DE202022105191U1 - Piezoelectric component - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrisches Bauteil (1) umfassend eine piezoelektrische Schicht (4), die ein piezoelektrisches Keramikmaterial mit einer Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,8 kV/mm aufweist und ein Trägerelement (2), auf das die piezoelektrische Schicht (4) aufgebracht ist und mit dem die piezoelektrische Schicht (4) mechanisch gekoppelt ist.Piezoelectric component (1) comprising a piezoelectric layer (4), which has a piezoelectric ceramic material with a coercivity of at least 1.8 kV / mm and a carrier element (2) on which the piezoelectric layer (4) is applied and with which the piezoelectric layer (4) is mechanically coupled.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil, die Verwendung einer bleifreien Keramik in einem piezoelektrischen Bauteil und ein Herstellungsverfahren.The present invention relates to a piezoelectric component, the use of a lead-free ceramic in a piezoelectric component and a manufacturing method.
Verschiedene Anwendungen wie haptische Sensoren und Aktoren, akustische Sensoren und Aktoren, Ultraschallwandler oder Anwendungen zum „Energy Harvesting“ nutzen den piezoelektrischen Effekt aus. Die hierfür benötigten Piezoelemente werden in der Regel aus Variationen des keramischen Materials Blei-Zirkonium-Titanat (PbuZrvTiwOx), auch PZT genannt, gefertigt, wie beispielsweise im deutschen Patentdokument
Aufgrund dessen Materialeigenschaften müssen die Piezoelemente jedoch physikalisch zwingend eine gewisse Mindestdicke aufweisen und aufwändig prozessiert werden (hohe Sintertemperaturen, hoher Materialeinsatz).Due to its material properties, however, the piezo elements must physically have a certain minimum thickness and be processed in a complex manner (high sintering temperatures, high use of materials).
Zudem enthalten diese Elemente hohe Anteile des umweltschädlichen Schwermetalls Blei.In addition, these elements contain high levels of the environmentally harmful heavy metal lead.
Durch Verwendung alternativer Materialien wie piezoaktiver Kunststoffe oder bleifreier piezoelektrischer Keramiken können diese nachteiligen Eigenschaften kompensiert werden.These disadvantageous properties can be compensated for by using alternative materials such as piezo-active plastics or lead-free piezoelectric ceramics.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein alternatives piezoelektrisches Bauteil mit einer verbesserten piezoelektrischen Schicht bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide an alternative piezoelectric component with an improved piezoelectric layer.
Erfindungsgemäß wird ein piezoelektrisches Bauteil bereitgestellt, das eine piezoelektrische Schicht umfasst, die eine Koerzitivfeldstärke von mindestens 1,8 kV/mm und bevorzugt zwischen 2 und 10 kV/mm, bevorzugter zwischen 2 und 5 kV/mm aufweist. Weiterhin umfasst das Bauteil ein Trägerelement, auf das die piezoelektrische Schicht aufgebracht ist und mit dem die piezoelektrische Schicht mechanisch gekoppelt ist. Bevorzugt ist das Bauteil folglich so ausgestaltet, dass sich das Trägerelement und die piezoelektrische Schicht bei einer Anregung gemeinsam verformen.According to the invention, a piezoelectric component is provided which comprises a piezoelectric layer which has a coercivity of at least 1.8 kV/mm and preferably between 2 and 10 kV/mm, more preferably between 2 and 5 kV/mm. Furthermore, the component includes a carrier element to which the piezoelectric layer is applied and to which the piezoelectric layer is mechanically coupled. The component is therefore preferably designed in such a way that the carrier element and the piezoelectric layer deform together when excited.
Die Anregung kann insbesondere im Anlegen eines elektrischen Feldes an die piezoelektrische Schicht bestehen.The excitation can consist in particular in the application of an electric field to the piezoelectric layer.
In diesem Fall verformt sich die piezoelektrische Schicht und mit ihr das daran mechanisch gekoppelte Trägerelement, das somit als mechanischer Aktor fungiert.In this case, the piezoelectric layer deforms and with it the carrier element mechanically coupled to it, which thus functions as a mechanical actuator.
Wird das Trägerelement mechanisch verformt, z.B. durch mechanischen Druck oder Schallwellen, verformt sich auch die mechanisch daran gekoppelte piezoelektrische Schicht, sodass ein elektrisches Signal generiert wird. Das Bauteil fungiert dann als Sensor.If the carrier element is mechanically deformed, e.g. by mechanical pressure or sound waves, the piezoelectric layer mechanically coupled to it is also deformed, so that an electrical signal is generated. The component then functions as a sensor.
In beiden Fällen fungiert das Bauteil als Wandler zwischen mechanischer und elektrischer Energie.In both cases, the component acts as a converter between mechanical and electrical energy.
In einer Ausführungsform können zwei verschiedene Elektroden auf Oberflächen der piezoelektrischen Schicht aufgebracht sein. Im Betrieb weisen die beiden Elektroden bei Anliegen einer Spannung verschiedene Polaritäten auf.In one embodiment, two different electrodes can be applied to surfaces of the piezoelectric layer. During operation, the two electrodes have different polarities when a voltage is applied.
Mittels der Elektroden kann ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Schicht angelegt werden bzw. ein elektrisches Signal, insbesondere eine elektrische Spannung, von der piezoelektrischen Schicht abgegriffen werden.An electric field can be applied to the piezoelectric layer by means of the electrodes, or an electric signal, in particular an electric voltage, can be picked up from the piezoelectric layer.
Das Anlegen eines elektrischen Felds an die piezoelektrische Schicht kann insbesondere zu einer mechanischen Verformung der Schicht führen. Andererseits kann ein abzugreifendes elektrisches Signal durch mechanische Krafteinwirkung auf die piezoelektrische Schicht erzeugt werden.The application of an electric field to the piezoelectric layer can in particular lead to a mechanical deformation of the layer. On the other hand, an electrical signal to be tapped off can be generated by mechanical force acting on the piezoelectric layer.
Vorteilhaft sind die zwei Elektroden scheibenförmig und auf gegenüberliegenden Oberflächen der piezoelektrischen Schicht aufgebracht. Insbesondere können die zwei Elektroden vollflächig aufgebracht sein, sodass ein elektrisches Feld angelegt bzw. abgegriffen werden kann, das sich über die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schicht erstreckt. In einer Ausführungsform bedecken die Elektroden die genüberliegenden Oberflächen nicht vollständig, sondern es ist auf den Oberflächen ein Freirand, also ein Abschnitt frei von den Elektroden, um die Elektroden ausgeprägt.Advantageously, the two electrodes are disc-shaped and applied to opposite surfaces of the piezoelectric layer. In particular, the two electrodes can be applied over the entire surface, so that an electric field can be applied or tapped that extends over the entire thickness of the piezoelectric layer. In one embodiment, the electrodes do not completely cover the opposite surfaces, but rather a free edge, ie a section free of the electrodes, is formed around the electrodes on the surfaces.
Bevorzugt sind die piezoelektrische Schicht und mindestens eine der Elektroden kreisscheibenförmig. Der Radius der kreisscheibenförmigen piezoelektrischen Schicht und der der kreisscheibenförmigen Elektrode können hierbei gleich groß oder unterschiedlich groß sein. Bevorzugt ist der Radius der kreisscheibenförmigen Elektrode bis zu 500 µm kleiner als der Radius des kreisscheibenförmigen piezoelektrischen Elements.The piezoelectric layer and at least one of the electrodes are preferably in the form of a circular disk. The radius of the circular disk-shaped piezoelectric layer and that of the circular disk-shaped electrode can be the same size or different sizes. The radius of the circular disk-shaped electrode is preferably up to 500 μm smaller than the radius of the circular disk-shaped piezoelectric element.
In einer Ausführungsform erstreckt sich mindestens eine der Elektroden über die Seitenfläche und optional auch über die gegenüberliegende Oberfläche der piezoelektrischen Schicht, sodass die Elektrode auf beiden der gegenüberliegenden Oberflächen aufgebracht ist. Somit kann die Elektrode von beiden Seiten elektrisch angebunden werden. In einer Ausführungsform können beide Elektroden entsprechend ausgeführt sein. Die Elektroden dürfen aber nicht in direktem Kontakt zueinanderstehen.In one embodiment, at least one of the electrodes extends over the side surface and optionally also over the opposite surface of the piezoelectric layer, so that the electrode is applied to both of the opposite surfaces. Thus, the electrode can be electrically connected from both sides. In According to one embodiment, both electrodes can be designed accordingly. However, the electrodes must not be in direct contact with one another.
Das Trägerelement, das als Membran ausgeführt sein kann, ist bevorzugt elektrisch leitfähig und umfasst ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein Metall wie Messing, Aluminium, Titan, Kupfer oder einen Stahl, ein Kohlefasermaterial, etc. Alternativ kann das Trägerelement z.B. auch ein Kunststoffmaterial oder glasfaser-verstärkten Kunststoff (GFK) umfassen, das beispielsweise an der Oberfläche metallisiert ist oder das leitfähige Partikel enthält.The carrier element, which can be designed as a membrane, is preferably electrically conductive and comprises an electrically conductive material, for example a metal such as brass, aluminum, titanium, copper or steel, a carbon fiber material, etc. Alternatively, the carrier element can also be a plastic material or include glass fiber reinforced plastic (GRP), which is metallized, for example, on the surface or contains conductive particles.
Bevorzugt ist die piezoelektrischen Schicht bzw. eine der Elektroden auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht kraftschlüssig auf dem Trägerelement aufgebracht.The piezoelectric layer or one of the electrodes on the surface of the piezoelectric layer is preferably applied to the carrier element in a non-positive manner.
In einer Ausführungsform ist die piezoelektrische Schicht bzw. eine der Elektroden auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht stoffschlüssig auf dem Trägerelement aufgebracht. Beispielsweise ist hierzu eine Verbindungschicht aus einem Klebematerial zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Trägerelement vorgesehen. Das Klebematerial kann hierbei elektrisch nicht-leitend, anisotrop leitend, also bevorzugt in einer Richtung zwischen Trägerelement und Elektrode leitend und senkrechet dazu nicht leitend, oder leitend sein.In one embodiment, the piezoelectric layer or one of the electrodes on the surface of the piezoelectric layer is applied to the carrier element in a materially bonded manner. For this purpose, for example, a connecting layer made of an adhesive material is provided between the piezoelectric layer and the carrier element. The adhesive material can be electrically non-conductive, anisotropically conductive, ie preferably conductive in a direction between carrier element and electrode and non-conductive perpendicular thereto, or conductive.
In einer Ausführung sind die piezoelektrische Schicht und die darauf aufgebrachten Elektroden als kreisförmige oder elliptische Scheiben ausgebildet. Alternativ sind die piezoelektrische Schicht und die darauf aufgebrachten Elektroden als 3-, 4-, 5-, 6- oder n-Eck ausgebildet (n ist hier eine natürliche Zahl >6).In one embodiment, the piezoelectric layer and the electrodes applied thereto are designed as circular or elliptical discs. Alternatively, the piezoelectric layer and the electrodes applied to it are designed as 3, 4, 5, 6 or n corners (n is a natural number >6 here).
Bevorzugt umfasst das piezoelektrische Bauteil weiterhin ein Trägerelement, beispielsweise eine Membran, auf der die piezoelektrische Schicht aufgebracht sein kann. Die Membran kann wie die piezoelektrische Schicht kreisförmig ausgeführt sein oder auch eine andere Geometrie als die piezoelektrische Schicht aufweisen.The piezoelectric component preferably also includes a carrier element, for example a membrane, on which the piezoelectric layer can be applied. Like the piezoelectric layer, the diaphragm can be circular or have a different geometry than the piezoelectric layer.
Das Trägerelement bzw. die Membran ist bevorzugt eine der Elektroden, die auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Schicht aufgebracht sind. Das Trägerelement kann hierfür elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen. Das Trägerelement und die piezoelektrische Schicht sind beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, bevorzugt mit einem elektrisch leitfähigen Kleber, oder durch gemeinsames Sintern stoffschlüssig verbunden.The carrier element or the membrane is preferably one of the electrodes that are applied to a surface of the piezoelectric layer. The carrier element can have electrically conductive properties for this purpose. The carrier element and the piezoelectric layer are materially connected, for example, by soldering, welding, gluing, preferably with an electrically conductive adhesive, or by joint sintering.
Eine äußere elektrische Anregung, insbesondere die Applikation eines elektrischen Felds, beispielsweise über auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht aufgebrachte Elektroden, führt beispielsweise zu einer Kontraktion bzw. Expansion der Schicht aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Bevorzugt ist hierbei für eine überwiegende Anzahl der Anwendungen eine gerichtete Kontraktion oder Expansion in Richtung der Schichtdicke oder senkrecht dazu in Richtung einer Schichtebene. Grundsätzlich ist mit der hier vorgestellten Lösung aber auch eine Kontraktion oder Expansion in einer beliebigen anderen Richtung möglich.An external electrical excitation, in particular the application of an electrical field, for example via electrodes applied to the surface of the piezoelectric layer, leads, for example, to a contraction or expansion of the layer due to the piezoelectric effect. A directed contraction or expansion in the direction of the layer thickness or perpendicular thereto in the direction of a layer plane is preferred for a majority of applications. In principle, however, a contraction or expansion in any other direction is also possible with the solution presented here.
Hierzu wird ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Schicht angelegt, wodurch sich diese in ihrer Ausdehnung ändert. Beispielsweise wird hierzu eine elektrische Spannung an die auf zwei Oberflächen der Schicht aufgebrachten Elektroden angelegt.To do this, an electric field is applied to the piezoelectric layer, which changes its expansion. For this purpose, for example, an electrical voltage is applied to the electrodes applied to two surfaces of the layer.
Die durch die Änderung der Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht auf ein Trägerelement, wie beispielsweise auf eine Membran, wirkende Kraft führt zu einem Biegemoment und bewirkt eine Bewegung senkrecht zur Grundfläche des Bauteils, welche für die gewünschten Anwendungen genutzt wird.The force acting on a carrier element, such as a membrane, as a result of the change in the expansion of the piezoelectric layer leads to a bending moment and causes a movement perpendicular to the base area of the component, which is used for the desired applications.
Für eine Anwendung als Sensor gilt der beschriebene Sachverhalt umgekehrt. Das heißt, dass durch ein mittels einer Krafteinwirkung entlang der Hochachse hervorgerufenes Biegemoment in der piezoelektrischen Schicht eine messbare elektrische Spannung erzeugt wird, welche entsprechend ausgelesen bzw. abgegriffen werden kann.For an application as a sensor, the situation described applies in reverse. This means that a measurable electrical voltage is generated in the piezoelectric layer by a bending moment caused by the action of a force along the vertical axis, which voltage can be read out or tapped accordingly.
Damit das Bauteil aus piezoelektrischer Schicht und Trägerelement eine Auslenkung aus einer Ruhelage erreicht, soll sich die neutrale Phase des Bauelementverbundes innerhalb der piezoelektrischen Schicht befinden. Als neutrale Phase wird hierbei jene gedachte Linie, die keinerlei Deformation erfährt, bezeichnet.In order for the component made of piezoelectric layer and carrier element to achieve a deflection from a rest position, the neutral phase of the composite component should be located within the piezoelectric layer. The imaginary line that does not undergo any deformation is referred to as the neutral phase.
Dies wird insbesondere durch folgende Größen und Verhältnisse beeinflusst, die daher geeignet gewählt sein müssen: Dicke und Durchmesser der Schicht, Dicke und Durchmesser des Trägerelements, Verhältnis der Dicken von Schicht und Trägerelement, Verhältnis der Durchmesser von Schicht und Trägerelement, Mittelpunkt-Mittepunkt-Abstand von Schicht und Trägerelement, E-Modul von Schicht und Trägerelement, Poisson-Zahl von Schicht und Trägerelement, 3D-Geometrie von Schicht und Trägerelement, akustische Impedanz von Schicht und Trägerelement, Federkontante von Schicht und Trägerelement sowie Dicke und elastomechanische Eigenschaften einer Verbindungsschicht zwischen Trägerelement und piezoelektrischer Schicht.This is influenced in particular by the following variables and ratios, which must therefore be selected appropriately: thickness and diameter of the layer, thickness and diameter of the carrier element, ratio of the thicknesses of layer and carrier element, ratio of the diameters of layer and carrier element, center-to-center distance of layer and carrier element, Young's modulus of layer and carrier element, Poisson's ratio of layer and carrier element, 3D geometry of layer and carrier element, acoustic impedance of layer and carrier element, spring constant of layer and carrier element as well as thickness and elasto-mechanical properties of a connecting layer between carrier element and piezoelectric layer.
Zusätzlich zur Lage der neutralen Phase werden durch die oben genannten Größen auch folgende Eigenschaften eines piezoelektrischen Bauteils beeinflusst: zulässige Ansteuerspannung, Resonanzfrequenzen, zulässige Druck- und Zugspannungen für die Keramik, Blockierkraft, Güte, Impedanz, Kapazität und Ladungsgenerierung, akustische Impedanz, Federeigenschaften, mechanische Dämpfung, der Wirkungsgrad der Wandlung „elektrisch - mechanisch“, der Wirkungsgrad der Wandlung „mechanisch - elektrisch“ sowie Auslenkung und Beschleunigung.In addition to the position of the neutral phase, the following properties of a piezoelectric component are also influenced by the above-mentioned variables: permissible control voltage, resonance frequencies, permissible compressive and tensile stresses for the ceramic, blocking force, quality, impedance, capacity and charge generation, acoustic impedance, spring properties, mechanical Damping, the efficiency of the conversion "electrical - mechanical", the efficiency of the conversion "mechanical - electrical" as well as deflection and acceleration.
Insbesondere zeichnet sich die beschriebene piezoelektrische Schicht durch die genannte hohe Koerzitivfeldstärke aus, sodass bei ansonsten unveränderten Anforderungen die Dicke der piezoelektrischen Schicht im piezoelektrischen Bauteil verringert werden kann. So kann der Materialeinsatz im Produktionsprozess bei einer gleichen Funktionalität des Bauteils um ca. 30 Prozent reduziert werden. Dies führt zu geringeren Herstellungskosten und einem geringeren Rohstoffaufwand.In particular, the piezoelectric layer described is characterized by the high coercivity mentioned, so that the thickness of the piezoelectric layer in the piezoelectric component can be reduced with otherwise unchanged requirements. In this way, the use of materials in the production process can be reduced by around 30 percent with the same functionality of the component. This leads to lower manufacturing costs and lower raw material costs.
Somit eignet sich die beschriebene piezoelektrische Schicht bevorzugt zur Herstellung dünnschichtiger piezoelektrischer Bauteile.The piezoelectric layer described is therefore preferably suitable for the production of thin-layer piezoelectric components.
Weiterhin ist die Sintertemperatur zur Herstellung der beschriebenen Schicht aus einer Grünschicht gering, sodass deren Herstellung mit weniger Energieaufwand und somit kostengünstiger durchgeführt werden kann.Furthermore, the sintering temperature for producing the described layer from a green layer is low, so that it can be produced with less energy expenditure and thus more cost-effectively.
Die Sintertemperatur beträgt beispielsweise weniger als 1030 °C und insbesondere zwischen 900 °C und 1030 °C.The sintering temperature is, for example, less than 1030°C and in particular between 900°C and 1030°C.
Somit eignet sich die Grünschicht besonders für das Aufbringen und anschließende gemeinsame Sintern mit Trägerelementen bzw. Membranen, die empfindlich gegenüber höheren Temperaturen sind,Thus, the green layer is particularly suitable for the application and subsequent joint sintering with carrier elements or membranes that are sensitive to higher temperatures,
Die beschriebene Grünschicht eignet sich weiterhin zur Ausbildung von Keramikfolien, sodass eine piezoelektrische Schicht mit einer gewünschten geringen Schichtdicke einfach durch Folientechnologie, also durch Stapeln und Verpressen vorgefertigter Folien, realisiert werden kann. Die piezoelektrische Schicht kann auch nur eine Folie, mit entsprechender Dicke, umfassen. Durch Verwendung einer einzigen dicken Folie kann auf das Stapeln und Verpressen verzichtet werden, wodurch sich der Herstellungsprozess vereinfacht. Auf spanende Verfahren wie Schleifen oder Läppen zum Erreichen eines Sollwertes für die Dicke kann im vorliegenden Fall verzichtet werden. Dies ermöglicht eine weitere Material- und Ressourceneinsparung im Herstellungsprozess und verringert die Anzahl der hierfür benötigten Arbeitsschritte.The green layer described is also suitable for the formation of ceramic foils, so that a piezoelectric layer with a desired small layer thickness can be realized simply by foil technology, ie by stacking and pressing prefabricated foils. The piezoelectric layer can also only comprise a foil with a corresponding thickness. The use of a single thick film eliminates the need for stacking and pressing, simplifying the manufacturing process. In the present case, machining processes such as grinding or lapping to achieve a target value for the thickness can be dispensed with. This enables further material and resource savings in the manufacturing process and reduces the number of work steps required for this.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der elektromechanische Kopplungsfaktor k31 der piezoelektrischen Schicht zwischen 0,2 und 0,3, bevorzugt zwischen 0,25 und 0,3, besonders bevorzugt 0,27.In a preferred embodiment, the electromechanical coupling factor k31 of the piezoelectric layer is between 0.2 and 0.3, preferably between 0.25 and 0.3, particularly preferably 0.27.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dichte der piezoelektrischen Schicht zwischen 7000 und 7500 kg/m3.In a further preferred embodiment, the density of the piezoelectric layer is between 7000 and 7500 kg/m3.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die relative dielektrische Konstante in Polungsrichtung oder Permittivitätszahl εr = ε33/ε0 des piezoelektrischen Keramikmaterials weniger als 1100, besonders bevorzugt zwischen 800 und 1100, bevorzugter zwischen 900 und 1000, bevorzugter zwischen 910 und 950.In a further preferred embodiment, the relative dielectric constant in the direction of polarity or permittivity ε r = ε33/ε0 of the piezoelectric ceramic material is less than 1100, particularly preferably between 800 and 1100, more preferably between 900 and 1000, more preferably between 910 and 950.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Schicht d31 weniger als 100 pm/V, bevorzugt zwischen 50 und 100 pm/V, bevorzugt zwischen 70 und 90 pm/V.In a further preferred embodiment, the piezoelectric constant of the piezoelectric layer d31 is less than 100 pm/V, preferably between 50 and 100 pm/V, preferably between 70 and 90 pm/V.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Curie-Temperatur der piezoelektrischen Schicht zwischen 400 und 500 °C.In a further preferred embodiment, the Curie temperature of the piezoelectric layer is between 400 and 500°C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt der mechanische Kopplungsfaktor Qm der piezoelektrischen Schicht zwischen 50 und 100, bevorzugt zwischen 50 und 70, bevorzugter 60.In a further preferred embodiment, the mechanical coupling factor Qm of the piezoelectric layer is between 50 and 100, preferably between 50 and 70, more preferably 60.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Trägerelement ein Elastizitätsmodul E zwischen 60 und 215 GPa, bevorzugt zwischen 100 und 180 GPa auf.In a further preferred embodiment, the carrier element has a modulus of elasticity E between 60 and 215 GPa, preferably between 100 and 180 GPa.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die piezoelektrische Schicht ein Keramikmaterial mit einer Zusammensetzung (BixFeO3)1-a(BayTiO3)a, wobei 0,20 ≤ a ≤ 0,50; 0,90 ≤ x ≤ 1,10 und 0,90 ≤ y ≤ 1,01 gilt.In a preferred embodiment, the piezoelectric layer comprises a ceramic material having a composition (Bi x FeO 3 ) 1-a (Ba y TiO 3 ) a , where 0.20≦a≦0.50; 0.90 ≤ x ≤ 1.10 and 0.90 ≤ y ≤ 1.01.
Das Keramikmaterial oder die gesamte piezoelektrische Schicht oder das ganze piezoelektrische Bauteil sind bevorzugt bleifrei.The ceramic material or the entire piezoelectric layer or the entire piezoelectric component is preferably lead-free.
Als bleifrei wird hier und im Folgenden insbesondere ein Material bezeichnet, das entsprechend der Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (Restriction of Hazardous Substances, RoHS) der EU von 2011 weniger als 0,1 Massenprozent Blei (Pb) enthält.Lead-free here and in the following specifically means a material that contains less than 0.1% lead (Pb) by mass according to the EU Restriction of Hazardous Substances (RoHS) Directive of 2011.
In bevorzugten Ausführungen der Erfindung wird unter bleifrei ein noch deutlich geringerer Bleigehalt oder gar kein Bleigehalt verstanden.In preferred embodiments of the invention, lead-free means an even significantly lower lead content or no lead content at all.
Der Einsatz des bleifreien Keramikmaterials in piezoelektrischen Bauteilen ermöglicht die Realisierung der Bauteile ohne Verwendung des umweltschädlichen und giftigen Schwermetalls Blei. Insbesondere können so auch neue Anwendungen beispielsweise in Consumer-Produkten und Medizintechnik-Produkten ermöglicht werden.The use of the lead-free ceramic material in piezoelectric components enables the components to be produced without using the environmentally harmful and toxic heavy metal lead. In particular, new applications can also be made possible in this way, for example in consumer products and medical technology products.
Weiterhin sind die Eigenschaften der beschriebenen piezoelektrischen Bauteile denen konventioneller piezoelektrischen Bauteile auf Basis von bleihaltigen PZT-Keramiken sehr ähnlich. Bei einer geeigneten Dimensionierung der piezoelektrischen Schicht der Elektroden und eines gekoppelten Trägerelements kann das beschriebene piezoelektrische Bauteil wie konventionelle piezoelektrische Bauteile verwendet werden.Furthermore, the properties of the piezoelectric components described are very similar to those of conventional piezoelectric components based on lead-containing PZT ceramics. With a suitable dimensioning of the piezoelectric layer of the electrodes and a coupled carrier element, the piezoelectric component described can be used like conventional piezoelectric components.
Insbesondere zeichnet sich das beschriebene Keramikmaterial durch eine hohe Koerzitivfeldstärke aus, sodass bei ansonsten unveränderten Randbedingungen die Dicke der piezoelektrischen Schicht im piezoelektrischen Bauteil verringert werden kann. So kann der Materialeinsatz im Produktionsprozess bei einer gleichen Funktionalität des Bauteils um ca. 30 Prozent reduziert werden. Dies führt zu geringeren Herstellungskosten und einem geringeren Rohstoffaufwand.In particular, the ceramic material described is characterized by a high coercive field strength, so that the thickness of the piezoelectric layer in the piezoelectric component can be reduced with otherwise unchanged boundary conditions. In this way, the use of materials in the production process can be reduced by around 30 percent with the same functionality of the component. This leads to lower manufacturing costs and lower raw material costs.
Somit eignet sich das beschriebene Keramikmaterial bevorzugt zur Herstellung dünnschichtiger piezoelektrischer Schichten bzw. dünnschichtiger piezoelektrischer Bauteile.The ceramic material described is therefore preferably suitable for the production of thin-layer piezoelectric layers or thin-layer piezoelectric components.
Weiterhin ist die Sintertemperatur des beschriebenen Keramikmaterials ohne Blei geringer als das konventioneller Keramiken mit Blei, sodass die Herstellung der Keramikschicht mit weniger Energieaufwand und somit kostengünstiger durchgeführt werden kann.Furthermore, the sintering temperature of the ceramic material described without lead is lower than that of conventional ceramics with lead, so that the production of the ceramic layer can be carried out with less energy consumption and thus more cost-effectively.
Da auch Bauteilvolumen und Masse gegenüber bleihaltigen Bauteilen verringert ist, sinkt, zusätzlich zu der geringeren Sintertemperatur, auch die im Sinterofen zu erhitzende Materialmenge, wodurch der Prozess wirtschaftlicher wird. So kann bei gleicher Raumausnutzung die Beladung des Sinterofens entweder erhöht werden oder es muss bei gleicher Beladung nur eine geringere Masse auf die erforderliche Sintertemperatur erwärmt werden.Since the component volume and mass is also reduced compared to components containing lead, the amount of material to be heated in the sintering furnace is reduced in addition to the lower sintering temperature, making the process more economical. With the same use of space, the loading of the sintering furnace can either be increased or, with the same loading, only a smaller mass has to be heated to the required sintering temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform gilt für die Zusammensetzung des Keramikmaterials 0,25 ≤ a ≤ 0,40; 0,99 ≤ x ≤ 1,05 und 0,95 ≤ y ≤ 1,005.In a preferred embodiment, the composition of the ceramic material is 0.25≦a≦0.40; 0.99 ≤ x ≤ 1.05 and 0.95 ≤ y ≤ 1.005.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gilt für die Zusammensetzung des Keramikmaterials 0,28 ≤ a ≤ 0,36; 0,99 ≤ x ≤ 1,05 und 0,975 ≤ y ≤ 1,005.In a further preferred embodiment, the composition of the ceramic material is 0.28≦a≦0.36; 0.99 ≤ x ≤ 1.05 and 0.975 ≤ y ≤ 1.005.
Ein solches Keramikmaterial weist besonders bevorzugte Eigenschaften auf. Insbesondere weist das Keramikmaterial geeignete piezoelektrische Eigenschaften auf, um hiermit bleihaltige oder kunststoffhaltige Keramikschichten verschiedener, und insbesondere dünnschichtiger, piezoelektrischer Bauteile mit variablen Anwendungen ersetzen zu können.Such a ceramic material has particularly preferred properties. In particular, the ceramic material has suitable piezoelectric properties in order to be able to use it to replace lead-containing or plastic-containing ceramic layers of various, and in particular thin-layer, piezoelectric components with variable applications.
Zu den hier betrachteten piezoelektrischen Eigenschaften zählen unter anderem die piezoelektrische Konstante, die relative dielektrische Konstante, der elektromechanische Kopplungsfaktor, die Koerzitivfeldstärke, die Curie-Temperatur und die Dichte des Keramikmaterials.Piezoelectric properties considered here include the piezoelectric constant, the relative dielectric constant, the electromechanical coupling factor, the coercivity, the Curie temperature, and the density of the ceramic material.
Insbesondere weist das bleifreie piezoelektrische Keramikmaterial aufgrund seiner Zusammensetzung bevorzugt eine piezoelektrische Konstante von mindestens 75 pm/V, eine relative dielektrische Konstante von mindestens 1000, einen elektromechanischen Kopplungsfaktor von mindestens 0,25; eine Koerzitivfeldstärke von 1,8 kV/mm oder mehr, eine Curie-Temperatur über 400 °C und eine Dichte über 7000 kg/m3 auf.In particular, the composition of the lead-free piezoelectric ceramic material preferably has a piezoelectric constant of at least 75 pm/V, a relative dielectric constant of at least 1000, an electromechanical coupling factor of at least 0.25; a coercive force of 1.8 kV/mm or more, a Curie temperature higher than 400°C and a density higher than 7000 kg/m 3 .
Gemäß einer Ausführungsform ist die piezoelektrische Schicht frei von Kunststoffen als weiterer Inhaltsstoff. Insbesondere besteht die piezoelektrische Schicht bevorzugt aus anorganischen Materialien, welche das Keramikmaterial umfassen.According to one embodiment, the piezoelectric layer is free of plastics as an additional ingredient. In particular, the piezoelectric layer is preferably made of inorganic materials including the ceramic material.
Die piezoelektrische Schicht weist somit eine hohe Dichte, Stabilität und Festigkeit auf. Insbesondere weist die piezoelektrische Schicht diese Eigenschaften in höherem Maße auf, als eine piezoelektrische Kunststoffschicht.The piezoelectric layer thus has a high density, stability and strength. In particular, the piezoelectric layer has these properties to a greater extent than a piezoelectric plastic layer.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die piezoelektrische Schicht keine weiteren Inhaltsstoffe als die genannten. Bevorzugt besteht die piezoelektrische Schicht aus dem Keramikmaterial.According to one embodiment, the piezoelectric layer contains no other ingredients than those mentioned. The piezoelectric layer preferably consists of the ceramic material.
Eine solche piezoelektrische Schicht weist die zuvor genannten vorteilhaften Eigenschaften des Keramikmaterials auf und ist insbesondere frei von Blei.Such a piezoelectric layer has the aforementioned advantageous properties of the ceramic material and is, in particular, free of lead.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht mindestens 40 Mikrometer (µm).According to one embodiment, the layer thickness of the piezoelectric layer is at least 40 micrometers (μm).
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht maximal 150 µm.According to one embodiment, the layer thickness of the piezoelectric layer is a maximum of 150 μm.
Bevorzugt beträgt die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht maximal 140 µm, bevorzugter maximal 130 µm.The layer thickness of the piezoelectric layer is preferably at most 140 μm, more preferably at most 130 μm.
Bei einer Anwendung als Ultraschallwandler beträgt die Dicke bevorzugt zwischen 70 und 130 µm. Bei einer haptischen Anwendung beträgt die Dicke bevorzugt maximal 105 µm.When used as an ultrasonic transducer, the thickness is preferably between 70 and 130 μm. In the case of a haptic application, the thickness is preferably at most 105 μm.
Eine solche geringe Schichtdicke verringert den Materialaufwand und die Kosten des Herstellungsprozesses und ermöglicht neue Anwendungen des piezoelektrischen Bauteils. Such a small layer thickness reduces the amount of material used and the costs of the manufacturing process and enables new applications of the piezoelectric component.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der zugehörigen Grünschicht vor dem Sintern mindestens 50 µm.According to one embodiment, the layer thickness of the associated green layer before sintering is at least 50 μm.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Grünschicht maximal 210 µm und bevorzugt zwischen 120 und 160 µm.According to one embodiment, the layer thickness of the green layer is at most 210 μm and preferably between 120 and 160 μm.
Für einen Prozess, in dem mehrere Grünfolien zur Grünschicht gestapelt und verpresst werden, beträgt die Dicke der einzelnen Grünfolien bevorzugt zwischen 30 und 130 µm, besonders bevorzugt 80 µm.For a process in which several green sheets are stacked and pressed to form the green layer, the thickness of the individual green sheets is preferably between 30 and 130 μm, particularly preferably 80 μm.
Insbesondere kann durch eine Ausführung der piezoelektrischen Schicht mit einer so geringen Schichtdicke ein dünnschichtiges piezoelektrisches Bauteil bereitgestellt werden, das frei von Blei ist. Das dünnschichtige Bauteil weist bei der Herstellung einen geringen Materialverbrauch und beim Einbau in die vorgesehene Anwendungsvorrichtung einen geringen Raumverbrauch auf. So können vorteilhaft miniaturisierte Sensoren und Aktoren beispielsweise für den Einsatz in Computergehäusen, Smartphones oder für automatisierte und automotive Anwendungen bereitgestellt werden.In particular, by designing the piezoelectric layer with such a small layer thickness, a thin-layer piezoelectric component that is free of lead can be provided. The thin-layer component requires little material during production and takes up little space when installed in the intended application device. In this way, advantageously miniaturized sensors and actuators can be provided, for example for use in computer housings, smartphones or for automated and automotive applications.
Ein solches dünnschichtiges piezoelektrisches Bauteil umfasst genau eine piezoelektrische Schicht mit der beschriebenen Schichtdicke und darauf aufgebrachte Elektroden, die bevorzugt ebenfalls eine geringe Schichtdicke im MikrometerBereich aufweisen.Such a thin-layer piezoelectric component comprises precisely one piezoelectric layer with the layer thickness described and electrodes applied thereto, which preferably also have a small layer thickness in the micrometer range.
Das piezoelektrische Bauteil kann so konfiguriert sein, dass es in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden kann. The piezoelectric device can be configured to be used in a wide variety of applications.
Bevorzugt kann das ganze piezoelektrische Bauteil bleifrei sein. Das heißt, dass das Bauteil auch außerhalb der piezoelektrischen Schicht, genauso wie innerhalb der piezoelektrischen Schicht, keine bleihaltigen Bestandteile enthält. Somit kann der Einsatz von Blei, das giftige und umweltgefährdende Eigenschaften aufweist, vermieden werden und gesetzliche Regelungen bezüglich der Vermeidung einer Verwendung von Blei eingehalten werden.The entire piezoelectric component can preferably be lead-free. This means that the component does not contain any lead-containing components either outside of the piezoelectric layer or within the piezoelectric layer. Thus, the use of lead, which has toxic and environmentally hazardous properties, can be avoided and legal regulations regarding the avoidance of the use of lead can be complied with.
Bevorzugt umfasst das piezoelektrische Bauteil in einer Ausführungsform weiterhin ein Trägerelement, auf dem die piezoelektrische Schicht wie oben beschrieben aufgebracht ist. Das Trägerelement kann eine Membran sein. Das Trägerelement kann eine der auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Schicht aufgebrachten Elektroden sein. Es ist beispielsweise möglich das Piezoelement mit einem leitfähigen Trägerelement auf einer Seite leitfähig zu verbinden (z.B. durch Kleben oder durch Löten). In diesem Fall ist das Trägerelement quasi auch die Elektrode. Zusätzlich kann das beschriebene Fügemittel zwischen Trägerelement und piezoelektrischer Schicht vorhanden sein.In one embodiment, the piezoelectric component preferably also comprises a carrier element on which the piezoelectric layer is applied as described above. The carrier element can be a membrane. The carrier element can be one of the electrodes applied to a surface of the piezoelectric layer. For example, it is possible to conductively connect the piezo element to a conductive carrier element on one side (e.g. by gluing or soldering). In this case, the carrier element is also the electrode, so to speak. In addition, the joining means described can be present between the carrier element and the piezoelectric layer.
In anderen Ausführungsformen kann das Piezoelement bereits eine Elektrode aufweisen (z.B. durch Aufsputtern einer Metallschicht). Diese Elektrode ist dann durch eine leitfähige Verbindung (analog zum vorigen Beispiel) mit dem leitfähigen Trägerelement verbunden.In other embodiments, the piezo element can already have an electrode (e.g. by sputtering on a metal layer). This electrode is then connected to the conductive carrier element by a conductive connection (analogous to the previous example).
Das Bauteil umfasst in einer Ausführung das Trägerelement und die piezoelektrische Schicht. Bevorzugt ist die piezoelektrische Schicht als ellipsenförmige oder kreisförmige Scheibe ausgeführt, die auf einem ebenfalls scheibenförmigen Trägerelement mit einer bevorzugt größeren Oberfläche aufgebracht ist.In one embodiment, the component comprises the carrier element and the piezoelectric layer. The piezoelectric layer is preferably designed as an elliptical or circular disk which is applied to a likewise disk-shaped carrier element with a preferably larger surface.
Bevorzugt beträgt ein Verhältnis des Durchmessers der kreisförmigen piezoelektrischen Schicht zu dem Durchmesser des kreisförmigen Trägerelements zwischen 0,3 und 1,0, bevorzugter zwischen 0,55 und 0,73, bevorzugter zwischen 0,6 und 0,7, jeweils einschließlich der jeweiligen Grenzwerte, beträgt.A ratio of the diameter of the circular piezoelectric layer to the diameter of the circular support element is preferably between 0.3 and 1.0, more preferably between 0.55 and 0.73, more preferably between 0.6 and 0.7, in each case including the respective limit values , amounts to.
Alternativ kann die Form der Scheiben auch vieleckig anstatt rund sein. Die Abmessungen der Oberfläche des scheibenförmigen Trägerelements und der piezoelektrischen Schicht sind deutlich größer als deren Dicken.Alternatively, the shape of the discs can be polygonal instead of round. The dimensions of the surface of the disc-shaped carrier element and the piezoelectric layer are significantly larger than their thickness.
Auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Schicht, die von dem Trägerelement abgewandt ist, ist eine erste Elektrode als Dünnschicht aufgebracht. Das Trägerelement kann dann die zweite Elektrode darstellen. Alternativ kann zwischen der piezoelektrischen Schicht und dem Trägerelement eine zweite Elektrode als Dünnschicht vorgesehen sein. Zwischen der Elektrode und dem Trägerelement kann weiterhin eine dünne Schicht eines Verbindungsmaterials wie beispielsweise eines Klebers oder eines Lots vorgesehen sein. Alternativ kann es sich bei der Verbindungsschicht um eine metallische Schicht hergestellt per Transient Liquid Phase-Sinterung, per Silbersintern oder einem ähnlichen Verfahren handeln.A first electrode is applied as a thin layer on a surface of the piezoelectric layer that faces away from the carrier element. The carrier element can then represent the second electrode. Alternatively, a second electrode can be provided as a thin layer between the piezoelectric layer and the carrier element. Furthermore, a thin layer of a connecting material such as an adhesive or a solder can be provided between the electrode and the carrier element. Alternatively, the connection layer can be a metallic layer produced by transient liquid phase sintering, silver sintering or a similar method.
Die Abmessungen der einzelnen beschriebenen Schichten des Bauteils weisen in einer Ausführung die gleiche Größenordnung wie die Abmessungen der piezoelektrischen Schicht auf und liegen bevorzugt im Mikrometerbereich.In one embodiment, the dimensions of the individual described layers of the component are of the same order of magnitude as the dimensions of the piezoelectric layer and are preferably in the micrometer range.
Das piezoelektrische Bauteil ist bevorzugt ein Dünnschicht-Bauteil. Die Richtung, in der die einzelnen Schichten des Bauteils übereinander gestapelt sind, wird als Stapelrichtung bezeichnet. Die Dicke des Bauteils in der Stapelrichtung, umfassend die oben beschriebenen Schichten, liegt bevorzugt im Mikrometerbereich.The piezoelectric component is preferably a thin-film component. The direction in which the individual layers of the component are stacked on top of each other is referred to as the stacking direction. The thickness of the device in the stacking direction comprising the layers described above is preferably in the order of micrometers.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das piezoelektrische Bauteil genau eine piezoelektrische Schicht. Bevorzugt umfasst das piezoelektrische Bauteil genau einmal die oben beschriebene Schichtabfolge aus der ersten Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der zweiten Elektrode, bevorzugt in Form des Trägerelements, und optional einem Trägerelement. Das Bauteil umfasst bevorzugt keine weiteren Schichten. Das piezoelektrische Bauteil ist somit möglichst dünn ausgeführt.In a preferred embodiment, the piezoelectric component includes precisely one piezoelectric layer. The piezoelectric component preferably comprises exactly one of the layer sequences described above consisting of the first electrode, the piezoelectric layer and the second electrode, preferably in the form of the carrier element, and optionally a carrier element. The component preferably does not include any further layers. The piezoelectric component is thus made as thin as possible.
Das piezoelektrische Bauteil kann in verschiedenen Ausführungen insbesondere als Bauteil zur Anwendung als haptischer Aktor, haptischer Sensor, Summer, Ultraschallwandler, Ultraschallsender oder Ultraschallempfänger, Mikropumpe für Fluide, Energy Harvester oder Teilchendetektor ausgestaltet sein. Beispiele für solche Ausführungen sind im Weiteren ausführlich beschrieben.The piezoelectric component can be designed in various configurations, in particular as a component for use as a haptic actuator, haptic sensor, buzzer, ultrasonic transducer, ultrasonic transmitter or ultrasonic receiver, micropump for fluids, energy harvester or particle detector. Examples of such implementations are described in detail below.
Insbesondere kann das piezoelektrische Bauteil in einer Ausführungsform zur Anwendung als haptischer Aktor ausgestaltet sein, der geeignet ist, aus einem an der piezoelektrischen Schicht anliegenden elektrischen Signal eine mechanische Verformung des Trägerelements zu erzeugen.In particular, in one embodiment, the piezoelectric component can be designed for use as a haptic actuator which is suitable for generating a mechanical deformation of the carrier element from an electrical signal present at the piezoelectric layer.
Durch eine geeignete Anpassung der Ansteuerelektronik unter Ausnutzung der erhöhten Koerzitivfeldstärke, insbesondere der erhöhten Koerzitivfeldstärke der bleifreien Keramik verglichen mit einer bleihaltigen Keramik, kann die Dicke der piezoelektrischen Schicht und des Bauteils reduziert werden, ohne dass die Qualität des haptischen Signals nachlässt.The thickness of the piezoelectric layer and the component can be reduced without reducing the quality of the haptic signal by suitably adapting the control electronics using the increased coercive field strength, in particular the increased coercive field strength of lead-free ceramics compared to ceramics containing lead.
Die Auslenkung eines piezoelektrischen Aktors mit einer dünnen piezoelektrischen Schicht, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweist, gleicht bei entsprechender Ansteuerung der Auslenkung eines Aktors mit einer dickeren piezoelektrischen Schicht mit geringerer Koerzitivfeldstärke. Die Koerzitivfeldstärke der piezoelektrischen Schicht beträgt zwischen 1,5 und 10 kV/mm.The deflection of a piezoelectric actuator with a thin piezoelectric layer, which has a high coercive field strength, is equal to the deflection of an actuator with a thicker piezoelectric layer with a lower coercive field strength, given appropriate control. The coercivity of the piezoelectric layer is between 1.5 and 10 kV/mm.
Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht auf Grund ihrer hohen Koerzitivfeldstärke geeignet sein, um mit einer Gleichspannung von mindestens 50 Volt und einer Spitze-Spitze-Spannung von mindestens 700 Volt beaufschlagt zu werden.In particular, due to its high coercive field strength, the piezoelectric layer can be suitable for being subjected to a DC voltage of at least 50 volts and a peak-to-peak voltage of at least 700 volts.
Durch eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke der piezoelektrischen Schicht aus bleifreier Keramik verglichen mit einer bleihaltigen Keramik kann somit unter Einsparung von Material ein funktionell gleichwertiges und dünneres, also platzsparendes, Bauteil hergestellt werden.By increasing the coercive field strength of the piezoelectric layer made of lead-free ceramic compared to a lead-containing ceramic, a functionally equivalent and thinner, ie space-saving, component can thus be produced while saving material.
Insbesondere kann das piezoelektrische Bauteil in einer weiteren Ausführungsform zur Anwendung als haptischer Sensor ausgestaltet sein, der geeignet ist, aus einer mechanischen Verformung des Trägerelements ein an der piezoelektrischen Schicht abgreifbares elektrisches Signal zu erzeugen. Das Bauteil kann auch zur Anwendung als haptischer Aktor und Sensor ausgeführt sein.In particular, in a further embodiment, the piezoelectric component can be designed for use as a haptic sensor which is suitable for generating an electrical signal that can be picked up on the piezoelectric layer from a mechanical deformation of the carrier element. The component can also be designed for use as a haptic actuator and sensor.
Durch eine geeignete Anpassung der Auswerteelektronik unter Ausnutzung der erhöhten Koerzitivfeldstärke, insbesondere der erhöhten Koerzitivfeldstärke der bleifreien Keramik, kann die Dicke der piezoelektrischen Schicht und des Bauteils reduziert werden, ohne dass die Qualität des gemessenen elektrischen Signals nachlässt.The thickness of the piezoelectric layer and the component can be reduced without the quality of the measured electrical signal deteriorating by suitably adapting the evaluation electronics using the increased coercive field strength, in particular the increased coercive field strength of the lead-free ceramic.
Das elektrische Signal eines piezoelektrischen Sensors mit einer dünnen piezoelektrischen Schicht, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweist, gleicht bei geeigneter Ansteuerung dem Signal eines Sensors mit einer dickeren piezoelektrischen Schicht mit geringerer Koerzitivfeldstärke. Die Koerzitivfeldstärke der piezoelektrischen Schicht beträgt zwischen 1,5 und 10 kV/mm.The electrical signal of a piezoelectric sensor with a thin piezoelectric layer, which has a high coercive force, is equal to the signal of a sensor with a thicker piezoelectric layer with a lower coercive force, if it is controlled appropriately. The coercivity of the piezoelectric layer is between 1.5 and 10 kV/mm.
Durch eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke der piezoelektrischen Schicht kann somit unter Einsparung von Material ein funktionell gleichwertiges und dünneres, also platzsparendes, Bauteil hergestellt werden.By increasing the coercive field strength of the piezoelectric layer, a functionally equivalent and thinner, ie space-saving, component can thus be produced while saving material.
In einer weiteren Ausführungsform ist das piezoelektrische Bauteil zur Anwendung als Summer ausgestaltet.In a further embodiment, the piezoelectric component is designed for use as a buzzer.
Als Summer wird hierbei ein Aktor bezeichnet, der aus einem elektrischen Signal Schall erzeugt, also quasi ein Schallsender.A buzzer is an actuator that generates sound from an electrical signal, i.e. a sound transmitter, so to speak.
Im Wesentlichen handelt es sich bei dem Summer um einen haptischen Aktor, der sich in einer bestimmten Frequenz verformt, um Schallwellen im hörbaren Bereich zu erzeugen.Essentially, the buzzer is a haptic actuator that deforms at a specific frequency to generate sound waves in the audible range.
Als Mindestanforderung kann hierbei beispielsweise ein Schalldruck von mindestens 75 Dezibel in einem Abstand von 10 cm von der Außenseite der Membran des Summers definiert werden. Aufgrund der hohen Koerzitivfeldstärke der bleifreien piezoelektrischen Schicht genügt eine piezoelektrische Schicht mit geringer Dicke von maximal 120 µm, um bei geeigneter Ansteuerung den erforderlichen Schalldruck zu erzeugen. Bevorzugt beträgt die Dicke der Schicht zwischen 80 und 120 µm, bevorzugter maximal 105 µm, bevorzugter maximal 100 µm oder weniger als 100 µm.As a minimum requirement, for example, a sound pressure level of at least 75 deci be defined at a distance of 10 cm from the outside of the membrane of the buzzer. Due to the high coercivity of the lead-free piezoelectric layer, a piezoelectric layer with a minimum thickness of 120 µm is sufficient to generate the required sound pressure with suitable control. The thickness of the layer is preferably between 80 and 120 μm, more preferably at most 105 μm, more preferably at most 100 μm or less than 100 μm.
Die Dicke der Membran beträgt dann bevorzugt zwischen 25 µm und 125µm.The thickness of the membrane is then preferably between 25 μm and 125 μm.
Bevorzugt beträgt der Durchmesser der Schicht zwischen einschließlich 5 mm und einschließlich 12,9 mm, bevorzugter zwischen 5 mm und 7 mm.Preferably the diameter of the layer is between 5mm and 12.9mm inclusive, more preferably between 5mm and 7mm.
Mit diesen Abmessungen kann der Summer zumindest einen Frequenzbereich von 2 kHz bis 8 kHz abdecken.With these dimensions, the buzzer can cover at least a frequency range from 2 kHz to 8 kHz.
Durch eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke der piezoelektrischen Schicht kann somit unter Einsparung von Material ein funktionell gleichwertiges und dünneres, also platzsparendes, Bauteil hergestellt werden.By increasing the coercive field strength of the piezoelectric layer, a functionally equivalent and thinner, ie space-saving, component can thus be produced while saving material.
Die piezoelektrische Schicht ist insbesondere so ausgestaltet, dass der Summer bei einer Anregung mittels eines elektrischen Signals mit einer Spannung von bis zu 3 Volt und einer elektrischen Frequenz von 4 kHz den maximalen Schalldruck erreicht.In particular, the piezoelectric layer is designed in such a way that the buzzer reaches the maximum sound pressure when excited by means of an electrical signal with a voltage of up to 3 volts and an electrical frequency of 4 kHz.
In einer weiteren Ausführungsform ist das piezoelektrische Bauteil zur Anwendung als Ultraschallwandler oder Ultraschallsender oder Ultraschallempfänger ausgestaltet.In a further embodiment, the piezoelectric component is designed for use as an ultrasonic transducer or ultrasonic transmitter or ultrasonic receiver.
Der Ultraschallwandler kann sowohl aus einem elektrischen Signal einen Ultraschall erzeugen (Ultraschallsender) als auch umgekehrt aus einem Ultraschall ein elektrisches Signal erzeugen (Ultraschallempfänger).The ultrasonic transducer can both generate an ultrasound from an electrical signal (ultrasonic transmitter) and, conversely, generate an electrical signal from an ultrasound (ultrasonic receiver).
Im Wesentlichen handelt es sich bei dem Ultraschallwandler um einen haptischen Aktor bzw. Sensor, der sich mit einer bestimmten Frequenz verformt, um Schallwellen im Ultraschallbereich Bereich zu erzeugen bzw. zu detektieren. In der Regel wird ein solcher Ultraschallwandler zur Abstandsmessung eingesetzt. Weiterhin können die Ultraschallwandler auch für andere Anwendungen, z.B. zur Übertragung von Energie- und/oder Daten, insbesondere durch Metall, verwendet werden.Essentially, the ultrasonic transducer is a haptic actuator or sensor that deforms at a specific frequency in order to generate or detect sound waves in the ultrasonic range. As a rule, such an ultrasonic transducer is used for distance measurement. Furthermore, the ultrasonic transducers can also be used for other applications, e.g. for the transmission of energy and/or data, in particular through metal.
Als Mindestanforderung kann hier ein ausreichend hoher Schalldruck definiert werden, der dazu geeignet ist, Objekte einer Entfernung von bis zu 200 cm zu detektieren.A sufficiently high sound pressure level can be defined as a minimum requirement, which is suitable for detecting objects at a distance of up to 200 cm.
Aufgrund der hohen Koerzitivfeldstärke der bleifreien piezoelektrischen Schicht genügt eine piezoelektrische Schicht mit einer geringen Dicke zwischen 70 und 130 µm, um bei geeigneter Ansteuerung den erforderlichen Schalldruck zu erzeugen. Bevorzugt beträgt der Durchmesser der Schicht 5 mm bis 12,9 mm, bevorzugt 5 bis 7 mm.Due to the high coercivity of the lead-free piezoelectric layer, a piezoelectric layer with a small thickness of between 70 and 130 µm is sufficient to generate the required sound pressure with suitable control. The diameter of the layer is preferably 5 mm to 12.9 mm, preferably 5 to 7 mm.
Beispielsweise weist die piezoelektrische Schicht bevorzugt die folgenden Eigenschaften auf. Bei einer angelegten Wechselspannung von 1 Volt und einer Frequenz von 1 kHz beträgt die Kapazität C der piezoelektrischen Schicht zwischen 0,9 und 1,0 nF. Der dielektrische Verlust 5 beträgt zwischen 0,05 und 0,15, bevorzugt 0,10. Die Permittivität ε beträgt zwischen 800 und 900. Die piezoelektrische Konstante d33 beträgt zwischen 100 und 200 pC/N. Die effektive Kopplung keff beträgt zwischen 0,2 und 0,3.For example, the piezoelectric layer preferably has the following properties. With an applied AC voltage of 1 volt and a frequency of 1 kHz, the capacitance C of the piezoelectric layer is between 0.9 and 1.0 nF. The
Die Eigenfrequenz der piezoelektrischen Schicht liegt beispielsweise zwischen 450 und 550 kHz, bevorzugt bei 500 kHz.The natural frequency of the piezoelectric layer is between 450 and 550 kHz, for example, preferably 500 kHz.
Bei einer Wechselspannung von 0,1 Volt und bei Resonanzfrequenz der Keramik beträgt die Kapazität C beispielweise zwischen 0,5 und 0,7 nF. Die Permittivität ε beträgt dann zwischen 400 und 500.With an AC voltage of 0.1 volts and at the resonant frequency of the ceramic, the capacitance C is between 0.5 and 0.7 nF, for example. The permittivity ε is then between 400 and 500.
In einer weiteren Ausführungsform ist das piezoelektrische Bauteil als Mikropumpe für Fluide ausgestaltet. In einer solchen Mikropumpe kommen mehrere haptische Aktoren zum Einsatz. Die haptischen Aktoren bilden die Deckel von Mikrokammern, welche Fluide aufnehmen können.In a further embodiment, the piezoelectric component is designed as a micropump for fluids. Several haptic actuators are used in such a micropump. The haptic actuators form the lids of micro-chambers that can hold fluids.
Durch die Verformung eines solchen haptischen Aktors kann Fluid aus einer Mikrokammer verdrängt werden, sodass eine Pumpwirkung erzeugt wird. Bei Einsatz der beschriebenen vorteilhaften Bauteile mit einer dünnen piezoelektrischen Schicht kann die Größe der Mikropumpe reduziert werden und der Materialaufwand bei der Herstellung der Mikromikropumpe optimiert werden.By deforming such a haptic actuator, fluid can be displaced from a microchamber, so that a pumping effect is generated. When using the described advantageous components with a thin piezoelectric layer, the size of the micropump can be reduced and the material expenditure in the production of the micromicropump can be optimized.
In einer weiteren Ausführungsform ist das piezoelektrischen Bauteil zur Anwendung als Teilchendetektor ausgestaltet.In a further embodiment, the piezoelectric component is designed for use as a particle detector.
Das piezoelektrische Bauteil ist dazu in einem Strömungskanal verbaut. Im Strömungskanal kann beispielsweise ein Gas, das Feststoffpartikel transportiert, gefördert werden.For this purpose, the piezoelectric component is installed in a flow channel. For example, a gas that transports solid particles can be conveyed in the flow channel.
Im Betriebszustand wird die piezoelektrische Schicht des Bauteils wird mit einer Frequenz im Ultraschallbereich zum Schwingen angeregt.In the operating state, the piezoelectric layer of the component is excited to oscillate at a frequency in the ultrasonic range.
Stößt ein Feststoffpartikel auf eine Membran des piezoelektrischen Bauteils, verformt sich die daran gekoppelte piezoelektrische Schicht und bewirkt eine Änderung der Schwingungsfrequenz. Die Änderung der Schwingungsfrequenz hängt von der Größe und Anzahl der Teilchen ab, die somit durch eine Auswerteelektronik bestimmt werden können.If a solid particle hits a membrane of the piezoelectric component, the piezoelectric layer coupled to it deforms and causes a change in the vibration frequency. The change in the oscillation frequency depends on the size and number of the particles, which can thus be determined by evaluation electronics.
Bei Einsatz der beschriebenen vorteilhaften Bauteile mit einer dünnen piezoelektrischen Schicht kann die Größe des Teilchendetektors reduziert werden und der Materialaufwand bei der Herstellung des Teilchendetektors optimiert werden.When using the described advantageous components with a thin piezoelectric layer, the size of the particle detector can be reduced and the material expenditure in the production of the particle detector can be optimized.
Das piezoelektrische Bauteil kann in den genannten Anwendungen ein konventionelles piezoelektrisches Bauteil, umfassend ein bleihaltiges und/oder ein kunststoffhaltiges piezoelektrisches Material, ersetzen, ohne dass Abstriche in der Funktionalität gemacht werden müssen.In the applications mentioned, the piezoelectric component can replace a conventional piezoelectric component, comprising a piezoelectric material containing lead and/or a piezoelectric material containing plastic, without having to make compromises in terms of functionality.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauteils mit einer piezoelektrischen Schicht, das sämtliche Merkmale des zuvor beschriebenen Bauteils aufweisen kann.The invention also relates to a method for producing a piezoelectric component with a piezoelectric layer, which can have all the features of the component described above.
Die im Folgenden beschriebenen Merkmale können umgekehrt auch für sämtliche zuvor genannten Ausführungsformen gelten.Conversely, the features described below can also apply to all of the previously mentioned embodiments.
Das Verfahren umfasst mehrere Schritte. Ein Schritt umfasst das Bereitstellen von Grünfolien. Bevorzugt werden die Grünfolien durch Folienziehen hergestellt. Dies ergibt sehr homogene, aber dünne Folien. Die einzelnen Folien weisen bevorzugt eine Dicke von maximal 80 µm auf. Ein weiterer Schritt umfasst das Übereinanderstapeln der Grünfolien zu einer Grünschicht mit einer Schichtdicke von bevorzugt maximal 130 µm.The process involves several steps. One step includes the provision of green tapes. The green films are preferably produced by film drawing. This results in very homogeneous but thin foils. The individual foils preferably have a maximum thickness of 80 μm. A further step comprises stacking the green sheets on top of one another to form a green layer with a layer thickness of preferably at most 130 μm.
Alternativ kann auch gleich eine einzige dicke Grünfolie bereitgestellt werden. Diese wird per Foliengießen hergestellt. Aufgrund des Herstellungsverfahren ist die Folie dann dicker aber inhomogener, mit zusätzlich längerer Trockenzeit und in der Regel auch größerem Sinterschwund.Alternatively, a single thick green film can also be provided straight away. This is produced by film casting. Due to the manufacturing process, the foil is then thicker but less homogeneous, with an additional longer drying time and usually also greater sinter shrinkage.
Ein wiederum weiterer Schritt umfasst das Sintern der Grünschicht bei einer Temperatur von maximal 1030 °C, sodass die piezoelektrische Schicht erhalten wird.Another step involves sintering the green layer at a maximum temperature of 1030 °C so that the piezoelectric layer is obtained.
Ein weiterer Schritt betrifft das Aufbringen der piezoelektrischen Schicht auf ein Trägerelement und das stoffschlüssige Verbinden mit dem Trägerelement, sodass die Schicht und das Trägerelement mechanisch gekoppelt sind. Das Verhältnis der Dicke piezoelektrischen Schicht zur Dicke des Trägerelements beträgt dann bevorzugt 0,127 bis 1,3. Bevorzugt werden die Schritte in der genannten Reihenfolge ausgeführt. Besonders bevorzugt folgen die Schritte unmittelbar aufeinander.A further step relates to the application of the piezoelectric layer to a carrier element and the integral connection to the carrier element, so that the layer and the carrier element are mechanically coupled. The ratio of the thickness of the piezoelectric layer to the thickness of the carrier element is then preferably 0.127 to 1.3. The steps are preferably carried out in the order mentioned. The steps particularly preferably follow one another directly.
In einem Ausführungsbeispiel werden Grünfolien bereitgestellt, die ein Keramikmaterial mit der Zusammensetzung (BixFeO3)1-a(BayTiO3)a, wobei 0,20 ≤ a ≤ 0,50; 0,90 ≤ x ≤ 1,10 und 0,90 ≤ y ≤ 1,01 gilt, umfassen.In one embodiment, green sheets are provided that include a ceramic material having the composition (Bi x FeO 3 ) 1-a (Ba y TiO 3 ) a , where 0.20≦a≦0.50; 0.90 ≤ x ≤ 1.10 and 0.90 ≤ y ≤ 1.01.
Eine bevorzugte Schichtdicke beträgt zwischen 50 und 150 Mikrometer. Zwischen den einzelnen piezoelektrischen Folien sind bevorzugt keine weiteren Schichten vorgesehen, sodass die Grünfolien direkt übereinander liegen.A preferred layer thickness is between 50 and 150 microns. No further layers are preferably provided between the individual piezoelectric films, so that the green films lie directly on top of one another.
In einer Ausführungsform des Verfahrens, kann die Grünschicht vor dem Sintern auf ein Trägerelement aufgebracht werden und gemeinsam mit diesem gesintert werden. Aufgrund der niedrigen Sintertemperatur eignet sich dieses Verfahren auch für Trägerelementen, die nicht bei Temperaturen über 1030 °C bearbeitet werden dürfen.In one embodiment of the method, the green layer can be applied to a carrier element before sintering and sintered together with it. Due to the low sintering temperature, this process is also suitable for carrier elements that must not be processed at temperatures above 1030 °C.
Die Herstellung der Schicht durch die beschriebene Folientechnologie ermöglicht die Herstellung der Schicht in einer gewünschten Schichtdicke. Auf spanende Verfahren kann verzichtet werden, sodass Material eingespart wird. Aufgrund der niedrigen Sintertemperatur kann das Verfahren energetisch optimiert werden.The production of the layer using the foil technology described enables the production of the layer in a desired layer thickness. Machining processes can be dispensed with, so that material is saved. Due to the low sintering temperature, the process can be energetically optimized.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Sintertemperatur für maximal 4 Stunden gehalten.In a preferred embodiment of the process, the sintering temperature is maintained for a maximum of 4 hours.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Sintertemperatur maximal 1000° C. Somit können beispielsweise der Energieaufwand und die Kosten des Verfahrens jeweils reduziert werden bzw. die Umweltverträglichkeit des Verfahrens erhöht werden.In a further preferred embodiment of the method, the sintering temperature is a maximum of 1000° C. Thus, for example, the energy consumption and the costs of the method can each be reduced and the environmental compatibility of the method can be increased.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Grünschicht vor dem Sintern auf ein Trägerelement aufgebracht werden und gemeinsam mit diesem gesintert werden. Aufgrund der niedrigen Sintertemperatur eignet sich dieses Verfahren auch für Trägerelementen, die nicht bei Temperaturen über 1000 °C bearbeitet werden dürfen.In one embodiment of the method, the green layer can be applied to a carrier element before sintering and sintered together with it. Due to the low sintering temperature, this process is also suitable for carrier elements that must not be processed at temperatures above 1000 °C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Sintertemperatur mindestens 900° C.In a further preferred embodiment of the method, the sintering temperature is at least 900° C.
In weiteren Verfahrensschritten können Elektroden auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht werden, bevorzugt auf zwei gegenüberliegende Oberflächen der Schicht. Beispielsweise können die Elektroden aufgedruckt werden.In further process steps, electrodes can be applied to the piezoelectric layer, preferably to two opposite surfaces of the layer. For example, the electrodes can be printed on.
Die piezoelektrische Schicht kann in einer Ausführungsform auf ein Trägerelement, beispielsweise eine Membran, aufgebracht werden und mit dem Trägerelement mechanisch gekoppelt werden. Das Bauteil ist dann bevorzugt so ausgestaltet, dass sich das Trägerelement und die piezoelektrische Schicht bei einer Anregung gemeinsam verformen.In one embodiment, the piezoelectric layer can be applied to a carrier element, for example a membrane, and mechanically coupled to the carrier element. The component is then preferably designed in such a way that the carrier element and the piezoelectric layer deform together when excited.
Die Anregung kann insbesondere im Anlegen eines elektrischen Feldes an die piezoelektrische Schicht bestehen.The excitation can consist in particular in the application of an electric field to the piezoelectric layer.
Das Trägerelement kann eine der Elektroden darstellen. Das Trägerelement kann aber auch zusätzlich zu den Elektroden bereitgestellt werden. Insbesondere kann die piezoelektrische Schicht mit aufgebrachten Elektroden auf das Trägerelement aufgebracht werden.The carrier element can represent one of the electrodes. However, the carrier element can also be provided in addition to the electrodes. In particular, the piezoelectric layer with applied electrodes can be applied to the carrier element.
Das Trägerelement und die piezoelektrischen Schicht können durch gemeinsames Sintern stoffschlüssig verbunden sein.The carrier element and the piezoelectric layer can be cohesively connected by joint sintering.
Die piezoelektrische Schicht kann mit dem Trägerelement auch beispielsweise durch eine Verbindungschicht stoffschlüssig verbunden sein. Die Verbindungschicht kann einen Kleber umfassen. Die Dicke der Verbindungschicht beträgt bevorzugt nicht mehr als 20 µm.The piezoelectric layer can also be cohesively connected to the carrier element, for example by a connecting layer. The tie layer may include an adhesive. The thickness of the bonding layer is preferably not more than 20 µm.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines bleifreien piezoelektrischen Bauteils mit der zuvor beschriebenen piezoelektrischen Schicht, wobei die piezoelektrische Schicht auf ein Trägerelement aufgebracht und mit dem Trägerelement stoffschlüssig verbunden wird, sodass die Schicht und das Trägerelement mechanisch gekoppelt sind.The invention further relates to a method for producing a lead-free piezoelectric component with the piezoelectric layer described above, wherein the piezoelectric layer is applied to a carrier element and is integrally bonded to the carrier element, so that the layer and the carrier element are mechanically coupled.
Insbesondere kann die Grünschicht vor dem Sintern auf ein Trägerelement aufgebracht und mit dem Trägerelement gesintert werden. Alle zuvor genannten Ausführungen und deren Merkmale mit ihren Vorteilen gelten für dieses Verfahren analog.In particular, the green layer can be applied to a carrier element before sintering and sintered with the carrier element. All of the previously mentioned versions and their features with their advantages apply analogously to this method.
Aufgrund der niedrigen Sintertemperatur eignet sich dieses Verfahren insbesondere auch für Trägerelemente, die nicht bei hohen Temperaturen bearbeitet werden dürfen.Due to the low sintering temperature, this process is particularly suitable for carrier elements that cannot be processed at high temperatures.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von Figuren beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.Exemplary embodiments are described below with reference to figures. The present invention is not limited to the exemplary embodiments shown.
Die Figuren zeigen:
-
1 Perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Bauteils. -
2 Detailansicht des ersten Ausführungsbeispiels des piezoelektrischen Bauteils im Querschnitt. -
3 Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Bauteils als haptisches Element. -
4 Perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Bauteils als Summer bzw. Ultraschallwandlers. -
5 Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Mikropumpe für Fluide.
-
1 Perspective view of a first embodiment of a piezoelectric component. -
2 Detailed view of the first exemplary embodiment of the piezoelectric component in cross section. -
3 Cross-sectional view of a second embodiment of a piezoelectric component as a haptic element. -
4 Perspective view of a fourth embodiment of a piezoelectric component as a buzzer or ultrasonic transducer. -
5 Schematic representation of how a micropump for fluids works.
In den
Auf einer Membran 2 als Trägerelement ist ein Piezoelement umfassend in dieser Reihenfolge eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrischen Keramikschicht 4 und eine zweite Elektrode 5 aufgebracht. Das piezoelektrische Bauteil 1 und die Schichten, die es umfasst, sind im Ausführungsbeispiel als kreisrunde oder elliptisch geformte Scheiben ausgeführt.A piezoelectric element comprising a
Die Membran 2 ist bevorzugt elektrisch leitfähig und umfasst ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein Metall wie Messing, Aluminium, Titan, Kupfer oder einen Stahl, ein Kohlefasermaterial, etc. Alternativ kann die Membran 2 ein Kunststoffmaterial umfassen, das an der Oberfläche metallisiert ist oder das leitfähige Partikel enthält.The
Die Membran 2 sollte so beschaffen sein, dass sie sich in Abhängigkeit einer Verformung der Keramikschicht 4 verformt. The
Die Membran 2 weist bevorzugt eine höhere Dicke und einen höheren Durchmesser als die Elektroden 3, 5 und die piezoelektrische Keramikschicht 4 auf.The
Das Piezoelement ist beispielsweise über ein Verbindungsmaterial 6 wie einen Klebstoff auf der Membran 2 aufgebracht.The piezoelectric element is applied to the
Die piezoelektrische Keramikschicht 3 ist bleifrei und umfasst ein Material mit der Zusammensetzung (BixFeO3)1-a(BayTiO3)a. Die Indizes sind aus den Bereichen 0,28 ≤ a ≤ 0,36; 0,99 ≤ x ≤ 1,05 und 0,975 ≤ y ≤ 1,005 ausgewählt und betragen beispielsweise a = 0,305, x = 1,030, y = 0,995.The piezoelectric
Die piezoelektrische Keramikschicht 4 ist so beschaffen und angeordnet, dass sie sich in Abhängigkeit einer Verformung der Membran 2 verformt.The piezoelectric
Bevorzugt ist genau eine piezoelektrische Keramikschicht 4 im piezoelektrischen Bauteil 1 vorgesehen.Exactly one piezoelectric
Im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen Keramikschichten weist die beschriebene bleifreie Keramikschicht 4 eine deutlich erhöhte Koerzitivfeldstärke auf. Im Beispiel beträgt die Koerzitivfeldstärke Ec = 1,9 kV/mm.Compared to conventional piezoelectric ceramic layers, the lead-free
Aufgrund der erhöhten Koerzitivfeldstärke kann das piezoelektrische Bauteil 1 im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen mit einer deutlich geringeren Dicke der Keramikschicht 4 von beispielsweise 50 bis 110 Mikrometern ausgeführt werden.Due to the increased coercive field strength, the
Die Herstellung der vorliegenden Keramikschicht 4 ist somit materialsparender als die Herstellung herkömmlicher Keramikschichten.The production of the present
Das beschriebene Keramikmaterial wird unter Luftatmosphäre gesintert. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Sintertemperatur und der vergleichsweise kurzen Haltezeit ist die Herstellung der beschriebenen Keramik energiesparender als die Herstellung herkömmlicher Keramikschichten.The ceramic material described is sintered in an air atmosphere. Due to the comparatively low sintering temperature and the comparatively short holding time, the production of the ceramic described requires less energy than the production of conventional ceramic layers.
Das beschriebene Keramikmaterial weist weiterhin eine vergleichsweise hohe Curie-Temperatur von 450 °C und eine ähnliche Dichte von 7,4 ×103 kg/m3 wie herkömmliche, nichtbleifreie piezoelektrische Materialien auf.The ceramic material described also has a comparatively high Curie temperature of 450° C. and a similar density of 7.4×10 3 kg/m 3 to conventional, non-lead-free piezoelectric materials.
Das piezoelektrische Bauteil 1 kann als haptisches Element ausgeführt sein.The
Das haptische Element kann in einem Ausführungsbeispiel als ein Aktor ausgeführt sein, das ein elektrisches Signal in eine mechanische Auslenkung der Membran 2 überträgt.In one exemplary embodiment, the haptic element can be designed as an actuator that transmits an electrical signal into a mechanical deflection of the
Hierzu wird ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Keramikschicht 4 angelegt. Die piezoelektrische Schicht verformt sich in Reaktion auf das angelegte elektrische Feld. Die als kreisförmige Scheibe ausgeführte piezoelektrische Keramikschicht 4 wölbt sich insbesondere in ihrer Mitte aus der neutralen Position heraus. Als neutrale Position wird hierbei die Position der Keramikschicht 4, wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, bezeichnet.To this end, an electric field is applied to the piezoelectric
In einem weiteren Ausführungsbeispielen kann das haptische Element als ein Berührungssensor ausgeführt sein.In a further exemplary embodiment, the haptic element can be embodied as a touch sensor.
Hierzu kann beispielsweise wie in
Insbesondere kann der Berührungssensor in einem Trackpad beispielsweise eines Laptop-Computers verbaut sein. Das piezoelektrische Bauteil 1 ist dann direkt unter der berührungsempfindlichen Oberfläche des Trackpads angebracht.In particular, the touch sensor can be built into a trackpad of a laptop computer, for example. The
Wird ein Druck auf die berührungsempfindliche Oberfläche des Trackpads ausgeübt, die in diesem Fall der Abdeckung 7 auf dem piezoelektrischen Element entsprechen kann, wird auch das darunter angeordnete piezoelektrische Element verformt. Als Reaktion auf die Verformung entsteht in der piezoelektrischen Schicht 4 eine elektrische Spannung, die als elektrisches Signal an eine Auswerteelektronik weitergeleitet wird.If pressure is applied to the touch-sensitive surface of the trackpad, which in this case can correspond to the
Ähnliche Berührungssensoren sind beispielsweise auch hinter Bildschirmen von Mobiltelefonen angeordnet.Similar touch sensors are also placed behind cell phone screens, for example.
In einer weiteren Ausführungsform kann das piezoelektrische Bauteil 1 als Summer 10 ausgeführt sein, wie in
Die Resonanzkammer 11 kann beispielsweise ein Aluminiumstopf sein, in dem das piezoelektrische Bauteil 1 eingeklebt ist.The
Beispielsweise wird die piezoelektrischen Schicht 4 mit einer elektrischen Spannung von bis zu 3 Volt und einer elektrischen Frequenz von 4000 Hz beaufschlagt um ein akustisches Signal mit einer Lautstärke von mindestens 75 Dezibel zu erzeugen.For example, the
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Bauteil 1 als Ultraschallwandler 10 ausgeführt. Ein Ultraschallwandler 10 ist im Wesentlichen ähnlich wie ein Summer 10 aufgebaut. Die erzeugte Schallfrequenz liegt im Unterschied zum Summer allerdings nicht im hörbaren Bereich, sondern im Ultraschallbereich.In a further exemplary embodiment, the
Weiterhin fungiert das piezoelektrische Bauteil 1 als Ultraschallwandler 10 nicht nur als ein Aktor, der Ultraschall erzeugt, sondern ebenso als ein Sensor, der ein Ultraschallsignal detektiert. Insbesondere kann ein reflektiertes Ultraschallsignal des erzeugten und ausgesendeten Ultraschallsignals detektiert werden. Aus der Dauer zwischen dem Aussenden und dem Detektieren des reflektierten Ultraschallsignals, kann der Abstand zu einem reflektierenden Objekt bestimmt werden. Ein solcher Ultraschallwandler kann daher als ein Abstandssensor beispielsweise in automotiven Anwendungen eingesetzt werden.Furthermore, the
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in
Die piezoelektrischen Bauteile 1 bilden hierbei die Abdeckungen miteinander verbundener Kammern 21. Die Kammern 21 sind beispielsweise durch eine Rohrleitung 22, die zur Förderung eines Fluides geeignet ist, verbunden. Ventile 23 in der Rohrleitung geben die Flussrichtung des Fluides zuvor. Durch die Verformung des piezoelektrischen Elements kann das Volumen der Kammern 21 vergrößert oder verkleinert werden, sodass ein Hub entsteht. Beispielsweise kann das Volumen einer ersten Kammer 21 verringert werden, während das Volumen einer zweiten, entlang der Rohrleitung folgenden Kammer 21 vergrößert wird, sodass das zu fördernde Fluid von der ersten zur zweiten Kammer 21 fließt.In this case, the
Eine solche Mikropumpe 20 kann beispielsweise zur Dosierung von Fluiden im medizinischen Bereich eingesetzt werden.Such a
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das piezoelektrische Bauteil 1 als Synthetic Jet Actuator, also als Aktoren zur Erzeugung eines künstlichen Strahls, eingesetzt. Das Prinzip ist dasselbe wie für die Anwendung als Mikropumpe 20. Ein solcher Aktor kann beispielsweise zur gezielten Reinigung empfindlicher Oberflächen wie von Übertragungsflächen für optische und sensorische Oberflächen eingesetzt werden.In a further exemplary embodiment, the
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische Bauteil 1 als ein Teilchendetektor eingesetzt werden. Das piezoelektrische Bauteil 1 ist dazu in einem Strömungskanal verbaut. Im Strömungskanal kann beispielsweise ein Gas, das Feststoffpartikel transportiert, gefördert werden.In a further embodiment, the
Im Betriebszustand wird die piezoelektrische Schicht 4 des Bauteils wird mit einer Frequenz im Ultraschallbereich zum Schwingen angeregt.In the operating state, the
Stößt ein Feststoffpartikel auf eine Membran 2 des piezoelektrischen Bauteils 1, verformt sich die daran gekoppelte piezoelektrische Schicht 4 und bewirkt eine Änderung der Schwingungsfrequenz. Die Änderung der Schwingungsfrequenz hängt von der Größe und Anzahl der Teilchen ab, die somit durch eine Auswerteelektronik bestimmt werden können.If a solid particle collides with a
In einem weiteren Ausführungsbeispiel dient das piezoelektrische Bauteil als Wandler von mechanischer Energie zu elektrischer Energie, also dem „Energy Harvesting“. Diese Anwendung nutzt damit den umgekehrten Effekt als der haptische Aktor. Wird eine piezoelektrische Schicht 4 verformt, entsteht ein elektrisches Potential, welches durch eine geeignete Schaltung abgegriffen in Form von elektrischer Energie zwischengespeichert, als Messgröße ausgelesen oder direkt zum Versenden eines Signals verwendet werden kann.In a further exemplary embodiment, the piezoelectric component serves as a converter from mechanical energy to electrical energy, ie for “energy harvesting”. This application thus uses the opposite effect as the haptic actuator. If a
Beispielhafte Applikationen hierfür sind drahtlose Sensoren für Lichtschalter, Tritt- oder Schließdetektoren, Vibrationsdetektoren oder Strömungsdetektoren.Exemplary applications for this are wireless sensors for light switches, footfall or locking detectors, vibration detectors or flow detectors.
In weiteren Ausführungsformen kann das beschriebene piezoelektrische Bauteil 1 zur Energie- und Datenübertragung durch Festkörper mittels Ultraschalltransmission eingesetzt werden. Anwendung findet diese Kommunikation zur Steuerung und zum Auslesen von Sensoren, Aktoren oder zur elektronischen Identifikation. Ein piezoelektrisches Bauteil 1 dient hierbei als Ultraschallsender und ein weiteres als Ultraschallempfänger.In further embodiments, the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- piezoelektrisches Bauteilpiezoelectric component
- 22
- Membranmembrane
- 33
- Elektrodeelectrode
- 44
- piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
- 55
- Elektrodeelectrode
- 66
- Verbindungsmaterialconnection material
- 77
- Abdeckungcover
- 1010
- Summer, UltraschalwandlerBuzzer, ultrasonic transducer
- 1111
- Resonanzkammerresonance chamber
- 2020
- Mikropumpemicropump
- 2121
- Kammerchamber
- 2222
- Rohrleitungpipeline
- 2323
- VentilValve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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2022
- 2022-09-14 DE DE202022105191.7U patent/DE202022105191U1/en active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0041187000 Ipc: H10N0030853000 |
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| R207 | Utility model specification |