigen Materials ist.
Ferner ist bei dem Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Isoliermaterial vorzugsweise aus einer organischen Verbindung gebildet.
Ferner umfasst das Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner einen Elektrodenschichtbildungsschritt eines Bildens einer Mehrzahl von Elektrodenschichten auf jedem der leitfähigen Filme.
Somit tritt bei dem Herstellungsprozess keine Zwischenschichttrennung zwischen dem Piezokeramikbasiskörper und dem Isolierfilm oder den leitfähigen Filmen auf, treten bei dem Piezokeramikbasiskörper keine Sprünge und dergleichen auf und können Mehrschichtverbindungen gebildet werden, ohne sich der Positionsbeziehung zwischen den leitfähigen Filmen und den Elektrodenschichten bewusst zu sein.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen gesinterten Körper, bei dem Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet sind und zumindest einer der Leiterabschnitte auf den Hauptoberflächen eine Mehrzahl von leitfähigen Filmen mit einer vorbestimmten Struktur umfasst. Ein Isolierfilm ist auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers gebildet, auf der die leitfähigen Filme derart angeordnet sind, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen. Der Isolierfilm weist eine Formbarkeit auf, die gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist. Da also der Piezokeramikbasiskörper durch die leitfähigen Filme und den Isolierfilm geschützt ist, kann sogar dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration bei dem Piezokeramikbasiskörper abgemildert werden, kann ein Auftreten von strukturellen Defekten wie z. B. von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung unterbunden werden und wird keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt. Es ist möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einer guten Verarbeitbarkeit zu erhalten.
Das Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst den Brennschritt, den Strukturierungsschritt und den Isolierfilmbildungsschritt. Wenn also eine äußere Kraft bei dem Herstellungsprozess ausgeübt wird, kann ein Auftreten einer Verformung und von strukturellen Defekten unterbunden werden, und es ist möglich, eine äußerst leistungsfähige, folienförmige piezoelektrische Vorrichtung mit einem gewünschten Betriebsverhalten zu erhalten.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Ausführungsbeispiel (erstes Ausführungsbeispiel) einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 umfasst Ansichten zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Last und der Durchbiegung.
3 ist ein Flussdiagramm (1/6), das eine Herstellungsprozedur bei einem Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm (2/6), das eine Herstellungsprozedur bei dem Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm (3/6), das eine Herstellungsprozedur bei dem Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm (4/6), das eine Herstellungsprozedur bei dem Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm (5/6), das eine Herstellungsprozedur bei dem Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm (6/6), das eine Herstellungsprozedur bei dem Herstellungsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
9 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 umfasst Querschnittsansichten, die Hauptabschnitte bei dem Herstellungsverfahren des zweiten Ausführungsbeispiels zeigen.
11 umfasst schematische Querschnittsansichten von bei dem Beispiel 1 verwendeten Finite-Elemente-Analyse-Modellen,
12 ist eine Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts einer in der Patentschrift 1 beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung.
13 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen gesinterten Körper zeigt, bei dem ein erster und ein zweiter Leiterabschnitt auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet sind.
14 ist eine Querschnittsansicht, die ein Problem in dem Fall veranschaulicht, in dem ein erster Leiterabschnitt einem Strukturierungsprozess unterzogen wird.
15 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Region Y der 14.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend ausführlich beschrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht, die ein Ausführungsbeispiel (erstes Ausführungsbeispiel) einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
Die piezoelektrische Vorrichtung umfasst einen gesinterten Körper 4, bei dem ein erster Leiterabschnitt 2 und ein zweiter Leiterabschnitt 3 auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers 1 angeordnet sind, und der erste Leiterabschnitt 2 umfasst eine Mehrzahl leitfähiger Filme (leitfähige Filme 2a und 2b in 1) mit einer vorbestimmten Struktur. Die leitfähigen Filme 2a und 2b und der zweite Leiterabschnitt 3 sind aus einem gesinterten Metall hergestellt. Im Einzelnen ist der Piezokeramikbasiskörper 1 aus einer Volumenkeramik (engl.: bulk ceramic) hergestellt, die beispielsweise eine Länge von etwa 3,0 cm und eine Breite von etwa 4,0 cm aufweist und sehr dünn ist, beispielsweise mit einer Dicke von etwa 15 µm.
Ferner ist ein Isolierfilm 5 auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers 1 gebildet, auf der die leitfähigen Filme 2a und 2b derart angeordnet sind, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 2a und 2b frei liegen. Das heißt, der Isolierfilm 5 ist dicker als die leitfähigen Filme 2a und 2b, und die gesamte Region des Piezokeramikbasiskörpers 1 und Abschnitte der leitfähigen Filme 2a und 2b sind derart durch den Isolierfilm 5 bedeckt, dass frei liegende Oberflächen 6a und 6b gebildet werden.
Elektrodenschichten 7a und 7b sind auf den frei liegenden Oberflächen 6a und 6b der leitfähigen Filme 2a und 2b angeordnet, und aus Cu oder dergleichen gebildete Leiterdrähte 8a und 8b sind mittels Drahtbondens mit den Elektrodenschichten 7a und 7b verbunden.
Im Einzelnen umfassen die Elektrodenschichten 7a und 7b erweiterte Elektrodenschichten 9a und 9b, die mit den frei liegenden Oberflächen 6a und 6b der leitfähigen Filme 2a und 2b in Kontakt stehen, und Leitungselektrodenschichten 10a und 10b, die auf den erweiterten Elektrodenschichten 9a und 9b gebildet sind. Das heißt, bei der piezoelektrischen Vorrichtung werden durch die leitfähigen Filme 2a und 2b, die erweiterten Elektrodenschichten 9a und 9b und die Leitungselektrodenschichten 10a und 10b Mehrschichtverbindungen gebildet, so dass die leitfähigen Filme 2a und 2b elektrisch mit den Leiterdrähten 8a und 8b verbunden werden können.
Der Isolierfilm 5 ist aus einem Isoliermaterial gebildet, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme 2a und 2b ist. Der Grund des Bildens des Isolierfilms 5 durch Verwendung eines Isoliermaterials, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme 2a und 2b ist, lautet wie folgt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Piezokeramikbasiskörper 1 sehr dünn gebildet, beispielsweise mit einer Dicke von etwa 15 µm, wie oben beschrieben wurde, und die leitfähigen Filme 2a und 2b weisen jeweils eine Dicke von etwa 2 µm auf. Der gesinterte Körper 4 ist folienförmig und weist eine Gesamtdicke von etwa 19 µm auf.
Demgemäß weisen in dem Fall, in dem der erste Leiterabschnitt 2 leitfähige Filme 2a und 2b umfasst, die voneinander getrennt sind und eine vorbestimmte Struktur aufweisen, Regionen, in denen der Piezokeramikbasiskörper 1 frei liegt, eine besonders geringe Zähigkeit auf. Wie in dem Abschnitt „Technisches Problem“ beschrieben ist, kann deshalb dann, wenn bei dem Elektrodenschichtbildungsschritt und dergleichen eine äußere Kraft auf den Piezokeramikbasiskörper 1 ausgeübt wird, eine Verformung des Piezokeramikbasiskörpers 1 bewirkt werden; oder es konzentriert sich eine Beanspruchung an Kontaktabschnitten zwischen dem Piezokeramikbasiskörper 1 und Eckabschnitten der leitfähigen Filme 2a und 2b, und es bestehen Bedenken, dass Sprünge von den Kontaktabschnitten ausgehen und sich hin zu dem Inneren des Piezokeramikbasiskörpers 1 fortsetzen können und dass eine Zwischenschichttrennung auftreten kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Isolierfilm 5 derart auf dem Piezokeramikbasiskörper 1 und den leitfähigen Filmen 2a und 2b gebildet, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 2a und 2b frei liegen, und der Piezokeramikbasiskörper 1 wird durch den Isolierfilm 5 geschützt. Dadurch wird eine Beanspruchungskonzentration an bezüglich der Oberfläche frei liegenden Abschnitten des Keramikbasiskörpers 1, insbesondere Kontaktabschnitten mit den leitfähigen Filmen 2a und 2b, abgemildert.
Wenn jedoch der Isolierfilm 5 aus einem Isoliermaterial gebildet ist, das eine geringere Formbarkeit aufweist als die leitfähigen Filme 2a und 2b, nimmt die Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung zu. Deshalb bestehen Bedenken, dass eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens wie z. B. eine Verringerung der Verschiebung bei Verwendung als piezoelektrisches Betätigungsglied und eine Verringerung der Erfassungsfähigkeit bei Verwendung als piezoelektrischer Sensor bewirkt werden kann und dass die piezoelektrische Vorrichtung eine gewünschte Funktion eventuell nicht erfüllt. Andererseits nimmt die Gesamtsteifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung dann, wenn ein Dünnfilm durch Verwendung eines Isoliermaterials mit einer geringen Formbarkeit gebildet wird, ab. Deshalb bestehen Bedenken, dass eine Beanspruchungskonzentration Sprünge in dem Isolierfilm 5 selbst verursachen kann und dass sich die Sprünge in den Piezokeramikbasiskörper 1 hinein fortsetzen können.
Demgemäß bedeckt bei diesem Ausführungsbeispiel der Isolierfilm 5, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme 2a und 2b ist, den Piezokeramikbasiskörper 1 derart, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 2a und 2b frei liegen. Somit wird keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt, und sogar dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, kann ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration bei dem Piezokeramikbasiskörper 1 unterbunden werden, und ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung kann vermieden werden. Es ist möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer guten Verarbeitbarkeit zu erhalten.
Ferner kann die Formbarkeit des Isolierfilms 5 ausgehend von dem Youngschen Modul bewertet werden. Das heißt, es besteht ein Zusammenhang zwischen einer Beanspruchung σ, die durch eine mechanische Spannung (Dehnverformung) und eine mechanische Spannung ε bewirkt wird, und die Formbarkeit kann ausgehend von dem Verhältnis der Beanspruchung σ zur mechanischen Spannung ε, d. h. dem Youngschen Modul (= σ/ε) bewertet werden. Im Einzelnen nimmt mit zunehmender Formbarkeit (mechanische Spannung ε) der Youngsche Modul ab, und mit abnehmender Formbarkeit (mechanische Spannung ε) nimmt der Youngsche Modul zu.
Demgemäß nimmt dann, wenn ein Isolierfilm 5, der aus einem Isoliermaterial mit einem niedrigen Youngschen Modul gebildet ist, auf dem Piezokeramikbasiskörper 1 gebildet wird, die Steifigkeit, d. h. Reaktionskraft, der piezoelektrischen Vorrichtung ab, da die Formbarkeit des Isolierfilms 5 zunimmt. Der Piezokeramikbasiskörper 1 wird durch den Isolierfilm 5 geschützt, und sogar dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, wird die Beanspruchung durch den Isolierfilm 5 absorbiert, und ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration kann unterbunden werden. Dadurch kann ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung bei dem Piezokeramikbasiskörper 1 unterbunden werden, und es kann eine hohe mechanische Festigkeit erhalten werden.
Wenn andererseits ein Isolierfilm 5 mit einem hohen Youngschen Modul verwendet wird, nimmt die Reaktionskraft (Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung) zu. Das heißt, wenn der Youngsche Modul des Isolierfilms 5 gleich dem Youngschen Modul der leitfähigen Filme 2a und 2b ist, wird die Reaktionskraft (Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung) gleich derjenigen, die in dem Fall vorliegt, in dem der erste Leitungsabschnitt 2 über die gesamte Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers 1 hinweg gebildet ist. Wenn der Isolierfilm 5 einen höheren Youngschen Modul aufweist als die leitfähigen Filme 2a und 2b, nimmt die bei dem Piezokeramikbasiskörper 1 und dem Isolierfilm 5 auftretende Beanspruchung vielmehr zu, und die Reaktionskraft, d. h. die Steifigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung, nimmt außerordentlich zu. Deshalb bestehen Bedenken, dass eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens wie z. B. eine Abnahme der Verschiebung und der Erfassungsfähigkeit verursacht werden kann.
Mit anderen Worten: Dann, wenn der Youngsche Modul des Isolierfilms 5 gleich dem oder geringer als der Youngsche Modul der leitfähigen Filme 2a und 2b ist, kann aufgrund der Formbarkeit des Isolierfilms 5 sogar dann, wenn eine äußere Kraft auf den Piezokeramikbasiskörper 1 ausgeübt wird, ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration abgemildert werden, wird keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt und kann ein Auftreten struktureller Defekte bei dem Piezokeramikbasiskörper 1 unterbunden werden.
Deshalb ist es notwendig, den Youngschen Modul des Isolierfilms 5 so einzustellen, dass er gleich dem oder geringer als der der leitfähigen Filme 2a und 2b ist.
Das einen derartigen Isolierfilm 5 bildende Isoliermaterial unterliegt keiner besonderen Einschränkung, solange es einen Youngschen Modul, der gleich dem oder geringer als der der leitfähigen Filme 2a und 2b ist, und eine hohe Formbarkeit aufweist. Üblicherweise kann ein Isoliermaterial verwendet werden, das eine organische Verbindung wie beispielsweise ein Epoxidharz, ein Polyimidharz oder ein Acrylharz als Hauptkomponente (beispielsweise zu 50 Vol.-% oder mehr) enthält. Der Youngsche Modul (die Formbarkeit) kann angepasst werden, indem ein geeigneter Zusatzstoff in die organische Verbindung eingebracht wird.
Wie oben beschrieben wurde, umfasst dieses Ausführungsbeispiel den gesinterten Körper 4, bei dem der erste und der zweite Leiterabschnitt 2 und 3 auf beiden Hauptoberflächen des Piezokeramikbasiskörpers 1 angeordnet sind und der erste Leiterabschnitt 2 leitfähige Filme 2a und 2b umfasst, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen. Der Isolierfilm 5 ist auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers 1 gebildet, auf der die leitfähigen Filme 2a und 2b derart angeordnet sind, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme 2a und 2b frei liegen. Der Isolierfilm 5 weist eine Formbarkeit auf, die gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist. Deshalb kann sogar dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung unterbunden werden, und es wird keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt. Es ist möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einer guten Verarbeitbarkeit zu erhalten.
Ferner sind die Elektrodenschichten 7a und 7b, die die erweiterten Elektrodenschichten 9a und 9b und die Leitungselektrodenschichten 10a und 10b umfassen, auf den leitfähigen Filmen 2a und 2b angeordnet. Deshalb können sogar in dem Fall, in dem die Struktur der leitfähigen Filme komplex ist, Mehrschichtverbindungen gebildet werden, ohne sich der Positionsbeziehung zwischen den leitfähigen Filmen 2a und 2b, den erweiterten Elektrodenschichten 9a und 9b und der Leitungselektrodenschichten 10a und 10b bewusst zu sein. Da der Piezokeramikbasiskörper 1 außerdem durch den Isolierfilm 5 geschützt wird, ist es möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen Zähigkeit, einer hohen mechanischen Festigkeit und einem hohen Maß an Gestaltungsfreiheit zu erhalten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke des Piezokeramikbasiskörpers 1 zur Veranschaulichung auf 15 µm festgelegt, wie oben beschrieben wurde, sie unterliegt jedoch keiner besonderen Einschränkung, solange der Piezokeramikbasiskörper 1 sehr dünn gebildet ist. Vom Standpunkt des Erzielens einer gewünschten Sinterbarkeit und des Erhaltens einer piezoelektrischen Vorrichtung mit geringer Größe und geringem Profil beträgt die durchschnittliche Dicke vorzugsweise 90 µm oder weniger und stärker bevorzugt 4 µm oder mehr.
Ferner unterliegt das piezokeramikmaterial, das den Piezokeramikbasiskörper 1 bildet, keiner besonderen Einschränkung. Beispielsweise können diverse Verbundoxide verwendet werden, die als Hauptkomponente (beispielsweise 90 Molprozent oder mehr) eine Komponente vom Perowskit-Typ enthalten, die durch die allgemeine Formel ABO₃ dargestellt wird. Beispiele derselben umfassen Verbundoxide auf Alkaliniobat-Basis, die Nb und ein Alkalimetall wie z. B. Li, K oder Na enthalten; Verbundoxide auf Bleititanat(PT)-Basis, die Pb, Ti und dergleichen enthalten; und Verbundoxide auf Blei-Zirkonat-Titanat(PZT)-Basis, die Pb, Ti, Zr und dergleichen enthalten. Auch ist es vorzuziehen, nach Bedarf verschiedene Zusatzstoffe wie beispielsweise ein Seltenerdelement (z. B. Ca, Mn, Ta, Yb oder dergleichen) zu integrieren.
Jedoch ist es in Anbetracht einer Verringerung der Umweltbelastung und dergleichen vorzuziehen, ein Nicht-Pb-Material zu verwenden, das kein Pb enthält, beispielsweise ein Piezokeramikmaterial, das als Hauptkomponente eine Verbindung vom Perowskit-Typ auf Alkaliniobat-Basis enthält.
Als das leitfähige Material, das den ersten und den zweiten Leiterabschnitt 2 und 3 bildet, kann ein Material verwendet werden, das gemeinsam mit dem Piezokeramikmaterial gebrannt werden kann. Beispielsweise ist es in dem Fall, in dem der Piezokeramikbasiskörper 1 aus einem Verbundoxid auf Alkaliniobat-Basis gebildet ist, angesichts der Kosten vorzuziehen, ein leitfähiges Material zu verwenden, das als Hauptkomponente ein Material aus Nicht-Edelmetall, beispielsweise Ni, Cu oder einer Legierung derselben enthält, das gemeinsam mit dem Verbundoxid auf Alkaliniobat-Basis in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt werden kann. Ferner ist es in dem Fall, in dem der Piezokeramikbasiskörper 1 aus einem Verbundoxid auf Pb-Basis, z. B. einem Verbundoxid auf PT-Basis oder PZT-Basis, gebildet ist, vorzuziehen, Cu zu verwenden. Falls es schwierig ist, ein gemeinsames Brennen mit einem Material aus Nicht-Edelmetall vorzunehmen, kann ein leitfähiges Material verwendet werden, das als Hauptkomponente ein Edelmetallmaterial wie z. B. Ag, Pd oder Ag-Pd enthält.
Ferner unterliegt das Elektrodenmaterial, das die Elektrodenschichten 7a und 7b (erweiterte Elektrodenschichten 9a und 9b und Leitungselektrodenschichten 10a und 10b) bildet, keiner besonderen Einschränkung, solange es eine hohe Leitfähigkeit, eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist. Beispielsweise können Cu, Ti, Ni, Au, Sn und Al verwendet werden.
Ferner wird bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine durch den nachstehenden Ausdruck (1) dargestellte Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke ts des Isolierfilms 5, der durchschnittlichen Dicke tm der leitfähigen Film 2a und 2b, dem Youngschen Modul Es des Isolierfilms 5 und dem Youngschen Modul Em der leitfähigen Filme 2a und 2b festgelegt. ${(ts / tm)}^{3} < Em / Es$
Somit kann sogar in dem Fall, dass die durchschnittliche Dicke ts des Isolierfilms 5 größer ist als die durchschnittliche Dicke tm der leitfähigen Filme 2a und 2b, wie in 1 gezeigt ist, eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens vermieden werden.
Das heißt, wie in 2 gezeigt ist, dass in dem Fall, in dem beide Enden eines rechteckigen Objekts 11 mit einer Länge a in der langen Richtung, einer Breite b in der kurzen Richtung und einer Dicke t durch Träger 12a und 12b (Abstand L zwischen den Trägern) getragen werden und die Beanspruchung σ durch Ausüben einer Last P auf die Mitte erzeugt wird, die Durchbiegung δ durch den Ausdruck (2) dargestellt werden kann, wobei E der Youngsche Modul ist.
[Formel 1] $δ = \frac{1}{4} \frac{L^{3}}{b t^{3}} \frac{1}{E} P$
Wie aus dem Ausdruck (2) hervorgeht, ist dann, wenn die Beanspruchung σ durch Ausüben der Last P auf das rechteckige Objekt 11 erzeugt wird, die Durchbiegung δ umgekehrt proportional zu dem Youngschen Modul E des rechteckigen Objekts 11 und ist umgekehrt proportional zu der Kubikzahl der Dicke t.
Demgemäß nimmt die Steifigkeit zu, wenn die durchschnittliche Dicke ts des Isolierfilms 5 so eingestellt wird, dass sie größer ist als die durchschnittliche Dicke tm des leitfähigen Films 2a, wie in 1 gezeigt ist. Indem man jedoch für den Isolierfilm 5 ein Isoliermaterial verwendet, das einen niedrigeren Youngschen Modul aufweist, kann eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens vermieden werden.
Wie im Einzelnen in dem Ausdruck (1) gezeigt ist, soll die Kubikzahl des Verhältnisses der durchschnittlichen Dicke des Isolierfilms 5 zu der der leitfähigen Filme 2a und 2b (ts/tm), d. h. (ts/tm)³ geringer sein als der Kehrwert des Verhältnisses des Youngschen Moduls des Isolierfilms 5 zu dem der leitfähigen Filme 2a und 2b (Es/Em), und es ist vorzuziehen, ein Isoliermaterial mit einem derartigen Youngschen Modul auszuwählen.
Ein Verfahren zum Herstellen der piezoelektrischen Vorrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3 bis 8 ausführlich beschrieben.
Man beachte, dass in den 5 bis 8 (a) eine Draufsicht auf ein bei einem entsprechenden Herstellungsschritt erhaltenes Zwischenprodukt ist und (b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie ist, die in der Draufsicht durch Pfeile A-A, B-B, C-C oder D-D angegeben ist.
Zuerst werden Keramikrohmaterialien hergestellt. Beispielsweise werden in dem Fall, in dem ein Piezokeramikbasiskörper 1 durch Verwendung einer Verbindung auf Alkaliniobat-Basis gebildet wird, eine K-Verbindung, eine Na-Verbindung, eine Li-Verbindung, eine Nb-Verbindung und dergleichen hergestellt. Falls ein Piezokeramikbasiskörper 1 durch Verwendung einer Verbindung auf PZT-Basis gebildet wird, werden eine Pb-Verbindung, eine Ti-Verbindung, eine Zr-Verbindung und dergleichen hergestellt. Je nach Bedarf werden verschiedene Zusatzstoffe hergestellt.
Als Nächstes werden die Keramikrohmaterialien derart gewogen, dass ein vorbestimmtes Misch-Molverhältnis erhalten wird. Die gewogenen Materialien werden in eine Topfmühle (engl.: pot mill) eingespeist, die einen Mahlkörper wie z. B. PSZ-Kugeln enthält, und anschließend werden in Gegenwart eines Lösungsmittels eine gründliche Nassmischung und Pulverisierung durchgeführt, während die Topfmühle über eine vorbestimmte Zeitdauer hinweg gedreht wird. Nachdem das Trocknen durchgeführt wurde, wird eine Kalzinierungsbehandlung vorgenommen. Dadurch wird ein Keramikrohmaterialpulver erhalten.
Nachdem es sich zersetzt hat, wird das Keramikrohmaterialpulver zusammen mit einem organischen Bindemittel, einem organischen Lösungsmittel, einem Dispersionsmittel, einem Weichmacher und einem Mahlkörper erneut in eine Topfmühle eingespeist. Es werden eine gründliche Nassmischung und Pulverisierung durchgeführt, während die Topfmühle gedreht wird, um dadurch eine keramische Aufschlämmung zu erhalten.
Anschließend wird die keramische Aufschlämmung einem Formgebungsprozess durch Verwendung eines Rakelmesserverfahrens unterzogen, und eine Piezokeramiklage 13 wird derart gebildet, dass die Dicke nach dem Brennen vorzugsweise 90 µm oder weniger beträgt (3 (b)).
Auf ähnliche Weise wird ein leitfähiges Material wie z. B. Ni oder Cu hergestellt. Das leitfähige Material wird zusammen mit einem organischen Bindemittel, einem organischen Lösungsmittel, einem Dispersionsmittel und einem Weichmacher in eine einen Mahlkörper enthaltende Topfmühle eingespeist, und es wird eine gründliche Nassmischung durchgeführt, während die Topfmühle gedreht wird, um dadurch eine leitfähige Aufschlämmung zu erzeugen. Anschließend wird die leitfähige Aufschlämmung einem Formgebungsprozess durch Verwendung eines Rakelmesserverfahrens unterzogen, und eine erste und eine zweite leitfähige Lage 14b und 14a werden derart gebildet, dass die Dicke nach dem Brennen vorzugsweise 1 bis 40 µm beträgt (3 (a) und 3 (c)).
Als Nächstes wird die Piezokeramiklage 13 sandwichartig zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Lage 14a und 14b angeordnet, und anschließend wird ein Brennen durchgeführt, um dadurch einen gemeinsam gesinterten Körper 16 zu bilden, bei dem Leiterabschnitte (ein erster Leiterabschnitt 2 und ein zweiter Leiterabschnitt 3) auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers 1 angeordnet sind (4). Die Leiterabschnitte sind aus einem gesinterten Metall hergestellt.
Als Nächstes wird durch Verwendung einer photolithographischen Technik der erste Leiterabschnitt 2 einem Strukturierungsprozess unterzogen, um leitfähige Filme 2a bis 2d zu bilden, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen. Dadurch wird ein gesinterter Körper 4 erhalten (5 (a) und 5 (b)).
Das heißt, nachdem ein Photoresist auf eine Oberfläche des ersten Leiterabschnitts 2 aufgebracht wurde, wird ein Vorbrennen durchgeführt. Anschließend wird eine Maske, die eine vorbestimmte Struktur aufweist, über dem Photoresist platziert, und anhand einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht wird eine Belichtung vorgenommen, so dass die Maskenstruktur auf den Photoresist übertragen wird. Als Nächstes wird, nachdem eine Entwicklung vorgenommen wurde, eine Waschung mit reinem Wasser durchgeführt. Anschließend wird eine Nassätzung vorgenommen, indem das Werkstück in eine Ätzlösung wie z. B. eine Eisen(III)-Chlorid-Lösung getaucht wird. Anschließend wird der entwickelte Photoresist durch Verwendung eines Abziehbades entfernt. Dadurch werden leitfähigen Filme 2a bis 2d gebildet, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen und die voneinander getrennt sind.
Als Nächstes wird auf dem Piezokeramikbasiskörper 1 und den leitfähigen Filmen 2a bis 2d derart ein Isolierfilm 5 gebildet, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 2a bis 2d frei liegen (6 (a) und 6 (b)).
Das heißt, es wird beispielsweise eine Isolierlösung hergestellt, die ein lichtempfindliches Isoliermaterial wie z. B. ein lichtempfindliches Epoxidharz enthält. Anschließend wird durch Verwendung eines Beschichtungsverfahrens wie z. B. Schleuderbeschichtens die Isolierlösung auf den Piezokeramikbasiskörper 1 und die leitfähigen Filme 2a bis 2d aufgebracht, worauf ein Vorbrennen folgt. Die Belichtung erfolgt mit einer Maske, die eine vorbestimmte dazwischen gelegte Struktur aufweist, worauf eine Entwicklung folgt. Anschließend wird durch Durchführen eines Nachbrennens ein Isolierfilm 5 gebildet, von dem Abschnitte der leitfähigen Filme 2a bis 2d, d. h. frei liegende Oberflächen 6a bis 6d, frei gelegt sind.
Als Nächstes werden die erweiterten Elektrodenschichten 9a bis 9d auf den leitfähigen Filmen 2a und 2b gebildet (7 (a) und 7 (b)).
Das heißt, zuerst wird eine leitfähige Schicht auf der Oberfläche des gesinterten Körpers 4 gebildet, auf der der Isolierfilm 5 angeordnet ist, indem ein Dünnfilmbildungsverfahren wie z. B. ein Sputterverfahren verwendet wird, und anschließend werden durch Verwendung der photolithographischen Technik erweiterte Elektrodenschichten 9a bis 9d gebildet, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen.
Als Nächstes werden Leitungselektrodenschichten 10a bis 10d an vorbestimmten Positionen auf den oberen Oberflächen der erweiterten Elektrodenschichten 9a bis 9d gebildet. Das heißt, nachdem eine leitfähige Schicht auf der Oberfläche des gesinterten Körpers 4, auf der die erweiterten Elektrodenschichten 9a bis 9d angeordnet sind, anhand eines Plattierungsverfahrens oder dergleichen gebildet wird, werden durch Verwendung der photolithographischen Technik Leitungselektrodenschichten 10a bis 10d in einer Stegform an vorbestimmten Positionen auf den oberen Oberflächen der erweiterten Elektrodenschichten 9a bis 9d gebildet.
Anschließend werden aus Cu oder dergleichen gebildete Leiterdrähte mittels Drahtbondens mit den Leitungselektrodenschichten 10a bis 10d verbunden. Dadurch wird eine piezoelektrische Vorrichtung hergestellt.
Wie oben beschrieben wurde, umfasst dieses Herstellungsverfahren einen Brennschritt, bei dem leitfähigen Lagen 14a und 14b auf beiden Hauptoberflächen einer Piezokeramiklage 13 angeordnet werden und die Piezokeramiklage 13 und die leitfähigen Lagen 14a und 14b gemeinsam gebrannt werden, um einen ersten und einen zweiten Leiterabschnitt 2 und 3 auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers 1 zu bilden; einen Strukturierungsschritt, bei dem dadurch, dass der erste Leiterabschnitt 2 einem Strukturierungsprozess unterzogen wird, leitfähige Filme 2a bis 2d gebildet werden, um dadurch einen gesinterten Körper 4 zu erhalten; und einen Isolierfilmbildungsschritt, bei dem ein Isoliermaterial mit einer Formbarkeit, die gleich der oder größer als die des leitfähigen Materials ist, hergestellt wird, und durch Aufbringen des Isoliermaterials auf den Piezokeramikbasiskörper 1 derart, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 2a und 2b frei liegen, ein Isolierfilm 5 gebildet wird. Deshalb kann sogar dann, wenn eine äußere Kraft bei dem Herstellungsprozess ausgeübt wird, ein Auftreten einer Verformung und von strukturellen Defekten unterbunden werden, und es ist möglich, eine äußerst leistungsfähige dünne piezoelektrische Vorrichtung, die das gewünschte Betriebsverhalten aufweist, zu erhalten.
Ferner werden erweiterte Elektrodenschichten 9a bis 9d und Leitungselektrodenschichten 10a bis 10d auf den leitfähigen Filmen 2a und 2b gebildet. Deshalb tritt bei dem Herstellungsprozess zwischen dem Piezokeramikbasiskörper 1 und dem Isolierfilm 5 oder den leitfähigen Filmen 2a bis 2d keine Zwischenschichttrennung auf, treten bei dem Piezokeramikbasiskörper 1 keine Sprünge und dergleichen auf und können Mehrschichtverbindungen gebildet werden, ohne sich der Positionsbeziehung zwischen den erweiterten Elektrodenschichten 9a bis 9d, den Leitungselektrodenschichten 10a bis 10d und den leitfähigen Filmen 2a und 2b bewusst zu sein.
9 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist ein Piezokeramikbasiskörper 21 eine Mehrschichtstruktur auf, die Innenleiter 22 umfasst, und die Piezokeramik 21 ist mit einer Dicke von vorzugsweise 90 µm oder weniger, stärker bevorzugt 4 µm oder mehr, sehr dünn gebildet, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Im Einzelnen umfassen die Innenleiter 22 flächige Leiter 24 und 25, die in einer sehr dünnen Keramiklage 23 eingebettet sind und sind über Leiter 26 bis 28 mit den flächigen Leitern 24 und 25 verbunden.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst ferner, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, einen gesinterten Körper 31, bei dem ein erster Leiterabschnitt 29 und ein zweiter Leiterabschnitt 30 auf beiden Hauptoberflächen des Piezokeramikbasiskörpers 21 angeordnet sind, und der erste Leiterabschnitt 29 umfasst leitfähige Filme 29a und 29b, die eine vorbestimmte Struktur aufweisen. Ferner ist ein Isolierfilm 32 auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers 21 gebildet, auf der die leitfähigen Filme 29a und 29b derart angeordnet sind, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 29a und 29b frei liegen.
Ferner sind Elektrodenschichten 35a und 35b, die erweiterte Elektroden 33a und 33b und Leitungselektroden 34a und 34b umfassen, auf frei liegenden Oberflächen 36a und 36b der leitfähigen Filme 29a und 29b angeordnet. Leiterdrähte 37a und 37b, die aus Cu oder dergleichen gebildet sind, sind mittels Drahtbondens mit den Leitungselektrodenschichten 34a und 34b verbunden.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der leitfähige Film 29a durch den Durchgangsleiter 27 elektrisch mit dem flächigen Leiter 25 verbunden, und der flächige Leiter 25 ist durch den Durchgangsleiter 26 elektrisch mit dem ersten Leiterabschnitt 30 verbunden. Ferner ist der leitfähige Film 29b durch den Durchgangsleiter 28 elektrisch mit dem flächigen Leiter 24 verbunden.
Auch in dem Fall, in dem der Piezokeramikbasiskörper 21 die Mehrschichtstruktur aufweist, die die Innenleiter 22 umfasst, wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, ist der sehr dünne Piezokeramikbasiskörper 21 mit einer Dicke von 90 µm oder weniger durch die leitfähigen Filme 29a und 29b und den Isolierfilm 32 bedeckt, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Demgemäß kann sogar dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, ein Auftreten einer örtlich begrenzten Beanspruchungskonzentration bei dem Piezokeramikbasiskörper 21 abgemildert werden, kann ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung unterbunden werden und wird keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt. Es ist möglich, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einer guten Verarbeitbarkeit zu erhalten.
Der Piezokeramikbasiskörper 21 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann anhand des in 10 gezeigten Verfahrens hergestellt werden.
Als Erstes werden anhand desselben Verfahrens und derselben Prozedur wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel Piezokeramiklagen 38 und 39 und leitfähige Lagen 40, 41 und 42 gebildet. Anschließend werden durch Stanzen der Piezokeramiklagen 38 und 39 und der leitfähigen Lage 41 zu einer vorbestimmten Gestalt Durchgangslöcher 43a bis 43e gebildet. Anschließend werden die Piezokeramiklagen 38 und 39 und die leitfähigen Lagen 40 bis 42 abwechselnd gestapelt. Im Einzelnen werden die leitfähige Lage 42, die Piezokeramiklage 38, die leitfähige Lage 41, die Piezokeramiklage 39 und die leitfähige Lage 40 in dieser Reihenfolge gestapelt (10 (a)). Während des Stapelns werden Durchgangsleitungslöcher 44 bis 46 gebildet, indem die Durchgangslöcher 43a, 43b und 43e in den Piezokeramiklagen 38 und 39 mit einem leitfähigen Material wie z. B. Cu gefüllt werden. Hier sind die Durchgangslöcher derart angeordnet, dass die flächigen Leiter 24 und 25 elektrisch voneinander isoliert sind.
Als Nächstes wird Druckbonden durchgeführt, indem die Hauptoberflächen der leitfähigen Lagen 40 und 42 mit einem vorbestimmten Druck gepresst werden. Folglich werden die leitfähigen Lagen 40 bis 42 durch die Durchgangsleitungslöcher 44 bis 46 elektrisch verbunden, und dadurch wird ein Mehrschichtkörper 47 gebildet (10 (b)).
Jedoch wird in dem Fall, dass die Dicke der leitfähigen Lagen 40 bis 42 ausreichend größer ist als die Dicke der Piezokeramiklagen 38 und 39, beispielsweise falls die Dicke der Piezokeramiklagen 38 und 39 5 µm beträgt und die Dicke der leitfähigen Lagen 40 bis 42 10 µm beträgt, das Material der leitfähigen Lagen sogar in dem Fall, dass die Durchgangslöcher 43a, 43b und 43e der Piezokeramiklagen 38 und 39 nicht mit einem leitfähigen Material gefüllt sind, in die Durchgangslöcher 43a, 43b und 43e der Piezokeramiklagen 40 und 42 extrudiert, um eine Leitung zu erzielen. Ähnlich werden in dem Fall, dass die Dicke der Piezokeramiklagen 38 und 39 ausreichend größer ist als die Dicke der leitfähigen Lagen 40 bis 42, die Durchgangslöcher 43c und 43d der leitfähigen Lage 41 in manchen Fällen mit einer Keramik gefüllt. Man beachte, dass die Grundcharakteristika der piezoelektrischen Vorrichtung nicht beeinträchtigt werden, ob nun die Durchgangslöcher 43c und 43d der leitfähigen Lage 41 mit einer Keramik gefüllt werden oder nicht.
Anschließend kann anhand desselben Verfahrens und derselben Prozedur wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine piezoelektrische Vorrichtung hergestellt werden.
Das heißt, der Mehrschichtkörper 47 wird gemeinsam gebrannt, und anschließend wird der erste Leiterabschnitt 29 einem Strukturierungsprozess unterzogen, um leitfähige Filme 29a und 29b zu bilden. Dadurch wird ein gesinterter Körper 31 erhalten (10 (c)).
Das heißt, es wird ein Isoliermaterial mit einer Formbarkeit hergestellt, die gleich der oder größer als die des leitfähigen Materials ist, und durch Aufbringen des Isoliermaterials auf den Piezokeramikbasiskörper 21 derart, dass Abschnitte der leitfähigen Filme 29a und 29b frei liegen, wird ein Isolierfilm 32 gebildet. Anschließend werden erweiterte Elektrodenschichten 33a und 33b und Leitungselektrodenschichten 34a und 34b in dieser Reihenfolge gebildet. Somit kann sogar dann, wenn eine äußere Kraft bei dem Herstellungsprozess ausgeübt wird, ein Auftreten einer Verformung und struktureller Defekte unterbunden werden, und es ist möglich, eine äußerst leistungsfähige dünne piezoelektrische Vorrichtung mit einem gewünschten Betriebsverhalten zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise werden gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bei dem Prozess des Bildens des gemeinsam gesinterten Körpers 16 jeweils die Piezokeramiklage und die leitfähigen Lagen gebildet, und die Piezokeramiklage wird sandwichartig zwischen den leitfähigen Lagen platziert, woraufhin ein Formstanzen folgt und anschließend ein Brennen durchgeführt wird. Nachdem jedoch eine leitfähige Paste auf beide Hauptoberflächen einer Piezokeramiklage aufgebracht wurde, kann das Brennen vorgenommen werden. Alternativ dazu kann eine Lösung, die ein leitfähiges Material enthält, mittels Schleuderbeschichtung auf beide Oberflächen einer Piezokeramiklage aufgebracht werden, worauf eine Wärmeaushärtung folgt, und anschließend kann das Brennen durchgeführt werden.
Ferner wird gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Isolierfilm derart gebildet, dass Abschnitte einer Mehrzahl von leitfähigen Filmen frei liegen. Jedoch können zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen, und es können die gesamten Oberflächen der leitfähigen Filme frei liegen.
Ferner wird gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der erste Leiterabschnitt einem Strukturierungsprozess unterzogen. Jedoch kann zusätzlich zu dem ersten Leiterabschnitt der zweite Leiterabschnitt einem Strukturierungsprozess unterzogen werden.
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Einzelnen beschrieben.
BEISPIEL 1
Analytische Modelle (Modell 0, Modell 1 und Modell 2) einer piezoelektrischen Vorrichtung wurden erzeugt. Es wurde eine Beanspruchungsanalyse anhand einer Verwendung einer Finite-Elemente-Methode durchgeführt, und es wurden Simulationen vorgenommen.
Das Modell 0 ist ein analytisches Modell gemäß einem Referenzbeispiel. Wie in 11 (a) gezeigt ist, sind ein erster und ein zweiter Leiterabschnitt 52 und 53, die aus Ni gebildet sind (Youngscher Modul: 201 GPa) gänzlich auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers 51 angeordnet. Ein Ende ist an einer Trageplatte 54 befestigt, wobei das andere Ende ein freies Ende ist. Die Länge m des Piezokeramikbasiskörpers 51 beträgt 1 mm, und die Dicke n1 desselben beträgt 1 µm. Die Dicke n2 des ersten Leiterabschnitts 52 und die Dicke n3 des zweiten Leiterabschnitts 53 betragen jeweils 2 µm.
Das Modell 1 ist ein analytisches Modell außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 (b) gezeigt ist, sind zwei leitfähige Filme 55a und 55b, die aus Ni gebildet sind und voneinander getrennt sind und die eine Dicke n2 von 2 µm aufweisen, auf einer Hauptoberfläche eines Piezokeramikbasiskörpers 51 angeordnet. Wie bei dem Modell 0 ist ferner ein zweiter Leiterabschnitt 53 gänzlich auf der anderen Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers 51 angeordnet. Bei dem Modell 1 ist ein Ende auch an einer Trageplatte 54 befestigt, während das andere Ende ein freies Ende ist.
Bei dem Modell 2 sind, wie in 11 (c) gezeigt ist, zusätzlich zu der Struktur des Modells 1 Isolierfilme 56a bis 56c (Youngscher Modul: 0,5 bis 210 GPa) auf Abschnitten des Piezokeramikbasiskörpers 1, die nicht mit den leitfähigen Filmen 55a und 55b bedeckt sind, angeordnet.
Jedes der analytischen Modelle (der Modelle 0 bis 2) wurde in Elemente in einer Matrixform zerlegt. Die Youngschen Module von Ni (leitfähige Filme) und der Isolierfilm, Gestaltdaten und Einschränkungsbedingung (der am weitesten entfernte Punkt von dem feststehenden Ende auf der unteren Seite des Leiterabschnitts 53) wurden eingegeben, und auf der Basis der eingegebenen Daten wurden eine Reaktionskraft (Reaktionskraft an dem Einschränkungspunkt) und die maximale Beanspruchung sowohl bei dem Piezokeramikbasiskörper 51 als auch bei den Isolierfilmen 56a bis 56c anhand der Finite-Elemente-Methode für jedes analytische Modell berechnet.

Die Tabelle 1 zeigt die Analyseergebnisse für die Modelle 0 bis 2. [Tabelle 1]

Nr.	Modell	Youngscher Modul (GPa)		Reaktionskraft (N)	Maximale Beanspruchung (MPa)
Nr.	Modell	Ni	Epoxidharz	Reaktionskraft (N)	Piezokeramik	Isolierfilm (Epoxidharz)
1*	1	201	-	2,44 × 10^-5	23,1	-
2	2	201	0,5	2,48 × 10^-5	22,6	0,307
3	2	201	1,0	2,52 × 10^-5	22,0	0,597
4	2	201	50	4,84 × 10^-5	5,55	7,83
5	2	201	100	5,91 × 10^-5	3,45	11,8
6	2	201	150	6,52 × 10^-5	2,72	14,5
7	2	201	201	6,93 × 10^-5	1,75	16,5
8*	2	201	210	6,99 × 10^-5	1,78	16,8
9**	0	201	-	6,93 × 10^-5	3,8	-

* Außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
** Referenzbeispiel

Bei Nr. 9 (Modell 0) betrug die Reaktionskraft 6,93 × 10^-5 N. Ferner betrug die maximale Beanspruchung bei dem Piezokeramikbasiskörper 51, die an einem Punkt P in der Nähe des in 11 (a) gezeigten feststehenden Endes auftrat, lediglich 3,8 MPa. Das heißt, die maximale Beanspruchung beträgt nur 3,8 MPa, und somit wurde klar, dass sogar dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, es unwahrscheinlich ist, dass strukturelle Defekte wie beispielsweise Sprünge und eine Zwischenschichttrennung auftreten.
Bei der Nr. 1 (Modell 1) wurden Abschnitte der ersten Leiterabschnitte 55 beseitigt, und Abschnitte der Oberfläche des Piezokeramikbasiskörpers 51 wurden frei gelegt. Deshalb war die Steifigkeit gering, und die Reaktionskraft betrugt 2,44 × 10^-5 N, was niedriger war als bei der Nr. 9 (Modell 0).
Jedoch trat ein hohes Maß an Beanspruchung an Kontaktpunkten Q zwischen dem Piezokeramikbasiskörper 51 und Eckabschnitten der leitfähigen Filme 55a und 55b auf, und die maximale Beanspruchung bei dem Piezokeramikbasiskörper 51 stieg auf 23,1 MPa an (siehe 11 (b)). Das heißt, bei Nr. 1 (Modell 1) nimmt die maximale Beanspruchung im Vergleich zu Nr. 9 stark zu. Es wird in Betracht gezogen, dass dann, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, sich eine Beanspruchung an den Punkten Q konzentriert, und dass ohne Weiteres strukturelle Defekte wie beispielsweise Sprünge auftreten.
Andererseits nahmen bei den Nrn. 2 bis 7 (Modell 2) die Steifigkeit und die Reaktionskraft im Vergleich zu Modell 1 (Nr. 2) zu, da die Isolierfilme 56a bis 56c auf Abschnitten des Piezokeramikbasiskörpers 51 angeordnet waren, die nicht mit den leitfähigen Filmen 55a und 55b bedeckt waren. Obwohl die maximale Beanspruchung in der Nähe der in 11 (c) gezeigten Kontaktpunkte Q auftrat, ist jedoch die maximale Beanspruchung bei dem Piezokeramikbasiskörper 51 im Vergleich zu Modell 1 (Nr. 1) niedrig, und die maximale Beanspruchung der Isolierfilme 56a bis 56c kann unterbunden werden. Somit wurde deutlich, dass die Beanspruchungskonzentration abgemildert werden kann.
Insbesondere beträgt der Youngsche Modul der Isolierfilme 56a bis 56c bei den Nrn. 2 und 3 nur 0,5 GPa und 1,0 GPa, was auf eine hervorragende Formbarkeit hinweist, und deshalb liegt die maximale Beanspruchung der Isolierfilme 56a bis 56c bei lediglich 0,307 MPa bzw. 0,597 MPa. Somit wurde deutlich, dass eine Beanspruchungskonzentration kaum auftritt.
Wie ferner aus den Analyseergebnissen der Nrn. 2 bis 7 hervorgeht, nimmt die Steifigkeit zu, nimmt die Reaktionskraft zu und nimmt die maximale Beanspruchung der Isolierfilme 56a bis 56c tendenziell zu, da die Formbarkeit mit zunehmendem Youngschen Modul abnimmt. Jedoch nimmt die maximale Beanspruchung des Piezokeramikbasiskörpers 51 ab.
Ferner sind bei Nr. 8 (Modell 2), wie bei Nrn. 2 bis 7, die Isolierfilme 56a bis 56c auf Abschnitten des Piezokeramikbasiskörpers 51 angeordnet, die nicht mit den leitfähigen Filmen 55a und 55b bedeckt sind. Jedoch ist der Youngsche Modul der Isolierfilme 56a bis 56c höher als der Youngsche Modul (= 201 GPa) von Ni, das als die leitfähigen Filme 55a und 55b dient. Demgemäß ist die Formbarkeit der Isolierfilme 56a bis 56c niedriger als die Formbarkeit der leitfähigen Filme 55a und 55b, und somit nimmt die maximale Beanspruchung sowohl bei dem Piezokeramikbasiskörper 51 als auch bei den Isolierfilmen 56a bis 56c tendenziell zu. Die Steifigkeit nimmt zu, und die Reaktionskraft wird höher als die der leitfähigen Filme 55a und 55b. Deshalb bestehen Bedenken, dass eventuell eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens verursacht wird.
Das heißt, sogar im Fall des Modells 2, wie bei Nrn. 2 bis 7, ist es notwendig, den Youngschen Modul der Isolierfilme 56a bis 56c gleich dem oder geringer als den Youngschen Modul der leitfähigen Filme 55a und 55b zu setzen.
BEISPIEL 2
(Herstellung einer Probe)
Als Keramikrohmaterialien wurden K₂CO₃, Na₂CO₃, Li₂CO₃, Nb₂O₅, CaCO₃, ZrO₂, MnCO₃ und Yb₂O₃ hergestellt.
Anschließend wurden die Keramikrohmaterialien derart gewogen, dass die Zusammensetzungsformel [100(0,98(K_0.45Na_0.53Li_0.02)NbO₃-0,02CaZrO₃) + 3ZrO₂ + 5MnO + 0,5YbO_1.5] erfüllt war.
Anschließend wurden die gewogenen Materialien in eine PSZ-Kugeln enthaltende Topfmühle eingespeist, und durch Verwendung von Ethanol als Lösungsmittel wurden eine Nassmischung und eine Pulverisierung durchgeführt, während die Topfmühle 90 Stunden lang gedreht wurde. Nachdem das erhaltene Gemisch getrocknet wurde, wurde bei einer Temperatur von 900°C eine Kalzinierung durchgeführt. Dadurch wurde ein durch die Zusammensetzungsformel dargestelltes Keramikrohmaterialpulver erhalten.
Nachdem sich das Keramikrohmaterialpulver zersetzt hatte, wurde es als Nächstes zusammen mit einem organischen Bindemittel, Aceton als organischem Lösungsmittel, einem Dispersionsmittel und einem Weichmacher in eine PSZ-Kugeln enthaltene Topfmühle eingespeist. Es wurden eine gründliche Nassmischung und Pulverisierung vorgenommen, während die Topfmühle gedreht wurde, um dadurch eine keramische Aufschlämmung zu erhalten. Anschließend wurde die keramische Aufschlämmung durch Verwendung einer Rakelmessermethode einem Formgebungsprozess derart unterzogen, dass die Dicke nach dem Brennen 15 µm betrug. Dadurch wurde eine Piezokeramiklage gebildet.
Ferner wurde ein Ni-Pulver mit einem Youngschen Modul von 201 GPs hergestellt. Das Ni-Pulver wurde zusammen mit einem organischen Bindemittel, Aceton als organischem Lösungsmittel, einem Dispersionsmittel und einem Weichmacher in eine PSZ-Kugeln enthaltende Topfmühle eingespeist. Es wurde eine gründliche Nassmischung vorgenommen, während die Topfmühle gedreht wurde, um dadurch eine leitfähige Aufschlämmung zu erhalten. Anschließend wurde die leitfähige Aufschlämmung durch Verwendung einer Rakelmessermethode einem Formgebungsprozess derart unterzogen, dass die Dicke nach dem Brennen 2 µm betrug. Dadurch wurden leitfähige Lagen erhalten.
Als Nächstes wurde die Piezokeramiklage sandwichartig zwischen einem Paar leitfähiger Lagen angeordnet, um ein Mehrschichtkörper zu bilden, und der Mehrschichtkörper wurde einem hydrostatischen Pressen unterzogen. Als Nächstes wurde ein Brennen 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 1.000°C bis 1.160°C in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt, in der der Sauerstoffpartialdruck um 0,5 Größenordnungen ab dem Gleichgewichtssauerstoffpartialdruck von Ni-NiO an die Reduktionsseite angepasst wurde, so dass Ni nicht oxidiert wurde. Dadurch wurde ein gemeinsam gesinterter Körper erhalten, bei dem der erste und der zweite Leiterabschnitt auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet waren.
Anschließend wurde durch Verwendung einer photolithographischen Technik der erste Leiterabschnitt dahin gehend verarbeitet, vier leitfähige Filme mit einer vorbestimmten Struktur zu bilden.
Das heißt, nachdem ein Photoresist auf eine Oberfläche des ersten Leiterabschnitts aufgebracht wurde, wurde ein Vorbrennen durchgeführt. Anschließend wurde eine Maske, die eine vorbestimmte Struktur aufwies, über dem Photoresist platziert, und anhand einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht wurde eine Belichtung vorgenommen, so dass die Maskenstruktur auf den Photoresist übertragen wurde. Als Nächstes wurde, nachdem eine Entwicklung vorgenommen wurde, eine Waschung mit reinem Wasser durchgeführt. Anschließend wurde eine Nassätzung vorgenommen, indem das Werkstück in eine Eisen(III)-Chlorid-Lösung als Ätzlösung getaucht wurde. Dadurch wurden vier leitfähige Filme mit einer vorbestimmten Struktur gebildet. Somit wurde ein gesinterter Körper erhalten.
Als Nächstes wurde ein Isolierfilm, der aus einem Epoxidharz mit einem Youngschen Modul von 3 GPa gebildet war, auf dem Piezokeramikbasiskörper und den leitfähigen Filmen derart gebildet, dass Abschnitte der leitfähigen Filme frei lagen.
Das heißt, eine Epoxidlösung, die ein lichtempfindliches Epoxidharz enthielt, wurde mittels Schleuderbeschichtung auf den Piezokeramikbasiskörper und die leitfähigen Filme aufgebracht, woraufhin ein Vorbrennen vorgenommen wurde. Die Belichtung wurde mit einer Maske durchgeführt, auf der eine vorbestimmte Struktur angeordnet war, gefolgt von einer Entwicklung. Anschließend wurde durch Durchführen eines Nachbrennens ein Isolierfilm gebildet, von dem Abschnitte der leitfähigen Filme, d. h. frei liegende Oberflächen, frei lagen. Die Dicke des Isolierfilms ab der Oberfläche des Piezokeramikbasiskörpers betrug etwa 2,4 µm.
Anschließend wurde durch Verwendung eines Sputterverfahrens eine leitfähige Schicht, die aus einer aus Nickel und Kupfer hergestellten Legierung gebildet war und eine Dicke von etwa 1,9 µm aufwies, auf dem mit dem Isolierfilm bedeckten gesinterten Körper gebildet. Anschließend wurden durch Verwendung der photolithographischen Technik erweiterte Elektrodenschichten, die eine vorbestimmte Struktur aufwiesen, gebildet.
Als Nächstes wurde eine aus Ni und Au gebildete leitfähige Schicht auf den Oberflächen der erweiterten Elektrodenschichten gebildet. Anschließend wurden durch Verwendung der photolithographischen Technik Leitungselektrodenschichten in einer Stegform an vorbestimmten Positionen auf den erweiterten Elektroden gebildet. Dadurch wurde eine Probe des Beispiels 2 hergestellt.
(Bewertung der Probe)
Ein Querschnitt der Probe wurde mit einem REM beobachtet, und es wurde deutlich, dass keine Sprünge und keine Zwischenschichttrennung vorlagen. Das heißt, bei dieser Probe wurde deutlich, dass, obwohl der Piezokeramikbasiskörper eine Dicke von 15 µm aufweist und somit mit einer Dicke von 90 µm oder weniger sehr dünn ist, ein gewünschter gesinterter Körper erhalten werden kann; und dass sogar dann, wenn bei dem Herstellungsprozess eine Last ausgeübt wird, ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise Sprüngen und Zwischenschichttrennung unterbunden werden kann, und es möglich ist, eine piezoelektrische Vorrichtung zu erhalten, die eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.
Ferner beträgt die Dicke ts des Isolierfilms 2,4 µm, und die Dicke tm der leitfähigen Filme beträgt 2 µm. Deshalb beträgt (ts/tm)³ 1,73. Andererseits beträgt der Youngsche Modul Es des Isolierfilms 3 GPa, und der Youngsche Modul von Ni, das die leitfähigen Filme bildet, beträgt 201 GPa. Deshalb beträgt (Em/Es) 67, und es wird die Beziehung (ts/tm)³ < (Em/Es) festgelegt.
Das heißt, es wurde deutlich, dass sogar bei zunehmender Dicke des Isolierfilms dadurch, dass ein Isoliermaterial mit einem geeigneten Youngschen Modul ausgewählt wird, eine Zunahme der Steifigkeit unterbunden werden kann und eine Verschlechterung des Betriebsverhaltens einer piezoelektrischen Vorrichtung vermieden werden kann.
BEISPIEL 3
(Herstellung einer Probe)
Anhand desselben Verfahrens und derselben Prozedur wie bei Beispiel 2 wurden Piezokeramiklagen mit einer Dicke (nach dem Brennen) von 90 µm und leitfähige Lagen mit einer Dicke (nach dem Brennen) von 2 µm gebildet. Es wurden sechs Mehrschichtkörper, von denen jeder eine sandwichartig zwischen ein Paar von leitfähigen Lagen angeordnete Piezokeramiklage umfasste, gestapelt, und anschließend wurde anhand desselben Verfahrens und derselben Prozedur wie bei Beispiel 2 eine Probe des Beispiels 3 hergestellt.
(Bewertung der Probe)
Ein Querschnitt der Probe wurde mit einem REM beobachtet, und es wurde bestätigt, dass keine Sprünge und keine Zwischenschichttrennung vorlagen. Das heißt, bei dieser Probe wurde bestätigt, dass, obwohl der Piezokeramikbasiskörper eine Dicke von 90 µm aufweist und somit sehr dünn ist, ein gewünschter gesinterter Körper wie bei Beispiel 2 erhalten werden kann; und dass sogar dann, wenn bei dem Herstellungsprozess eine Last ausgeübt wird, ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise Sprüngen und Zwischenschichttrennung unterbunden werden kann, und es möglich ist, eine piezoelektrische Vorrichtung zu erhalten, die eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.
Ferner beträgt bei dieser Probe wie bei Beispiel 2 die Dicke ts des Isolierfilms 2,4 µm, und die Dicke tm der leitfähigen Filme beträgt 2 µm. Deshalb beträgt (ts/tm)³ 1,73. Andererseits beträgt der Youngsche Modul Es des Isolierfilms 3 GPa, und der Youngsche Modul von Ni, das die leitfähigen Filme bildet, beträgt 201 GPa. Deshalb beträgt (Em/Es) 67, und es wird selbstverständlich die Beziehung (ts/tm)³ < (Em/Es) festgelegt.
BEISPIEL 4
(Herstellung einer Probe)
Anhand desselben Verfahrens und derselben Prozedur wie bei Beispiel 2 wurden eine Piezokeramiklage mit einer Dicke (nach dem Brennen) von 4 µm und leitfähige Lagen mit einer Dicke (nach dem Brennen) von 2 µm gebildet. Die Piezokeramiklage wurde sandwichartig zwischen einem Paar von leitfähigen Lagen angeordnet, um einen Mehrschichtkörper zu bilden. Danach wurde anhand desselben Verfahrens und derselben Prozedur wie bei Beispiel 2 eine Probe des Beispiels 4 hergestellt.
(Bewertung der Probe)
Ein Querschnitt der Probe wurde mit einem REM beobachtet, und es wurde bestätigt, dass keine Sprünge und keine Zwischenschichttrennung vorlagen. Das heißt, bei dieser Probe wurde bestätigt, dass, obwohl der Piezokeramikbasiskörper eine Dicke von 4 µm aufweist und somit mit einer Dicke von 90 µm oder weniger sehr dünn ist, ein gewünschter gesinterter Körper wie bei Beispiel 2 erhalten werden kann; und dass sogar dann, wenn bei dem Herstellungsprozess eine Last ausgeübt wird, ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise Sprüngen und Zwischenschichttrennung unterbunden werden kann, und es möglich ist, eine piezoelektrische Vorrichtung zu erhalten, die eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.
Ferner beträgt bei dieser Probe wie bei den Beispielen 2 und 3 die Dicke ts des Isolierfilms 2,4 µm, und die Dicke tm der leitfähigen Filme beträgt 2 µm. Deshalb beträgt (ts/tm)³ 1,73. Andererseits beträgt der Youngsche Modul Es des Isolierfilms 3 GPa, und der Youngsche Modul von Ni, das die leitfähigen Filme bildet, beträgt 201 GPa. Deshalb beträgt (Em/Es) 67, und es wird selbstverständlich die Beziehung (ts/tm)³ < (Em/Es) festgelegt.
Industrielle Anwendbarkeit
Es ist möglich, eine dünne piezoelektrische Vorrichtung zu verwirklichen, die ein Auftreten von strukturellen Defekten wie beispielsweise von Sprüngen und einer Zwischenschichttrennung sogar bei Ausübung einer äußeren Kraft unterbinden kann, die keine Verschlechterung des Betriebsverhaltens bewirkt und die eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Piezokeramikbasiskörper
2: erster Leiterabschnitt (Leiterabschnitt)
2a, 2b: leitfähiger Film
3: zweiter Leiterabschnitt (Leiterabschnitt)
4: gesinterter Körper
5: Isolierfilm
7a, 7b: Außenelektrode
13: Piezokeramiklage
14a: erste leitfähige Lage (leitfähiges Material)
14b: zweite leitfähige Lage (leitfähiges Material)
21: Piezokeramikbasiskörper
22: Innenleiter
38: Piezokeramiklage
39: Piezokeramiklage
40: leitfähige Lage
41: leitfähige Lage
42: leitfähige Lage
47: Mehrschichtkörper

Claims

Eine piezoelektrische Vorrichtung, die einen gesinterten Körper aufweist, bei dem Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers angeordnet sind und zumindest einer der Leiterabschnitte auf den Hauptoberflächen eine Mehrzahl leitfähiger Filme mit einer vorbestimmten Struktur umfasst, wobei ein Isolierfilm auf der Hauptoberfläche des Piezokeramikbasiskörpers gebildet ist, auf der die leitfähigen Filme derart angeordnet sind, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen; wobei der Isolierfilm eine Formbarkeit aufweist, die gleich der oder größer als die der leitfähigen Filme ist, wobei die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke ts des Isolierfilms, der durchschnittlichen Dicke tm der leitfähigen Filme, dem Youngschen Modul Es des Isolierfilms und dem Youngschen Modul Em der leitfähigen Filme (ts/tm)³ < Em/Es ist; wobei der Youngsche Modul Es des Isolierfilms größer oder gleich 50 GPa ist; und wobei das Isoliermaterial ein Epoxidharz, ein Polyimidharz oder ein Acrylharz als Hauptkomponente enthält.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Isolierfilm einen Youngschen Modul aufweist, der gleich dem oder geringer als der der leitfähigen Filme ist.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Piezokeramikbasiskörper eine durchschnittliche Dicke von 90 µm oder weniger aufweist.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der Piezokeramikbasiskörper eine durchschnittliche Dicke von 4 µm oder mehr aufweist.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Piezokeramikbasiskörper eine Mehrschichtstruktur aufweist, die einen Innenleiter umfasst.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Piezokeramikbasiskörper eine Verbindung vom Perowskit-Typ enthält, die zumindest Niob und ein Alkalimetallelement enthält.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Leiterabschnitte ein Material aus Nicht-Edelmetall enthalten.
Die piezoelektrische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine Mehrzahl von Elektrodenschichten auf jedem der leitfähigen Filme angeordnet sind.
Ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung, das folgende Schritte aufweist: einen Brennschritt, bei dem ein leitfähiges Material in Form einer Lage auf beide Hauptoberflächen einer Piezokeramiklage aufgebracht wird oder ein Mehrschichtkörper, der eine Piezokeramiklage und ein zu Lagen geformtes leitfähiges Material umfasst, erzeugt wird, und die Piezokeramiklage und das leitfähige Material gemeinsam gebrannt werden, um Leiterabschnitte auf beiden Hauptoberflächen eines Piezokeramikbasiskörpers zu bilden; einen Strukturierungsschritt, bei dem dadurch, dass zumindest einer der Leiterabschnitte einem Strukturierungsprozess unterworfen wird, eine Mehrzahl von leitfähigen Filmen gebildet werden, um dadurch einen gesinterten Körper. zu erhalten; einen Isolierfilmbildungsschritt, bei dem ein Isoliermaterial, dessen Formbarkeit gleich der oder größer als die des leitfähigen Materials ist, hergestellt wird, und bei dem dadurch, dass das Isoliermaterial derart auf den Piezokeramikbasiskörper aufgebracht wird, dass zumindest Abschnitte der leitfähigen Filme frei liegen, ein Isolierfilm gebildet wird, wobei die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Dicke ts des Isolierfilms, der durchschnittlichen Dicke tm der leitfähigen Filme, dem Youngschen Modul Es des Isolierfilms und dem Youngschen Modul Em der leitfähigen Filme (ts/tm)³ < Em/Es ist; wobei der Youngsche Modul Es des Isolierfilms größer oder gleich 50 GPa ist; und wobei das Isoliermaterial ein Epoxidharz, ein Polyimidharz oder ein Acrylharz als Hauptkomponente enthält.
Das Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei dem das Isoliermaterial einen Youngschen Modul aufweist, der gleich dem oder geringer als der des leitfähigen Materials ist.
Das Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, das ferner einen Elektrodenschichtbildungsschritt eines Bildens einer Mehrzahl von Elektrodenschichten auf jedem der leitfähigen Filme aufweist.