DE19860001A1 - Piezoelektrisches Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung eines derartigen Bauelements - Google Patents

Abstract

Es wird ein piezoelektrisches Bauelement in Form eines Aktors (1) mit einem monolithischen Vielschichtstapel (11) vorgestellt. Der Stapel weist eine große aktive Querschnittsfläche und gleichzeitig eine hohe Überschlagfestigkeit zwischen benachbarten Elektroden (131, 132) unterschiedlicher Polarität auf. Zur Herstellung wird nach einem Sintern eines Stapels aus von übereinander angeordneten Piezokeramikschichten (12) und Elektrodenschichten (13) nur die Oberfläche (14) des Stapels (11) abgeschliffen, über die eine elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten (13) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Bauelement der genannten Art ist aus DE 196 15 694.7 bekannt. Neben dem Bauelement wird ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Verwendung eines derartigen Bauelements angegeben.

Ein piezoelektrisches Bauelement besteht beispielsweise aus einer Piezokeramikschicht, die beidseitig mit einer metalli­ schen Elektrodenschicht versehen ist. Wird an diese Elektro­ denschichten eine unterschiedliche elektrische Spannung ange­ legt, so reagiert die Piezokeramikschicht mit einer Gitter­ verzerrung. Als Folge davon expandiert und kontrahiert das Bauelement in einer Richtung, die durch die Anordnung der Piezokeramikschicht und der Elektrodenschichten bestimmt ist.

Aus DE 196 15 694 ist ein piezoelektrisches Bauelement in Form eines Piezoaktors in monolithischer Vielschichtbauweise bekannt. Der Piezoaktor weist einen Stapel alternierender Elektroden und Piezokeramikschichten auf. Eine Elektroden­ schicht dient jeder benachbarten Piezokeramikschicht als Elektrode. Dazu erfolgt eine elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten in einer alternierenden Polarität. Die alternierende Polarität wird mit Hilfe zweier Metallisie­ rungsstreifen erreicht, die seitlich am Stapel angebracht sind. Ein Metallisierungsstreifen erstreckt sich über eine Höhe, die sich aus übereinander gestapelten, piezoelektrisch aktiven Schichten des Stapels ergibt. Der Stapel verfügt über eine quadratische Grundfläche. Die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten erfolgt auf gegenüberliegenden Ecken des Stapels. Der Abstand von Elektrode zu Elektrode unter­ schiedlicher Polarität beträgt ca. 80 µm. Einer der Metalli­ sierungsstreifen ist mit jeder zweiten Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden und gegen jede dazwischen lie­ gende erste Elektrodenschicht isoliert. Dagegen ist der zweite Metallisierungsstreifen gegen jede zweite Elektroden­ schicht isoliert und mit jeder ersten Elektrodenschicht elek­ trisch leitend verbunden. Eine Isolierung einer Elektroden­ schicht gegenüber einer Metallisierung wird dadurch erreicht, daß die Elektrodenschicht in einem Bereich, in dem die Metal­ lisierung angebracht ist, eine Aussparung aufweist. In diesem Bereich ist der Piezoaktor piezoelektrisch inaktiv, da hier keine Gitterverzerrung durch Anlegen einer Spannung hervorge­ rufen werden kann.

Für die Funktionsfähigkeit eines beschriebenen Piezoaktors ist es wichtig, daß jede Elektrodenschicht im piezoelektrisch inaktiven Bereich elektrisch kontaktiert ist. Gleichzeitig ist es wichtig, daß in einem piezoelektrisch aktiven Bereich ein elektrisches Überschlagen oder ein Kurzschluß vermieden wird. Im piezoelektrisch aktiven Bereich findet durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten eine Gitterverzer­ rung statt. Ein Überschlagen kann zwischen benachbarten Elek­ trodenschichten oder einer Elektrodenschicht und einem belie­ bigen Elektrode des Piezoaktors auftreten. Ein Kurzschluß kann beispielsweise durch eine mechanische Beschädigung, eine Verschmutzung und eine Einwirkung von Luftfeuchtigkeit und/­ oder eines Betriebsstoffes (Diesel, Öl, etc.) hervorgerufen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie bei einem pie­ zoelektrischen Bauelement eine sichere elektrische Kontaktie­ rung jeder Elektrodenschicht hergestellt und gleichzeitig ein elektrisches Überschlagen zwischen Elektroden unterschiedli­ cher Polarität vermieden werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 1 angegeben. Gemäß dieser Lösung weist das Bau­ element einen Stapel aus mindestens zwei Keramikschichten und einer zwischen zwei Keramikschichten angeordneten Elektroden­ schicht auf, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kera­ mikschichten ein Zwischenraum vorhanden ist, der ein elek­ trisch isolierendes Material aufweist.

Das Bauelement ist beispielsweise in Piezoaktor, mit einem Stapel, der einen monolithischen Vielschichtverbund aus Kera­ mik- und Elektrodenschichten aufweist.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, ein piezo­ elektrisches Bauelement mit einer möglichst großen piezoelek­ trisch aktiven Querschnittsfläche anzugeben. Über diese Quer­ schnittsfläche findet eine Gitterverzerrung der Piezokeramik statt. Gleichzeitig soll aber ein elektrisches Überschlagen zwischen Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität ver­ mieden werden. Dies gelingt mit Hilfe eines angegebenen Zwi­ schenraums. Deshalb ist der Zwischenraum bevorzugt in einem piezoelektrisch aktiven Bereich des Stapels angeordnet. Der Zwischenraum vergrößert eine effektive Wegstrecke von Elek­ trodenschicht zu Elektrodenschicht unterschiedlicher Polari­ tät. Dadurch verringert sich beispielsweise die Wahrschein­ lichkeit dafür, daß durch eine Verschmutzung ein elektrischer Kurzschluß zwischen den Elektroden auftritt.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Zwischenraum ein­ seitig offen. Der Zwischenraum befindet sich an einer Seite des Stapels, insbesondere an einer Seite des piezoelektrisch aktiven Bereichs des Stapels.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Zwischenraum an einem Loch des Stapels angeordnet. Das Loch durchzieht den Stapel insbesondere senkrecht zur den Schichten des Stapels. Das Loch kann den Stapel ganz oder nur teilweise durchziehen.

Das Material des Zwischenraums weist beispielsweise ein Gas, insbesondere ein trockenes Gas auf.

In einer besonderen Ausgestaltung weist das Material des Zwi­ schenraums einen Kunststoff auf. Bevorzugt ist die gesamte seitliche Oberfläche des Stapels mit einer Schutzschicht aus Kunststoff versehen. Das Material des Zwischenraums ist dabei Bestandteil der Schutzschicht. Die Schutzschicht hat die Auf­ gabe, die empfindliche, piezoelektrisch aktive Oberfläche des Piezoaktors vor Beschädigung, Verschmutzung und Einwirkung von Luftfeuchtigkeit und Betriebsstoffen zu schützen. Gleich­ zeitig fungiert die Schutzschicht in einem Zwischenraum als Isolator.

Als Kunststoff eignet sich insbesondere ein Silikonelastomer. Für einen Einsatz des Piezoaktors beispielsweise in einem Diesel-Einspritz-System ist eine Elastizität der Schutz­ schicht in einem weiten Temperaturbereich von -40°C bis +150°C gefordert. Diese Spezifikation wird von einem Silikonela­ stomer erfüllt.

In einer besonderen Ausgestaltung verfügt der Stapel über eine Keramikschicht, die ein Bleizirkonattitanat (PZT, PbZr_xTi_1-xO₃) aufweist. Eine Elektrodenschicht weist dabei insbesondere einen Stoff auf, der aus der Gruppe Palladium und/oder Silber ausgewählt ist. Von besonderem Vorteil ist eine Legierung aus den genannten Stoffen mit einem Verhältnis von Palladium zu Silber von 30 zu 70. Ebenso ist eine Elek­ trode denkbar, die Kupfer und/oder Nickel aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird neben einem piezoelektrischen Bauelement ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektri­ schen Bauelements angegeben. Bei dem herzustellenden Bauele­ ment sind Keramikschichten und Elektrodenschichten so zu ei­ nem Stapel angeordnet, daß an einer seitlichen Oberfläche ei­ nes piezoelektrisch inaktiven Bereichs des Stapels die Schichten bündig abschließen. Das Verfahren ist durch fol­ gende Verfahrensschritte gekennzeichnet: a) Sintern eines Stapels aus mindestens zwei Keramikgrünfolien und einer da­ zwischen angeordneten Elektrodenschicht und b) Entfernen ei­ nes Materials einer Keramikschicht und/oder einer Elektroden­ schicht an einer seitlichen Oberfläche des inaktiven Bereichs des Stapels.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Entfernen durch Schleifen. Das Schleifen wird beispielsweise mit einem Diamantschleifwerkzeug durchgeführt. Eine relative Richtung des Schleifens kann in bezug auf eine Lage der Schichten des Stapels frei gewählt werden.

Insbesondere eine seitliche Oberfläche des piezoelektrisch aktiven Bereichs verbleibt in einem Zustand, wie er nach dem Sintern vorliegt (as fired). Diese Oberfläche des aktiven Be­ reichs wird also nicht abgeschliffen.

Vor dem Sintern wird ein Stapel aus Keramikgrünfolien und da­ zwischen angeordneten Elektrodenschichten hergestellt. Eine Herstellung dieses Stapels findet vorteilhaft im Nutzen (multi up) statt. Dabei werden größere Keramikgrünfolien und Elektrodenschichten übereinander zu einem Nutzenstapel ange­ ordnet. Aus diesem Nutzenstapel werden die einzelnen zu sin­ ternden Stapel abgetrennt. Dies erfolgt beispielsweise durch Schneiden, Stanzen oder Sägen. Dabei kann es zu einem Ver­ schmieren von Elektrodenmaterial auf den Seitenflächen des Stapels kommen.

Besonders vorteilhaft ist eine Kombination von Bleizirkonat­ titanat-Keramik und einem Elektrodenmaterial in Form einer Legierung aus Palladium und Silber. Im Verlauf des gemeinsa­ men Sinterns wird das Silber des an der Oberfläche des Sta­ pels verschmierten Elektrodenmaterials vollständig in die Bleizirkonattitanat-Keramik eingebaut. Auf der Oberfläche verbleiben lediglich Palladiuminseln, deren Größe zu gering ist, um als Auslöser für einen elektrischen Überschlag dienen zu können. Aufgrund eines Silbereinbaus in die Bleizirkonat­ titanat-Keramik, sowie eines veränderten Kornwachstums an ei­ ner freien Oberfläche eines Elektrodenmaterials zieht sich eine Elektrodenschicht im Verlauf des Sinterns etwas von der Seitenfläche des Stapels in das Innere des Stapels zurück (ca. 2-5 µm). Damit wird ein effektiver Abstand zweier be­ nachbarter Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität an der Oberfläche vergrößert. Eine Überschlagfestigkeit steigt, d. h., daß eine Wahrscheinlichkeit für einen Kurzschluß sinkt. Dieser Effekt kann durch ein speziell angepaßtes Sinterpro­ gramm noch verstärkt werden.

Unter einer reduzierenden Sinterbedingung läßt sich auch ein anderes Elektrodenmaterial wie Kupfer oder Nickel mit einem vergleichbaren Effekt verarbeiten.

Mit dem Verfahren kann ein piezoelektrisches Bauelement, ins­ besondere ein Piezoaktor mit einem monolithischen Viel­ schichtaufbau hergestellt werden. Ein derartiges piezoelek­ trisches Bauelement wird zur Ansteuerung eines Einspritzven­ tils, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftma­ schine verwendet.

Folgende Vorteile verbinden sich mit der beschriebenen Erfin­ dung:

• - Das piezoelektrische Bauelement zeichnet sich durch eine große aktive Querschnittsfläche und gleichzeitig durch eine hohe Überschlagfestigkeit im piezoelektrisch aktiven Bereich aus.
• - Eine Elektrodenschicht kann optimal elektrisch kontaktiert werden. Die Oberfläche des piezoelektrisch inaktiven Be­ reichs wird nur abgeschliffen. Eine daraus resultierende Rauhigkeit der Oberfläche verbessert eine Haftung einer Metallisierung auf der Oberfläche.
• - Es wird auf eine Behandlung der Oberfläche des piezoelek­ trisch aktiven Bereichs wie Polieren verzichtet. Dadurch reduziert sich in einem Herstellungsverfahren eine Anzahl an Verfahrensschritten (Polieren, Reinigungsschritte). Das Verfahren ist einfach und kostengünstig.
• - Nachdem nur die Oberfläche des inaktiven Bereichs abge­ schliffen wird, ist auch ein piezoelektrisch aktiver Be­ reich des Bauelements mit einer komplizierten Oberfläche möglich.
• - Die Oberfläche des piezoelektrisch aktiven Bereichs weist eine Rauhigkeit auf, die einen Haftung einer Schutzschicht aus Kunststoff begünstigt.
• - Bei einer nicht abgeschliffenen Oberfläche verringert sich im Vergleich zu einer abgeschliffenen oder polierten Ober­ fläche die Wahrscheinlichkeit dafür, daß sich an der Ober­ fläche ein Riß bildet, der zu einem Ausfall des piezoelek­ trischen Bauelements führen könnte.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Zeichnungen wird im folgenden ein piezoelektrisches Bauele­ ment in Form eines monolithischen Piezoaktors in Vielschicht­ bauweise und ein Herstellungsverfahren dieses Bauelements vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Fig. 1 zeigt einen Piezoaktor in monolithischer Vielschicht­ bauweise von der Seite.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines piezoelektrisch aktiven Bereichs eines Piezoaktors von der Seite.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines piezoelektrisch inakti­ ven Bereichs eines Piezoaktors von der Seite.

Fig. 4 zeigt einen Piezoaktor mit einem Loch von oben.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zur Herstellung eines piezo­ elektrischen Bauelements.

Fig. 6 zeigt ein Einspritzventil, in das ein Piezoaktor ein­ gebaut ist.

Der Piezoaktor 1 besteht aus einem monolithischen Stapel 11 von Piezokeramikschichten 12 und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 13 (Fig. 1). Eine Piezokeramikschicht 12 besteht aus einem Bleizirkonattitanat. Das Material einer Elektrodenschicht 13 umfaßt eine Palladium-Silber-Legierung mit einem Verhältnis von Palladium zu Silber von 30 zu 70. An einer seitlichen Oberfläche 14 des Stapels 11 ist ein Metal­ lisierungsstreifen 16 angebracht. Der Metallisierungsstreifen 16 ist aus einer eingebrannten Silberpaste. Der Metallisie­ rungsstreifen 16 kontaktiert nur jede zweite Elektroden­ schicht 13 des Stapels 11. Daraus resultiert ein piezoelek­ trisch inaktiver Bereich 17 des Stapels 11.

Die Oberfläche 14 des piezoelektrisch inaktiven Bereichs 17 ist abgeschliffen, d. h., daß die Piezokeramikschichten 12 und die Elektrodenschichten 13 an der Oberfläche 14 bündig ab­ schließen (Fig. 3). Die Schichten 12 und 13 bilden eine ebene Oberfläche 14. Die Oberfläche 18 des piezoelektrisch aktiven Bereichs 19 des Stapels 11 ist nicht abgeschliffen. Der Stapel 11 verfügt somit über zur seitlichen Oberfläche 18 hin offene Zwischenräume 20 zwischen zwei benachbarten Piezo­ keramikschichten 121 und 122.

Ein derartiger Zwischenraum 20 ist in Fig. 2 abgebildet. Der Zwischenraum ist mit einem Silikonelastomer 21 gefüllt. Mit Hilfe des Zwischenraums 20 ist der effektive Weg von Elek­ trode 131 zu Elektrode 132 unterschiedlicher Polarität beson­ ders groß. Außerdem fungiert das Silikonelastomer 21 als Iso­ lator. Die Wahrscheinlichkeit für ein elektrisches Überschla­ gen zwischen den beiden Elektroden 131 und 132 wird dadurch reduziert. Ebenso wird die Wahrscheinlichkeit für ein Über­ schlagen einer Elektrodenschicht 13 zu einer beliebigen Elek­ trode oder einem beliebigen elektrischen Anschluß des Bauele­ ments verringert.

Ein anderes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vor­ hergehenden dadurch, daß Stapel 11 des Piezoaktors 1 über ein Loch 22 verfügt, an dem der Zwischenraum 20 angeordnet ist (Fig. 4).

Aus Fig. 5 geht ein Herstellungsverfahren eines beschriebe­ nen Piezoaktors 1 in monolithischer Vielschichtbauweise her­ vor. In einem ersten Verfahrensschritt 301 wird ein Stapel aus Keramikgrünfolien und dazwischen angeordneten Elektroden­ schichten entbindert und gesintert. In einem weiteren Verfah­ rensschritt 302 wird nur die Oberfläche 14 abgeschliffen, die zu einer elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 13 vorgesehen ist. Dagegen bleibt eine Oberfläche 18 des pie­ zoelektrisch aktiven Bereichs 19 unbehandelt. Das Schleifen 302 erfolgt mit einem Diamantschleifwerkzeug.

Nach dem Schleifen 302 kann ein Passivieren des Piezoaktors erfolgen. Dabei wird die Oberfläche des Piezoaktors mit einer Schutzschicht aus einem Silikonelastomer überzogen. Während dieses Verarbeitungsschritts wird ein Zwischenraum 20 automa­ tisch mit dem Kunststoff gefüllt.

Ein Piezoaktor 1 in monolithischer Vielschichtbauweise wird zur Ansteuerung eines Einspritzventils 30 (Fig. 4) einer Brennkraftmaschine benutzt. Dabei ist der Piezoaktor bei­ spielsweise über einen Kolben 31 mit einer Düsennadel 32 des Einspritzventils 30 verbunden.

Claims (15)

1. Piezoelektrisches Bauelement (1) mit einem Stapel (11) aus

• - mindestens zwei Keramikschichten (12) und
• - einer zwischen zwei Keramikschichten (12) angeordneten Elektrodenschicht (13), dadurch gekennzeichnet, daß
• - zwischen den Keramikschichten (12) ein Zwischenraum (20) vorhanden ist, der ein elektrisch isolierendes Material (21) aufweist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Zwischenraum (20) in einem piezoelektrisch aktiven Bereich (19) des Stapels (11) angeordnet ist.

3. Bauelement Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zwischenraum (20) einseitig offen ist.

4. Bauelement einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Mate­ rial (21) ein Gas aufweist.

5. Bauelement einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Mate­ rial (21) einen Kunststoff aufweist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem der Kunststoff ein Silikonelastomer aufweist.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Keramikschicht (12) ein Bleizirkonattitanat aufweist.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Elektrodenschicht (13) einen Stoff aufweist, der aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Palladium und/oder Silber ausge­ wählt ist.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Stapel (11) einen monolithischen Vielschichtverbund auf­ weist.

10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Zwischenraum (20) an einem Loch (22) des Stapels (11) an­ geordnet ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauele­ ments, bei dem Keramikschichten (12) und Elektroden­ schichten (13) so zu einem Stapel (11) angeordnet sind, daß an einer seitlichen Oberfläche (14) eines piezoelek­ trisch inaktiven Bereichs (17) des Stapels (11) die Schichten (12, 13) bündig abschließen, insbesondere eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn­ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Sintern eines Stapels aus mindestens zwei Keramikgrünfo­ lien und einer dazwischen angeordneten Elektrodenschicht und

b) Entfernen eines Materials einer Keramikschicht und/oder einer Elektrodenschicht an einer seitlichen Oberfläche des inaktiven Bereichs des Stapels.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Entfernen durch Schleifen erfolgt.

13. Verwendung eines piezoelektrischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Ansteuerung eines Einspritz­ ventils (30), insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.