DE4014526A1 - Verfahren zum herstellen eines stapels von piezokeramischen scheiben - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines stapels von piezokeramischen scheiben

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DE4014526A1
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DE
Germany
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discs
adhesive
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piezoceramic
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Withdrawn
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DE4014526A
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Wolfgang Dipl Ing Geiss
Konrad Dipl Phys Voigt
Guenter Dipl Phys Dr Helke
Eike Dipl Ing Wehrsdorfer
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HERMSDORF KERAMIK VEB
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HERMSDORF KERAMIK VEB
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
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    • H10N30/067—Forming single-layered electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der piezoelektrischen Bauelemente. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben, bei dem die einzelnen Scheiben über ihre flächenhaften Dünnschichtkontakte und über zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere Klebemittel, unter Druckeinwirkung miteinander verbunden werden. Der Stapel findet Anwendung als Mikrotransistor, z. B. im Präzisionsgerätebau.
Es ist bekannt, piezokeramische Scheiben zu einem Stapel zu vereinigen (DE-32 18 576). Dabei werden die einzelnen Scheiben beidseitig flächenhaft durch ein Dickschicht- oder Dünnschichtverfahren mit Kontaktierungsschichten (Elektroden) versehen. Benachbarte Scheiben werden mit einem Kleber verbunden, wobei in den Kleber noch Metallzwischenlagen eingebettet werden, die nach außen führen (DE-32-18-576). Das Zusammenfügen der Scheiben geschieht mittels Druckeinwirkung, die oftmals durch geeignete Anordnungen auch bei Betrieb des Bauelementes beibehalten wird.
Die Elektroden können auch zur Außenkontaktierung bis auf die Scheibenkante aufgebracht werden. Durch die bisher verwendeten Verfahren und Anordnungen zum Stapeln von piezokeramischen Scheiben ergeben sich folgende Nachteile:
  • 1. Durch die Verwendung von Metallzwischenlagen:
    • - große nichtaktive Masse der Zwischenlagen führt zur Verschlechterung (Verringerung) der Steifigkeit und der Resonanzfrequenz (Stellgeschwindigkeit) in axialer Richtung des Stapels
    • - Mehraufwand bei der Stapelmontage
    • - Behinderung der Querkontraktion der Scheiben
  • 2. Durch Verwendung von Dickschichtkontakten:
    • - immer noch relativ große nichtaktive Masse, insbesondere bei sehr dünnen Scheiben (d0,2 mm)
    • - geringe Härte der Dickschicht (Ag/Pd) führt ebenfalls zur Verringerung der Steifigkeit in axialer Richtung des Stapels
    • - Behinderung der Querkontraktion der Scheiben durch die Dickschichtkontakte
  • 3. Durch die Verwendung von Kleberschichten:
    • - hoher Temperaturkoeffizient des Klebers geht in die Längenmeßtechnik ein (bei dieser Verwendung des Stapels)
    • - die Verringerung der Steifigkeit ist ebenfalls zu verzeichnen
  • 4. Durch die Verwendung von Dünnschichtkontakten:
    • - neben den Vorteilen der extrem geringen nichtaktiven Masse und der Nichtbehinderung der Querkontraktion der Scheiben ergeben sich auch Nachteile:
    • - die vorhandene Oberflächenrauhigkeit der Keramik, die sich ebenfalls in der Dünnschicht widerspiegelt, macht wiederum einen Ausgleich durch das Einfügen von Metallzwischenlagen und/oder Kleber, um Zerstörungen im Mikrobereich (Kornausbrüche) zu verhindern, notwendig
    • - die genannten Vorteile der einzelnen Scheibe sind daher im Stapel nicht nutzbar.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben zu realisieren, das weniger aufwendig bei der Montage des Stapels ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren gemäß Titel der Erfindung zu schaffen, das es gestattet, das elastische Verhalten des Spapels (Steifigkeit, E-Modul) dem Idealzustand des massiven Keramikmaterials möglichst nahe anzugleichen, wobei das Ziel der Erfindung zu beachten ist. Zur Herstellung des Stapels werden die einzelnen Scheiben über ihre flächenhaften Dünnschichtkontakte und über zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere Klebemittel, unter Druckeinwirkung miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß werden piezokeramische Scheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit Rm<5 µm (Maximaldifferenz) und Ra=0,15 bis 0,5 µm (Mittelwert) verwendet. Durch ein an sich bekanntes Sputterverfahren werden auf die Scheiben beidseitig bis auf den Rand reichende Elektrodenschichten aus relativ hartem Material, insbesondere aus CuNi abgeschieden. Anschließend wird jeweils auf eine Scheibe in einem Punktraster Kleber mit einer Viskosität im Bereich von 100 bis 500 mPa · s aufgetragen und sofort danach die nächste Scheibe mit einem Druck im Bereich von 0,5 bis 1 MPa deckungsgleich aufgelegt, wobei der Druck bis zum Aushärten des Klebers beibehalten wird. Abschließend nach dem Aufkleben der letzten Scheibe des Stapels werden die Randkontaktflächen ebenfalls durch ein Sputterverfahren nochmals mit Elektrodenmaterial überschichtet.
Durch den Auftrag des Klebers in einem Punktraster soll erfindungsgemäß erreicht werden, daß sich beim Aufeinanderlegen zweier Scheiben kein durchgängiger Kleberfilm ausbildet. Es sollen nur die durch vorhandene Rauhigkeiten beim Zusammenfügen der Scheiben entstehenden Hohlräume mit Kleber ausgefüllt werden. Dadurch wird ein "inniger" Keramik/Keramik-Kontakt erreicht, ohne die negativen Eigenschaften einer Kleberzwischenlage hervorzurufen. Die Druckeinwirkung wird nicht nur bezüglich der Einwirkung des Klebers benötigt, sondern auch um diesen innigen Kontakt zwischen den Keramikoberflächen während des Aushärtens des Klebers und nach Fertigstellung des Stapels zu gewährleisten.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Zur Herstellung eines Mikrotranslators werden zunächst piezokeramische Scheiben einer PZT-Keramik bereitgestellt. Die Scheiben weisen dabei folgende Rauhigkeiten auf:
maximale Differenz Rm=3,7 µm
Mittelwert Ra=0,41 µm.
Die Scheiben haben einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,5 mm.
Danach wird auf jede Seite einer Scheibe eine entsprechend gestaltete im wesentlichen aus CuNi bestehende Elektrode mit einer Schichtdicke von 0,8 µm aufgesputtert. Die Elektrode wird dabei teilweise bis auf den Rand gezogen, um später die Kontaktierung des Stapels zu ermöglichen. Zur Herstellung des Stapels wird nun auf eine erste Scheibe punktförmig ein geeigneter Kleber, z. B. Epoxidharz oder Cyanacrylat, aufgebracht. Der Kleber besitzt eine Viskosität von 400 mPa · s. Sofort danach wird die nächste Scheibe deckungsgleich aufgelegt, wobei ein Druck von 0,5 MPa auf die gesamte Fläche ausgeübt wird. Dieser Druck wird so lange beibehalten, bis der Kleber ausgehärtet ist.
Nachdem gemäß dieser genannten Verfahrensschritte ein Stapel von piezokeramischen Scheiben errichtet wurde, werden die Randkontaktflächen ebenfalls durch Sputtern auf eine Dicke von ca. 1,8 µm verstärkt.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Translators (mit Armatur) sollen zum Abschluß mit einem vergleichbaren, den Stand der Technik darstellenden Translator gegenübergestellt werden:
Auch der Wert für die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Stapels (ohne Armatur) zeigt, daß dem angestrebten Wert für das massive Keramikmaterial nahegekommen wird. Sie betragen:
- massives Material
290 N/µm
- erfindungsgemäßer Stapel 200-290 N/µm
- Stapel mit Dickschichtelektroden und Metallzwischenlagen 100 N/µm

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben, bei dem die einzelen Scheiben über ihre flächenhaften Dünnschichtkontakte und über zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere Klebemittel, unter Druckeinwirkung miteinander verbunden werden, gekennzeichnet dadurch, daß piezokeramische Scheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit Rm<5 µm und Ra=0,15 bis 0,5 µm verwendet werden, daß durch ein an sich bekanntes Sputterverfahren auf die Scheiben beidseitig bis auf den Seitenrand reichende Elektrodenschichten aus relativ hartem Material, insbesondere aus CuNi, abgeschieden werden, daß anschließend jeweils auf eine Scheibe der Kleber in einem Punktraster mit einer Viskosität im Bereich von 100 bis 500 mPa · s aufgetragen wird und sofort danach die nächste Scheibe mit einem Druck im Bereich von 0,5 bis 1 MPa deckungsgleich aufgelegt wird, wobei der Druck bis zum Aushärten des Klebers beibehalten wird, daß abschließend nach dem Aufkleben der letzten Scheibe des Stapels die Randkontaktflächen ebenfalls durch ein Sputterverfahren nochmals mit Elektrodenmaterial überschichtet werden.
DE4014526A 1989-08-28 1990-05-07 Verfahren zum herstellen eines stapels von piezokeramischen scheiben Withdrawn DE4014526A1 (de)

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NL (1) NL9001736A (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4029972A1 (de) * 1990-09-21 1992-03-26 Siemens Ag Ultraschallwandler aus piezokeramik

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GB2367532B (en) * 2000-07-27 2004-03-10 Kyocera Corp Layered unit provided with piezoelectric ceramics,method of producing the same and ink jet printing head employing the same

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GB2235577A (en) 1991-03-06
NL9001736A (nl) 1991-03-18
GB2235577B (en) 1993-07-07
DD287357B5 (de) 1994-09-15

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