DE19744630C1 - Piezoelectric component production by sol-gel coating of a metal substrate - Google Patents

Piezoelectric component production by sol-gel coating of a metal substrate

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Abstract

Piezoelectric components are produced by applying a coating sol of a hydrated lead salt, zirconium and titanium alcoholates and a complexing agent onto an electrically conductive substrate, and then heat treating. Piezoelectric components are produced by: (a) preparing a storable solid precursor of a coating sol of a hydrated lead salt, a zirconium alcoholate and a titanium alcoholate by using a complexing agent and carrying out a hydrolysis reaction and vacuum extraction of solid constituents; (b) dissolving the solid precursor in a solvent; (c) applying the resulting sol as one or more layers on one or both sides of an electrically conductive substrate of steel, Ti, Cr, Ni or their alloys; (d) heat treating the layer(s); and (e) applying one or more electrodes onto the resulting thin ferroelectric layer or multilayer system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung von piezoelektrischen Bauelemen­ ten. Dabei können sowohl Aktoren, wie auch Sensoren unter Verwendung von piezoelektrischen Keramiken, die auf Substraten aufgebracht werden, erfindungsgemäß hergestellt werden. Solche Bauelemente sind auf den verschiedensten Gebieten der Technik einsetzbar.The invention relates to a method for manufacturing and the use of piezoelectric devices Both actuators and sensors can be used using piezoelectric ceramics that are applied to substrates, according to the invention getting produced. Such components are on the can be used in various areas of technology.

Piezoelektrische Bauelemente werden als Wandler auf den verschiedensten Gebieten der Technik mit erhebli­ cher technischer Bedeutung eingesetzt. So sind sie in der Lage, elektrische Energie in mechanische Energie und dabei insbesondere Verformungen umzuwandeln und können dabei sogenannte Aktoren sein. Entgegengesetzt hierzu können sie aber auch als Sensor eingesetzt werden, bei denen Verformungen, also mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann und ein proportionales Signal, das entsprechend verarbeitbar ist, gewonnen werden.Piezoelectric components are used as transducers the most diverse areas of technology with erhebli used technical meaning. So they are in able to convert electrical energy into mechanical energy and in particular convert deformations and can be so-called actuators. Opposite however, they can also be used as a sensor where deformations, i.e. mechanical Energy can be converted into electrical energy can and a proportional signal that corresponds accordingly is processable, can be obtained.

Zur Ausnutzung des Piezoeffektes werden wegen ihrer einfachen Herstellung und relativ unkomplizierten Formgebungsmöglichkeiten vor allem keramische, d. h. polykristalline Werkstoffe verwendet. Es ist bekannt, daß insbesondere hierfür verwendetes Bleizirkonatti­ tanat (PZT) geeignet ist. To take advantage of the piezo effect because of their simple manufacture and relatively straightforward Shaping options especially ceramic, d. H. polycrystalline materials used. It is known, that especially lead zirconium used for this Tanat (PZT) is suitable.  

Bei mechanischen Sensoren und Aktoren werden diese Elemente nach verschiedenen Prinzipien unterschieden. So sind Ausführungen als Bulk- oder Mehrschichtele­ ment möglich, die ein longitudinaler Aktor, ein transversaler Aktor oder ein Biegewandler sein kön­ nen.These are used for mechanical sensors and actuators Differentiated elements according to different principles. So are versions as bulk or multilayer elements ment possible, which is a longitudinal actuator, a can be a transverse actuator or a bending transducer nen.

Probleme ergeben sich insbesondere bei der Verwendung piezoelektrischer Keramiken, da deren Längenänderung im Bereich zwischen 0,1 bis 0,2% liegt und demzufol­ ge relativ klein ist, so daß die erforderliche aktive Länge eines Bulkelementes entsprechend groß sein muß, um eine erforderliche Auslenkung zu erzielen. Außer­ dem werfen die erforderlichen hohen Feldstärken im Bereich von 0,5 bis 1 kV/mm Probleme dadurch auf, daß sehr hohe Spannungen erforderlich sind (Hochspan­ nungserzeugung, Spannungsüberschläge). Mehrschicht- oder Stapelaktoren haben in der Regel eine geringe Schichtdicke und erfordern niedrigere Ansteuerspan­ nungen. Mit ihnen können relativ hohe Stellkräfte aufgebracht werden, wobei die erreichbaren Stellwege jedoch ebenfalls relativ klein sind. Üblicherweise liegen die Dicken der piezoaktiven Schichten im Be­ reich zwischen einigen 10 bis 100 µm (Dickschichten). Solche Wandler bestehen aus mehreren dünnen Keramik­ lagen mit zwischenliegend angeordneten Elektroden, wobei diese alternierend entgegengesetzt gepolt sind. Die erforderlichen Ansteuerspannungen liegen norma­ lerweise im 100-V-Bereich (Niederspannungsaktoren). Bei einer Verkleinerung der Schichtdicke könnte eine weitere Absenkung der Ansteuerspannung erreicht wer­ den. Solche Schichtdicken sollten im µm-Bereich (Dünnschichten) liegen.Problems arise especially when using it piezoelectric ceramics because of their change in length is in the range between 0.1 and 0.2% and accordingly ge is relatively small, so that the required active Length of a bulk element must be correspondingly large, to achieve a required deflection. Except throw the necessary high field strengths in the Range from 0.5 to 1 kV / mm problems due to the fact that very high voltages are required (high voltage generation, voltage flashovers). Multilayer or stack actuators are usually low Layer thickness and require lower control chip mentions. With them can be relatively high actuating forces are applied, the reachable travel but are also relatively small. Usually are the thicknesses of the piezoactive layers in the loading rich between a few 10 to 100 µm (thick layers). Such transducers consist of several thin ceramics with electrodes arranged in between, these are alternately polarized in opposite directions. The required control voltages are normal usually in the 100 V range (low-voltage actuators). If the layer thickness was reduced, a who further reduces the control voltage the. Such layer thicknesses should be in the µm range (Thin layers).

Die relativ kleine Dicke des Dielektrikums und die relativ große Fläche der Elektroden erfordert aber eine relativ hohe Kapazität, die mit hohen Ladeströ­ men verbunden ist. Nachteilig ist es weiter hierfür, daß ein relativ hoher Herstellungsaufwand für solche Wandler mit der erforderlichen großen Anzahl an dün­ nen Schichten verbunden ist.The relatively small thickness of the dielectric and the  but relatively large area of the electrodes required a relatively high capacity with high charging currents men is connected. Another disadvantage is that that a relatively high manufacturing cost for such Transducers with the required large number of thin NEN layers is connected.

Auch Biegewandler können aus einer oder mehreren pie­ zoelektrischen Schichten aufgebaut sein. Das Funk­ tionsprinzip dieser piezoelektrischen Materialien beruht auf der Querkontraktion bei der Polarisierung.Bending transducers can also be made from one or more pie zoelectric layers can be constructed. The radio tion principle of these piezoelectric materials is based on the cross contraction in polarization.

Etwas größere Stellwege sind bei diesen Bauformen mit einer verkleinerten Stellkraft erreichbar. Auch bei diesen Wandlern ist die Ansteuerspannung schichtdic­ kenabhängig und liegt im 100-V-Bereich.Slightly longer travel ranges are included with these designs reduced actuating power. Also at The control voltage of these converters is layered Depends on the branch and is in the 100 V range.

Die Wandler, die aus einer dünnen beidseitig mit Elektroden versehenen keramischen Folie gebildet sind, bezeichnet man als Monomorph. Mit trimorphen Ausführungen, bei denen zwei aktive Schichten in Kom­ bination verwendet werden, sind größere Auslenkungen erreichbar. In trimorphen Ausführungen werden zwei aktive Schichten mit einer passiven Einlage kombi­ niert. Wandler, bei denen Schichten-Elektrodenpaare stapelförmig angeordnet Verwendung finden, werden als Multimorph bezeichnet und es können damit erhöhte Stellkräfte erzielt werden. Einfluß auf die Eigen­ schaften solcher Biegewandler haben neben den spezi­ fischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials auch der Aufbau, die Abmessungen und die Materialei­ genschaften der verwendeten Einlage.The transducers, which consist of a thin on both sides Ceramic foil provided with electrodes are called monomorphs. With trimorphic Versions in which two active layers in com combination are used are larger displacements reachable. In trimorphic versions, two active layers with a passive insert comb kidney. Transducers in which pairs of layers and electrodes stacked are used as Called multimorph and it can be increased Actuating forces can be achieved. Influence on the own In addition to the speci fish properties of the piezoelectric material also the structure, the dimensions and the material properties of the insert used.

Als günstig hat sich die Kombination bei einer mono­ morphen Ausbildung eines solchen Biegewandlers in Kombination mit Stahl und bei einer trimorphen Aus­ führung mit einem weicheren Aluminium erwiesen.The combination with a mono has proven to be cheap morphic training of such a bending transducer in  Combination with steel and with a trimorphic out proven with a softer aluminum.

Aus T. Kikuchi, T. Tsurumi, Y. Ohba, M. Daimon; "Bending Actuator Using Lead Zirconate Titanate Thin Film Fabricated by Hydrothermal Method"; Jpn. J. Appl. Phys. 31 (1992) 3090 ist es bekannt, für solche Biegewandler keramische Dünnschichten zu verwenden, wobei diese über eine hydrothermale Methode auf ein Ti-Blech erzeugt werden. Das Blech aus Titan dient dabei als mechanische Unterstützung, Elektrode und Ti4+-Quelle.From T. Kikuchi, T. Tsurumi, Y. Ohba, M. Daimon; "Bending Actuator Using Lead Zirconate Titanate Thin Film Fabricated by Hydrothermal Method"; Jpn. J. Appl. Phys. 31 (1992) 3090 it is known to use ceramic thin layers for such bending transducers, these being produced on a Ti sheet using a hydrothermal method. The titanium sheet serves as mechanical support, electrode and Ti 4+ source.

Nach einer anderen Lösung, die von R. Noteboom, M. Sayer, D. A. Barrow; "Driven Structure using Piezoe­ lectric Coatings"; Preprint (1996) beschrieben wurde, ist eine Bleizirkonattitanat-Schicht auf einer dünnen Stahlmembran (0,075 mm) aus der Suspension eines ke­ ramischen Pulvers in einem Alkoholatsol entsprechen­ der Zusammensetzung hergestellt worden. Durch eine Übereinanderanordnung mehrerer Einzelschichten mit einer Dicke von ca. 1 µm wurde eine Gesamtschicht­ dicke von über 15 µm erreicht. Im Anschluß an eine Polierung der Schicht wurde auf diese eine Elektrode aufgebracht. Das so gebildete System konnte nach der Polung bei erhöhten Temperaturen und Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zu mechanischen Schwingun­ gen angeregt werden.Another solution, by R. Noteboom, M. Sayer, D.A. Barrow; "Driven Structure using Piezoe lectric coatings "; Preprint (1996), is a layer of lead zirconate titanate on a thin layer Steel membrane (0.075 mm) from the suspension of a ke ramischen powder in an alcohol sol of the composition. By a Stacking of several individual layers with A total layer became about 1 µm thick thickness of over 15 µm is reached. Following one The layer was polished onto this one electrode upset. The system formed in this way was able to Polarity at elevated temperatures and application of a alternating electrical field to mechanical vibration be stimulated.

Aus H. Daniel, K. R. Udayakumar, C. J. Gaskey, L. E. Cross, J. J. Bernstein, L. C. Nils; "Fabrication and Electrical Propertis of Lead Zirconate Titanate Thick Films"; J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 2189 ist es wei­ ter bekannt, elektromechanische Wandler für mikrome­ chanische Systeme auf der Basis von Silicium mit ei­ nem Sol-Gel-Verfahren auch als Mehrschichtsystem her­ zustellen.From H. Daniel, K.R. Udayakumar, C.J. Gaskey, L.E. Cross, J.J. Bernstein, L.C. Nils; "Fabrication and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate Thick Films "; J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 2189 it is white ter known electromechanical transducer for microme Chan systems based on silicon with egg  sol-gel process also as a multi-layer system to deliver.

Für die Herstellung piezoelektrischer Folien, die bei solchen piezoelektrischen Wandlern eingesetzt werden können, ist es üblich, diese durch Verformung feuch­ ter plastischer Massen herzustellen. Dabei werden keramische Ausgangspulver, die im gießfähigen Schlicker enthalten sind, durch verschiedenste Ver­ fahren, z. B. mittels einer Klinge (Rakel) auf einer glatten Unterlage zu dünnen Schichten ausgezogen. Die sogenannten Grünfolien werden im Anschluß daran ge­ trocknet, gestanzt, gesintert, elektrodiert und ge­ polt. Die Folien können gestapelt oder mechanisch mit einer Einlage verbunden werden, wie dies beispiels­ weise aus K. Ruschmeyer; "Piezokeramik"; Expert Ver­ lag, Renningen-Malmsheim (1995) hervorgeht.For the production of piezoelectric foils, which at such piezoelectric transducers can be used can, it is common to damp these by deformation ter plastic masses. In doing so ceramic starting powder, which in pourable Slips are included, through various Ver drive, e.g. B. by means of a blade (squeegee) on a smooth base pulled out into thin layers. The so-called green foils are then ge dries, punched, sintered, electroded and ge polt. The foils can be stacked or mechanically be connected to a deposit, such as this wise from K. Ruschmeyer; "Piezoceramic"; Expert Ver lag, Renningen-Malmsheim (1995) emerges.

Bei der Herstellung solcher Schichten mit keramischen Verfahren, wie z. B. Sintern, direkt auf Metallen oder metallisierten Keramiksubstraten, sind relativ hohe Temperaturen oberhalb 1000°C, die mit langen Halte­ zeiten verbunden sind, erforderlich. Hierfür ist auf die Möglichkeit der Absenkung der Sintertemperatur durch Additive und die Verwendung sehr beständiger Edelmetallelektroden in H.-J. Gesemann, L. Seffner, A. Schönecker; "PZT-Dickschichten auf Al2O3"; cfi Beihefte; Fortschrittsberichte der Deutschen Kerami­ schen Gesellschaft 10 (1995) 213 hingewiesen worden.In the production of such layers with ceramic processes, such as. B. sintering, directly on metals or metallized ceramic substrates, relatively high temperatures above 1000 ° C, which are associated with long holding times, are required. For this, the possibility of lowering the sintering temperature by additives and the use of very resistant noble metal electrodes in H.-J. Gesemann, L. Seffner, A. Schönecker; "PZT thick layers on Al 2 O 3 "; cfi booklets; Progress reports of the German Ceramic Society 10 (1995) 213.

Von S. B. Krupanidhi, N. Maffei, M. Sayer, K. El-As­ sad; "RF-Magnetron Sputtering of Ferroelectric PZT- Films"; Ferroelectrics 51 (1983) 93 und M. Shimizu, M. Fujimoto, T. Katayama, T. Shiosaki; "Growth and Characterization of Ferroelectric Pb(zr, Ti)O3 Thin Films by MOCVD Using a6 Inoh Single Wafer CVD System"; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 310 (1993) 255 ist auf die Möglichkeit der Erzeugung von Dünn­ schichten mittels bekannter PVD und CVD-Verfahren hingewiesen worden. Dabei bereitet es besondere Schwierigkeiten die Stöchiometrie in der Schicht ge­ nau einzuhalten und die erreichbaren Abscheidungsge­ schwindigkeiten sind relativ gering, so daß der Zeit­ aufwand relativ groß ist.By SB Krupanidhi, N. Maffei, M. Sayer, K. El-As sad; "RF Magnetron Sputtering of Ferroelectric PZT Films"; Ferroelectrics 51 (1983) 93 and M. Shimizu, M. Fujimoto, T. Katayama, T. Shiosaki; "Growth and Characterization of Ferroelectric Pb (zr, Ti) O 3 Thin Films by MOCVD Using a6 Inoh Single Wafer CVD System"; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 310 (1993) 255 has pointed out the possibility of producing thin layers by means of known PVD and CVD processes. It is particularly difficult to adhere precisely to the stoichiometry in the layer and the achievable Abscheidungsge speeds are relatively low, so that the time required is relatively large.

Naßchemische Verfahren, wie z. B. der Sol-Gel-Prozeß sind aus L. C. Klein (ed); "Sol-Gel Technology for Thin Films"; Fibers, Preforms and Specialty Shapes; Noyes Pub., New Jersey (1988) bekannt. Dadurch ist es möglich, die gewünschte Stöchiometrie einzuhalten und das Verfahren ist relativ einfach zu führen. Nachtei­ lig bei den bekannten naßchemischen Verfahren sind die mit einem Beschichtungsschritt erreichbaren nied­ rigen Schichtdicken im Bereich von 100 bis 200 nm, so daß relevante Schichtdicken erst durch Vielfachbe­ schichtungen erhalten werden können.Wet chemical processes, such as. B. the sol-gel process are from L. C. Klein (ed); "Sol-Gel Technology for Thin Films "; Fibers, Preforms and Specialty Shapes; Noyes Pub., New Jersey (1988). That’s it possible to adhere to the desired stoichiometry and the procedure is relatively simple to carry out. Night egg lig in the known wet chemical processes the low achievable with a coating step layer thicknesses in the range from 100 to 200 nm, so that relevant layer thicknesses only through multiple layers can be obtained.

Die naßchemische Herstellung sehr dünner Schichten, unterhalb einer Schichtdicke 1,0 µm auf verschieden­ sten Substraten ist beispielsweise aus K. D. Budd, S. K. Dey, D. A. Payne; "Sol-Gel Processing of PbTiO3 PbZrO3 PZT, and PLZT Thin Films"; Brit. Ceram. Proc. 36 (1985) 107 und M. Klee, R. Eusemann, R. Waser, W. Brand, H. von Hal; "Processing and Electrical Proper­ ties of Pb(ZrxTi1-x)O3 Films: Comparsion of Metallo­ organic Decomposition and Sol-Gel Process"; J. Appl. Phys. 72 (1992) 1566 bekannt. Dabei wird beispiels­ weise platiniertes Aluminiumoxid oder Silicium als Substrat verwendet. So haben auch H. Daniel, K. R. Udayakumar, C. J. Gaskey, L. E. Cross, J. J. Bernstein, L. C. Nils; "Fabrication and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate Thick Films"; J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 2189, mittels Mehrfachbeschichtungen einen Schichtstapel mit einer Gesamtdicke von 12 µm in 48 Beschichtungsschritten erhalten.The wet-chemical production of very thin layers, below a layer thickness of 1.0 μm, on a wide variety of substrates is known, for example, from KD Budd, SK Dey, DA Payne; "Sol-Gel Processing of PbTiO 3 PbZrO 3 PZT, and PLZT Thin Films"; Brit. Ceram. Proc. 36 (1985) 107 and M. Klee, R. Eusemann, R. Waser, W. Brand, H. von Hal; "Processing and Electrical Properties of Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 Films: Comparsion of Metallo organic Decomposition and Sol-Gel Process"; J. Appl. Phys. 72 (1992) 1566. For example, platinum-plated aluminum oxide or silicon is used as the substrate. So did H. Daniel, KR Udayakumar, CJ Gaskey, LE Cross, JJ Bernstein, LC Nils; "Fabrication and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate Thick Films"; J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 2189, using multiple coatings to obtain a layer stack with a total thickness of 12 μm in 48 coating steps.

R. A. Lipeles, N. A. Ives, M. S. Leung; "Sol-Gel Proces­ sing of Lead Zirconate Titanate Thin Films"; Aerospa­ ce Report No. ATR-85(8343)-2 haben auf ein weiteres Problem, das bei Stahlsubstraten vorhanden ist, hin­ gewiesen. Stahlsubstrate haben den Nachteil, daß un­ erwünschte Interdiffusionsreaktionen dazu führen, daß keine Schichten mit ausgeprägten ferro- und damit piezoelektrischen Eigenschaften erhalten werden kön­ nen.R. A. Lipeles, N. A. Ives, M. S. Leung; "Sol-gel processes sing of Lead Zirconate Titanate Thin Films "; Aerospa ce Report No. ATR-85 (8343) -2 have another one Problem that exists with steel substrates pointed. Steel substrates have the disadvantage that un desired interdiffusion reactions lead to the fact that no layers with pronounced ferro and therefore piezoelectric properties can be obtained nen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Her­ stellung piezoelektrischer Bauelemente vorzugeben, bei dem Schichten aus piezoelektrischen Keramiken auf einfache Art und Weise mit geringem Aufwand mit einer ausreichenden Gesamtschichtdicke aufbringbar sein sollen, so daß Bauelemente mit ausreichender Empfind­ lichkeit und Ansprechverhalten herstellbar sind.The object of the invention is to provide a method for to specify the position of piezoelectric components, in the layering of piezoelectric ceramics simple way with little effort with a sufficient total layer thickness can be applied should, so that components with sufficient sensitivity sensitivity and responsiveness can be produced.

Aus Schwartz Robert W., et al. "Sol-Gel Processing of PZT Thin Films; 1995, Vol. 7, Seiten 259-277 ist es bekannt, in einem Sol-Gel-Verfahren Alkoholate auf einem Substrat aufzutragen und einer Wärmebehandlung zu unterziehen.From Schwartz Robert W., et al. "Sol-Gel Processing of PZT Thin Films; 1995, vol. 7, pages 259-277 known to alcoholates in a sol-gel process to apply a substrate and a heat treatment to undergo.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in der untergeordneten An­ sprüchen genannten Merkmale. According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1 solved. Advantageous design tion forms and developments of the invention when using the in the subordinate To characteristics mentioned.  

Bei der Erfindung wird auf einem metallischen, vor­ zugsweise elastischen Substrat mittels eines naßche­ mischen Verfahrens mindestens eine ferroelektrische Dünnschicht im System Bleizirkonattitanat aufge­ bracht.In the invention is on a metallic, before preferably elastic substrate by means of a wet mix process at least one ferroelectric Thin layer applied in the system of lead zirconate titanate brings.

Hierfür soll ein Sol-Gel in bekannter Weise flächig, beispielsweise durch Tauchen, Sprühen, Rakeln auf das Substrat aufgebracht werden.For this purpose, a sol gel should be flat in a known manner, for example by dipping, spraying, knife coating on the Substrate are applied.

Das Beschichtungs-Sol wird aus einem wasserhaltigen Bleisalz (z. B. Bleiacetat-Trihydrat), Zirkonium- und Titanalkoholat (z. B. Zirkonium- und Titan-Propylat) unter Verwendung eines Komplexbildners (z. B. Acetyla­ ceton) und Durchführung einer Hydrolysereaktion er­ halten.The coating sol is made from a hydrous Lead salt (e.g. lead acetate trihydrate), zirconium and Titanium alcoholate (e.g. zirconium and titanium propylate) using a complexing agent (e.g. acetyla cetone) and performing a hydrolysis reaction hold.

Nach Durchführung der Hydrolysereaktion und Abziehen der flüchtigen Bestandteile wird im Vakuum eine feste, lagerstabile Vorstufe hergestellt. Diese pul­ verförmige Vorstufe kann bei Bedarf jederzeit in Lösungsmitteln gelöst und auf das Substrat schichtweise aufgebracht werden. Geeignete Lösungsmittel sind neben den bereits erwähnten Glyko­ len und Triethanolamin auch andere polare, gut benet­ zende Flüssigkeiten, wie z. B. Alkohole. Bei dieser Methode können die für die Beschichtung wichtigen Parameter, wie der Feststoffgehalt, die Viskosität und das Benetzungsverhalten besonders einfach vari­ iert und eingestellt werden.After performing the hydrolysis reaction and stripping the volatile components become one in a vacuum solid, storage stable precursor manufactured. This pul deformed preliminary stage can at any time if necessary Solvents and dissolved on the substrate be applied in layers. Suitable Solvents are next to the already mentioned Glyko oils and triethanolamine also other polar, well wetted zende liquids such. B. alcohols. At this Method can be important for the coating Parameters such as solids content, viscosity and the wetting behavior is particularly easy to vary be set and adjusted.

Nach dem Auftrag einer Schicht wird das beschichtete Substrat einer Wärmebehandlung über eine relativ kur­ ze Zeit von wenigen Minuten bei einer Temperatur von mindestens 500°C, bevorzugt bei Temperaturen von ca. 600°C unterzogen und dabei eine Pyrolyse und Tempe­ rung durchgeführt.After applying a layer, this is coated Heat treatment substrate over a relatively short period time of a few minutes at a temperature of at least 500 ° C, preferably at temperatures of approx.  Subjected to 600 ° C and pyrolysis and temp tion carried out.

Je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften des erfindungsgemäß herzustellenden piezoelektrischen Bauelementes können auf diese Art und Weise eine oder mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden.Depending on the application and desired properties of the Piezoelectric to be produced according to the invention Component can in this way one or several layers are applied one above the other.

Durch eine Dotierung mit kleinen Mengen anderer Ele­ mente können die piezoelektrischen Eigenschaften be­ einflußt werden, so daß eine Verbesserung bzw. Opti­ mierung erreichbar ist.By doping with small amounts of other el elements can be the piezoelectric properties be influenced, so that an improvement or opti is achievable.

In der bzw. den Dünnschichten sollte das Zr/Ti-Ver­ hältnis annähernd gleich sein, bevorzugt jedoch mit 0,53/0,47 eingestellt werden.The Zr / Ti ver ratio be approximately the same, but preferably with 0.53 / 0.47 can be set.

Überraschend hat sich nun gezeigt, daß bei den erfin­ dungsgemäß hergestellten Bauelementen auf Stahlsub­ straten die bisher bekannten Interdiffusionsreaktio­ nen vermieden bzw. sehr gering gehalten werden.Surprisingly, it has now been shown that the inventors components manufactured in accordance with the invention on steel sub disputed the previously known interdiffusion reaction nen avoided or kept very low.

Aus diesem Grunde können auch Stähle und insbesondere Edelstähle mit ihren bekannten guten federnden Eigen­ schaften als Substrat eingesetzt werden. Die jeweils verwendete Substratdicke kann dabei dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. So beeinflußt selbst­ verständlich die Substratdicke die erforderlichen Stellkräfte, die erreichbaren Stellwege und selbst­ verständlich auch die Empfindlichkeit und das An­ sprechverhalten. Nachdem der Schichtaufbau auf dem Substrat hergestellt worden ist, wird auf der Ober­ fläche der Schicht(en) mindestens eine Elektrode auf­ gebracht. Hierfür können sämtliche bekannten Be­ schichtungsverfahren im Vakuum eingesetzt werden. Be­ sonders geeignet hat sich dabei das Aufsputtern von metallischen Elektroden erwiesen. Die Elektroden kön­ nen aber auch flüssig mit anschließender Trocknung (z. B. leitfähige Farbe) durch chemische Abscheidung als Schicht oder als Einbrennpräparat auf Edelmetall­ basis aufgebracht werden.For this reason, steels and especially Stainless steels with their well-known good springy properties be used as substrates. The each used substrate thickness can the respective Use case to be adapted. So influenced yourself understandable the substrate thickness the required Actuators, the achievable travel ranges and yourself understandable also the sensitivity and the on speaking behavior. After the layer structure on the Substrate has been produced is on the upper surface of the layer (s) on at least one electrode brought. All known Be Layering processes can be used in a vacuum. Be  sputtering of is particularly suitable proven metallic electrodes. The electrodes can but also liquid with subsequent drying (e.g. conductive paint) by chemical deposition as a layer or as a stoving preparation on precious metal base applied.

Neben dem Stahl als Substrat können auch andere hoch­ schmelzende, oxidationsstabile Metalle, wie z. B. Ti­ tan, Chrom, Nickel oder Legierungen beschichtet wer­ den.In addition to steel as a substrate, others can also be tall melting, oxidation-stable metals, such as B. Ti tan, chrome, nickel or alloys the.

Bei beidseitiger Beschichtung eines Substrates ist es selbstverständlich erforderlich, auf beiden Seiten Elektroden aufzubringen. Das metallische Substrat bildet jedoch in jedem Falle eine Basiselektrode.It is when coating a substrate on both sides of course required on both sides Apply electrodes. The metallic substrate in any case forms a base electrode.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch ex­ trem dünne Schichten bis unter 200 nm Einzelschicht­ dicke hergestellt werden. Von besonderer Bedeutung ist es jedoch, daß typischerweise Einzelschichtdicken im Bereich zwischen 0,7 bis 1 µm erreicht werden kön­ nen. Damit lassen sich technisch relevante Schicht­ dicken < 1 µm einfach und mit wenigen Beschichtungs­ schritten aufbauen.With the method according to the invention, ex Extremely thin layers down to less than 200 nm single layer be made thick. Really important however, it is typically single layer thicknesses can be achieved in the range between 0.7 to 1 µm nen. This allows technically relevant layers thickness <1 µm easily and with few coatings build up steps.

Das leitfähige Substrat mit aufgebrachter piezoelek­ trischer keramischer Schicht und Elektrode bildet dann einen Kondensator.The conductive substrate with piezoelek applied tric ceramic layer and electrode forms then a capacitor.

Überraschenderweise weisen die erfindungsgemäß abge­ schiedenen Schichten, die für das Material Bleizirko­ nattitanat (PZT) typischen ferroelektrischen Eigen­ schaften auf (hohe elektrische Permittivität, ausge­ prägte ferroelektrische Hystereseschleife im elektri­ schen Wechselfeld), obwohl Stahlblech nach Literatur­ angaben als Substrat für PZT wenig geeignet ist und eine nachteilige Wirkung auf die ferroelektrischen Eigenschaften von PZT ausübt.Surprisingly, the abge according to the invention different layers for the material lead zirko nattitanate (PZT) typical ferroelectric properties create (high electrical permittivity, out coined ferroelectric hysteresis loop in electri  alternating field), although sheet steel according to literature is unsuitable as a substrate for PZT and an adverse effect on the ferroelectric PZT properties.

Darüber hinaus sind die Schichten auch ausgeprägt piezoelektrisch und obwohl die Schichten im Verhält­ nis zum passiven Substrat extrem dünn sind, tritt ein piezoelektrischer Effekt auf. Dieser läßt sich sogar ohne besondere technische Hilfsmittel akustisch oder optisch einfach nachweisen.In addition, the layers are also pronounced piezoelectric and although the layers in the ratio are extremely thin compared to the passive substrate piezoelectric effect. This can even be acoustically or without special technical aids easy to prove optically.

Bei den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauele­ menten sind sehr gute Temperaturwechselbeständigkei­ ten, sehr schnelle Auf- und Abkühlraten (schnelle Prozeßzyklen) durch die Verwendung der metallischen Substrate, wobei neben Stahl selbstverständlich auch andere elektrisch leitfähige Metalle Verwendung fin­ den können, zu verzeichnen. Die erfindungsgemäß her­ gestellten Bauelemente können dabei aber auch direkt beheizt werden (Widerstand oder Induktionsheizung), wenn dies erforderlich sein sollte.In the piezoelectric components according to the invention elements are very resistant to temperature changes very fast cooling and cooling rates (fast Process cycles) through the use of metallic Substrates, of course, in addition to steel other electrically conductive metals use fin that can list. According to the invention provided components can also directly are heated (resistance or induction heating), if this should be necessary.

Die piezoelektrischen Bauelemente können in den je­ weils erforderlichen Abmaßen aus den relativ großflä­ chig beschichtbaren Substraten durch konventionelle Trenn- und Verformungstechniken konfektioniert und bearbeitet werden. So können die einzelnen Bauelemen­ te beispielsweise ausgestanzt werden, ohne daß die aufgetragenen Schichten abplatzen oder in sonstiger Weise ungünstig beschädigt werden.The piezoelectric components can in each because required dimensions from the relatively large area conventional substrates Separation and deformation techniques assembled and to be edited. So the individual building elements te, for example, are punched out without the peeled off layers or in other Way damaged unfavorably.

Vorteilhaft ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren, daß nur kleine Mengen des vorbereiteten Sols benötigt werden und bereits technisch relevante Schichtdicken mit maximal vier Beschichtungsschritten erreicht werden können.It is advantageous in the method according to the invention ren that only small amounts of the prepared sol are needed and already technically relevant  Layer thicknesses with a maximum of four coating steps can be achieved.

Die herstellbaren Dünnschichten erlauben sehr flache Bauformen, die nur relativ kleine Ansteuerspannungen erfordern und auch als Sensor eine ausreichende Emp­ findlichkeit aufweisen.The thin layers that can be produced allow very flat layers Designs that only have relatively small control voltages require and a sufficient emp exhibit sensitivity.

Mögliche technische Anwendungsgebiete für erfindungs­ gemäß hergestellte Biegewandler sind z. B. mikromecha­ nische Stellglieder, optische Komponenten, pneumati­ sche Ventile oder Sensoren.Possible technical fields of application for fiction Bending transducers manufactured according to are z. B. micromecha African actuators, optical components, pneumatics valves or sensors.

Ein besonderes Anwendungsgebiet sind Akustikwandler. Bei den Akustikwandlern ist es vorteilhaft, daß durch die sehr geringe Schichtdicke eine weitere Miniaturi­ sierung von Schallerzeugern oder Sensoren erreichbar ist.Acoustic transducers are a special area of application. With acoustic transducers, it is advantageous that through the very thin layer thickness is another miniature of sound generators or sensors is.

Bei den erfindungsgemäß hergestellten piezoelektri­ schen Bauteilen können, obwohl das zu verwendende Metallsubstrat wesentlich dicker, als die aktive ke­ ramische Schicht ist, durch das Anlegen einer elek­ trischen Spannung zwischen der an der Oberfläche auf­ gebrachten Elektrode und dem als Basiselektrode die­ nenden Substrat eine für viele Anwendungen aus­ reichende Auslenkung erreicht werden. So können z. B. Auslenkungen von etwa 10 µm bereits ausreichend groß sein. Durch beidseitige Beschichtung des Substrates und nachfolgende Elektrodierung eines Metallsubstra­ tes (Ausbildung eines Trimorphs), können bei entspre­ chender Ansteuerung Auslenkungen eines so ausgebilde­ ten Biegewandlers in beide Richtungen erreicht wer­ den, wobei die maximale Auslenkung in die jeweilige Richtung gleich oder verschieden eingestellt werden kann.In the piezoelectric according to the invention components, although the one to be used Metal substrate much thicker than the active ke ramische layer is by applying an elek voltage between that on the surface brought electrode and the as the base electrode substrate for many applications sufficient deflection can be achieved. So z. B. Deflections of around 10 µm are already sufficiently large be. By coating the substrate on both sides and subsequent electroding of a metal substrate tes (formation of a trimorph), can correspond to Appropriate control deflections of such a trained ten bending transducer in both directions the, with the maximum deflection in the respective Direction can be set the same or different  can.

Durch Dotierungen des Bleizirkonattitanat können des­ sen piezoelektrischen Eigenschaften weiter verbessert werden.By doping the lead zirconate titanate sen piezoelectric properties further improved become.

Nachfolgen soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len beschrieben werden:The invention is intended to follow on exemplary embodiments len are described:

Beispiel 1example 1

Zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegewandlers wurde ein Substrat aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 mm mit einer Dreifachbeschichtung einer Bleizirkonattitanatschicht in einer Dicke von ca. 2,5 µm beschichtet. Die Fläche des Substrates und demzufolge auch der Basiselektrode betrug etwa 10 mm × 40 mm.For the production of a piezoelectric bending transducer was a substrate made of a steel sheet with a Thickness of 0.2 mm with a triple coating one Lead zirconate titanate layer in a thickness of approx. 2.5 µm coated. The area of the substrate and consequently also the base electrode was about 10 mm × 40 mm.

Auf die Aufgebrachte Beschichtung wurde eine Elektro­ de mit einer Fläche von mehreren cm2 aus Silber auf­ gesputtert.An electro de with a surface of several cm 2 of silver was sputtered onto the applied coating.

Nach Anlegen einer elektrischen Spannung (ca. 30 V) zwischen dem metallischen Substrat und der oberen Elektrode konnte die Bleizirkonattitanatschicht pola­ risiert werden.After applying an electrical voltage (approx. 30 V) between the metallic substrate and the top one Electrode was able to pola the lead zirconate titanate layer be standardized.

Obwohl nach Überschreitung von 30 V vereinzelt Durch­ schläge, durch die Beschichtung auftraten, konnte die Funktionalität des piezoelektrischen Bauteils nicht wesentlich beeinträchtigt werden und es konnten nur geringfügig lokale Zerstörungen der Elektrode ver­ zeichnet werden. Although occasionally through after exceeding 30 V the coating could cause the Functionality of the piezoelectric component is not be significantly affected and could only slight local destruction of the electrode ver be drawn.  

Ein so hergestelltes Bauelement wurde einseitig fest eingespannt und nach Anlegung einer Gleichspannung in der bereits genannten Größenordnung konnte eine deut­ liche Auslenkung des nicht eingespannten freien Endes des Bauelementes gemessen werden. Die durch Querkon­ traktion der piezoelektrischen Schicht bewirkte Aus­ lenkung lag dabei im Bereich zwischen 5 bis 10 µm.A component manufactured in this way became solid on one side clamped and after applying a DC voltage in the order of magnitude already mentioned was a significant one Liche deflection of the unclamped free end of the component can be measured. The through querkon traction of the piezoelectric layer caused Aus steering was in the range between 5 and 10 µm.

Durch Anlegen von Rechteckimpulsen folgte ein sehr rasches, frequenzabhängiges Umspringen des Biegewand­ lers zwischen zwei Positionen, das auch akustisch erfaßbar ist. Herkömmliche Wechselspannungen von etwa 50 Hz führen zu Vibration des erfindungsgemäß herge­ stellten monomorphen Biegewandlers. Bei höheren Fre­ quenzen können auch für das menschliche Ohr gut wahr­ nehmbare Töne erzeugt werden, die die Anwendung als Akustikwandler ermöglichen. Erstaunlicherweise traten diese Effekte auf, obwohl die Dicke der Beschichtung gegenüber dem Substrat sehr klein ist und demzufolge eine entsprechend auch akustisch wahrnehmbare Verfor­ mung überraschend auftrat.By applying rectangular pulses a very followed rapid, frequency-dependent jumping over of the bending wall lers between two positions, also acoustically is detectable. Conventional AC voltages of around 50 Hz lead to vibration of the invention presented monomorphic bending transducer. With higher fre sequences can also be true for the human ear acceptable tones are generated which the application as Enable acoustic transducers. Amazingly kicked these effects on even though the thickness of the coating compared to the substrate is very small and consequently a corresponding acoustically perceivable deformation unexpectedly occurred.

Das bei diesem Beispiel beschriebene piezoelektrische Bauelement kann aber auch als Sensor eingesetzt wer­ den, da bei mechanischer Verformung der gepolten Schicht erfaßbare elektrische Spannungen erzeugt wer­ den. So können Verformungen, Drücke oder Beschleuni­ gungen mit einem entsprechend ausgebildeten Sensor bestimmt werden.The piezoelectric described in this example Component can also be used as a sensor the, because with mechanical deformation of the poled Layer detectable electrical voltages generated who the. For example, deformations, pressures or accelerations conditions with a suitably trained sensor be determined.

Beispiel 2Example 2

Aus einem Substrat aus sehr dünnem Stahlblech mit einer Dicke von 0,05 mm wurde mittels einer Vierfach­ beschichtung eine Bleizirkonattitanatbeschichtung mit einer Dicke von ca. 3,0 µm aufgebracht. Dabei betrug der Durchmesser des runden Substrates 34,5 mm und auf die Oberfläche der Beschichtung wurde eine Elektrode aus Silber mit einem Durchmesser von 21,5 mm aufge­ sputtert.Made from a substrate made of very thin sheet steel a thickness of 0.05 mm was measured using a quadruple coating with a lead zirconate titanate coating  applied a thickness of approx. 3.0 µm. It was the diameter of the round substrate is 34.5 mm and the surface of the coating became an electrode made of silver with a diameter of 21.5 mm sputtering.

Ein so ausgebildetes piezoelektrisches Bauelement ist dann als Akustikwandler ohne weiteres einsetzbar.A piezoelectric component designed in this way is can then be used as an acoustic transducer without any problems.

Das so ausgebildete, als Akustikwandler verwendbare piezoelektrische Bauelement wurde aus einer großflä­ chig beschichteten Stahlfolie mit der genannten Dicke als rundes Stück ausgeschnitten bzw. ausgestanzt und in der Mitte mit der etwas kleineren Silberelektrode versehen.The so trained, usable as an acoustic transducer piezoelectric component was made from a large area steel film with the specified thickness cut or punched out as a round piece and in the middle with the slightly smaller silver electrode Mistake.

Nach Einspannung des so ausgebildeten Akustikwandlers in einem relativ stabilen runden Rahmen wurde über dünne Drähte, die mit den beiden Elektroden kontak­ tiert waren, eine Spannung von 30 V angelegt.After clamping the acoustic transducer designed in this way in a relatively stable round frame thin wires that contact the two electrodes a voltage of 30 V was applied.

Wurde eine entsprechende Wechselspannung (Dreieck, Rechteck oder Sinus) im Spannungsbereich zwischen 5 und 30 V bei Frequenzen zwischen einigen 10 Hz und mehreren kHz angeregt, konnte ein lauter und deutli­ cher Ton in der entsprechenden Frequenz erfaßt wer­ den, der auch für das menschliche Ohr hörbar ist.If a corresponding AC voltage (triangle, Rectangle or sine) in the voltage range between 5 and 30 V at frequencies between some 10 Hz and excited several kHz, could be a loud and clear cher tone in the corresponding frequency who detected the one that is also audible to the human ear.

Die akustischen Abstrahlungseigenschaften (Schall­ druck, Frequenzgang) lassen sich durch die Membranab­ messungen, das Verhältnis von Schicht- und Substrat­ dicke sowie durch die Gestaltung des Gehäuses (Helm­ holtz-Resonator) beeinflussen und optimieren.The acoustic radiation properties (sound pressure, frequency response) can be measurements, the ratio of layer and substrate thick as well as by the design of the housing (helmet holtz resonator) influence and optimize.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Bauelementen, bei dem in einem ersten Schritt eine lagerfähige feste Vorstufe eines Beschich­ tungssols aus einem wasserhaltigen Bleisalz, Zirkonium- und Titan-Alkoholat unter Verwendung eines Komplexbildners und Durchführung einer Hydrolysereaktion und Abziehen der festen Be­ standteile in Vakuum erhalten wird, die feste Vorstufe in einem Lösungsmittel gelöst, das so erhaltene Beschichtungssol flächig als Schicht oder in mehreren Schichten mindestens einseitig auf ein metallisches und elektrisch leitfähiges Substrat ausgewählt aus Stahl, Ti, Cr, Ni oder einer solchen Legierung hiervon, aufgebracht wird/werden, die erhaltene(n) Schicht(en) einer Wärmebehandlung unterzogen wird/werden und im Anschluß daran auf die Oberfläche der erhaltenen ferroelektrischen Dünnschicht oder eines Systems aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schich­ ten mindestens eine Elektrode aufgebracht wird.1. Process for the production of piezoelectric Components in a first step a storable solid preliminary stage of a coating sols from a water-containing lead salt, Zirconium and titanium alcoholate using a complexing agent and carrying out a Hydrolysis reaction and removal of the solid loading Components obtained in vacuum, the solid Precursor dissolved in a solvent, so coating sol obtained flat as a layer or in several layers at least on one side on a metallic and electrically conductive Substrate selected from steel, Ti, Cr, Ni or such an alloy thereof, applied will the obtained layer (s) of a Is / are subjected to heat treatment and in Connection to the surface of the obtained ferroelectric thin film or a system from several layers applied one after the other at least one electrode is applied. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Bleiacetat-Trihydrat, Zirkonium- und, Titan-Propylat sowie Acetylaceton als Kom­ plexbildner verwendet werden.2. The method according to claim 1, characterized indicates that lead acetate trihydrate, zirconium and, titanium propylate and acetylacetone as com plexers can be used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der/den Dünn­ schicht(en) ein annähernd gleicher Anteil Zirko­ nium und Titan eingestellt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the / the thin layer (s) an approximately equal proportion of zircon nium and titanium is set.   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zirkonium/Titan- Verhältnis 0,53/0,47 eingestellt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that a zirconium / titanium Ratio 0.53 / 0.47 is set. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung innerhalb weniger Minuten, bei einer Temperatur oberhalb 500°C durchgeführt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the heat treatment within a few minutes, at one temperature is carried out above 500 ° C. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode(n) im Vakuum aufgedampft oder aufgesputtert wird/wer­ den.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode (s) in Vacuum evaporated or sputtered on / who the. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode(n) als leitfähige Beschichtung flüssig, mit nachfolgen­ der Trocknung, als chemisch abgeschiedene Schichten oder als Einbrennungspräparat auf Edelmetallbasis aufgebracht wird/werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrode (s) as conductive coating liquid, with follow drying, as chemically deposited Layers or as a stoving preparation Precious metal base is / are applied. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Bau­ element(e) mittels eines Trennverfahrens aus einem großflächigen Substrat erhalten wird/wer­ den.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the / the construction element (s) by means of a separation process a large-area substrate is obtained / who the. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dünnschicht oder ein aus mehreren solcher Schichten gebilde­ tes Schichtsystem mit einer Dicke von mindestens 1 µm aufgebracht wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a thin layer or one formed from several such layers layer system with a thickness of at least 1 µm is applied.   10. Verwendung eines mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellten Bauelementes als piezoelektrischer Biegewandler.10. Use of a method according to the Claims 1 to 9 manufactured component as a piezoelectric bending transducer.
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