DE2751871C2

DE2751871C2 - Method for polarizing piezoelectric ceramic elements

Info

Publication number: DE2751871C2
Application number: DE2751871A
Authority: DE
Inventors: Eike Dipl.-Ing. 7257 Ditzingen Eckert; Wolfgang Ing.(Grad.) 7016 Gerlingen Heck
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1977-11-21
Filing date: 1977-11-21
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2751871B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen keramischen Elementen durch Anlegen einer Gleichspannung an zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Elementes angeordneten Elektroden, von denen eine im fertigen Element ein Elektrodenmuster bildet und aus mehreren aufeinanderliegenden unterschiedlichen Metallschichten besteht.The invention relates to a method for polarizing piezoelectric ceramic elements by applying a DC voltage to two arranged on opposite sides of the element Electrodes, one of which forms an electrode pattern in the finished element, and a number of which are placed one on top of the other consists of different metal layers.

Es ist bekannt, daß sich polykristalline Stoffe, insbesondere piezoelektrische keramische Stoffe durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung polarisieren lassen, während dabei der Stoff über die Curie-Temperatur erhitzt wird. Dies ist beispielsweise in der DE-AS 12 93 245 beschrieben.It is known that polycrystalline substances, in particular piezoelectric ceramic substances, are effective Applying a DC voltage polarize while doing the fabric over the Curie temperature is heated. This is described in DE-AS 12 93 245, for example.

Piezoelektrische keramische Elemente, die meist aus einem Plättchen aus piezoelektrischem keramischen Material unterschiedlicher Zusammensetzung mit darauf angeordneten Elektroden bestehen, müssen meist, um für den vorgesehenen Verwendungszweck geeignet zu werden, einer solchen Polarisation bei ihrer Herstellung unterworfen werden.Piezoelectric ceramic elements, which usually consist of a plate made of piezoelectric ceramic Material of different composition with electrodes arranged on it, must usually, in order to be suitable for the intended use, such a polarization at their Manufacturing are subjected.

Hierbei werden an die auf gegenüberliegenden Flächein des Elementes angeordneten Elektroden verwendet. Dies ist natürlich nur dann möglich, wenn die Polarisationsrichtung im Element in der Richtung von einer Elektrode zur andern Elektrode hin verläuft. Wenn jedoch, wie im Falle des Elementes nach der DE-OS 19 42 768 die Polarisationsrichtung parallel zu den Elektroden verläuft, müssen zusätzlich Polarisationselektroden angewendet werden.In this case, electrodes arranged on opposite surfaces of the element are attached used. Of course, this is only possible if the direction of polarization in the element is in the direction of one electrode runs towards the other electrode. If, however, as in the case of the element according to the DE-OS 19 42 768 the direction of polarization runs parallel to the electrodes, additional polarization electrodes must be used be applied.

Wenn die Polarisationsrichtung senkrecht zu den Elektroden verläuft, können diese auch zur Polarisation verwendet werden. Für eine homogene Polarisation des ganzen Elementes sind dann durchgehende Elektroden wie im Falle des Elementes nach der DE-AS 25 42 228 erforderlich, da eine Polarisation im Material desIf the direction of polarization is perpendicular to the electrodes, these can also be used for polarization be used. Continuous electrodes are then required for a homogeneous polarization of the entire element as in the case of the element according to DE-AS 25 42 228 required because a polarization in the material of the

ίο Elementes nur zwischen den Elektroden stattfindetίο element only takes place between the electrodes

Es ist auch bekannt, die Elektroden von piezoelektrischen Elementen aus mehreren aufeinanderliegenden Metallschichten aufzubauen, wie z. B. aus einer unteren Chromschicht und einer darauf angeordneten GoIdschicht(DE-AS18 07 602).It is also known the electrodes of piezoelectric Build elements from several superimposed metal layers, such as. B. from a lower one Chrome layer and a gold layer arranged on it (DE-AS18 07 602).

Bei vielen piezoelektrischen Elementen werden elektromechanische Oberflächeneffekte ausgenutzt, wie z. B. bei Vorrichtungen, die unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen arbeiten. Bei solchen Elementen müssen auf einer Oberfläche Elektroden in Form von definierten Elektrodenmustern vorhanden sein, damit die angestrebte Wirkung erreicht wird. So werden bei piezoelektrischen Elementen unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen fingerförmig ineinandergreifende Elektroden verwendet, die aus dünnen Metallschichten bestehen, die einen genau definierten Abstand und eine genau definierte Breite haben müssen. Solche Metallschichten sind sehr empfindlich und für homogenes Polarisieren des Substratmaterials nicht geeignet. Anderseits sind bei solchen Elementen Verunreinigungen und Störungen der Oberfläche sehr nachteilig.In many piezoelectric elements, electromechanical surface effects are used, such as z. B. in devices that operate using surface acoustic waves. In such Elements must have electrodes on a surface in the form of defined electrode patterns so that the desired effect is achieved. So are used in piezoelectric elements used interdigitated electrodes made of surface acoustic waves thin metal layers are made, which have a precisely defined distance and a precisely defined width need to have. Such metal layers are very sensitive and for homogeneous polarization of the Substrate material not suitable. On the other hand, with such elements there are impurities and disturbances very detrimental to the surface.

Die Elektrodenmuster werden in der Weise erzeugt, daß eine oder mehrere aufeinanderliegende unterschiedliche Metallschichten auf die Oberfläche des piezoelektrischen keramischen Elementes aufgebracht werden und anschließend durch einen Ätzvorgang unter Verwendung einer geeigneten Ätzmaske das Elektrodenmuster aus der Metallfläche ausgeätzt wird. Es kann aber auch beim Aufbringen der Schicht selbst durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung eine geeignete Maske verwendet werden, so daß das Elektrodenmuster sofort in seiner endgültigen Form aufgebracht wird.The electrode patterns are generated in such a way that one or more superimposed different Metal layers applied to the surface of the piezoelectric ceramic element and then the electrode pattern by an etching process using a suitable etching mask is etched out of the metal surface. But it can also do this when applying the layer itself Evaporation or sputtering use a suitable mask so that the electrode pattern is immediately applied in its final form.

LJm eine Beschädigung der Oberfläche des piezoelektrischen keramischen Elementes und eine Verunreinigung derselben zu vermeiden, wird die Polarisation möglichst spät im Verlaufe des Herstellungsverfahrens vorgenommen, d. h. möglichst kurz vor dem Abschluß des Herstellungsverfahrens. Dadurch wird auch vermieden, daß die Polarisation nicht durch nachfolgende Verfahrensschritte mit thermischer und mechanischer Belastung des Elementes leidet.LJm damage to the surface of the piezoelectric ceramic element and contamination To avoid the same, the polarization is as late as possible in the course of the manufacturing process made, d. H. as soon as possible before the end of the manufacturing process. This also avoids that the polarization is not caused by subsequent process steps with thermal and mechanical Load on the element suffers.

Andererseits sind die zu diesem Zeitpunkt meist schon aufgebrachten Elektroden in Form eines Elektrodenmusters aus dünnen Metallschichten sehr empfindlich gegen mechanische Beschädigungen, die leicht dadurch eintreten, daß Polarisationselektroden auf diese Elektrodenmuster zum Zwecke der Polarisation aufgelegt werden müssen. Die Elektrodenmuster sind für die homogene Polarisation des Substrates nicht geeignet.On the other hand, the electrodes that have already been applied at this point in time are usually in the form of an electrode pattern made of thin metal layers very sensitive to mechanical damage that is easy occur in that polarizing electrodes on this electrode pattern for the purpose of polarization must be put on. The electrode patterns are not responsible for the homogeneous polarization of the substrate suitable.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das eine homogene Polarisation von solchen piezoelektrischen keramischen ElementenThe object of the invention is to provide a method by which a homogeneous polarization of such piezoelectric ceramic elements

t>5 Elektroden in Form eines Elektrodenmusters ermöglicht wird, ohne daß Verunreinigungen oder Störungen der Oberfläche eintreten.allows t> 5 electrodes in the form of an electrode pattern without contamination or surface disturbances occurring.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen desThis task is carried out by the

Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöstClaim 1 specified measures solved

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung wird erreicht, daß vor der Polarisation bereits Metallschichten in Form des Elektrodenmusters aufgebracht werden können. Die unterste durchgehende Metallschicht bildet mit der Gegenelektrode einen Plattenkondensator, über den der aus dazwischen angeordnete polykristalline Stoff homogen polarisiert werden kana Danach dienen die darauf angeordneten, bereits das Elektrodenmuster bildenden Metallschichten als Ätzmaske.The method according to the invention ensures that metal layers are already present before the polarization can be applied in the form of the electrode pattern. The lowest continuous metal layer forms with the counter electrode a plate capacitor, via which the polycrystalline The material can be polarized homogeneously forming metal layers as an etching mask.

Es ist besonders vorteilhaft, als unterste Metallschicht eine Chromschicht zu verwenden, da diese die erforderliche elektrische Belastung bei der Polarisation gut aushält, gut auf piezoelektrischen keramischen Elementen haftet, sich auch gut mit den darauf angeordneten Metallschichten verbindet und sich leicht m:i Ätzmitteln ätzen läßt, durch welche die üblicherweise für Elektrodenmuster verwendeten Metalle nicht angegriffen werden.It is particularly advantageous as the bottom metal layer to use a chrome layer, as this creates the necessary electrical load during polarization withstands well, adheres well to piezoelectric ceramic elements, and also works well with those on them arranged metal layers connects and can easily be etched m: i etchants, through which the usually Metals used for electrode patterns are not attacked.

Als obere Metallschicht wird vorzugsweise eine Goldschicht verwendet. Zwischen der Goldschicht und der Chromschicht wird vorzugsweise noch eine Nickelschicht angeordnet, die eine bessere Haftung der einzelnen Schichten untereinander bewirkt.A gold layer is preferably used as the upper metal layer. Between the gold layer and the chromium layer is preferably also arranged a nickel layer, which ensures better adhesion of the causes individual layers to each other.

Als Gegenelektrode wird keine aufgedampfte oder aufgestäubte Elektrode verwendet, sondern vorzugsweise eine auf die Oberfläche des piezoelektrischen Elementes aufgebrachte Schicht aus Leitlack. Eine solche Leitlackschicht kann in einfacher Weise und ohne große mechanische und thermische Belastung des piezoelektrischen Elementes aufgebracht und auch wieder entfernt werden.No vapor-deposited or sputtered electrode is used as the counter-electrode, but rather preferably a layer of conductive lacquer applied to the surface of the piezoelectric element. One Such conductive lacquer layer can be easily and without great mechanical and thermal loading of the Piezoelectric element applied and removed again.

Anhand der Figur soll das Verfahren gemäß der Erfindung näher erläutert werden. Das piezoelektrische keramische Element 1 ist vorzugsweise ein Plättchen mit zwei parallelen ebenen Oberflächen. Auf die obere Fläche wird gemäß der Erfindung zunächst eine Chromschicht 2 aufgebracht, auf der eine Goldschicht 4 angeordnet ist Zwischen der Goldschicht 4 und der Chromschicht 2 ist vorzugsweise noch eine Schicht 3 aus Nickel angeordnet Die oberen Metallschichten 3 und 4 werden so aufgebracht bzw. nach dem Aufbringen so behandelt, daß das gewünschte ElektrodenmusterThe method according to the invention is to be explained in more detail with the aid of the figure. The piezoelectric Ceramic element 1 is preferably a plate with two parallel flat surfaces. On the top According to the invention, a chrome layer 2 is first applied to the surface, on which a gold layer 4 is arranged between the gold layer 4 and the chromium layer 2, a layer 3 is preferably also made Nickel arranged. The upper metal layers 3 and 4 are applied like this or after application like this treated that the desired electrode pattern

ίο entsteht Dies ist in der Zeichnung dadurch dargestellt, daß die oberen Schichten 3 und 4 Unterbrechungen aufweisen.ίο arises This is shown in the drawing by that the upper layers 3 and 4 have interruptions.

Als Gegenelektrode wird vorzugsweise eine Leitsilberschicht 5 auf die gegenüberliegende Fläche des Elementes 1 aufgebrachtAs a counter electrode, a conductive silver layer 5 is preferably applied to the opposite surface of the Element 1 applied

Mittels der Elektroden 6 und 7 wird von einer Gleichspannungsquelle 8 eine Polarisationsspannung von solcher Stärke angelegt, daß die erforderliche Polarisation des Elementes 1 in an sich bekannter Weise erzielt wird. Dabei wird das Element auf eine Temperatur über die Curie-Temperatur erhitzt und anschließend unter anliegender elektrischer Spannung abgekühlt Die elektrische Belastung bei der Polarisation wird hierbei von der Leitsilberschicht 5 und der Chromschicht 2 aufgenommen.A polarization voltage is generated from a DC voltage source 8 by means of the electrodes 6 and 7 of such strength applied that the required polarization of the element 1 in a manner known per se is achieved. The element is heated to a temperature above the Curie temperature and then cooled down under applied electrical voltage. The electrical load during polarization is absorbed by the conductive silver layer 5 and the chromium layer 2.

Nach Abschluß der Polarisation wird durch ein Ätzverfahren oder in anderer geeigneter Weise die Chromschicht 2 an den Stellen entfernt wo sie von den Schichten 3 und 4 nicht bedeckt ist. Dadurch hat das Elektrodenmuster seine entgültige Form. Die als Elektrodenmuster bereits vorhandenen Schichten 3 und 4 dienen hierbei als Ätzabdeckung für die Chromschicht Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von piezoelektrischen keramischen Elementen, weiche auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen arbeiten.After completion of the polarization, the Chromium layer 2 removed at the points where it is not covered by layers 3 and 4. This has the Electrode pattern its final shape. The layers 3 and 4 serve as an etching cover for the chrome layer. This method is particularly suitable for production of piezoelectric ceramic elements, soft on the basis of acoustic surface waves work.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for polarizing piezoelectric ceramic elements by applying a DC voltage at two electrodes arranged on opposite sides of the element, from one of which forms an electrode pattern in the finished element and consists of several superimposed different metal layers consists, d a characterized in that the the electrode pattern forming metal layers (2, 3, 4) are first applied so that the lowest Metal layer (2) completely covers the surface of the element (1) and those arranged on it Metal layers (3, 4) form the electrode pattern that the polarization of the element (1) is made and that then the exposed parts of the lower metal layer (2) removed will.

2. The method according to claim 1, characterized in that the metal for the upper metal layers (3, 4) metals resistant to an etchant for the lower metal layer (2) are used will.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that a continuous lower Metal layer (2) made of chromium and on top of this a metal layer (4) made of gold in the form of an electrode pattern is applied.

4. The method according to claim 3, characterized in that between the chromium layer (2) and the Gold layer (4) a layer (3) is applied to nickel in the form of the electrode pattern.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that on the metal layers (2, 3, 4) opposite surface of the element (1) before polarizing a layer (5) of conductive silver is applied.