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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines
piezoelektrischen Elementes, wobei abwechselnd elektrisch leitende Elektrodenschichten
und piezoelektrische Kunststoffschichten zu einer Mehrfachschicht gestapelt werden, die
daraufhin auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Kontaktflächen versehen
wird und zwar derart, daß die aufeinanderfolgenden Elektrodenschichten abwechselnd
mit der einen bzw. mit der anderen dieser Kontaktflächen elektrisch verbunden sind.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein piezoelektrisches Element, das durch dieses
Verfahren hergestellt worden ist.
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Mit Hilfe eines piezoelektrischen Elementes läßt sich einerseits ein
elektrischer Potentialunterschied in eine mechanische Verformung umwandeln. Wenn
man andererseits ein derartiges Element einer mechanischen Belastung aussetzt, entsteht
eine elektrische Spannung. Piezoelektrische Elemente werden u.a. bei Audio-Apparatur
(Lautsprecher, Kopfhörer, Mikrophon, Hydrophon, Sonarapparatur), in
Druckdetektoren und in Energiewandlern verwendet.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Mehrschicht-
Elementes der eingangs erwähnten Art ist u.a. aus der PTC-Patentanmeldung mit der
internationalen Nummer WO 88-04475 bekannt. Dahin wird die Herstellung eines
piezoelektrischen Elementes in einem Co-Extrusionsverfahren beschrieben. Bei diesem
Verfahren werden Elektrodenschichten aus Kunststoffmaterial und piezoelektrische
Schichten abwechselnd zu einer Mehrfachschicht gestapelt. Als Elektrodenmaterial wird
Polymethylacrylat verwendet. Diesem Material ist Kohlenstoff zugefügt worden um die
elektrische Leitfähigkeit herbeizuführen. Als piezoelektrisches Material wird
Polyvinylidenfluorid (PVDF) verwendet. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten der
Mehrfachschicht werden daraufhin Kontaktflächen in Form eines Silberstreifens
vorgesehen. Die Elektrodenschichten werden bei dem Co-Extrusionsverfahren derart
gestapelt, daß die aufeinanderfolgenden Elektroden abwechselnd entweder bis zu der
einen oder bis zu der anderen obengenannten Seite der Mehrfachschicht sich erstrecken.
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Das bekannte Verfahren weist eine Anzahl Nachteile auf. So hat es sich in
der Praxis herausgestellt, daß die Elektrodenschichten des bekannten piezoelektrischen
Elementes als unmittelbarer Folge des angewandten Extrusionsprozeßes relativ dick
sind. Dies weist den Nachteil auf, das dadurch die Menge aktiven piezoelektrischen
Materials bei einem bestimmten Volumen und bei einem bestimmten piezoelektrischen
Kunststoffmaterial (die "Volumeneffizienz" bei dem bekannten piezoelektrischen
Element relativ klein ist. Es ist nicht gut möglich mit Hilfe von Co-Extrusion optimal
funktionierende mehrschichtpiezoelektrische Elemente herzustellen, wobei die
Schichtdicke der Elektroden Meiner ist als 25 µm und insbesondere kleiner als 10 µm.
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Anmelderin hat nun gefunden, daß die nach diesem bekannten Verfahren
hergestellten piezoelektrische Elemente keine optimalen Eigenschaften aufweisen.
Namentlich der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktflächen der
Elektrodenschichten ist relativ groß. Dadurch weisen die bekannten piezoelektrischen Elemente
eine unakzeptabel hohe Wärmeaufnahme auf, wenn diese Elemente einer
Wechselspannung ausgesetzt werden. Es stellt sich heraus, daß dieser Wärmeverlust im Laufe
der Zeit zunimmt.
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Die Erfindung hat nun, u.a. zur Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, das
die obengenannten Nachteile des bekannten Verfahrens nicht aufweist. Dazu schafft die
Erfindung insbesondere ein Verfahren, mit dem sich mehrschichtpiezoelektrische
Elemente herstellen lassen mit einer hohen "Volumeneffizienz". Nach einer weiteren
Aufgabe der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mit dem ein piezoelektrisches
Element hergestellt werden kann, das mechanisch stabil und formfest ist und das einen
relativ niedrigen Wärmeverlust aufweist.
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Diese und andere Ziele werden erreicht bei einem Verfahren der
eingangs erwähnten Art, das nach der Erfindung das Kennzeichen aufweist, daß
piezoelektrische Kunststoffschichten, auf denen einseitig eine Metallschicht aufgetragen ist zu
einer Mehrfachschicht gestapelt werden und daß diese gestapelte Mehrfachschicht unter
erhöhtem Druck einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich
mehrschichtpiezoelektrische Elemente herstellen, wobei die Dicke der einzelnen Elektrodenschichten äußerst
gering ist, so daß Schichtdicken von 1 µm oder weniger mühelos verwirklichbar sind.
Wenn eine piezoelektrische Kunststoffschicht verwendet wird, auf der eine Metallschicht
aufgedampft ist, lassen sich Elektrodenschichtdicken von weniger als 0, 1 µm und sogar
von weniger als 0,05 µm in dem mehrschichtpiezoelektrischen Element anwenden.
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Die Wärmebehandlung der Mehrfachschicht unter dem Einfluß erhöhten
Drucks ist ein wesentlicher Prozeßschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieser
Prozeßschritt macht die Mehrfachschicht formfest und mechanisch stabil. Die
mechanische Stärke wird dadurch erreicht, daß während dieses Prozeßschrittes die freie
Oberfläche der Metallschicht mit der freien Oberfläche einer angrenzenden
piezoelektrischen Kunststoffschicht fest verbunden wird. Es läßt sich deswegen auf einfache
Weise verstehen, daß nur einseitig metallisierte Kunststoffschichten verwendet werden
können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und keine doppelseitig metallisierte
Kunststoffschichten.
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Eine interessante Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist dazu das Kennzeichen auf, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur
erfolgt, die um 5-15ºC niedriger ist als die Schmelztemperatur der piezoelektrischen
Kunststoffschichten. Es hat sich herausgestellt, daß in der genannten Temperaturstrecke
die beabsichtigte Formfestigkeit der Mehrfachschicht auf äussert schnelle und
wirtschaftliche Art und Weise erhalten werden kann. Anwendung einer niedrigeren
Temperatur weist den Nachteil auf, daß die Wärmebehandlung unter erhöhtem Druck
relativ zeitaufwendig ist. Wenn der Temperaturunterschied zwischen der
Schmelztemperatur und der Temperatur der Wärmebehandlung kleiner als 5ºC ist, besteht die Gefahr,
daß in dem Fertigprodukt Durchschlag auftritt.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist das Kennzeichen auf, daß die Kontaktflächen in Form einer
metallisierten Schicht vorgesehen werden. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die
mechanische Stärke zwischen den Kontaktflächen und den Elektrodenschichten groß ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein piezoelektrisches
Mehrschichtelement, das nach dem obenstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden
ist. Dieses Verfahren weist nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß die
Materialzusammensetzung der Elektrodenschichten und der Kontaktflächen identisch ist. Die
Verwendung identischer Materialien für die Elektrodenschichten und die Kontaktflächen
ist zum Erhalten einer großen mechanischen Stärke der Verbindung zwischen diesen
zwei Elementen günstig. Außerdem wird in diesem Fall eine gute elektrische Trennung
zwischen den beiden Teilen erhalten und wird namentlich der Übergangswiderstand sehr
niedrig.
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In dem Fall, daß die Elektrodenschichten und die Kontaktflächen aus Al
bestehen, können unmittelbar Anschlußdrähte an die metallisierten Kontaktflächen
befestigt werden, beispielsweise durch Stoßschweißen.
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Interessant ist jedoch namentlich diejenige Ausführungsform des
piezoelektrischen Elementes, daß nach der Erfindung das Kennzeichen aufweist, daß die
Kontaktflächen zugleich eine zweite Metallisierungsschicht aufweisen, die hauptsächlich,
Kupfer, Zink oder eine Legierung aus Zink und Zinn aufweist. Es hat sich
herausgestellt, daß die zweite Metallisierungsschicht mit der ersten Metallisierungsschicht fest
verbunden ist. An dieser zweiten Metallisierungsschicht läßt sich auf einfache Weise ein
Anschlußdraht anbringen, beispielsweise durch Verlötung, bei einer zweiten
Metallisierungsschicht aus Kupfer, oder durch Widerstandsschweißen bei einer zweiten
Metallisierungsschicht auf Zink oder aus einer Legierung von Zink und Zinn.
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In der FR-A-2 365 886 wird ein Verfahren zur gleichzeitigen Polung einer
Anzahl piezoelektrischer Folien aus synthetischem Material, wobei die Folien
gegebenenfalls an einer oder auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt
sind. Bei diesem Verfahren werden eine Anzahl derartiger Folien gestapelt, bei einer
erhöhten Temperatur aufbewahrt und mit Hilfe eines Gleichstromes gepolt, wobei dieser
Gleichstrom über zwei Elektroden zugeführt wird, die über und unter dem genannten
Stapel liegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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Fig. 1a und 1b einen schematischen Schnitt zur Erläuterung der Art und
Weise, wie die Mehrfachschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gestapelt
worden ist, und
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Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht eines piezoelektrischen
Mehrschichtelementes nach der Erfindung.
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Es sei bemerkt, daß die relativen und absoluten Abmessungen der
jeweiligen Einzelteile aus der Zeichnung deutlichkeitshalber nicht mäßgerecht angegeben
sind.
Ausführungsbeispiel
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Eine dünne piezoelektrische Kunststoffschicht (Polyvenylidenfluorid;
PVDF) wurde einseitig mit einer Al-Schicht metallisiert (Schichtdicke 0,03 µm), wobei
diese Schicht in einem thermischen Aufdampfverfahren angebracht wurde. Die
Schichtdicke der verwendeten PVDF-Folie lag zwischen 3 und 40 µm. Es hat sich
herausgestellt, daß die Schichtdicke der Metallschicht größer sein muß als 0,01 µm, damit eine
einwandfreie Leitfähigkeit erhalten wird. Schichtdicken des angebrachten Metalles, die
zwischen 0,02 und 0,05 µm lagen, lieferten gute Ergebnisse. Das Metall kann ebenfalls
in einem Zerstäubungsverfahren angebracht werden, aber ein thermisches
Aufdampfverfahren wird aus wirtschaftlichem Gesichtspunkt bevorzugt.
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Die Kunststoffschichten wurden nach der Metallisierung zu Streifen
geschnitten mit einer Länge von beispielsweise 50 cm, die annährend die Breite der zu
fertigenden piezoelektrischen Mehrschichtelemente haben, beispielsweise 0,42 cm. Eine
Anzahl (20-2000) der metallisierten Folienstreifen wurden danach zu einer
Mehrfachschicht gestapelt. Fig. 1a und 1b zeigen einen schematischen Schnitt durch eine solche
Mehrfachschicht, wobei - deutlichkeitshalber - nur sechs dieser gestapelten Streifen
angegeben sind. Dahin sind die PVDF-Folien 1 angegeben, die mit einer Schicht 2 aus
Al versehen sind. Die Folien sind verschoben gestapelt, so daß die aufeinanderfolgenden
Metallschichten abwechselnd entweder bis an die eine oder bis an die andere Seite der
Mehrfachschicht sich erstrecken. Durch Abdeckung der Streifen der Folie beim
Al-Aufdampfungsverfahren ist ein Rand 3 der Folienstreifen nicht mit einer Al-Schicht
versehen (Fig. 1a). Es ist auch möglich, nach der Metallisierung der vollständigen Folie
mit Hilfe eines Lasers metallfreie Spuren 4 anzubringen (Fig. 1b). Durch das
Vorhandensein dieser unbedeckten Teile oder Spuren wird kurzschluß zwischen den auf den
Seiten der Mehrfachschicht anzubringenden Kontaktflächen vermieden. Die gestapelte
Mehrfachschicht wird auf der Ober- und Unterseite mit einer Deckschicht 5 versehen.
Diese besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die piezoelektrischen
Kunststoffschichten. Es ist möglich, dazu eine Anzahl nicht metallisierter Kunststoffschichten
zu verwenden oder eine einzige relativ Dicke Deckschicht.
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Die gestapelte piezoelektrische Mehrfachschicht wird daraufhin mit einem
Druck von 2-3 MPa zusammengepreßt. Mit Hilfe einer Maske werden Teile der beiden
Seiten der Mehrfachschicht abgedeckt, so däß nur diejenigen Teil unbedeckt bleiben,
auf denen der Anschluß angebracht werden muß. Diese werden in dem betreffenden Fall
in einem Metallisierungsverfahren angebracht, wobei eine erste Al-Schicht metallisiert
wird. Daraufhin wird die mit den Anschlüßen versehene Mehrfachschicht unter dem
obengenannten Druck etwa 30 Minuten lang einer Temperatur von 165-175º ausgesetzt.
Durch diese Temperaturbehandlung unter erhöhtem Druck wird die Mehrfachschicht
formfest und mechanisch stabil. Die Luft wird zwischen den aufeinanderliegenden
metallisierten PVDF-Schichten weggepreßt, während zugleich die Al-Schichten an den
anliegenden PVDF-Schichten befestigt werden. Nach Abkühlung der
Mehrfachschichtstreifen wird eine zweite Metallisierungsschicht aus Cu auf der ersten
Metallisierungsschicht angebracht. Es ist von Bedeutung, daß die erste Metallisierungsschicht (Al) vor
und die zweite Metallisierungsschicht (Cu) nach der Temperaturbehandlung angebracht
werden. Es hat sich herausgestellt, daß die Temperaturbehandlung die Seiten der
Mehrfachschicht derart verformen kann, daß die mechanische Stärke und die elektrische
Kontaktierung einer nachher angebrachten ersten Metallisierungsschicht relativ gering
ist. Dies führt dazu, daß bei längerem Gebrauch der elektrische Kontakt zwischen den
Elektrodenschichten und den Kontaktflächen leicht unterbrochen werden kann. Die
zweite Metallisierungsschicht (Cu) wird nach der Temperaturbehandlung angebracht,
weil Cu bei hoher Temperatur leicht oxydiert. Zum Schluß wird das auf diese Weise
hergestellte piezoelektrische Mehrschichtelement unter dem Einfluß einer hohen
Temperatur (100-140º) und einer hohen elektrischen Feldstärke (etwa 80 mV/m)
polarisiert.
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Fig. 2 zeigt ein piezoelektrisches Mehrschichtelement nach der Erfindung
in fertiger Form mit Abmessungen 2,0 x 0,42 x 0,12 cm³. Dieses Element besteht aus
einer Mehrfachschicht 11, die aus mehr als 100 piezoelektrischen
PVDF-Kunststoffschichten 12 mit einer Dicke von 9 µm, die einseitig mit einer 0,03 µm dicken
elektrisch leitenden Elektrodenschicht 13 aus Al in einem thermischen
Aufdampfungsverfahren versehen ist, aufgebaut ist. Deutlichkeitshalber sind nur 6 piezoelektrische
Schichten und 6 Elektrodenschichten dargestellt. Auf der Ober- und Unterseite der
Mehrfachschicht sind Deckschichten 14 vorgesehen. Das Element umfaßt weiterhin zwei
Anschlüße 15, die zwei einander gegenüber liegenden Seiten der Mehrfachschicht
teilweise bedecken. Diese Anschlüße umfassen eine erste Metallisierungsschicht 16 aus
Al und eine zweite Metallisierungsschicht 17 aus Cu. Die Wahl von Al als erste
Metallisierungsschicht verursacht eine große mechanische Stärke sowie einen niedrigen
Übergangswiderstand zwischen den Anschlüßen und der Mehrfachschicht, weil das
Material der Elektrodenflächen und der ersten Metallisierungsschicht identisch ist. Weil
diese Festigkeit zu der Oberfläche zwischen der Metallisierungsschicht und der
Elektrodenfläche proportional ist, ist es vorteilhaft, die Elektrodenflächen etwas (in
diesem Fall um 0,02 cm) aus der Mehrfachschicht herausragen zu lassen. Dies wird
durch die angewandte verschobene Stapelung erzielt. In dem Fall macht die erste
Metallisierungsschicht noch mit einem Teil 18 der Oberfläche der Elektrodenschichten
kontakt.
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Die Kriechstrecken 19 wurden auf der PVDF-Folie dadurch angebracht,
daß diese beim Metallisieren teilweise abgedeckt wurden. Diese sorgen dafür, daß bei
dem Fertigprodukt zwischen den einander gegenüberliegenden Anschlüssen 15 kein
Kurzschluß auftreten kann. Dadurch, daß die Dicke der Kriechstrecken äußerst gering
ist, (etwa entsprechen der Dicke der Elektrodenflächen 13, d.h. etwa 0,03 µm)
gegenüber der Größe der angebrachten Al-Teilchen, können diese Teilchen nicht in die
Kriechstrecken hineindringen. Dies vermeidet den obengenannten Kurzschluß.
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Die zweite Metallisierungsschicht aus Cu bilden eine mechanisch solide
Verbindung mit der ersten Metallisierungsschicht aus Al. Auf der zweiten
Metallisierungsschicht kann mit Hilfe einer Lötverbindung auf einfache Weise ein Kontaktdraht
angebracht werden.
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Das beschiebene Produkt weise gute piezoelektrische und mechanische
Eigenschaften auf. Namentlich der Isolierungswiderstand ist relativ hoch, in der
Größenordnung von 10&sup4; MOhm. Der Übergangswiderstand beträgt nur einige mQ.
Zugleich weist das piezoelektrische Element eine sehr gering Wärmeverlustleistung
unter dem Einfluß einer Wechelspannung auf.