DE60127780T2 - Piezoelektrisches/elektrostriktives Bauelement - Google Patents

Piezoelektrisches/elektrostriktives Bauelement Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische/elektrostriktive Elemente und insbesondere piezoelektrische/elektrostriktive Elemente als Aktuatoren, bei denen eine bogenförmige Verschiebung umgesetzt wird und Sensoren zum Detektieren von Fluideigenschaften, des Schalldrucks, von geringen Gewichten, von Beschleunigungen etc., beispielsweise in Mikrophonen oder Viskositätssensoren.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Piezoelektrische/elektrostriktive Filmelemente werden in verschiedenen Typen von Aktuatoren oder Sensoren verwendet. Die verschiedenen Anwendungen von piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelementen umfassen die Messung verschiedener Fluideigenschaften, wie z.B. die Messung der Dichte, Konzentration und Viskosität etc., wie beispielsweise in der japanischen Patentschrift Nr. 8-201265 A geoffenbart ist. Solche Elemente finden herkömmlich als Sensoren Anwendung, da eine Korrelation zwischen der Amplitude eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Oszillators und dem viskösen Widerstand eines Fluids in Kontakt mit dem Oszillator besteht. Zur Quantifizierung dieser Korrelation wenden piezoelektrische/elektrostriktive Elemente ein Prinzip an, bei dem die Oszillationsform in einem mechanischen System, wie die Oszillation eines Oszillators, in eine entsprechende Schaltung in einem elektrischen System umgewandelt wird. Ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Filmoszillator oszilliert beispielsweise in einem Fluid und verspürt einen mechanischen Widerstand in Bezug auf den Viskositätswiderstand des Fluids. Basierend auf dem oben angeführten Prinzip fühlt der Oszillator dadurch die Änderung einer elektrischen Konstante einer äquivalenten, elektrischen Schaltung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements, aus dem der Oszillator besteht, ab. Dadurch wird es möglich, verschiedene Parameter, wie z.B. Viskosität, Dichte und Konzentration des Fluids, zu messen.
  • Ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Filmoszillator ist in der Lage, Fluide sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase zu messen. Darüber hinaus ist obiger Oszillator nicht nur in der Lage, Flüssigkeiten zu messen, die aus Einsubstanzfluiden (näm lich, Wasser, Alkohol oder Öle etc.) bestehen, sondern auch Fluide zu messen, die aus Aufschlämmungen und Pasten bestehen, in denen ein lösliches oder nichtlösliches Medium in einer Lösung gelöst, gemischt oder suspendiert ist.
  • Als Beispiele für elektrische Konstanten, die ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Oszillator detektieren kann, dienen Verlustfaktor, Phase, Widerstand, Reaktanz, Leitfähigkeit, Blindleitwert, Induktivität und Kapazität. Insbesondere Verlustfaktor oder Phase, die einen maximalen oder minimalen Änderungspunkt in der Nähe der Resonanzfrequenz der Ersatzschaltung aufweisen, können bevorzugt als elektrische Konstanten verwendet werden. Dies ermöglicht nicht nur die Messung der Viskosität, sondern auch der Dichte und der Konzentration des Fluids. Beispielsweise kann durch Verwendung obiger elektrischer Konstanten die Konzentration von Schwefelsäure in einer wässrigen Lösung von Schwefelsäure erfolgreich gemessen werden. Neben der Verwendung als elektrische Konstante kann die Änderung der Resonanzfrequenz auch als Index zum Nachweis von Änderungen im Oszillationszustand fungieren, solange dies in Anbetracht der Messgenauigkeit und Dauerhaftigkeit nicht anders angezeigt ist.
  • Die EP-A 0 561 616 veranschaulicht ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element mit einem Keramiksubstrat mit einheitlicher Dicke, einer untere Elektrode und einer Hilfselektrode auf dem Substrat, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf der unteren Elektrode und einer oberen Elektrode auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht. An dem Spalt zwischen der unteren Elektrode und der Hilfselektrode kann ein Beschichtungsmaterial, wie z.B. ein Harz, zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht vorliegen.
  • In der EP-A-615 294 ist eine ähnliche piezoelektrische Vorrichtung dargelegt, die ein lokales dünnwandiges Substrat aufweist. Die untere und die Hilfselektrode liegen am dünnwandigen Abschnitt und sind in Längsrichtung beabstandet. Seitlich von diesen Elektroden liegt die piezoelektrische Schicht über den dickwandigen Abschnitten des Substrats an unvollständig angehafteten Bereichen vor, die eine uneingeschränkte Bewegung der Schicht in Bezug auf das Substrat zulassen.
  • 2 der vorliegenden Beschreibung zeigt ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement, das eine unveröffentlichte Entwicklung des oben beschriebenen ist. Eine Hilfselektrode 8 ist an einer von der unteren Elektrode 4 unabhängigen Position ausgebildet, die auf ein Keramiksubstrat 1 mit einer dünnen Membran 3 und einem dicken Bereich 2 laminiert ist. Das zu analysierende Fluid wird in einen hohlen Bereich 10 über ein Durchgangsloch 9 eingebracht. Ein Bereich der Hilfselektrode wird unterhalb eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 positioniert. Durch diese Konfiguration ist es möglich, die Verlässlichkeit der Verbindung der oberen Elektrode 6 durch die kontinuierliche Ausbildung (nämlich ohne Bruch in der Verbindung) der oberen Elektrode auf der Fläche der Hilfselektrode 8 und des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 zu verbessern.
  • Wie in 2 gezeigt, wird ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 auf eine untere Elektrode 4 platziert und weist eine solche Größe auf, dass sich der den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 umgebende Bereich über die Elektrode 4 hinaus reicht. Daher ist es nicht erforderlich, die untere Elektrode 4 und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 genau zu platzieren, wodurch Kurzschlüsse zwischen der oberen und der unteren Elektrode leicht vermieden werden können. Zudem kann der sich erstreckende Bereich 11 des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films eine durchaus ausreichende Biege-Verschiebung, Erzeugung und Oszillation bereitstellen, da es an dem Substrat 1 nicht vollständig angehaftet ist (der sich erstreckende Bereich 11 ist nämlich aufgrund der Gegenwart von nicht vollständig anhaftenden Bereichen 7A nicht an das Substrat angehaftet). Ein „unvollständiger Anhaftungszustand" bedeutet, dass ein Bereich des sich erstreckenden Bereichs 11 entweder teilweise am Keramiksubstrat angehaftet ist, oder dass ein nicht anhaftender Bereich ohne jeglichen anhaftenden Bereich vorliegt. Insbesondere ist ein „unvollständiger Anhaftungszustand" so definiert, dass die Ablösungs-(Abreiß-)festigkeit des Films 5 vom Substrat 1 5 MPa (0,5 kg/mm2) oder weniger beträgt.
  • Bezugnehmend auf die Bildung eines wie oben beschriebenen ungehafteten Zustands kann es dazu kommen, dass es erforderlich wird, eine niedrige Reaktivität zwischen den für das Substrat und den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film aus gewählten Materialien bereitzustellen. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, eine Blindschicht zwischen dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film und dem Substrat zu bilden, um zu verhindern, dass diese sich direkt kontaktieren. Idealerweise wird die Blindschicht mittels Stampfverfahren, Siebdruck oder Tintenstrahlverfahren ausgebildet. Der unvollständig angehaftete Bereich 7A wird gebildet, wenn die Blindschicht anschließend gelöst wird. Die Blindschicht wird beispielsweise mit verbrennbaren/entfernbaren Materialien (nämlich Harzmaterialien etc.) hergestellt, die gelöst werden, um unvollständig angehaftete Bereiche 7A zu bilden, wenn der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 wärmebehandelt wird. Alternativ dazu wird die Blindschicht mit einem Harzmaterial, dass in einer Zusammensetzung, wie z.B. Wasser oder organische Lösungsmittel etc. gelöst wird, gebildet, wenn der piezoelektrische/elektrostriktive Film und die obere Elektrode nicht wärmebehandelt wurden. Nach der Bildung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 entweder alleine oder zusammen mit der oberen Elektrode 6, werden die unvollständig angehafteten Bereiche 7A durch Lösen oder Entfernen der Blindschicht (nämlich in Wasser oder organischen Lösungsmitteln etc.) ausgebildet.
  • In den oben beschriebenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Oszillatoren neigen die elektrischen Konstanten zwischen den einzelnen Sensorelementen dazu sowohl in der Anfangsphase als auch im Laufe der Zeit zu variieren. Wenn es dazu kommt, wird ein aufwendiger Feineinstellungsvorgang erforderlich, um die passende Leistung des Oszillators zu gewährleisten. In solchen piezoelektrischen/elektrostriktiven Oszillatoren, die als Sensorelemente unter Verwendung von elektrischen Konstanten angewandt werden, bildet sich ein unvollständig angehafteter Bereich 7B, der sich im gleichen unvollständig angehafteten Zustand wie der unvollständig angehaftete Zustand 7A des sich erstreckenden Bereichs 11 befindet, zwischen der unteren Elektrode 4 und der Hilfselektrode 8 aus. Variationen und Abweichungen im unvollständig angehafteten Zustand dieses unvollständig angehafteten Bereichs 7B sind der Hauptgrund für Oszillationsänderungen der Sensorelemente, die wiederum Änderungen in den elektrischen Konstanten der piezoelektrischen/elektrostriktiven Oszillatoren bewirken. Dies bedeutet, dass der unvollständig angehaftete Zustand von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ein Nachteil ist, weil der unvollständig ange haftete Zustand 7B nicht verlässlich repliziert wird. Da beispielsweise die dünne Membran oszilliert oder versetzt wird, kommt es sehr wahrscheinlich zu einer teilweisen Zerstörung der Anhaftung oder zu mikroskopischen Rissen im Bereich 7B während des Oszillationsvorgangs.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein wie in Anspruch 1 dargelegtes piezoelektrisches/elektrostriktives Element bereit.
  • „Vollständig angehaftet" bezieht sich hierin auf die Ablösungs-(Abreiß-)festigkeit des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films nachdem das Substrat, die Anhaftungsschicht und der piezoelektrische/elektrostriktive Film in eine Einheit integriert wurden. Die Ablösungs-(Abreiß-)festigkeit beträgt 2 kg/mm2 oder mehr.
  • Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht umfasst vorzugsweise zumindest ein aus der aus Bleititanat, Bleizirconat, Bleimagnesiumniobat und Bleinickelniobat bestehenden Gruppe ausgewähltes Material. Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht kann auch aus (Bi0,5Na0,5)TiO3 oder einem Material bestehen, dessen Hauptbestandteil (Bi0,5Na0,5)TiO3 ist. Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht umfasst zudem vorzugsweise (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) oder ein Material dessen Hauptbestandteil (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) ist.
  • Die Haftschicht des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements wird vorzugsweise aus einem Isoliermaterial mit einem Erweichungspunkt, der bei oder über einer Wärmebehandlungstemperatur liegt, ausgewählt.
  • Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht kann am wirksamsten vollständig an das Keramiksubstrat angehaftet werden, wenn es entweder aus (Bi0,5Na0,5)TiO3 oder (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) oder einem Material besteht, das eines der obigen als Hauptbestandteil aufweist. In beiden obigen Konfigurationen wird der vollständig angehaftete Zustand herbeigeführt, indem eine Haftschicht bereitgestellt wird, die auf dem Keramiksubstrat zwischen der unteren Elektrode und der Hilfselektrode ausgebildet ist, die beide auch auf das Keramiksubstrat laminiert sind. Das Isoliermaterial der Haftschicht besteht aus (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0,08 ≤ x ≤ 0,5 in Molanteilen) oder einem Material das (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0,08 ≤ x ≤ 0,5 in Molanteilen) als Hauptbestandteil enthält. Anwendung der obigen Haftschichten führt zu einem vollständig angehafteten Zustand zwischen Bereichen des Keramiksubstrates, der unteren Elektrode, der Hilfselektrode und der piezoelektrische/elektrostriktive Schicht.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1(a) ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1(b) ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements entlang der Linie A-A von 1(a);
  • 1(c) ist eine weitere Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 1(a);
  • 2(b) ist eine Draufsicht, die ein piezoelektrisches/elektrostriktives Vergleichsfilmelement zeigt, das keine Ausführungsform der oben beschriebenen Erfindung ist;
  • 2(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 2(a); und
  • 2(c) ist eine weitere Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 2(a).
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1(a) ist eine Draufsicht und 1(b) ist eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement ist eine integrierte Struktur, die ausgebildet wird, um mehrere Schichten mittels bekannter Filmbildungsverfahren nacheinander zu laminieren. Das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement ist auf einem Keramiksubstrat 1 ausgebildet, das einen Bereich mit einer dünnen Membran 3 und einen dicken Bereich 2 umfasst. Der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 ist zwischen einer unteren Elektrode 4 und einer oberen Elektrode 6 auf dem Keramiksubstrat 1 ausgebildet. Die untere Elektrode 4 und die Hilfselektrode 8 sind auf dem Substrat ausgebildet, um dazwischen beabstandet zu sein. Eine Haftschicht 7C besteht aus einem Isolationsmittel und ist auf dem Keramiksubstrat 1 ausgebildet und zwischen der unteren Elektrode 4 und der Hilfselektrode 8 platziert. Die Haftschicht 7C dient zur Ausbildung eines vollständig anhaftenden Bereichs zwischen dem Bereichen des Substrats 1, der unteren Elektrode 4, der Hilfselektrode 8 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmschicht 5.
  • Am Boden des Substrats 1 sind Durchgangslöcher 9 ausgebildet, die mit dem hohlen Bereich 10 kommunizieren. Die Struktur unterhalb des hohlen Bereichs, wo das Element ein Fluid kontaktiert, unterliegt keiner besonderen Beschränkung und kann jeden Strukturtyp umfassen, wie z.B. eine einfache Hohlraumstruktur ohne Abdeckung und dergleichen.
  • In der vorliegenden Erfindung liegt ein sich erstreckender Bereich 11 nicht immer vor. Wenn Abweichungen in den elektrischen Konstanten sowie Abweichungen der Elementeigenschaften, die sich im Laufe der Zeit ergeben, reduziert werden sollen, kann die untere Elektrode 4 und der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 in manchen Fällen im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen.
  • Ein Material mit Wärmebeständigkeit, chemischer Stabilität und Isolierungseigenschaften ist als Material für das keramische Substrat 1 erwünscht. Wärmebeständig keitseigenschaften sind gegebenenfalls erforderlich, weil ein Wärmeverfahren angewandt werden kann, wenn die untere Elektrode 4, der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 und die obere Elektrode 6 zu einer integrierten Einheit (nachstehend erklärt) hergestellt werden. Chemische Stabilität und Isolierungseigenschaften können erforderlich sein, wenn das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement als Abfühlelement zur Detektion und Quantifizierung der Eigenschaften einer Flüssigkeit, die Leitfähigkeits- und Korrosionseigenschaften aufweist, verwendet wird.
  • Angesichts der oben erwünschten Eigenschaften hinsichtlich Wärmebeständigkeit, chemischer Stabilität und Isolierungseigenschaften kann das Keramiksubstrat 1 aus einer Vielzahl von Materialien ausgebildet werden, zu denen Zirconiumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid und Glass zählen.
  • Davon wird stabilisiertes Zirconiumdioxid bevorzugt, da es die mechanische Festigkeit beibehält und ausgezeichnete Zähigkeit aufweist, was zur Bildung des dünnen Membranbereichs von Vorteil ist.
  • Die Dicke des dünnwandigen Membranbereichs 3 des Keramiksubstrats 1 sollte im Allgemeinen 50 μm oder weniger, vorzugsweise 30 μm oder weniger, noch bevorzugter 15 μm oder weniger, betragen, damit die Vibration der piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmschicht 5 nicht beeinträchtigt wird. Die Konfiguration der Oberfläche des dünnwandigen Membranbereichs kann rechteckig, quadratisch, dreieckig, elliptisch, kreisförmig oder dergleichen sein. Bei Sensorelementanwendungen, die vereinfachte, anzuregende Resonanzmoden erfordern, sind rechteckige und kreisförmige Formen besser geeignet.
  • Die untere Elektrode 4 und die Hilfselektrode 8 sind an der Oberfläche des Keramiksubstrats 1 folgendermaßen bereitgestellt. Die untere Elektrode 4 ist an einem Ende des Keramiksubstrats ausgebildet und weist in Bezug auf den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5, der auf dem dünnwandigen Membranbereich 3 ausgebildet ist, entweder die gleiche Größe oder eine spezifizierte vorbestimmte kleinere Größe auf. Ein Ende der unteren Elektrode 4 wird als Leitungsanschluss verwendet. Die Hilfselektrode 8 hingegen ist an dem den Keramiksubstrat 1 gegenüberliegenden Ende (nämlich dem von der unteren Elektrode 4 gegenüberliegenden Ende) ausgebildet und bis zu einer spezifizierten Position ausgebildet, die der dünnwandigen Membran 3 gegenübersteht. Ein Ende der Hilfselektrode 8 wird auch für einen Leitungsanschluss verwendet.
  • Die untere Elektrode 4 und die Hilfselektrode 8 können aus den gleichen oder aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialien bestehen, die sowohl am Keramiksubstrat 1 als auch dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 gut anhaften. Es wird besonders bevorzugt, ein Elektrodenmaterial aus Platin, Palladium, Rhodium, Silber oder Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile aufweisen, zu verwenden. Insbesondere wenn eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, wenn der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 ausgebildet wird, stellen Platin und Legierungen, die Platin als Hauptbestandteil aufweisen, eine optimale Verwendung dar.
  • Die untere Elektrode 4 und die Hilfselektrode 8 werden durch ein gewöhnliches Dünn- oder Dickschichtbildungsverfahren entwickelt. Charakteristische Beispiele für ein Dünnschichtbildungsverfahren sind Ionenstrahlen, Sputtern, Vakuumbedampfung, CVD, Ionenplattieren und Metallplattieren. Als geeignete Dickschichtbildungsverfahren kommen Siebdruck, Aufsprühen und Eintauchen etc. in Frage. Aus oben angeführten Filmbildungsverfahren werden Sputtern und Siebdruck besonders bevorzugt eingesetzt.
  • Vor der Ausbildung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 wird die Haftschicht 7C auf dem Keramiksubstrat 1 ausgebildet und zwischen der unteren Elektrode 4 und der Hilfselektrode 8 platziert. Die Haftschicht 7C besteht aus einem Isolationsmittel und dient dazu, die Bereiche des Keramiksubstrats 1 und des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 aneinander anzuhaften.
  • Die Haftschicht 7C kann entweder aus organischen oder anorganischen Materialien ausgebildet sein, sofern die Dichtheitseigenschaften und Anhaftungsfestigkeit zum Anhaften sowohl des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 als auch des Keramiksubstrats 1 kompatibel sind. Idealerweise sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient des zur Verwendung als Haftschicht 7C ausgewählten Materials einen Wert aufweisen, der zwischen die Wärmeausdehnungskoeffizienten des zur Verwendung als Keramiksubstrat 1 und piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 ausgewählten Materials fällt, um eine Anhaftung mit größerer Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
  • Wenn während der Bildung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 eine Wärmebehandlung (nämlich Sintern) durchgeführt wird, werden für die Materialien, aus denen die Haftschicht 7C besteht, idealerweise Glasmaterialien ausgewählt, da diese über Klebe- und Anhaftungseigenschaften hinsichtlich sowohl des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 als auch des Keramiksubstrats 1 verfügen. Bei der Auswahl eines Glasmaterials ist es erwünscht, ein Material auszuwählen, dessen Erweichungspunkt der Wärmebehandlungstemperatur des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5 entspricht oder darüber liegt, da solche Materialien die Anhaftung zwischen dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 und dem Keramiksubstrat 1 festigen und durch Wärmebehandlung hervorgerufene Formveränderungen minimieren, da der Erweichungspunkt hoch ist.
  • Wenn darüber hinaus das zur Verwendung als piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 ausgewählte Material (Bi0,5Na0,5)TiO3 oder ein Material ist, das als Hauptbestandteil (Bi0,5Na0,5)TiO3 aufweist, oder wenn das zur Verwendung als piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 ausgewählte Material (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) oder ein Material ist, dessen Hauptbestandteil (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) ist, sollte das zur Verwendung als Haftschicht 7C ausgewählte Material aus (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0,08 ≤ x ≤ 0,5 in Molanteilen) oder einem Material bestehen, dessen Hauptbestandteil (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0,08 ≤ x ≤ 0,5 in Molanteilen) ist. In einem solchen Fall ist der Grund, wieso das obige Material zur Verwendung als Haftschicht 7C verwendet wird, dass dessen Anhaftungseigenschaften in Bezug sowohl auf den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 als auch das Keramiksubstrat 1 kompatibel sind. Eine auf dem obigen Material ausgebildete Haftschicht dient ferner dazu, nachteilige Auswirkungen auf sowohl den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 als auch das Keramiksubstrat 1 während der Wärmebehandlung zu minimieren.
  • Dies bedeutet, dass sich durch die Auswahl des für die Haftschicht 7C ((1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0,08 ≤ x ≤ 0,5 in Molanteilen)) ausgewählten Materials mehrere Vorteile ergeben, um die gleichen Bestandteile wie das für den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 ausgewählte Material zu umfassen. Die Anhaftung der Haftschicht 7C an den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 ist beispielsweise kompatibel, wobei es einige wenige Probleme aufgrund der Diffusion unterschiedlicher Typen an Elementen gibt, die auftreten, sobald Glas verwendet wird, und es ist möglich, eine gute Reaktivität an das Keramiksubstrat 1 und eine starke Anhaftung zu erhalten, da die Haftschicht 7C eine große Menge an KnbO3 aufweist. Da das zur Verwendung als Haftschicht 7C ((1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0,08 ≤ x ≤ 0,5 in Molanteilen)) verwendete Material fast keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweist, können stabile Elementeigenschaften erhalten werden, da das durch die Elektrode 4 und Hilfselektrode 8 erzeugte elektrische Feld, keine Oszillation, Verschiebung und Beanspruchung bewirkt.
  • Bei der Ausbildung der Haftschicht 7C werden bekannte Dickschichtbildungsverfahren angewandt. Wenn die Größe des auszubildenden Bereichs darüber hinaus mehrere Dutzend bis mehrere Hundert μm beträgt, werden idealerweise Tintenstrahlverfahren eingesetzt. Wenn ferner eine Wärmebehandlung der Haftschicht 7C erforderlich ist, kann diese vor, gleichzeitig mit oder nach der Ausbildung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filme 5 durchgeführt werden Der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 wird so ausgebildet, dass er sich über zumindest einen Bereich der unteren Elektrode 4, der Hilfselektrode 8 und der Haftschicht 7C erstreckt. Der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 weist eine Minimalgröße auf, die zumindest einen Bereich der unteren Elektrode 4 bedeckt. Das zur Verwendung als piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 ausgewählte Material kann jedes beliebige Material sein, dass eine piezoelektrische/elektrostriktive Wirkung ausübt. Beispiele für die zur Verwendung als piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 geeigneten Materialien umfassen piezoelektrische/elektrostriktive Keramikmaterialien auf Bleibasis, etwa Bleizirconat, Bleititanat, Bleizirconattitanat (PZT) und Bariumtitanat sowie andere ferroelektrische Keramikmaterialien auf Titan-/Barium-Basis, die Bariumtitanat als Hauptbestandteil aufweisen. Ebenfalls zur Verwendung geeignet sind piezoelektrische Polymermaterialien, wie etwa Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder piezoelektrische Bi-Keramiken, wie etwa (Bi0,5Na0,5)TiO3 sowie Keramiken mit Bi-Schicht. Natürlich kann der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 aus Verbindungen und festen Lösungen der obigen Materialien sowie solchen mit zugesetzten Additiven, die über verbesserte piezoelektrische/elektrostriktive Eigenschaften verfügen, bestehen.
  • Piezoelektrika auf PZT-Basis werden idealerweise ausgewählt, um als Materialien für sehr empfindliche Sensoren verwendet zu werden, da sie gute piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. In der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen, ein Material zur Verwendung als piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 5 auszuwählen, das zumindest eines aus Bleititanat, Bleizirconat, Bleimagnesiumniobat und Bleinickelniobat als Hauptbestandteil aufweist. Die obigen Materialien sind besonders geeignet, da die Reaktivität mit dem Material, aus dem das Substrat besteht, niedrig ist, das Auftreten von Segregationen von Bestandteilen während der Wärmebehandlung eher unwahrscheinlich ist, Verfahren zur Aufrechterhaltung der Zusammensetzung leicht durchgeführt werden können und die gewünschte Zusammensetzung und Kristallstruktur ohne weiteres erhalten werden kann.
  • Wenn Platin oder eine Legierung mit Platin als Hauptbestandteil zur Verwendung in der unteren Elektrode 4 und der Hilfselektrode 8 verwendet wird, wird vorzugsweise (Bi0,5Na0,5)TiO3 oder Materialien deren Hauptbestandteil (Bi0,5Na0,5)TiO3 ist, vorzugsweise zur Verwendung im piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 ausgewählt, da das Anhaftungsvermögen höher ist, es zu weniger Abweichungen der Eigenschaften unter den Elementen kommt und eine höhere Verlässlichkeit erhalten werden kann. Darunter sind (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) oder Materia lien mit (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) als Hauptbestandteil noch stärker bevorzugt, da sie vergleichsweise gute piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
  • Die obigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Materialien können eingesetzt werden, um den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 mittels verschiedener, wie etwa jener zuvor hinsichtlich der Ausbildung der unteren Elektrode 4 und der Hilfselektrode 8 beschriebener Filmbildungsverfahren auszubilden. Was die Kostenwirksamkeit anbelangt, wird am besten ein Siebdruckverfahren angewandt.
  • Der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5, der mit oben beschriebenen Materialien ausgebildet ist, wird bei Bedarf wärmebehandelt und mit der unteren Elektrode 4, der Hilfselektrode 8 und der Haftschicht 7C zusammen zu einer integralen Einheit kombiniert. In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise (Bi0,5Na0,5)TiO3 oder ein Material, dessen Hauptbestandteil (Bi0,5Na0,5)TiO3 ist, noch bevorzugter (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) oder ein Material mit (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 (0 ≤ x ≤ 0,06 in Molanteilen) als Hauptbestandteil ausgewählt. Das ausgewählte Material wird dann bei einer Temperatur von 900°C bis 1.400°C, vorzugsweise 1.000°C bis 1.300°C, wärmebehandelt, um die Anhaftungseigenschaften des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 5, der unteren Elektrode 4, der Hilfselektrode 8 und der Haftschicht 7C zu festigen, um Abweichungen der Elementeigenschaften zu minimieren und die Verlässlichkeit zu erhöhen. Dasselbe gilt, wenn Materialien auf PZT-Basis verwendet werden. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise dann durchgeführt, wenn gleichzeitig die Atmosphäre mit einer Dampfquelle für den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 gesteuert wird, sodass der piezoelektrische/elektrostriktive Film 5 bei hohen Temperaturen nicht instabil wird.
  • Die obere Elektrode 6 ist auf dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 kontinuierlich ausgebildet und erstreckt sich über den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 und die Hilfselektrode 8.
  • Das zur Verwendung in der oberen Elektrode 6 ausgewählte Material ist ein hochleitfähiges Material mit guten Anhaftungseigenschaften am piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5. Die obere Elektrode 6 ist ferner mit den gleichen Filmbildungsverfahren wie für die untere Elektrode 4 und die Hilfselektrode 8 ausgebildet.
  • Nach der Filmbildung wird die obere Elektrode 6 je nach Bedarf wärmebehandelt und an den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 und die Hilfselektrode 8 angehaftet, um eine integrale Einheit zu bilden. Ähnlich wie bei der unteren Elektrode 4, ist eine derartige Wärmebehandlung nicht immer erforderlich.
  • Wenn es einer Wärmebehandlung bedarf, um die untere Elektrode 4, die Haftschicht 7C, den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 5 und die obere Elektrode 6 anzuhaften, kann die Wärmebehandlung jedes Mal, wenn die jeweilige Schicht ausgebildet wird, durchgeführt werden, oder es können sämtliche Schichten gleichzeitig wärmebehandelt werden, nachdem jeder einzelne Film nacheinander ausgebildet wurde. Es versteht sich, dass geeignete Wärmebehandlungstemperaturen ausgewählt werden sollten, um gute Anhaftung zu gewährleisten und Qualitätsabweichungen aufgrund von Diffusion von Elementen während der Wärmebehandlung zu minimieren.
  • Im piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelement gemäß der vorliegenden Erfindung kommt es zu keinen Änderungen der Oszillation oder Veränderungen im Laufe der Zeit. Der piezoelektrische/elektrostriktive Film und ein Substrat befinden sich in vollständig anhaftendem Zustand zwischen einer unteren Elektrode und einer Hilfselektrode und dienen dazu, elektrische Konstanten in der Oszillation abzufühlen, wodurch sie ein ideales Element zur Unterscheidung von Fluideigenschaften, zwischen Flüssigkeiten und Gasen, sowie ein Element, das Schalldruck und sehr kleine Massen, Beschleunigungen oder Funktionen als Aktuatorelement misst, bereitstellen.

Claims (6)

  1. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element, Folgendes umfassend: ein keramisches Substrat (1) mit einem dünnen Membranabschnitt (3) und einem daran angrenzenden dicken Abschnitt (2); eine untere Elektrode (4), die auf einer Oberfläche des keramischen Substrats (1) ausgebildet ist; eine Hilfselektrode (8), die auf der Oberfläche des keramischen Substrats (1) an einer von der unteren Elektrode (4) beabstandeten Stelle, an welcher ein Spalt zwischen der unteren Elektrode (4) und der Hilfselektrode (8) vorliegt, ausgebildet ist; eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (5), die auf zumindest einem Abschnitt der unteren Elektrode (4) und an zumindest einem Abschnitt der Hilfselektrode (8) ausgebildet ist; und eine obere Elektrode (6), die auf der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (5) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hilfselektrode über den dicken Abschnitt (2) des Substrats erstreckt; dass sich der Spalt teilweise über den dünnen Membranabschnitt (3) erstreckt; und dass das piezoelektrische/elektrostriktive Element ferner eine Isolierhaftschicht (7C) im Spalt und angrenzend an den dünnen Membranabschnitt des Substrats umfasst, die einen vollständig verbundenen Teil ausbildet, der Ab schnitte des keramischen Substrats (1), der unteren Elektrode (4), der Hilfselektrode (8) und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (5) umfasst.
  2. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, worin die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (5) zumindest ein aus der aus Bleititanat, Bleizirconat, Bleimagnesiumniobat und Bleinickelniobat bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
  3. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, worin die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (5) (Bi0,5Na0,5)TiO3 umfasst.
  4. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 3, worin die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (5) (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 0,06 im Molanteilen.
  5. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 1, worin die Haftschicht (7C) ein Glas umfasst, dessen Erweichungspunkt bei oder über einer Wärmebehandlungstemperatur der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (5) liegt.
  6. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 3, worin die Haftschicht (7C) (1 – x)(Bi0,5Na0,5)TiO3-xKNbO3 umfasst, wobei 0,08 ≤ x ≤ 0,5 im Molanteilen.
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