DE1285575B

DE1285575B - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Piezoelements

Info

Publication number: DE1285575B
Application number: DE1963L0045631
Authority: DE
Inventors: Hatschek; Dr Rudolf
Original assignee: LIST
Current assignee: LIST
Priority date: 1962-09-12
Filing date: 1963-08-16
Publication date: 1968-12-19
Also published as: US3281612A; AT237930B; CH412396A; GB1053523A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- der aufeinanderliegenden metallischen Schichten, sonlung eines mehrschichtigen Piezoelements, insbeson- dem es diffundieren diese Schichten ineinander, und dere eines piezoelektrischen Meßwandlers zur Druck-, zwar gleichmäßig über die gesamte Fläche der metal-Kraft- oder Beschleunigungsmessung, das aus wenig- lischen Beläge. Voraussetzung für diese Diffusionsstens zwei einen metallischen Elektrodenbelag 5 verbindung, welche nur zwischen einigen Edelmetalaufweisenden Scheiben aus piezoelektrischem Mate- len möglich ist, ist lediglich das Vorhandensein sehr rial besteht, welche mit ihren Elektrodenbelägen zu reiner Oberflächen. Diese Forderung läßt sich aber einem einheitlichen Schichtkörper mechanisch fest auch bei der Serienherstellung von piezoelektrischen verbunden werden. Meßwandlern ohne Schwierigkeiten verwirklichen. Nach einem bekannten Verfahren erfolgt die Ver- io Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Serie herbindung der Einzelplatten einer piezoelektrischen gestellte Piezoelemente zeichnen sich durch eine weit-Einrichtung durch Verschweißung der Elektroden- gehende Übereinstimmung der Meßempfindlichkeit beläge. Diese nur in gewissen Fällen anwendbare aus.

Methode läßt sich beispielsweise durch Wirbelstrom- Bevorzugt werden nach der Erfindung aus Quarzerhitzung verwirklichen. Dies ist aber nur dann er- 15 kristall bestehende Scheiben während 1 bis 3 Stunden folgversprechend, wenn die Elektrodenbeläge eine unter einem Druck von 2 bis 20 kg/mm² und einer verhältnismäßig große Schichtstärke aufweisen. Temperatur von 100 bis 530° C, vorzugsweise im Große Schichtstärken sind aber vielfach unerwünscht, Vakuum, aufeinandergepreßt.

beispielsweise bei piezoelektrischen Einrichtungen zur In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es

Druckmessung. Hier müssen an die Präzision der ao sich für manche Zwecke als vorteilhaft erweisen, den

Messung sehr hohe Anforderungen gestellt werden, Schichtkörper mit seinen stirnseitigen Endflächen mit

so daß stärkere Metallzwischenschichten wegen ihrer den zur Einspannung des Piezoelementes dienenden

das Meßergebnis beeinträchtigenden Dämpfungswir- Widerlagern ebenfalls durch Diffusion zu verbinden,

kung vermieden werden sollen. Dieser Einfluß ist be- Diese Methode wird vor allem dann anzuwenden sein,

sonders dann störend, wenn der Druckverlauf bei 25 wenn das piezoelektrische Meßelement nicht unter

rasch ablaufenden Vorgängen, z. B. der Druckverlauf Druck-, sondern auch Zugbelastungen im Betrieb

im Zylinder einer Brennkraftmaschine, gemessen ausgesetzt ist. Dies ist beispielsweise bei piezoelek-

werden soll. Man ist daher bestrebt, die Metallisie- irischen Druckgebern der Fall, mit denen Unter-

rung der Kristallscheiben nur auf das für die Ab- drücke gemessen werden sollen,

nähme der piezoelektrischen Ladungen unbedingt 30 In der schematischen Zeichnung sind nach dem

erforderliche Ausmaß zu beschränken. Beim Ver- erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte piezoelek-

schweißen des Piezoelementes treten überdies hohe irische Einrichtungen ersichtlich.

Temperaturen auf, die in Verbindung mit den in der F i g. 1 zeigt einen Schnitt eines piezoelektrischen

Regel kleinen Abmessungen der einzelnen piezo- Meßelementes nach der Linie I-I in F i g. 2 und

elektrischen Scheiben zu großen fertigungstechnischen 35 Fig. 2 dazu einen Schnitt nach der Linie II-II in

Schwierigkeiten führen, die eine rationelle Serien- Fig. 1; in

mäßige Fertigung in Frage stellen. F i g. 3 ist ein Abriß einer Einzelheit eines weite-

Weiterhin ist es bekannt, zur Herstellung eines ren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behan-

mehrschichtigen Piezoelementes die Teilkristalle mit- delten Meßelementes im Längsschnitt dargestellt,

tels Silberleitlack, nach einem anderen Vorschlag 40 Die piezoelektrische Einrichtung nach F i g. 1 be-

mittels einer mit komplexem Aluminium-Alkali- steht aus sechs zu einem Schichtkörper verbundenen

metalltartrat gebildeten Klebemasse, zu verbinden. Scheiben 1 aus piezoelektrischem Material. Der

Diese Klebeverfahren sind aber verhältnismäßig um- Schichtkörper ist zwischen zwei Metallplatten 2 und

ständlich, wobei auch eine einwandfreie Ladungs- 3 eingespannt, die zugleich auch die Masseelektrode

ableitung im Bereich der Klebeschicht nicht in allen 45 bilden. Die zweite nach außen führende Ableitelek-

Fällen gesichert ist. trode 4 des Schichtkörpers besteht aus einer Metall-

Durch die vorliegende Erfindung sollen die Nach- platte, die zwischen die beiden untersten Scheiben des

teile der bekannten Methoden zur Herstellung piezo- Schichtkörpers eingelegt ist und von der ein Leiter 5

elektrischer Schichtkörper für Meßwandler u. dgl. durch die Bohrung der mit 1' bezeichneten untersten

vermieden und es soll ein neuartiges Verfahren an- 50 Scheibe und der Metallplatte 3 hindurch isoliert nach

gegeben werden, welches insbesondere auf die Anfor- außen führt. Die Scheiben 1 sind an den Stirnflächen

derungen einer rationellen Serienfertigung abgestimmt mit z.B. im Vakuum aufgedampften metallischen

ist. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Elektrodenbelägen 6 versehen. Auch die am Ende des

Scheiben mit ihren Elektrodenbelägen, gegebenenfalls Schichtkörpers befindlichen Scheiben 1 bzw. 1' weisen

unter Beilage einer elektrisch gut leitenden metalli- 55 solche Metallüberzüge 6' auf.

sehen Zwischenschicht, z. B. aus Gold, unter hohem Die Scheiben 1 sind elektrisch parallel geschaltet. Druck und erhöhter Temperatur so lange aufein- Hierzu sind auf den Mantelflächen der Scheiben 1 andergepreßt werden, bis die aufeinanderliegenden Verbindungsbrücken 7 vorgesehen, die mit dem Elekmetallischen Schichten eine Diffusionsverbindung trodenbelag 6 auf einer Scheibenstirnfläche leitend eingegangen sind. Man erhält dadurch unter Vermei- 60 verbunden, vom Elektrodenbelag 6 auf der anderen dung konventioneller Schweißmethoden eine dauer- Stirnfläche derselben Scheibe hingegen elektrisch isohafte mechanische Verbindung zwischen den Metall- lierend getrennt sind. Die im Inneren des Schichtschichten aufeinanderfolgender Einzelscheiben des körpers liegenden Scheiben 1 weisen je zwei in Piezoelementes, wobei gleichzeitig eine einwandfreie Umfangsrichtung versetzt angeordnete Verbindungselektrisch leitende Verbindung zwischen den Metall- 65 brücken 7 auf, von denen jede mit dem Elektrodenschichten der Scheiben geschaffen wird. Zum Unter- belag 6 auf einer anderen Stirnfläche der Scheibe 1 schied von der üblichen Schweißtechnik kommt es leitend verbunden ist.
nach diesem Verfahren nicht zu einem Verschmelzen Die stegförmigen, vorteilhafterweise zugleich mit

den Elektrodenbelägen 6 aufgedampften Verbindungsbrücken 7 greifen je mit einer lappenartigen Kontaktzunge 8 auf die gegenüberliegende Scheibenstirnfiäche über und sind von dem dort angebrachten Elektrodenbelag 6 durch einen Isolierstreifen getrennt (F i g. 2). Im zusammengebauten Schichtkörper liegen jeweils die einander zugekehrten Kontaktzungen 8 benachbarter Scheiben 1 aufeinander, so daß die Elektroden gleicher Ladung miteinander und mit den zugehörigen Ableitelektroden leitend verbunden sind. Zur genauen Ausrichtung der Kontaktzungen 8 benachbarter Scheiben beim Zusammenbau des Schichtkörpers weist jede Scheibe an ihrem Umfang einen Einschnitt 10 zum Ansetzen einer Zentriervorrichtung auf.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun die übereinander geschichteten und zueinander zentrierten einzelnen Scheiben der oben beschriebenen piezoelektrischen Einrichtung zu einem einheitlichen Schichtkörper verbunden. Zu diesem Zweck werden die Scheiben unter hohem Druck und erhöhter Temperatur so lange aufeinandergepreßt, bis die aufeinanderliegenden metallischen Schichten eine Diffusionsverbindung eingegangen sind. Dieser Vorgang unterscheidet sich sehr wesentlich von den bisher angewendeten konventionellen Schweißmethoden. Zum Unterschied von der üblichen Schweißtechnik findet kein Verschmelzen der aufeinanderliegenden metallischen Schichten statt, sondern es diffundieren diese Schichten ineinander, und zwar gleichmäßig über die gesamte Fläche der metallischen Beläge.

Es hat sich gezeigt, daß die günstigsten Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Anwendung von Drücken im Bereich zwischen 2 und 20 kg/mm² und Temperaturen zwischen 100 und 530° C erzielt werden. Die Behandlung wird vorteilhafterweise im Vakuum durchgeführt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, einen piezoelektrischen Schichtkörper herzustellen, bei dem, wie aus Fig. 3 ersichtlich, zwischen die Elektrodenbeläge 6 der Scheiben 1 elektrisch gut leitende metallische Zwischenschichten 11 eingefügt sind. Die Metallschicht 11 wird vor dem Zusammenpressen der mit den Elektrodenbelägen 6 versehenen Scheiben 1 eingelegt und kann beispielsweise durch elektrolytische Metallabscheidung oder Aufdampfen im Vakuum auf die Elektrodenbeläge 6 aufgetragen werden. Die Metallschicht 11 kann aber auch als Folie ausgebildet sein. Als geeignete Metalle für diese Schicht haben sich Edelmetalle, insbesondere Gold, erwiesen. Bei hohem Druck und hohen Temperaturen erfolgt zwischen der Metallschicht 11 und den Elektrodenbelägen 6 eine Diffusion mit Mischkristall- und Kornneubildung, was zu einer besonders festen Verbindung zwischen den einzelnen Scheiben 1 des Schichtkörpers führt. Bei versilberten Scheiben 1 aus piezoelektrischem Material hat sich beispielsweise eine Metallschicht 11 aus Gold besonders bewährt, da dieses Material auch allenfalls vorhandene Unebenheiten zwischen den aufeinanderliegenden Stirnflächen der Scheiben 1 ausgleicht.

Auf die gleiche Weise kann eine Diffusionsverbindung auch zwischen den stirnseitigen Endflächen des Schichtkörpers und den Metallplatten 2 und 3 sowie auch zwischen der Ableitelektrode 4 und den an dieser anliegenden Scheiben 1,1' erzielt werden.

Da sich die Diffusionsverbindung über die gesamte Stirnfläche der Scheiben erstreckt, empfiehlt es sich, auch im Falle der dargestellten Meßelemente, bei denen der longitudinale Piezoeffekt ausgenützt wird und die Meßkräfte im wesentlichen in Richtung der mit 12 bezeichneten X-Achse der Scheiben wirken, die Scheiben so übereinander zu schichten, daß sich eine symmetrische Verteilung der mit 13 bezeichneten Y-Kristallachsen der Scheiben ergibt. Dadurch wird vermieden, daß beim Auftreten senkrecht zur X-Achse 12 wirkender Kräfte zufolge des transversalen Piezoeffektes ebenfalls Ladungen an den Elektroden entstehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Piezoelements, insbesondere eines piezoelektrischen Meßwandlers zur Druck-, Kraftoder Beschleunigungsmessung, das aus wenigstens zwei einen metallischen Elektrodenbelag aufweisenden Scheiben aus piezoelektrischem Material besteht, welche mit ihren Elektrodenbelägen zu einem einheitlichen Schichtkörper mechanisch fest verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (1) mit ihren Elektrodenbelägen (6), gegebenenfalls unter Beilage einer elektrisch gut leitenden metallischen Zwischenschicht (11), z. B. aus Gold, unter hohem Druck und erhöhter Temperatur so lange aufeinandergepreßt werden, bis die aufeinanderliegenden metallischen Schichten eine Diffusionsverbindung eingegangen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus Quarzkristallen bestehende Scheiben während 1 bis 3 Stunden unter einem Druck von 2 bis 20 kg/mm² und einer Temperatur von 100 bis 53O⁰C, vorzugsweise im Vakuum, aufeinandergepreßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper mit seinen stirnseitigen Endflächen mit den zur Einspannung des Piezoelementes dienenden Widerlagern (2, 3) ebenfalls durch Diffusion verbunden wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen