DE1807602C3 - Piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Vorrichtungen mit mindestens einer Platte aus piezoelektrischem Material und mindestens zwei Elektroden, von denen zumindest eine aus mehr als einer Metallschicht zusammengesetzt ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger piezoelektrischer Vorrichtungen.

Herkömmliche piezoelektrische Vorrichtungen, die hin- und hergehende Antriebsmechanismen in Form von Simorphen darstellen, bestehen aus zwei Schichten piezoelektrischen Materials auf entgegengesetzten Seiten eines stromleitenden Materials, z. B. Messing, das eine mittlere Elektrode darstellt, wobei Elektroden an den Außenseiten jeder piezoelektrischen Schicht in einer geschichteten Anordnung vorhanden sind. Die mittlere Elektrode ist mit einer Fläche einer jeden der beiden piezoelektrischen Schichten mittels stromleitender Epoxydharzmischungen befestigt. Weiterhin bestehen die äußeren Elektroden aus einem Silberauftrag. Diese Elemente sind miteinander zu einer dünnen, einteiligen Anordnung geschichtet. Arbeitsweise und Anwendung solcher piezoelektrischer Vorrichtungen sind allgemein bekannt. Hat der Bimorph Rechteckform und ist das eine Ende in einer frei tragenden Anordnung fest eingespannt, biegt oder krümmt sich das andere Ende in einem der Größe einer zwischen der mittleren und mindestens einer äußeren Elektrode angegebenen Spannung proportionalen Ausmaßes. Andererseits erhöht sich das Ausmaß einer derartigen Biegung, wenn Spannungen entgegengesetzter Polarität zwischen der mittleren Elektrode und jeder der äußeren Elektroden angelegt werden. Bei anderen Anwendungsfällen wird eine Signalspannung nur zwischen der mittleren Elektrode und einer äußeren Elektrode, d. h. durch eine Hälfte des Biniorph angelegt, damit der Bimorph sich durchbiegt, während das piezoelektrische Material in der anderen Hälfte des Bimorph eine Spannung erzeugt, die zwischen der mittleren und anderen äußeren Elektrode auftritt, welche proportional der Größe der Biegung oder Auslenkung ist. Das Anlegen von Wechselspannungen an die Elektrode ruft in dem nicht eingespannten Ende des Bimorph ein Hin- und Herbiegen synchron zu den sinusförmigen Änderungen der Eingangsspannungen hervor. Wenn die geometrische Form des Bimorph die einer beilagenförmigen Scheibe und diese Scheibe am äußeren Umfang eingespannt ist, bewegt sich entsprechend ihr innerer Umfang ähnlich der Biegung des oberen Teiles einer Blechkanne hin und her.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Funktion eines Bimorph sind vielfältig. Es ist vorgeschlagen wor-

f>5 den, die hin- und hergehende Bewegung des Bimorph zu verwenden, um ein Abstimmelement in einer Mikrowellen-Resonanzkammer zu steuern, und eine äußere, leitende Elektrode des Bimomh unmittelbar als Teil der

Wand einer solchen Kammer zu verwenden (US-PS 34 78 246. DTPS 17 66 418).

Wenn eine abstimmbare Mikrowellenkammer mit schnellem Ansprechverhalten und der Möglichkeit der Bildung eines Nachlaufsignals erwünscht ist, ist ein abstimmbares Koaxialmagnetron eine wichtige Anwendungsform.

Die Ausführungsform eines derartigen Magnetrons enthält eine Resonanzkammer, welche koaxial einen Anodenblock des Magnetrons innerhalb des evakuierten Gehäuses umgibt Die Dimensionen einer solchen Kammer haben einen bestimmenden Einfluß auf die Frequenz der erzeugten Schwingungen. So sind Abstimmvorrichtungen für das Koaxialmagnetron vorgeschlagen wotden, bei denen die Lage einer Wand dieser Kammer geändert wird, um die Größe der Kammer zu verändern und damit eine Änderung (Verringerung oder Erhöhung) der Ausgangsfrequenz des Magnetrons zu erzielen. Der piezoelektrische Bimorph ist eine ideale Vorrichtung zum Bewegen oder Einstellen der Lage der Kammerwandung.

Darüber hinaus ist vorgeschlagen worden, eine der äußeren Elektroden des Bimorph direkt als Kammerwandung oder als Teil der Kammerwandung, dessen Lage geändert werden soll, zu verwenden. Da eine derartige Elektrode einer sehr geringe mechanische Trägheit besitzt, und das piezoelektrische Material sehr rasch anspricht, ist eine schnell ansprechende Kamme^rabstimmvorrichtung theoretisch möglich. Zusätzlich wirkt wie vorgeschlagen worden ist, die zwischen einer der äußeren Elektroden und der mittleren tflektrode erzeugte Spannung als ein die spezifische Frequenz kennzeichnendes Nachlaufsignal, mit der das Magnetron in diesem Augenblick schwingt.

Der herkömmliche Aufbau bekannter Bimorphe schließt jedoch eine leitende Epoxydharzmischung zum Verbinden der beiden piezoelektrischen Teile mit der mittleren Elektrode und ferner einen auf die piezoelektrischen Schichten als die äußeren Elektroden aufgebrachten Silberauftrag ein. In dieser Form ist der Bimorph, aber auch jede andere piezoelektrische Vorrichtung, z. B. eine Ein-Kristallvorrichtung, zur Verwendung bei so hohen Temperaturbedingungen, wie sie während des Entgasens des Magnetrons beim Evakuieren des Röhrengehäuses vorherrschen, ungeeignet. Das Epoxyd zerfällt in Kohlenstoff und kohlenstoffhaltige Gase. Zusätzlich neigen Kohlenstoffpartikel in Vakuumumgebung dazu, sich auf anderen Elementen innerhalb der Röhre niederzuschlagen, und das Epoxyd bildet weiterhin kohlenstoffhaltige Gase. Ein Gasen und Verkohlen hat nicht nur einen Zerfall des Bimorph, sondern auch ein Zerstören des Vakuums zur Folge. Somit beeinträchtigt dieser Zerfallvorgang gegebenenfalls die Betriebseigenschaften der Röhre erheblich. Zusätzlich zerfällt der Silberauftrag auch allmählich, und auf der Kathode des Magnetrons niedergeschlagene Teile an Silber haben zur Folge, daß die Kathode einen erheblichen Teil ihrer Fähigkeit, Elektronen abzugeben, verliert.

Bei der Ausbildung einer piezoelektrischen Vorrichtung der eingangs angegebenen Art ist es schwierig, einen ausreichend stabilen Aufbau zu erzielen. Das piezoelektrische Material ist relativ brüchig und hat eine unebene Oberfläche, des weiteren sind Elektroden aus bestimmten Metallen, wie z. B. aus Molybdän, verhiilt- ⁽⁾5 nismäßig starr und inkompressibel. Infolgedessen treten bei einem Verbinden durch Diffusion verhältnismäßig hohe Quetsch- oder Druckkräfte auf die Elemente auf, die bei hohen Temperaturbedingungen häufig ein Reißen der piezoelektrischen Schicht zur Folge haben. Da die piezoelektrische Vorrichtung bzw. der Bimorph in Betrieb biegsam sein muß, wurden bei bekannten Anordnungen die mittlere Elektrode und die an diese anliegenden piezoelektrischen Schichten mittels Ep oxydharz verklebt, wobei die begrenzte !Elastizität de Epoxydharzes ausgenutzt wurde. In der Praxis haben jedoch derartige bekannte piezoelektrische Vorrichtungen keine ausreichende Elastizität ergeben, so daß bei rechteckförmigen oder ringförmigen Bimorphen das piezoelektrische Material oft von der mittleren Elektrode abgetrennt wurde oder einfach bei normalem Ausbiegen riß.

Um die durch Klebemittel, Epoxyd- und Silberauf trag auftretenden Probleme zu vermeiden, soll eine piezoelektrische Vorrichtung, z. B. ein Bimorph, ohne Verwendung dieser Materialien zusammengebaut werden Aufgabe vorliegender Erfindung ist es somit, eine piezoelektrische Vorrichtung zu schaffen, die für den Be trieb bei hohen Temperaturen und sehr hohem Vaku um geeignet ist, ohne daß ein Brechen, Reißen ode Zerspringen auftritt und ohne daß ein Entgasen eintritt

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß ein mittlere von mindestens drei Metallschichten, die zu sammen die eine Elektrode bilden, durch Zusammen pressen einer beidseitig erhaben ausgeprägten Metall folie zwischen den beiden anderen Metallschichten un ter Bildung einer Diffusionsverbindung entstanden is Eine derartige piezoelektrische Vorrichtung ist insbe sondere in der Mikrowellentechnik und hier speziel für Koaxialmagnetrone, geeignet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein piezoelektrische Vorrichtung mit zwei gesonderten fla chen Platten aus piezoelektrischem Material mit eine mittleren Elektrode zwischen diesen beiden Platten und zwei äußeren Elektroden vorgeschlagen, bei der di mittlere Elektrode mit zwei der mittleren Schichten versehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Vorrichtung wird eine Metallschicht auf die Oberflächen eines Gegenstandes aus piezoelektrischem Materia aufplattiert, die Elektroden aufnehmen sollen, und e wird mindestens eine weitere metallische Schicht aul eine aufplattierte Schicht durch Diffusionsverbindung unter Anwendung von Wärme und Druck aufgebrach Dabei ist wesentlich, daß Metalle verwendet werden die auf das piezoelektrische Material aufplattiert unc fest damit verbunden werden können.

So bestehen bei einer weiteren Ausgestaltung de Erfindung die mittlere Schicht bzw. die mittlerer Schichten aus Gold; es können jedoch auch die an eim mittlere Schicht angrenzenden Metallschichten au Gold bestehen. Das piezoelektrische Material weis vorzugsweise mindestens eine erste Schicht aus Chrom eine angrenzende zweite Schicht aus Kupfer auf de oder jeder ersten Schicht und eine dritte Schicht au Gold auf der oder jedsr zweiten Schicht auf. Dabe kann eine dritte Schicht aus Gold an die Goldschich anschließend ausgebildet sein.

Die spezielle Folge von Metallschichten ergibt eint Elektrode, welche einwandfrei an dem piezoelektri sehen Material haltet. Es hat sich ferner herausgestellt daß bei der mittleren Elektrode an Stelle von Silbe Molybdän physikalische Eigenschaften besitzt, die mi denen der piezoelektrischen Materialien, z. B. im Hin blick auf einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffi zienten, übereinstimmen. Das Molybdän kann mit Kup

fer, das Kupfer seinerseits mit Gold plattiert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß mindestens eine der Elektroden eine goldplattierte Molybdänschicht aufweist, deren Goldplattierung an eine solche Goldschicht anschließt. Dabei kann die Molybdänschicht auch auf beiden Seiten goldplattiert sein und einen Teil der mittleren Elektrode des Bimorph bilden. Die Materialien werden durch Diffusion aufgebracht und die Elemente auf diese Weise einwandfrei miteinander verbunden, so daß Klebemittel und Epoxydauftrag vollständig entfallen können.

Gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elementes der vorstehend angegebenen Art, wobei mindestens eine erste metallische Schicht auf diejenigen Oberflächenteile eines Körpers aus piezoelektrischem Material aufplattiert wird, welche Elektroden aufnehmen sollen, und mindestens eine weitere metallische Schicht auf eine aufplattierte Schicht durch Diffusionsverbindens unter Anwendung von Wärme und Druck aufgebracht wird, vorgeschlagen, daß während des Diffusionsverbindens eine beiderseitig erhaben ausgeprägte Metallfolie zwischen den ersten und zweiten Schichten zur Bildung einer dritten Schicht angeordnet wird. Die beiderseitig erhaben ausgeprägte Folie wird dabei vorzugsweise aus Gold hergestellt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäöen Verfahrens umfaßt der die erste Schicht ergebende Plattiervorgang insbesondere der Reihe nach das Aufbringen einer ersten Schicht aus Chrom, einer zweiten Schicht aus Kupfer und einer dritten Schicht aus Gold auf den Körper des piezoelektrischen Materials um die zweite Schicht, die vorzugsweise aus einer goldplattierten Molybdänfläche hergestellt ist.

Die beidseitig erhaben ausgeprägte Metallfolie bei der erfindungsgeimäßen piezoelektrischen Vorrichtung gibt dieser Vorrichtung die gewünschte Biegsamkeit; sie ist vorzugsweise waffelartig ausgebildet und aus einer ursprünglich flachen, ebenen Folie hergestellt, die an bestimmten Stellen aus der Ebene dieser Folie ausgebogen wird. Derartige Erhebungen können in beiden Richtungen aus der ursprünglicher. Ebene der Folie vorspringen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

F i g. 1 im Querschnitt in auseinandergezogener Darstellung das Verfahren nach der Erfindung und die anfängliche Schichtanordnung vor dem Verbinden der Elemente eines verbesserten Bimorph,

F i g. 2 einen schematischen, im Querschnitt erheblich vergrößerten Maßstab des Bimorph nach Beendigung des Bindeverfahrens,

F i g. 3 in schaubildlicher Ansieht die Form einer erhaben ausgearbeiteten Bindeschicht.

F i g. 1 zeigt im Querschnitt zwei dünne, ebene Schichten oder Scheiben I und 2 aus piezoelektrischem Material. Das piezoelektrische Material der Scheiben 1 und 2 ist z. B. ein 45 bis 55°/oiges Gemisch aus Bleizirkonat und Bariufntitanat.

Jede der piezoelektrischen Scheiben 1 und 2 besitzt einen dünnen Metallüberzug auf Vorder- und Rückseite. Dieser Überzug enthält eine aufplattierte Schicht 3 aus Chrom. Auf der Oberseite der Chromschicht 3 ist ein weiterer dünner Metallüberzug aus Kupfer vorhanden, und auf das Kupfer 4 ist eine dünne Schicht 5 aus Gold aufplaitiert. Die gesinnte Schichtung der Elemente, welche einen Bimorph bilden, stellt selbst eine dünne Platte dar. Die Darstellung nach F i g. 1 ist ganz erheblich vergrößert und in den Proportionen verzerr wiedergegeben, um die Elemente der Erfindung besse s darstellen zu können. Die tatsächliche Dicke einer piezoelektrischen Scheibe 1 oder 2 bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt in der Größenordnung von 0,02 cm. Die Dicke der Chromschicht 3 liegt zwischen 50 bis 500 Angströmeinheiten, die de

ίο Kupferüberzuges 4 in der Größenordnung von 1000 bi 2000 Angströmeinheiten und die Dicke des auf die Oberseite der Kupferschicht aufgebrachten Goldüberzuges 5 in der Größenordnung von 10 bis 50 Angström einheiten.

Der Metallüberzug aus piezoelektrischem Material kann auf beliebige Weise hergestellt werden. Es wird ein herkömmliches loncngalvanisierverfahren als besondere Form des Aufdampfverfahrens für diesen Zweck empfohlen.

Die die Schicht 6 bildende Metallfolie stellt die nitt lere Elektrode des Bimorph dar. Die Folie 6 besteht z> diesem Zweck aus Molybdän, da Molybdän physikali sche Eigenschaften, wie z. B. einen thermischen Aus dehnungskoeffizienten hat, die mit den physikalische Eigenschaften des piezoelektrischen Materials im Ein klang stehen. Dadurch werden übermäßige Wärmebe anspruchungen an der Verbindungsstelle, d.h. dei Grenzfläche zwischen den piezoelektrischen Schichte und der Mittelelektrode, vermieden, welche durch ver

yo schiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten zwi sehen ungleichen Materialien verursacht werden, wen die Temperatur steigt. Eine dünne Kupferschicht 7 is auf die Vorder- und Rückseite der Molybdänfolie auf plattiert.

.15 Zwischen einer Seite der mit Kupfer plattierten Mo lybdänfolie 6 und der plattierten piezoelektrische Scheibe 1 ist ein dünner Metallkörper, d. h. die erhabe gearbeitete oder gepreßte Folie 8 angeordnet. In glei eher Weise is» zwischen der anderen Seite der Molyb

dänfolie 6 und der plattierten piezoelektrischen Schei be 2 ein zweiter dünner Metallkörper, d. h. die erhabei gearbeitete bzw. gepreßte Folie 9 angeordnet Wie au: F i g. 1, am besten aber aus F i g. 3 zu ersehen ist, be sitzt jede der Folien 8 und 9 eine waffeiförmige Ober

flächengestaltung, oder anders ausgedrückt, eine m Erhebungen versehene gitterförmige Oberflächenge staltung, was als erhaben ausgearbeitete Folie bezeich net werden soll, jede der erhaben ausgearbeiteten Me tallfolien 8 und 9 besteht vorzugsweise aus Gold.

F i g. 3 zeigt das waffeiförmige, d. h. mit Erhebunge versehene Gittermuster der erhaben ausgearbeiteter Goldfolien 8 und 9, welche bei der Ausführungsforrr und dem Verfahren nach den F i g. 1 und 2 benutzt wer den.

Wie bereits erwähnt, sind die Dimensionen des dar gestellten Bimorph zu Darstellungszwecken übertrie ben gezeichnet. Typische Abmessungen dieser Elemen te. Blech und Plattierung, werden angegeben, um da: Wesen der Erfindung richtig wiederzugeben. Die Mo

lybdänfolie 6 ist vollständig plattiert, in der Größenord nung von 0,005 cm dick, der Kupferüberzug 7 hat eini Dicke in der Größenordnung von 1000 bis 2000 Ang Strömeinheiten, und das Waffelmuster der erhaben aus gearbeiteten Goldfolie 8 und 9 reicht in seiner Dicki

f-s von 0,0018 cm, der tatsächlichen Dicke der Goldfolie vor dem Prägen, bis zu 0,0063 cm der größten Dicki der Folie, gemessen von der Höhe einer Erhebung au einer Seite bis zur Höhe einer Erhebung auf der ande

A QM

ren Seite der Folie.

Wenn die Elemente in der in F i g. 1 dargestellten Anordnung übereinandergeschichtet worden sind, wird die aul diese Weise erhaltene Anordnung in eine Kammer gebracht, wo die Elemente zu einer einheitlichen Masse verbunden werden. Dies wird nach einem Diffusionsverfahren erreicht. Um die Elemente durch Diffusion miteinander zu verbinden, werden die Elemente einem hohen Druck ausgesetzt und gleichzeitig auf eine hohe Temperatur erhitzt. Dieses Verfahren bewirkt, daß miteinander verträgliche Elemente eines Metalles in das benachbarte Metall diffundieren und eine feste Bindung oder Vereinigung zwischen den beiden Metallen eingehen. Dieses Verfahren ist in F i g. 1 schematisch durch die Oberflächen von Platten 12 und 14 eines Spannstockes und ein Thermometer 16 dargestellt, welches eine hohe Temperatur anzeigt.

Die Platten 12 und 14 werden aufeinander zu bewegt und drücken die geschichtete Anordnung zusammen, wobei die Elemente einem hohen mechanischen Druck ausgesetzt werden. Dieser Druck kann in der Größenordnung von 1,4 bis 5,6, zweckmäßig bei 2,8 kg/cm² liegen. Die Temperatur, auf die die Umgebung und damit die geschichtete Anordnung bei diesem Verfahren aufgeheizt wird, liegt in der Größenordnung von 600 bis 650⁰C. Wenn dieser Druck und diese Temperatur ungefähr eine halbe Stunde aufgebracht worden sind, wird die Temperatur verringert, der Druck entfernt, und die Schichtung kann sich jetzt als einheitliche Masse abkühlen.

Während des Diffusionsverfahrens sind die Goldschicht 5 und die Kupferschicht 4 ineinander diffundiert und diffundieren weiter mit der erhaben gearbeiteten Goldfolie 8 auf einer der Seiten. Darüber hinaus diffun dien auf der anderen Seite die Goldfolie 8 in die Kupferplattierung 7 auf der Molybdänfolie 6 zur Ausbildung der Einheit oder Bindung zwischen jedem dieser Elemente.

In gleicher Weise diffundiert die Kupferschicht 7 auf der entgegengesetzten Seite der Molybdänfolie in eine Seile der erhaben ausgearbeiteten Goldfolie 9 und verbindet die beiden fest miteinander, und die gegenüberliegende Seite der Goldfolie 9 diffundiert in den Goldüberzug 5 und die Kupferfolie 4 auf der piezoelektrischen Scheibe 2 und bildet zwischen diesen eine Einheit.

Während dieses Diffusionsverfahrens werden die waffeiförmigen Goldfolien 8 und 9 etwas niedergedrückt oder abgeflacht. Da das piezoelektrische Material spröde ist und bei den kleinen Dimensionen eine verhältnismäßig unebene Oberfläche hat, ergibt diese Zusammendrückbarkeit oder Nachgiebigkeit eine Entlastung der Beanspruchung oder eine Vergleichmäßigung für das piezoelektrische Material.

Somit wird eine Bindung mit allen Teilen der vorher plattierten piezoelektrischen Oberflächen hergestellt, ohne daß das piezoelektrische Material springt oder bricht, was sonst der Fall ist, wenn man versucht, eine spröde, unebene Oberfläche mit einer starren, unebenen Oberfläche, wie z. B. das Molybdänblech 6, unter hohem Druck, wie er während eines Diffusionsbindeverfahrens herrscht, zu verbinden. Darüber hinaus verbleibt trotz der Pressung oder Flachdrückens eine gewisse Biegsamkeit oder Zusammendrückbarkeit in den waffeiförmigen, d.h. den erhaben ausgearbeiteten Goldfolien 8 und 9 vorhanden, die ein gewisses Nachgeben zwischen der plattierten piezoelektrischen Blechscheibe 1 und der plattierten, mittleren Molybdänelektrode 6 mit ihrer Plattierung 7 ergibt, wenn sie im Betrieb hin- und hergebogen wird.

Bei dem fertigen Bimorph werden Beanspruchungen an der Bindestelle zwis.chen der mittleren Elektrode und den piezoelektrischen Schichten 1 und 2 bei dieser Ausführungsform auf ein Minimum herabgesetzt.

Wollte mian versuchen, den tatsächlich erreichten Effekt zu erklären, müßte zunächst festgestellt werden, daß man sich über die Ursache oder die Ursachen für

ίο diesen Effekt nicht völlig im klaren ist. Man könnte daran denken, daß die erhaben ausgearbeiteten Goldfolien 8 und 9, obgleich sie etwas abgeflacht sind, in gewissem Grade die ursprüngliche erhabene Form, natürlich mit stark verringerten Abmessungen der Erhebungen, im Material beibehalten. Diese Annahme könnte eine Erklärung für die Tatsache sein oder auch nicht, daß das fertige Produkt eine verbesserte Biegsamkeit und damit ein verbessertes Haften der verschiedenen Bauteile im Vergleich zu bekannten piezoelektrischen Vorrichtungen im allgemeinen und Bimorphen im besonderen zeigt.

Weiterhin könnte eine andere Erklärung darauf basieren, daß während des beschriebenen Diffusionsbindeverfahrens etwas von der von dem erweichten Metall umgebenen Luft nicht entweicht, sondern zwischen den erhaben ausgearbeiteten Goldfolien und den beiden plattierten Anordnungen eingeschlossen wird, mit welchen es verbunden wird. Berücksichtigt man die hohe Temperatur, bei der das Verfahren durchgeführt wird, könnte man sich vorstellen, daß nach abgeschlossener Bindung und nach Abkühlung des fertigen Produktes Niedrigdruckbereiche oder Leerräume an solchen Stellen verbleiben, an denen Luft, die nicht entweichen konnte, während des Verfahrens eingeschlossen worden ist. Das Vorhandensein solcher Lunker oder Leerräume, die schematisch in F i g. 2 als Bereiche 16 dargestellt sind, kann zu den verbesserten Eigenschaften des endgültigen Produktes beitragen.

F i g. 2 zeigt schematisch und im Querschnitt die durch Diffusion miteinander verbundenen Bauteile, die den fertigen Bimorph bilden. In dieser Figur haben gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1.

Nach Fertigstellung der beschriebenen Anordnung wird das piezoelektrische Material in herkömmlicher Weise elektrisch polarisiert. Dies kann dadurch erfolgen, daß ein elektrischer Strom in einer Richtung durch eine äußere und die mittlere Elektrode des Bimorph zum Polarisieren einer piezoelektrischen Schicht und ein elektrischer Strom in der entgegengesetzten Richtung zwischen der mittleren Elektrode und der anderen äußeren Elektrode des Bimorph zum Polarisieren der anderen piezoelektrischen Schicht geschickt wird.

Da die Verwendung von kohlenstoffhaltigem Epoxydmaterial bei der Durchführung vorliegender Erfindung vermieden wird, gibt der Bimorph keine kohlenstoffhaltigen Gase ab, selbst wenn er in einer Umgebung hoher Temperatur und hohen Vakuums betrieben wird, wie dies bei Elektronenentladungsvorrichtungen der Fall ist In gleicher Weise ermöglicht das Vermeiden eines Silberanstriches, daß der Bimorph in Elektronenentladungsvorrichtungen betrieben werden kann, ohne daß ein Vergiften oder Zerstören der Elektronen emittierenden Kathoden die Folge wäre.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete, erhaben ausgearbeitete Metallschicht, die beispielsweise als geprägte Gitteroberflächenausgestaltung der Goldfolien 8 und 9 bezeichnet worden ist, ermöglicht die Verwendung des Verfahrens der Diffu-

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si'onsbindung, um die geschichtete Anordnung ohne unerwünschte Klebemittel oder Epoxydharze oder Materialien und ohne ein Reißen der piezoelektrischen Schicht miteinander zu binden. Darüber hinaus gestattet die anfänglich erhaben ausgearbeitete Schicht während des Betriebes des Bimorph, selbst wenn sie wahrscheinlich verformt jst, noch eine geringe, aber notwendige Relativbewegung zwischen dem piezoelektrischen Material und der mittleren Elektrode, um die dazwischen während des Auslenkens erzeugte Beanspruchung zu verringern und jedes Reißen des piezoelektrischen Materials zu vermeiden.

Das bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendete Chrom ist ein leitendes Metall, das mit dem piezoelektrischen Material besser als Kupfer bindet. Somit wird nach diesem besonderen Merkmal der Erfindung eine Chromschicht zunächst auf das piezoelektrische Material aufplattiert. Eine Kupferschicht kann dann auf das Chorm aufplattiert werden. Die Goldschicht, die anschließend auf die Oberseite der Kupferschicht aufplattiert wird, verhindert eine Oxydation des Kupfers, während das plattierte piezoelektrische Material vor dem vollständigen Zusammensetzen des Bimorph gespeichert werden kann. Die Chrom-Kupfer-Goldplattierung, die auf jede der piezoelektrischen Scheiben 1 und 2 bei der bevorzugten Ausführungsform aufgebracht wird, dient nur als Beispiel, und es können auch andere geeignete Plattierungskombinationen hierfür verwendet werden.

Darüber hinaus hat sich herausgestellt, daß Gold sehr schnell in das Kupfer diffundiert. Somit wird die waffeiförmige, d. h. erhaben ausgearbeitete Folie zwischen der piezoelektrischen Schicht und der kupferplattierten Molybdänfolie zweckmäßig aus Gold hergestellt. Auch kann Kupfer gut auf Molybdän aufplattiert werden, wie oben bereits erwähnt, wird Molybdän wegen seiner physikalischen Verträglichkeit mit verschiedenen piezoelektrischen Materialien bevorzugt. Da jedoch Gold nicht einfach mit Molybdän eine Diffusionsbindung eingeht, ist es zweckmäßig, die Kupferplattierung zuerst aufzubringen.

Es gibt jedoch auch andere Materialien, die als innerste Schicht der als die Schicht 6 dargestellten mittleren Elektrode dienen. Demgemäß bieten sich andere Elemente, welche zwischen der piezoelektrischen Schicht 1 oder 2 und der mittleren Schicht 6 diffusionsgebunden werden können, von selbst dem Fachmann an.
Somit können solche Materialien an Stelle der nach der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet werden. Das Zwischenmaterial oder die Zwischenfolie, wie z. B. 8 und 9, jedoch soll unabhängig von der Zusammensetzung ein erhaben ausgearbeitetes Oberflächenmuster besitzen, das einem geprägten Ghter gleicht, um die Beanspruchungsentlastung zwischen der verhältnismäßig starren oder nicht zusammendrückbaren Oberfläche des Elektrodenmaterials und dem spröden piezoelektrischen Material zu erzielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrische Vorrichtung mit mindestens einer Platte aus piezoelektrischem Material und mindestens zwei Elektroden, von denen zumindest eine aus mehr als einer Metallschicht zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere von mindestens drei Metallschichten (3 bis 9), die zusammen die eine Elektrode bilden, durch Zusammenpressen einer beidseitig erhaben ausgeprägten Metallfolie (F i g. 3) zwischen den beiden anderen Metallschichten unter Bildung einer Diffusionsverbindung entstanden ist

2. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 mit zwei gesonderten flachen Platten (1, 2) aus piezoelektrischem Material mit einer mittleren Elekjrode zwischen diesen beiden Platten und zwei äußeren Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Elektrode mit zwei der mittleren Schichten (8,9) versehen ist.

3. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht oder die mittleren Schichten (8, 9) aus Gold bestehen.

4. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an eine mittlere Schicht (8, 9) angrenzenden Metallschichten (7) aus Gold bestehen.

5. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, 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 Gold auf der oder jeder zweiten Schicht (4) aufweist.

6. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schicht (5) aus Gold an die Goldschicht (8 oder 9) anschließend ausgebildet ist.

7. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden eine goldplattierte Molybdänschicht (6) aufweist, deren Goldpiattierung (7) an eine Goldschicht (8,9) anschließt.

8. Piezoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänschicht (6) auf beiden Seiten goldplattiert ist und einen Teil der mittleren Elektrode des Bimorph bildet.

9. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Elementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine erste metallische Schicht auf diejenigen Oberflächenteile eines Körpers aus piezoelektrischem Material aufplattiert wird, welche Elektroden aufnehmen sollen, und mindestens eine weitere metallische Schicht auf eine aufplattierte Schicht durch Diffusionsverbinden unter Anwendung von Wärme und Druck aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Diffusionsverbindens eine beidseitig erhaben ausgeprägte Metallfolie (8, 9) zwischen den ersten und zweiten Schichten (3, 4, 5 bis 6, 7, 8, 9) zur Bildung einer dritten Schicht angeordnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig erhaben ausgeprägte Folie aus Gold hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch

gekennzeichnet, daß der die erste Schicht ergebende Plattiervorgang der Reihe nach das Aufbringen einer ersten Schicht aus Chrom, einer zweiten Schicht aus Kupfer und einer dritten Schicht aus Gold auf den Körper des piezoelektrischen Materials umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus einem goldplattierten Molybdänblech hergestellt wird.