DE1807602A1

DE1807602A1 - Piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Publication number: DE1807602A1
Application number: DE19681807602
Authority: DE
Inventors: Noren Don W
Original assignee: Litton Industries Inc
Current assignee: Litton Industries Inc
Priority date: 1968-01-04
Filing date: 1968-11-07
Publication date: 1969-12-11
Also published as: NL6816033A; DE1807602B2; DE1807602C3; US3573511A; GB1219990A; FR1594814A; NL146983B; US3481014A

Description

PATENTANWÄLTE DfPL-ING. HANS BEGRICH · DIPL-ING. ALFONS WASMEIER REGENSBURG 3 · LESSINGSTRASSE 10 Patentanwalt· Bagrich · Woimei.r, 1400 Ragmtburg 3, foitfach 11

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litton Industries, Inc.390 North Alpine Drive, Beverly Hills,

California 90213, USA. Piezoelektrische Torrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Erfindung bezieht aioh auf eine piezoelektriache Vorrichtung, bei welcher eine Ausführungsform eine gewöhnlich ale eine η Bimorph oder einen Zweielementengegenatand bezeichnete Art betrifft. Mehr im einzelnen bezieht eich die Erfindung auf eine Ausführungsform einer piezoelektrischen Torrichtung oder eines Bimorphen und auf ein Heratellungeverfahren, welche für einen Betrieb bei hohen Temperaturen und aehr hohen Takuen ohne Brechen oder Heißen und ohne ein Entgaaen geeignet ist.

Herkömmliche piezoelektrische Torrichtungen für ein Arbeiten als hin- und hergehende Antriebavorrichtungen von der bimorphen oder Ziwei element art bestehen aus zwei Schichten von piezoelektri-

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schein Material auf den gegenüberliegenden Seiten von einem leitenden Material wie beispielsweise Messing, welches eine mittlere Elektrode bildet, und mit Elektroden an den Außenseiten von jeder piezoelektrischen Schicht in einer geschichteten Anordnung. Sie mittlere Elektrode ist an einer Fläche von jeder der beiden piezoelektrischen Schichten mittels leitender Epoxyharzmischungen befestigt. Weiterhin bestehen die äußeren Elektroden aus einem Silberanstrich. Siebe Elemente sind in eine dünne, einheitliche Masse übereinandergeschichtet. Betrieb und Anwendung solch einer piezoelektrischen Vorrichtung sind allgemein bekannt und in der Literatur festgelegt. Kurz angenommen, der Bimorph oder das Zweielementenstück bestehen aus einem Rechteck und das eine Ende werde fest in einer freitragenden Anordnung gehalten, biegt oder krümmt «ich das andere Ende in einem der Größe einer zwischen die Mitte und mindestens einer äußeren Elektrode angelegten Spannung proportionalem Ausmaß. Andererseits erhöht sioh das Ausmaß soloh einer Biegung, wenn entgegengesetzte Polaritätaspannungen swleohen der mittleren Elektrode und jeder der äußeren Elektroden angewendet werden. Bei anderen Anwendungen wird eine Signalepannung nur zwischen der mittleren Elektrode und einer äußeren Elektrode, d.h. durch eine Hälfte dee Bimorphen angelegt, um ein Surchbiegen des Bimorphen zu veranlassen, wenn das piezoelektrische Material in der anderen Hälfte des Bimorphen eine Spannung erzeugt, welche zwischen der Mitte und der anderen äußeren Elektrode erscheint, welche proportional dem Betrag an Biegung oder Durchbiegung ist. Sie Anwendung,von Wechselspannungen an die Elektro-

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ergibt in dem nicht unterstützten Ende des Bimorphen ein Hin- und Herbiegen synchron mit den allgemeinen sinusförmigen Änderungen der Eingangsspannungen. Wenn in gleicher Weise die Form des Bimorphen oder Zweielementstückes die einer abdichtungsringförmigen Scheibe ist und diese Scheibe um den äußeren Umfang herum abgestützt ist, bewegt sich ihr innerer Umfang etwa in Analogie mit der Biegung des oberen Teiles einer Zinnkanne hin und her.

Anwendungen dieser Funktion eines Bimorphen oder Zweielement-Stückes sind zahlreich. Es ist vorgeschlagen worden, daß die hin- und hergehende Bewegung des Bimorphen dazu verwendet wird, ein Abstimmelement in einer Mikrowellen- Resonanzkammer anzutreiben, und daß eine äußere leitende Elektrode des Bimorphen unmittelbar als ein Teil der Wand solch einer Kammer arbeitet.

Bei Anwendungen, wo eine abstimmbare Mikrowellenkammer von schnellem Ansprechen und eine Möglichkeit eines Vbrsehens eines Nachlaufsignales gewünscht sind, ist ein abstimmbares achsgleiches Hagnetron als eine wichtige Anwendung vorgeschlagen worden. Das achsgleiche Magnetron ist eine evakuierte Elektronenentladungsvorrichtung, welche sehr hochfrequente, elektromagnetische Schwingungen erzeugt.

Die Ausführungsform solch eines Magnetrons enthält eine Resonanzkammer , welche achsgleich einen Anodenblock des Magnetrone und innerhalb der evakuierten Umhüllung umgibt. Das Ausmaß solch einer

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Kammer hat eine bestimmte Wirkung auf die Frequenz der erzeugten Schwingungen. Somit sind Abstimmvorrichtungen für das koaxiale Magnetron vorgeschlagen worden, worin die Lage einer Wand dieser Kammer geändert wird, um das Ausmaß der Kammer zu vergrößern oder zu verkleinern mit dem Ergebnis einer Änderung (Erniedrigung oder Erhöhung) der Ausgangsfrequenz des Magnetrons, Der piezoelektrische Bimorph ist eine ideale Vorrichtung zum Bewegen oder Einstellen der Lage der Kammerwandung.

Darüber hinaus ist vorgeschlagen worden, daß eine der äußeren Elektroden des Bimorph oder Zweielementenstückes als die Kammerwandung oder ein Teil der Kammerwandung arbeitet, dessen Lage geändert werden soll. Da solch eine Elektrode eine geringe mechanische Trägheit besitzt, und das biezoelektrische Material sehr schnell reagiert, ist eine schnell ansprechende Kammerabstimmvorrichtung theoretisch möglich. Zusätzlich arbeitet, wie vorgeschlagen worden ist, die zwischen einer der äußeren Elektroden und der Mittelelektrode erzeugte Spannung als ein die spezifische Frequenz kennzeichnendes Nachlaufsignal, bei welcher das Magnetron in jenem Augenblick schwingend ist.

Die herkömmliche Ausführungsform von zur Verfugung stehenden Bimorphen oder Zwei element stück en schH.eßt jedoch ein, daß eine leitende Epoxyharzmischung die beiden piezoelektrischen Teile an die Mittelelektrode bindet, und sie schließt zusätzlich einen auf die piezoelektrischen Schichten als die äußeren Elektroden

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aufgebrachten Silberanstrich ein. In dieser Form ist der Bimorph zur Verwendung unter hohen Temperaturverhältnissen ungeeignet, welche während des Entgasungsschrittes des Magnetrons während der Evakuierung der Röhrenumhüllung vorherrschen. Das Epoxy zerfällt in Kohlenstoff und kohlehaltige Gase. Zusätzlich neigen Kohlepartikel in der Vakuumumgebung dazu, sich auf anderen Elementen innerhalb der Röhre niederzuschlagen, und das Epoxy bildet weiterhin kohlenstoffhaltige Grase. Solch ein Gaeen und Verkohlen hat nicht nur einen gegebenen Zerfall des Bimorphen, sondern auch ein zerstörendes Vakuum zur folge. Somit beeinträchtigt dieser ZerfallVorgang gegebenenfalls wesentlich die Betriebseigenschaften der Röhre.' Zusätzlich zerfällt der Silberanstrich auch allmählich und auf der Kathode des Magnetrons niedergeschlagene Beträge an Silber haben zur Folge, daß die Kathode viel von der Elektronen ausstrahlenden Eigenschaft verliert, welche für ein Arbeiten des Magnetrons notwendig ist.

Um die duroh Klebemittel, Epoxy und Silberanstrich hervorgerufenen Probleme zu vermeiden, ist es wünschenswert, daß ein Bimorph oder Zweit, ements tu ok ohne solche Materialien vereinigt wird. Gemäß einem wesentlichen Gesichtspunkt der Erfindung hat es sich herausgestellt, daß eine piezoelektrische Vorrichtung mit den gewünschten Eigenschaften erhalten wird, wenn wenigstens eine der Elektroden aus mehr als einer metallischen Schicht zusammengesetzt ist. Allgemein und gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung weist die Elektrode eine MetallZwischenschicht auf, welche eine Gestaltung hat, welche sich aus einem

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Zusammenpressen eines erhaben ausgearbeiteten oder gepressten Blattes oder einer Folie aus Metall zwischen zwei anderen Metallschichten und einer Diffusionsbindung des Blattes oder der Folie an die Schicht ergeht.

Somit kann die Erfindung als ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung definiert werden, bei welcher mindestens eine metallische Schicht auf solche Oberflächenteile eines Körpers von piezoelektrischem Material plattiert wird, welche Elektroden aufnehmen sollen, und mindestens eine weitere metallische Schicht auf eine aiiblatfcierte Schicht durch Diffusionsbindung unter der Anwendung von Hitze und Druck aufgebracht wird. Gemäß dem erwähnten besonderen Merkmal wird eine metallische Zwischenschicht verwendet, welche aus einer Metallfolie oder einem Metallblech gebildet und welche durch Zusammendrücken unter Hitzeanwendung zwischen einer plattierten Oberfläche des piezoelektrischen Materials und einer weiteren Metallschicht diffusionsgebunden wird, wobei die metallische Zwischenschicht vorzugsweise die Struktur eines erhaben ausgearbeiteten Bleches vor dem Diffusionsbindeschritt hat.

Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurden geeignete Metalle gefunden, welche auf das piezoelektrische Material platUert werden konnten und fest darauf befestigt blieben· Gute Ergebnisse wurden mit aufeinanderfolgenden Flatierungen des piezoelektrischen Materials mit dünnen Chron- und Kupferschichten

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und dann mit Gold erhalten. Diese besondere Folge von Metallschichten bildet eine Elektrode, welche gut an dem piezoelektrisehen Material anhaftet. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, daß anstelle einer mittleren Silberelektrode ein Molybdenblech pysikalische Eigenschaften hat, welche mit denen der piezoelektrischen Materialien, wie beispielsweise einem ähnlichen Koeffizienten an Wärmeausdehnung in Einklang stehen. Das Molybden kann mit Kupfer, das Kupfer seinerseits mit Gold plattiert werden, obgleich solche Goldplattierung wünschenswert ist, und es sind gute Ergebnisse auch da ohne erreicht worden. Die Theorie besteht darin, daß, wenn sowohl die Mittelelektrode und das piezoelektrische Material mit Materialien plattiert ist, welche durch ein Diffusionsbindeverfahren verbindbar waren, die Elemente gut auf diese Weise miteinander verbunden werden konnten, und das Klebemittel und Epoxy vollkommen vermieden werden könnte.

Bei der Bildung einer diffusionsgebundenen Einheit dieser Elemente ist jedoch eine genügend stabile Struktur schwierig zu erhalten. Das piezoelektrische Material ist etwas brüchig und hat eine unebene Oberfläche, und einige Metallelektroden wie beispielsweise das Molybdenblech sind verhältnismäßig unzusammendrückbar oder starr, wie man es anders bezeichnen kann. Auch können nicht einige kleine Beträge an Unebenheit in ihrer Oberfläche vermieden werden. Demzufolge bat das Verfahren der Vereinigung der aufeinanderfolgend aufplattierten Material-

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schichten bei dem Diffueionsbindeverfahren, d.h., die Anwendung einer großen Quetsch- oder Druckkraft auf die geschichteten Elemente in einer Umgebung mit hoher Temperatur oft ein Reißen der piezoelektrischen Schicht zur Folge.

Da sich zusätzlich der Bimorph oder das Zweielementstück im Betrieb biegen oder krümmen muß, muß ein Nachgeben oder eine Deformationskomponente zwischen der mittleren Elektrode und den anliegenden piezoelektrischen Schichten vorhanden sein. Bei den früheren Bimorphen oder Zweielementstücken wird dieses mittels Epoxyharz erreicht, welches die mittlere Elektrode und die piezoelektrischen Schichten miteinander zusammenklebt. Das Epoxy besitzt eine begrenzte Biegsamkeit. Bei der beschriebenen Anordnung jedoch einschließlich des kupferüberzogenen Molybdenbleches und der piezoelektrischen ohrom- kupfer- goldüberzogenen Schichten, versagten später während des Betriebes oft selbst solche Bimorphe oder Zweielementstücke, welche bei dem Diffusionsbindeverfahren ohne Reißen der piezoelektrischen Schicht erfolgreich miteinander geschichtet waren, weil die

eine

Bindung nicht ausreichend solch elnNachgeben oder/Elastizität erlaubte. Somit trennte sich entweder bei dem rechteckig geformten oder dem ringförmigen Bimorphen das piezoelektrische Material oft von der Mittelelektrode oder riß einfach bei einem normalen Biegen oder Krümmen.

Wie oben festgestellt, weist der Bimorph oder das Zweielementstück nach der Erfindung, welches jetzt zur Darstellung einer

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besonderen Ausführungsform ausgewählt ist, das herkömmliche Paar von dünnen, flachen Schichten aus piezoelektrischem Material auf, welches auf jede der Vorder- und Rliokseiten mit geeignetem elektrisch leitendem Metall aufplattiert ist. Eingeschichtet zwischen die piezoelektrischen Schichten ist eine geeignete Metallschicht, die Mittelelektrode, welche ein plattiertes Metallblech sein kann· Um dem endgültigen Produkt die gewünschte Biegsamkeit zu erteilen, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, zwischen dieser Elektrode und jeder der piezoelektrischen Schichten eine dünne Metallschicht anzuordnen, welche alt jeder der angrenzenden Metallschichten verbindbar ist, und eine waffelartige oder erhaben ausgearbeitete Gdtteroberfläohenausgestaltung hat. Hierbei soll der Ausdruck "waffelartige oder erhaben ausgearbeitete GitteroberflächenausgestaltungVursprünglich flaohen oder ebenen Bleches oder einer Folie beschreiben, welches so behandelt ist, daß es mit örtlichen Fläohenteilen versehen ist, welche aus der ursprünglichen Ebene des Bleches nach außen gebogen sind. Zweckmäßig ist eine große Anzahl solcher Flächenteile innerhalb der beiden zur Herstellung eines Bimorphen verwendeten Bleche geformt, und solche Erhebungen oder Warzen bildenden Flächenteile können in beiden Sichtungen vorspringen. Bas Aussehen eines solchen Bleohee wird weiter unten in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, und es wird darauf mit "erhaben ausgearbeitet" Bezug genommen.

Weiterhin weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die

*das Aussehen eines

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auf den piezoelektrischen Körper vor der Diffusionsbindung aufgebrachte Metallplattierung eine auf dem piezoelektrischen Material niedergeschlagene Ohromsohicht, eine auf der Oberseite des Chroms niedergeschlagene Kupferschicht und eine auf dem Kupfer niedergeschlagene Goldschicht auf. Die die beiden piezoelektrischen Schichten trennende Mittelelektrode besteht vorzugsweise aus einem Metall, welches geeignete pyhsikalische Eigenschaften hat, welche mit den Eigenschaften des piezoelektrischen Materials, wie beispielsweise einem Molybdenblech in Einklang stehen» Das Molybdenblech selbst ist auf jeder Seite mit einer dünnen Kupfermetallschicht plattiert. Darüber hinaus besteht die dünne, erhaben ausgearbeitete Schicht aus leitendem Material, welches ursprünglich das Aussehen einer Waffel hat, vorzugsweise aus Gold.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die plattierten Elemente, d.h. die plattierten piezoelektrischen Schichten und das zusätzlich plattierte Metallblech miteinander diffusionsgebunden. Mit anderen Worten, die Elemente sind unter hohem Druck und bei einer hohen Temperatur zusammengedrückt oder -gepresst. Bei diesem Verfahren wird natürlich die waffelartige, d.h. erhaben ausgearbeitete Gitterausgestaltung der erhaben ausgearbeiteten Schicht, welohe das Band bildet, gepresst oder gequetscht, wie es verschieden ausgedrückt werden kann. Eine Einheit oder eine Bindung wird durch Diffusion zwischen den Gold- und Kupferschichten auf den piezoelektrischen Schichten und dem erhaben ausgearbeiteten Blech oder einer Schicht auf

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dessen einer Seite und durch Diffusion zwischen der erhaben ausgearbeiteten Schicht und der Kupferplattierung auf dem Molybdenblech auf der anderen Seite der erhaben ausgearbeiteten" Schicht geformt.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.

Figur 1 zeigt in einem Querschnitt in auseinandergezogener Form das Verfahren nach der Erfindung und die anfängliche Schichtanordnung vor dem Verbinden der Elemente eines verbesserten Bimorphen.

Figur 2 ist ein schematiecher, erheblich vergrößerter Querschnitt des Bimorphen nach der Fertigstellung des Bindeverfahrens.

Figur 3 zeigt in schaubildlicher Ansicht die Form der erhaben ausgearbeiteten Bindeschicht.

Figur 1 zeigt im Querschnitt zwei dünne, ebene Schichten oder Scheiben 1 und 2 aus piezoelektrischem Material. Das piezoelektrische Material der Scheiben 1 und 2 ist ein 45 - 55#iges Gemisch aus Bleiairkonat und Bariumtitanat. Andere geeignete Materialien, wie beispielsweise PZI 4, PZT 5 oder LTT 1, welche Handelsbezeichnungen für piezoelektrische Verbindungen verkauft von der Firma Clevite Corporation, 3405 Perkins Avenue,

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Cleveland 14, Ohio, U.ö.A. sind, können dafür ersetzt werden. Jede der piezoelektrischen Scheiben 1 und 2 hat eine dünne Metallplattierung auf ihrer Vorder- und Rückseite. Diese Plattierung enthält eine aufplattierte Schicht 3 aus Chrom. Auf der Oberseite der Chromschicht 3 ist eine weitere dünne Metallplattierung aus Kupfer und aufplattiert auf das Kupfer 4 eine dünne Schicht 5 aus Gold vorhanden. Die gesamte Schichtung der Elemente, welche einen Bimorph oder ein Zweielementenstück bilden, ist selbst eine dünne Platte. Die bildliche Darstellung nach Figur 1 ist ganz erheblich vergrößert und ohne jede Proportion, um die Elemente der Erfindung besser darzustellen. Die tatsächliche Dicke einer piezoelektrischen Scheibe 1 oder 2 bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung liegt in der Größenordnung von 0,02 cm. Die Dicke der Chrpmschicht 3 liegt zwischen 50 bis 500 AngStrömeinheiten, die der Kupferplattierung 4 in der Größenordnung von 1000 - 2000 Angströmeinheiten und die der auf die Oberseite der Kupferschicht aufgebrachten Goldplattierung 5 in der Größenordnung von 10 - 50 Angströmeinheiten.

Die Metallplattierung des piezoelektrischen Materials kann mit jedem geeigneten Mittel durchgeführt werden. Es wird ein herkömmliches Ionenplattxerungsverfahren als besondere Form einer Dampfniederschlagung für diesen Zweck empfohlen.

Das die Schicht 6 bildende Metallblech betrifft die Mittelelektrode des Bimorph. Blech oder Folie 6 ist zu diesem Zweck

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aus Molybden gemacht, insoweit wie Molybden physikalische Eigenschaften wie beispieleweise ein Verhältnis, d.h. einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, welche mit den pysikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials verträglich sind. Demgemäß vermeidet diese Verträglichkeit übermäßige Wärmebeanspruchungen an der Bindungsstelle, d.h. der Zwischen- oder Grenzfläche zwischen den piezoelektrischen Schichten und der Mittelelektrode, welche durch verschiedene Geschwindigkeiten der Wärmeausdehnung zwischen ungleichen Materialien beeinflußt würde, wenn die Temperatur steigt. Eine dünne Kupfersohioht 7 ist auf die Vorder- und Bückseite des Molybdenblechee aufplattiert.

Zwischen eine Seite kupferplattierten Molybdenbleches 6 und der plattierten piezoelektrischen Scheibe 1 ist ein dünner Metallkörper, d.h. das erhaben ausgearbeitete oder gepresste Blech 8 geschichtet. In gleicher leise ist zwischen der anderen Seite des Molybdenbleches 6 und der plattierten piezoelektrischen Scheibe 2 ein zweiter dünner Metallkörper, d.h. das erhaben ausgearbeitete bzw. gepresste Blech 9 geschichtet. Wie aus Fig. 1, am beaten aber aus Pig. 3 zu ersehen ist, hat jedes der Bleche 8 und 9 eine Oberflächengestaltung, welche waffel- oder eierplattenartig in der üatur oder anders bezeichnet von eingepresster Gitteroberflachenauagestaltung ist, was wahrscheinlich am besten mit erhaben ausgearbeitetes Blech bezeichnet wird. Jedes der erhaben ausgearbeiteten Metallbleche 8 und 9 besteht vorzugsweise aus Gold.

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Figur 3 zeigt das waffel- oder eigerplattenartige, d.h. gepresste Gittermuater der erhaben ausgeprägten Goldbleche 8 und 9» welche bei der Ausführungaform und dem Verfahren nach den Fig. 1 und 2 benutst werden.

Wie bereits erwähnt worden ist, sind die Dimensionen des dargestellten Bimorphs oder des Zweielementenstückes zu Barstellungszwecken übertrieben. Kennzeichnende Abmessungen dieser Elemente, Blech und Plattierung, sind gegeben, um die Natur der Erfindung in ihrem eigentlichen Licht sehen zu können. Das Molybdenblech 6, vollplattiert ist in der Größenordnung von 0#o5cm in der Dicke, die Kupferplattierung 7 ist in der Größenordnung von 1000 - 2000 Angströmeinheiten, und das Waffel- bzw. Eierplattenmuster der erhaben ausgearbeiteten Goldbleche 8 und 9 reicht in seiner Dicke τοη 0,0018 cm, der tatsächlichen Dicke des Goldbleches vor dem Prägen, bis zu 0,0063 cm, der größten DiGke des Bleches gemessen von der Höhe einer Vorwölbung auf einer Seite bis zur Höhe einer Vorwölbung auf der anderen Seite des Bleches.

Wenn die Elemente in der in Figur 1 dargestellten Anordnung zusammengeschichtet sind, wird die auf diese Weise erhaltene Zusammenstellung in eine Kammer zum Verbinden der Elemente zusammen in eine einheitliche Masse gestellt. Dies wird durch ein Diffusionsbindeverfahren erreicht» Uni die Elemente durch Diffusion zusammenzubinden, werden die Elemente einer großes Druckkraft unterworfen und.gleichzeitig auf eine hohe Temperatur

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erhitzt. Das Verfahren ermöglicht es, daß verträgliche Elemente eines Metalles in das anliegende Metall diffundieren und eine feste Bindung oder Vereinigung zwischen den beiden Metallen bilden. Dieses Verfahren ist in Figur 1 schematisoh durch die Oberflächen der Platten 12 und 14 eines Spannstοckee und Thermometers 16 dargestellt, welches eine hohe Temperatur anzeigt.

Die Platten 12 und 14 werden zusammengebracht und die geschichtete Zusammenstellung zusammengedrückt, indem die Elemente unter einen hohen mechanischen Druck oder einem Klemmdruck gestellt werden. Dieser Druck kann in der Größenordnung von 1,4

ρ
- 5,6, zweckmäßig 2,8 kg pro cm sein. Die Temperatur, auf welche die Umgebung und damit die geschichtete Zusammenstellung während dieses Verfahrens erhöht wird, liegt in der Größen- . Ordnung von 600 - 65O⁰C. lach einer Zeitdauer unter diesem Druck und dieser Temperatur, ungefähr einer halben Stunde,wird die Temperatur gesenkt, der Klemmdruck entfernt, und die Schichtung jetzt als einheitliche Masse kann sich abkühlen.

Während des Diffusionsverfahrens diffundier-en die Goldechicht 5 und die Kupferschicht 4 zusammen und diffundieren weiter mit dem erhaben gearbeiteten Goldblech 8 auf einer seiner Seiten. Darüber hinaus diffundiert auf der anderen Seite das Goldblech 8 in die Kupierplattierung 7 auf dem Molybdenblech 6 und bildet die Einheit oder die Bindung zwischen jedem dieser Elemente.

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In gleicher Weise diffundiert oder breitet sich die Kupferschicht 7 auf der anderen Seite des Molybdenbleches in eine Seite des erhaben ausgearbeiteten Goldbleches 9 aus und verbindet die beiden fest miteinander, und die gegenüberliegende Seite des Goldbleches 9 diffundiert oder breitet sich in die Goldplattierung 5 und das Kupferblech 4 auf der piezoelektrischen Scheibe 2 aus und bildet zwischen diesen eine Einheit.

Während dieses Diffusionsverfahrens werden die waffel- oder eierplattenförmigen Goldbleche 8 und 9 etwas gedruckt oder abgeflacht, wie es gewünscht wird. Insofern, als das piezoelektrische Material sowohl spröde oder brüchig ist^als auch, wie besprochen eine verhältnismäßig ungerade Oberfläche hat, sieht diese Zusammendrückbar-keit oder dieses Federungsvermögen eine Spannungsentlastung oder Vergleichmäßigung für das piezoelektrische Material vor.

Somit ist ein Band oder eine Bindung für alle Teile der vorher plattierten piezoelektrischen Oberflächen hergestellt, ohne daß das Brechen oder Beißen des piezoelektrischen Materials

verursacht wird, welches andererseits eintritt, wenn man versucht, eine spröde, unebene Oberfläche mit einer spröden, unebenen Oberfläche wie beispielsweise das Molybdenblech 6 unter den während eines Diffusionsbindeverfahrens angewendeten großen Druckkräften zu verbinden. Darüber hinaus verbleibt trotz der Pressung oder Abflachung eine Biegefähigkeit oder Zusammendrückbarkeit bei dem Waffelmuster, d.h. den erhaben ausgearbeiteten

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Goldblechen 8 und 9 vorhanden, welche ein Nachgeben zwischen der plattierten piezoelektrischen Blechscheibe 1 und der plattier- -ten Molybdeninittelelektrode 6 mit ihrer Plattierung 7 ermöglicht, wenn sie beim Gebrauch hin- und hergebogen wird.

Bei dem fertiggestellten Bimorph oder Zweielementenstuck werden Beanspruchungen an der Einheit oder der Bindung zwischen der Mittelelektrode und den piezoelektrischen Schichten 1 und 2 bei dieser Ausführungsform auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

Herrn ein Versuch gemacht werden würde, die tatsächlich erreichte Wirkung zu erklären, muß zunächst festgestellt werden, daß die Ursache oder die Ursachen für diese Wirkung nicht gänzlich verstanden sind. Man könnte denken, daß die erhaben ausgearbeiteten Goldbleche 8 und 9 , obgleich sie etwas abgeflacht sind, in einem gewissen Ausmaß die ursprüngliche erhabene Form, natürlich mit erheblich reduzierten Ausnaßen der Erhebungen in dem Material beibehalten· Diese Annahme kann eine Erklärung für die Tatsache sein oder nicht, daß das endgültige Produkt eine verbesserte Biegsamkeit und damit ein verbessertes Anhaften der verschiedenen Elemente im Vergleich zu den früheren piezoelektrischen Vorrichtungen im allgemeinen und Bimorphen im besonderen zeigt.

Weiterhin könnte man lediglich als eine andere Erklärung, obgleich mit keinerlei Gewissheit, die Ansicht vertreten, daß

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während des beschriebenen Diffusionsbindeverfahrens etwas von der durch das erweichte Metall umgebenen Luft nicht entweicht, sondern zwischen den erhaben^ ausgearbeiteten Goldblechen und den beiden plattierten Zusammenstellungen eingeschlossen wird, mit welchen sie verbunden werden. Unter Berücksichtigung der hohen Temperatur, unter welcher das Verfahren durchgeführt wird, könnte man sich einbilden, daß, wenn die Bindung einmal beendet und das fertige Produkt abgekühlt ist, Niedrigdruckbereiche oder Leerräume an solchen Stellen verbleiben, wo Luft, welche nicht entweichen konnte, während des Verfahrens eingeschlossen worden ist. Das Vorhandensein solcher Lunker oder Leerräume, welche schematisch in Pigur 2 als die Bereiche 16 dargestellt sind, kann mit einer Erklärung für die verbesserten Eigenschaften des endgültigen Produktes abgeben.

Figur 2 zeigt schematisch und im Querschnitt die diffusionsgebundenen Elemente, welche den vervollständigten Bimorph oder

In das vervollständigte Zweielementenstück bild en./dies er Figur tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1.

Nach Vervollständigung der beschriebenen Zusammenstellung wird das piezoelektrische Material in der herkömmlichen Weise elektriaxt polarisiert» Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein elektrischer Strom in eine Richtung durch eins äußere und die mittlere Elektrode des Bimorph sum Polarisieren einer piezoelektrischen

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Schicht und ein elektrischer Strom in der entgegengesetzten Richtung zwischen der Mittelelektrode und der anderen äußeren Elektrode des Bimorphs zum Polarisieren der anderen piezoelektrischen Schicht läuft.

Da die Verwendung von kohlenstoffhaltigem Epoxymaterial bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung vermieden wird, sendet der Bimorph keine kohlenstoifhaltigen Grase aus, selbst wenn er für einen Betrieb in einer hohen Temperatur und einer hohen Vakuumumgebung installiert wird, so wie es sich bei Elektronenentladevorrichtungen herausgestellt hat. In gleicher Weise ermöglicht das Vermeiden eines Silberanstriches, daß der Bimorph innerhalb Elektronenentladevorrichtungen installiert wird, ohne ein Verseuchen oder Verschlechtern der Elektronenemittierend en Kathoden zu verursachen.

Zweckmäßigerweise gestattet die bei dem Verfahren verwendete, erhaben ausgearbeitete Metallschicht, wie sie beispielsweise mit der geprägten Gritteroberfläehenausgestaltung der Goldbleche 8 und 9 bezeichnet worden ist, die Verwendung des Verfahrens des Diffusionsbindens, um die geschichtete Zusammenstellung ohne unerwünschte Klebemittel oder Epoxyharze oder Materialien und ohne ein Reißen der piezoelektrischen Schicht miteinander zu binden. Darüber hinaus gestattet die die anfänglich erhaben ausgearbeitete Schicht während der Verwendung des Bimorphs, selbst wenn sie wahrscheinlich verformt ist, noch eine kleine,

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aber notwendige relative Bewegung zwischen dem piezoelektrischen Material und der Hittelelektrode, um die dazwischen während dee Biegens erzeugte Beanspruchung zu verringern und jedes Brechen oder Reißen des piezoelektrischen Materials zu vermeiden.

Bas bei der bevorzugten Ausführungeform der Erfindung verwendete Chrom ist ein leitendes Metall, von dem es sich herausgestellt hat ι daß es sich mit dem piezoelektrischen Material zufriedenstellender als Kupfer verbindet. Somit wird gemäß diesem besonderen Merkmal der Erfindung eine Schicht aus Chrom zunächst auf das piezoelektrische Material plattiert. Eine Kupferschient wird dann auf das Chrom plattiert. Die Goldschicht, welche darauffolgend auf die Oberseite der Kupferschicht plattiert wird, verhindert eine Oxydation des Kupfers, während das plattierte piezoelektrische Material vor dem vollständigen Zusammensetzen des Bimorphs aufbewahrt werden kann· Somit muß darauf hingewiesen werden, dall die Chrom- Kupfer- Gtoldplattierung, welche auf jede der piezoelektrischen Scheiben 1 und 2 bei der bevorzugten Aueführungsform aufgebracht wird, nur als Beispiel dient, da auch andere geeignete Plattierungskombinationen hierfür verwendbar sind.

Darüber hat sich herausgestellt, daß sich Gold sehr schnell in das Kupfer ausbreitet bzw. in das Kupfer diffundiert. Somit

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wird das waffel- oder eierplattenförmige, d.h. erhaben ausgearbeitete Blech zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem kupferplattierten Molybdenblech zweckmäßig aus Gold hergestellt. "Auch Kupfer plattiert sich gut auf Molybden, und, wie oben ge~ sagt worden ist, wird Molybden wegen seiner physikalischen Verträglichkeit mit verschiedenen piesoelektrischen Materialien bevorzugt. Sa jedoch Gold nicht gut mit Molybden diffus-ionsgebunden wird, ist die Kupferplattierung zuerst ein wesentliches Merkmal.

Es ist jedoch klar, daß ·β andere Materialien gibt, welche als innerste Schicht der als die Schicht 6 dargestellten Mittelelektrode dienen· Demgemäß bieten sich andere Elemente, welche zwischen der piesoelektrischen 1 oder 2 und der Mittelschicht 6 diffusionsgebunden werden können, von selbst für Fachleute an.

Demgemäß können solche Materialien für die bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung verwendeten ersetzt werden. Das Zwischenmaterial oder -blech beispielsweise 3 und 9 jedoch, wie ihre Zusammensetsung auch sein mag, soll ein erhaben ausgearbeitetes Oberflächenmuster haben, welches einem geprägten **itter gleicht, um die Beanepruohungsentlastung zwischen der verhältnismäßig starren oder unzusammendrückbaren Oberfläche dee Elektrodenmaterial» und dem brüchigen piezoelektrischen Material vorzusehen·

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Claims

L/p 6471 29. Okt. 68 B/ffe Patentansprüche

1. Piezoelektrische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden aus mehr als einer metallischen Schicht zusammengesetzt ist.

2. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Metallzwischenschicht (8, 9) mit einer Gestalt aufweist, welche sich aus dem Zusammenpressen eines erhaben ausgearbeiteten Blechmetalles zwischen zwei anderen Metallschichten und einem Diffusionsbinden des Bleches an die Schichten ergibt.

3. Piezoelektrische Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 ader 2, dadurch gekennzeichnet, deß das piezoelektrische Material die Form von mindestens einer flachen dünnen Platte hat, bei welcher die Elektroden an ihren größeren Oberflächen befestigt sind.

4. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ihren Aufbau als ein Bimorph oder Zweielementenetück, welches zwei flache^ Platten aus piezoelektrischem Material (1, 2) mit einer Mittelelektrode zwischen den beiden flachen Platten aus piezoelektrisch·» Material und zwei äußere Elektroden aufweist, und die Bittlere Elektrode zwei -von den metallischen Zwischenschichten (8, 9) enthält.

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5. Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht oder die metallischen Zwischenschichten (8, 9) aus Gold bestehen·

6. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet, durch Metallschichten (7) angrenzend an eine Metallawisohenschicht (8, 9)twelche ebenfalls aus Gold besteht·

7· Piezoelektrische Vorrichtung nach einem der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material mindestens eine erste Schicht (3) aus Chrom, eine angrenzende zweite Schicht (4) aus Kupfer auf der oder jeder ersten Schicht und eine dritte Schicht (5) aus Gk)Id auf der oder jeder zweiten Schicht (4) aufweist.

8. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schicht (5) aus Gold der Goldzwischenschicht (8 oder 9) benachbart ist.

9· Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden eine goldplattierte Molybdenschicht (6) enthält, deren Goldplattierung (7) an eine Goldzwisohenschicht (8, 9) angrenzt.

10· Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdenschicht (6) auf beiden Seiten

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goldplattiert ist und einen Teil der mittleren Elektrode des Bimorph bildet.

11. Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine metallische Schicht (3, 4, 5) auf diejenigen Oberflächenteile eines Körpers aus piezoelektrischem Material (1, 2) plattiert wird, welche Elektroden aufnehmen sollen, und mindestens eine weitere metallische Schicht (6, 7, 8, 9) auf eine aufplattierte Schicht durch Diffus-ionsbindung unter der Anwendung von Hitze und Druck aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine

aus einem Metallblech (8, 9) gebildete metallische Zwischenschicht durch Druck unter Hitzeanwendung zwischen eine plattierte Oberfläche des piezoelektrischen Materials und eine weitere Metall*· schicht diffusionagebunden wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Plattieren auf den Körper des piezoelektrischen Materials eine erste Schicht aus ^hrom, eine zweite Schicht aus Kupfer und eine dritte Schicht aus Gold aufgebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattierungsetufen zuerst auf die beiden Körper aus piesoelektrl-

■ schem Material angewendet werden, welche daraufhin zu einem

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Körper mit einer Metallschicht und zwei dazwischenliegenden, erhaben ausgearbeiteten Metallschichten vereinigt werden, und die Metallschicht, die dazwischenliegenden, erhaben ausgearbeiteten Metallschichten und die beiden inneren Plattierungen auf den piezoelektrischen Körpern die Mittelelektrode des auf diese Weise hergestellten Biaorphs bilden.

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