DE69607551T2

DE69607551T2 - Piezoeletrisches/elektrostriktives Dünnfilmelement und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69607551T2
Application number: DE69607551T
Authority: DE
Inventors: Koji Kimura; Tsutomu Nanataki; Nobuo Takahashi; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: EP0766325B1; EP0766325A1; JPH0992896A; US6217979B1; US5853514A; DE69607551D1; JP3320596B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft unimorphe, bimorphe und andere Arten piezoelektrischer und/oder elektrostriktiver Filmelemente, die Verlagerungen oder Kräfte in Form von Verbiegung, Ablenkung oder Durchbiegung hervorrufen oder detektieren und für Stellglieder, Filter, Anzeigevorrichtungen, Transformatoren, Mikrofone, Beschallungskörper (z. B. Lautsprecher), verschiedene Vibratoren, Resonatoren oder Oszillatoren, Gyratoren, Sensoren und andere Komponenten und Geräte verwendet werden können.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung solcher piezoelektrischer und/oder elektrostriktiver Filmelemente. Der Ausdruck "Element" bezieht sich hierin auf ein Element, das elektrische in mechanische Energie umwandeln kann (d. h. in mechanische Verlagerung, Spannung oder Schwingungen) oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann.

Beschreibung des verwandten Stands der Technik

In den fetzten Jahren stieg auf dem Gebiet der Optik, Präzisionspositionierung und Präzisionsmaschinen die Nachfrage nach einem Element, dessen Verlagerung gesteuert wird, um die optische Weglänge oder die Position eines Elements oder einer Komponente des Geräts in der Größenordnung von Bruchteilen eines Mikrons (um) einzustellen oder zu steuern, sowie die Nachfrage nach einem Detektor, der geringste Verlagerungen eines Zielobjekts als elektrische Veränderung detektieren kann. Um diese Nachfrage zu befriedigen, wurden piezoelektrische und/oder elektrostriktive Filmelemente (nachstehend als "P/E-Filmelemente" bezeichnet) für Stellglieder oder Sensoren entwickelt, welche Elemente ein piezoelektrisches Material, wie z. B. ein ferroelektrisches Material, umfassen und sich den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zu Nutze machen, um bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material eine mechanische Verlagerung hervorzurufen, oder sich den piezoelektrischen Effekt zu Nut ze machen, um bei Anlegen von Druck oder mechanischer Spannung ein elektrisches Feld zu erzeugen. Von diesen Elementen wurde vor allem ein herkömmliches unimorphes P/E-Filmelement z. B. für Lautsprecher verwendet.
Es wurden keramische P/E-Filmelemente für verschiedene Verwendungszwecke vorgeschlagen und in der JP-A-3-128681 (entspricht der EP-A-408.306) und JP-A-5-49270 (entspricht den EP-A-468.796 und US-A-5.210.455) der Anmelder geoffenbart. Ein Beispiel für die geoffenbarten Elemente besitzt ein Keramiksubstrat, das zumindest ein Fenster aufweist, und ist einstückig mit einer dünnen Membran ausgebildet, die das oder die Fenster verschließt, um zumindest einen dünnwandigen Membranabschnitt oder Schwingungsabschnitt bereitzustellen. An einer Außenfläche jedes Membranabschnitts des Keramiksubstrats ist eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (nachstehend als "P/E-Einheit" bezeichnet) ausgebildet, die eine einstückige Laminat-Struktur ist, die aus einer unteren Elektrode, einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht (nachstehend als "P/E-Schicht" bezeichnet) und einer oberen Elektrode besteht. Die P/E-Einheit wird durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren auf dem entsprechenden Membranabschnitt des Keramiksubstrats geformt. Das so geformte P/E-Filmelement ist relativ klein, kostengünstig und kann als elektromechanischer Messwandler mit hoher Zuverlässigkeit verwendet werden. Außerdem besitzt dieses Element eine schnelle Betriebsreaktionszeit und sorgt für eine relativ starke Verlagerung durch Anlegen einer geringen Spannung, wobei Kraft in einer relativ hohen Größenordnung erzeugt wird. Somit wird das oben beschriebene Element günstigerweise als Element für Stellglieder, Filter, Anzeigevorrichtungen, Sensoren oder andere Komponenten oder Geräte verwendet. Die EP-A-636.593 beschreibt eine solche Vorrichtung, worin das Substrat einschließlich des Membranabschnitts aus Zirkoniumdioxid-Material besteht.
Zur Erzeugung des obigen P/E-Filmelements werden die untere Elektrode, die P/E- Schicht und die obere Elektrode jeder P/E-Einheit in dieser Reinhenfolge durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren auf den Membranabschnitt des gesinterten Keramiksubstrats auflaminiert. Die so geformte P/E-Einheit wird dann gegebenenfalls einer Wärme behandlung (Brennen oder Sintern) unterzogen, sodass die P/E-Einheit einstückig auf dem Membranabschnitt ausgebildet wird. Eine weitere Untersuchung der Anmelder zeigte, dass die piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften des Filmelements infolge der Wärmebehandlung (Brennen oder Sintern) während der Ausbildung der P/E-Einheit, genauer gesagt der P/E-Schicht, beeinträchtigt wurden.
Die P/E-Schicht weist nämlich aufgrund der Brennschrumpfung der PIE-Schicht oder P/E- Einheit, die mit dem Membranabschnitt des Keramiksubstrats in Kontakt steht, während der Wärmebehandlung (Brennen oder Sintern) der P/E-Schicht den Nachteil von Spannungen auf. Aufgrund dieser Spannungen kann die P/E-Schicht nicht ausreichend gesintert werden und weist auch nach dem Brennen von Spannungen auf. In diesem Fall kann das P/E-Filmelement seine inhärenten piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften nicht zur Geltung bringen.
Um die Sinterbarkeit und Dichte der P/E-Schicht zu steigern und die P/E-Eigenschaften des Filmelements zu verbessern, kann die Brenntemperatur der P/E-Schicht erhöht oder die Dicke des Membranabschnitts, auf dem die P/E-Schicht ausgebildet ist, verringert werden. Diese Lösungen tragen jedoch nicht dazu bei, die Sinterbarkeit der P/E-Schicht zu verbessern und das Problem von Spannungen in cier P/E-Schicht nach deren Brennen zu lösen. Die in der P/E-Schicht verbleibenden Spannungen können die P/E-Eigenschaften des Filmelements beeinträchtigen. Insbesondere können solche Restspannungen das Ausmaß der Verlagerung des Membranabschnitts bei Betätigung der P/E-Einheit einschränken. Die Verringerung der Dicke des Membranabschnitts macht es schwierig, das Keramiksubstrat zu erzeugen und senkt die Resonanzfrequenz des PIE-Filmelements.
Das P/E-Filmelement, das solche Restspannungen aufweist, kann keine ausreichende Bindungsfestigkeit zwischen dem Membranabschnitt des Keramiksubstrats und der P/E- Einheit (der unteren Elektrode) bieten. In der Folge kann sich die P/E-Einheit während der Fertigung und Verwendung des P/E-Filmelements vom Membranabschnitt des Kera miksubstrats ablösen oder abschälen. Die Betriebszuverlässigkeit des Elements nimmt dadurch ungünstigerweise ab.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein erstes Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines P/E-Filmelements bereitzustellen, worin jede P/E-Einheit durch ein Filmbildungsverfahren auf einer Außenfläche eines dünnwandigen Membranabschnitts aus Zirkoniumdioxid-Substrat gefomrt wird und worin die P/E-Einheit hohe Sinterbarkeit oder Dichte aufweist, ohne vom Membranabschnitt beeinflusst zu werden, während die Bindungsfestigkeit zwischen dem Membranabschnitt und der P/E-Einheit deutlich verbessert wird, sodass hohe Zuverlässigkeit und ein hoher Wirkungsgrad der elektromechanischen Umwandlung des Filmelements gewährleistet sind.
Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, ein solches P/E-Filmelement unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines P/E- Filmelements bereitgestellt wie in Anspruch 1 dargelegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung sind die auf zumindest der Grenzfläche abgelagerten Teilchen Spinellteilchen (MgAl&sub2;O&sub4;).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung enthält das P/E-Material Magnesiumoxid als P/E-Eigenschafren aufweisende Komponente.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung besitzt der Membranabschnitt des Zirkoniumdioxid-Substrats eine nach oben konvexe Form, die in einer Richtung weg vom Fester vorsteht.
Im erfindungsgemäßen P/E-Filmelement enthält der Membranabschnitt des Zirkoniumdioxid-Substrats eine vorbestimmte Menge an Aluminiumoxid, während as P/E-Material für die P/E-Schicht in ungebundener Form oder in Form einer Verbindung Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente enthält. Während des Brennverfahrens der P/E-Schicht bewegt sich Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente hin zur Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt und der unteren Elektrode, während sich Aluminiumoxid im Membranabschnitt zur Oberfläche des Membranabschnitts bewegt, sodass Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente mit Aluminiumoxid reagiert, wodurch die Teilchen der Verbindung von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid, wie z. B. Spinell, an der Grenzfläche abgelagert werden. Gemäß dieser Anordnung wird die Steifigkeit des Membranabschnitts beeinträchtigt, oder der Membranabschnitt neigt während des Brennens der P/E-Schicht zum Verformen, wodurch eine nicht ausreichend dichte P/E-Schicht entsteht. Ferner kann die vorliegende Anordnung das üblicherweise existierende Problem der in der P/E-Schicht verbleibenden Spannungen lösen oder mindern, wodurch das P/E-Filmelement hohe Betriebszuverlässigkeit und einen hohen Wirkungsgrad der elektromechanischen Umwandlung aufweisen kann. Das erfindungsgemäß erhaltene Element ist somit nicht mit dem Nachteil schwindender Steifigkeit des Membranabschnitts nach dem Brennen der P/E-Schicht verbunden, weshalb die Resonanzfrequenz des Filmelements nicht abnimmt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein P/E-Filmelement bereitgestellt wie in Anspruch 6 dargelegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung ist die Verbindung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid Spinell (MgAl&sub2;O&sub4;). Die Teilchen der Verbindung, wie z. B. Spinell, an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt und der unteren Elektrode sorgen für einen Verankerungseffekt zur Bindung des Mem branabschnitts und der unteren Elektrode aneinander, um dadurch die Bindungsfestigkeit oder Haftung dazwischen zu gewährleisten.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Obige und optionale andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen, worin:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine Grundstruktur des erfindungsgemäßen P/E-Filmelements ist;
Fig. 2 eine Ansicht durch ein Elektronenmikroskop einer Oberfläche des Membranabschnitts ist, wobei die P/E-Einheit entfernt ist;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels für das erfindungsgemäße P/E- Filmelement ist; und
Fig. 4 eine perspektivische Explosionsansicht des P/E-Filmelements aus Fig. 3 ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es folgt eine Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen P/E-Filmelements, worin eine P/E-Einheit durch ein Filmbildungsverfahren auf der Außenfläche des Membranabschnitts ausgebildet ist und ein im Zirkoniumdioxid ausgebildetes Fenster verschließt, und worin Teilchen, die im Wesentlichen aus einer Verbindung von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen, an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt und der unteren Elektrode abgelagert sind, welche Grenzfläche sich gleich unterhalb der P/E-Schicht befindet. In dieser Ausführungsform besitzt das Zirkoniumdioxid- Substrat ein Fenster.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für ein P/E-Filmelement der Erfindung gezeigt: ein Zirkoniumdioxid-Substrat 2 besitzt eine einstückige Struktur, bestehend aus einer Basisplatte 4 mit vorbestimmter Dicke, wobei die Basisplatte ein rechteckiges Fenster 6 geeigneter Größe aufweist, und einer relativ dünnen Membranplatte 8, die das Fenster 6 verschließt. Die Membranplatte 8 liegt auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen der Basisplatte 4, die als Trägerelement dient. Die Membranplatte 8 besitzt einen Membranabschnitt 10, der dem Fenster 6 der Basisplatte 4 entspricht. An der Außenfläche des Membranabschnitts 10 des planaren Zirkoniumdioxid-Substrats 2 werden ein unterer Elektrodenfilm 12, eine P/E-Schicht 14 und eine obere Elektrode 16 in dieser Reihenfolge durch ein bekanntes Filmbildungsverfahren auflaminiert, um eine filmartige P/E-Einheit 18 zu bilden. Wie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt wird durch die jeweiligen nicht dargestellten Anschlussabschnitte eine geeignete Spannung an die untere und obere Elektrode 12, 16 angelegt.
Wenn das oben beschriebene P/E-Filmelement als Stellglied verwendet wird, wird eine Spannung zwischen den zwei Elektroden 12, 16 der P/E-Einheit 18 in bekannter Weise angelegt, sodass die P/E-Schicht 14 einem elektrischen Feld ausgesetzt ist und aufgrund des elektrischen Felds mechanisch verformt wird. In der Folge ruft die P/E-Einheit 18 eine Verbiegungsverlagerung oder -kraft infolge der transversalen Wirkung der Verformung der P/E-Schicht 14 hervor, sodass die Verlagerung oder Kraft auf das Zirkoniumdioxid-Substrat 2 (Membranabschnitt 10) in einer zur Ebene cier Hauptflächen des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 senkrechen Richtung einwirkt.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen P/E-Filmelemenus wird ein gesintertes Zirkoniumdioxid-Substrat 2 hergestellt, das zumindest im Membranabschnitt 1,1-5,0 Gew.-% Aluminiumoxid enthält. Nach der Ausbildung der unteren Elektrode 2 an der Außenfläche des Membranabschnitts 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 wird die P/E-Schicht 14 auf der unteren Elektrode 12 gebildet, indem ein P/E-Material verwendet wird, das Magnesiumoxid oder eine Magnesiumoxid liefernde Komponente in ungebundener Form oder in Form einer Verbindung enthält. Die so ausgebildete P/E-Schicht 14 wird gebrannt, wodurch Teilchen, die im Wesentlichen aus einer Verbindung von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen, z. B. Spinell (MgAl&sub2;O&sub4;), zumindest an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 und der unteren Elektrode 12 der P/E-Einheit 18 abgelagert werden, welche Grenzfläche sich direkt unterhalb der P/E-Schicht 14 befindet. Gemäß dieser Anordnung wird die Steifigkeit des Membranabschnitts 10 während der Wärmebehandlung brennen der P/E-Schicht 14 verringert, und der Membran abschnitt 10 wird wahrscheinlich verformt. Somit kann diese Anordnung die Sinterbarkeit der P/E-Schicht 14 ausreichend verbessern, wodurch das Problem von Restspannungen infolge der Brennschrumpfung der P/E-Schicht 14 vermieden wird.
Im erfindungsgemäßen P/E-Filmelement besteht das Zirkoniumdioxid-Substrat 2, das die P/E-Einheit 18 trägt, günstigerweise aus einem bekannten stabilisierten Zirkoniumdioxid- Material oder einem bekannten teilweise stabilisierten Zirkondiumdioxid-Material. Besonders bevorzugt ist ein Material, wie es in der JP-A-5-270912 (entspricht der US-A- 5.430.344) geoffenbart ist und das als Hauptkomponente Zirkoniumdioxid enthält, das teilweise stabilisiert wird, indem eine oder mehrere Verbindung(en) wie z. B. Yttriumoxid zugesetzt wird/werden, und das eine Kristallphase besitzt, die im Wesentlichen aus einer tetragonalen Phase oder einem Gemisch zumindest zweier Arten von kubischen, tetragonalen und monoklinen Phasen besteht. Die Kristallkorngröße des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 wird vorzugsweise bei höchstens 1 um gehalten. Das aus dem obigen Material bestehende Zirkoniumdioxid-Substrat weist selbst bei geringer Dicke hohe mechanische Festigkeit und hohe Zähigkeit auf und reagiert weniger wahrscheinlich chemisch mit dem P/E-Material.
Bei der Erzeugung des erfindungsgemäßen P/E-Filmelements wird anfänglich das aus dem oben erwähnten Zirkondiumdioxid-Material bestehende Zirkoniumdioxid-Substrat 2 hergestellt, worin zumindest im Membranabschnitt 10 1,1-5,0 Gew.-% Aluminiumoxid enthalten sind. Das Aluminiumoxid kann neben dem Membranabschnitt 10 auch in anderen Abschnitten des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 entfalten sein, z. B. in der Basisplatte 4. Wenn die Menge an Aluminiumoxid übermäßig groß ist, kann der Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 ungünstigerweise Risse oder andere Fehler aufweisen. Angesichts dieser Tatsache ist es wünschenswert, dass die Menge an Aluminiumoxid im Allgemeinen höchstens 5,0 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 2,5 Gew.-%, beträgt. Eine zu kleine Menge an Aluminiumoxid macht es hingegen schwierig, die beabsichtigen Effekte der Erfindung zu erzielen. Es ist daher erforderlich, dass die Menge an Aluminiumoxid bei zumindest 1,1 Gew.-% gehalten wird.
Das Zirkoniumdioxid-Substrat 2, worin zumindest der Membranabschnitt 10 eine vorbestimmte Menge Aluminiumoxid enthält, wird durch Herstellung eines Grünkörpers aus dem Zirkoniumdioxid-Substrat 2 gemäß einem bekannten Verfahren erhalten, worin die vorbestimmte Menge an Aluminiumoxid zumindest in jenem Abschnitt des Grünkörpers enthalten ist, der den Membranabschnitt 10 ergibt; anschließend wird der Grünkörper gebrannt. Genauer gesagt wird das Zirkoniumdioxid-Substrat 2 vorzugsweise folgendermaßen erzeugt: 1) Herstellen einer grünen Zirkoniumdioxid-Platte, welche die Basisplatte 4 ergibt und mit einer Öffnung (dem Fenster 6) ausgestattet wird, indem eine Metallform verwendet oder Ultraschall- oder mechanische maschineile Bearbeitung erfolgt, 2) Anordnen einer dünnen grünen Zirkoniumdioxid-Platte, welche die Membranplatte 8 (den Membranabschnitt 10) ergibt und die vorbestimmte Menge an Aluminiumoxid enthält, auf der grünen Zirkoniumdioxid-Platte und aneinander Befestigen der grünen Platten durch Thermokompression, und 3) Brennen der grünen Platten zu einer einstückigen Struktur. Das so erhaltene Zirkoniumdioxid-Substrat 2 weist hohe Zuverlässigkeit auf. Um eine ausreichend schnelle Betriebsreaktionszeit und große Verlagerung des P/E- Filmelements sicherzustellen, beträgt die Dicke des Membranabschnitts 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2, das die P/E-Einheit 18 trägt, im Allgemeinen 30 um oder weniger und liegt vorzugsweise im Bereich von 1-30 um, noch bevorzugter im Bereich von 3-15 um.
Jede der grünen Platten für die Basisplatte 4 und die Membranplatte aus dem geeigneten Zirkondiumdioxid-Material kann aus einer Vielzahl dünner übereinandergelagerter Platten bestehen. Der Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 kann neben der in Fig. 1 dargestellten flachen Form auch eine konvexe Form, die in einer vom Fenster 6 weisenden Richtung nach außen ragt, oder eine konkave Form, die hin zum Boden des Fensters 6 nach innen ragt, aufweisen. Die Wirkungen der Erfindung können jedoch in zufrieden stellender Weise erzielt werden, wenn das Zirkoniumdioxid-Substrat 2 verwendet wird, dessen Membranabschnitt 10 konvex geformt ist (d. h. - wie aus Fig. 1 ersichtlich - nach oben ragt). Während das Fenster 6 des Zirkoniumdioxid-Substrat 2, d. h. der Membranabschnitt 10, in der vorliegenden Ausführungsform rechteckig ausgestaltet ist, kann die Form des Fensters 6 bedarfsgemäß und je nach Anwendung oder Verwendungszweck des P/E-Filmelements aus anderen Formen wie z. B. Kreisen, Polygonen und Ellipsen sowie Kombinationen davon ausgewählt sein. Ebenso können die Anzahl und Position des Fensters 6 in geeigneter Weise bestimmt werden.
Als nächstes wird die P/E-Einheit 18 auf dem Membranabschnitt 10 des gesinterten und wie oben beschrieben erzeugten Zirkoniumdioxid-Substrats 2 ausgebildet. Anfangs wird an der Außenfläche des Membranabschnitts 10 die untere Elektrode 12 durch ein bekanntes Filmbildungsverfahren aus einem geeigneten Elektrodenmaterial ausgebildet. Das Elektrodenmaterial für die untere Elektrode 12 der P/E-Einheit 18 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, sofern das Elektrodenmaterial ein elektrisch leitendes Material ist, das oxidierenden Atmosphären mit hohen Temperaturen standhalten kann. Beispielsweise kann die untere Elektrode 12 aus einem einzigen Metall, einer Metalllegierung, einem Gemisch aus einem einzigen Metall oder einer Legierung und einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, wie z. B. Wismutoxid, Zinkoxid oder Titanoxid, oder einem elektrisch leitenden Keramikmaterial bestehen. Das Elektrodenmaterial besitzt jedoch vorzugsweise eine Hauptkomponente, die aus einem Edelmetall mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Platin, Palladium oder Rhodium, oder einer Legierung, z. B. Silber- Palladium-Legierung, Silber-Platin-Legierung oder Platin-Palladium-Legierung, besteht. Die untere Elektrode 12 kann auch aus Cermet oder Platin, Zirkondiumdioxid-Material für das Substrat 2 oder dem P/E-Material der P/E-Schicht 14 gefertigt sein. Noch bevorzugter besteht die untere Elektrode 12 zur Gänze aus Platin oder enthält als Hauptkomponente eine platinhaltige Legierung. Bei Verwendung von Cermet wird die Menge des Zirkoniumdioxid-Substratmaterials vorzugsweise in einem Bereich von 5-30 Vol.-% gehalten, während die Menge des P/E-Materials in einem Bereich von 5-20 Vol.-% gehalten wird.
Die untere Elektrode 12 wird unter Verwendung des obigen leitenden Materials durch ein aus bekannten Filmbildungsverfahren ausgewähltes Verfahren ausgebildet, z. B. durch Dickfilmbildung, wie etwa Siebdruck, Aufspritzen, Beschichten und Eintauchen, oder durch Dünnfilmbildung, wie etwa Sputtern, Ionenstrahlverfahren, Vakuumdampfabscheidung, Ionenplattieren, CVD und Plattieren. Insbesondere werden Dickfilmbildungsverfahren zum Formen der unteren Elektrode 12 eingesetzt. Die durch ein ausgewähltes Dickfilmbildungsverfahren geformte untere Elektrode 1 wird zwecks Sintern oder zur einstückigen Ausbildung mit dem Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid- Substrats 2 herkömmlicher Wärmebehandlung (Brennen) unterzogen. Die Dicke der unteren Elektrode 12 beträgt im Allgemeinen höchstens 20 um, vorzugsweise höchstens 5 um.
Auf der ausgebildeten unteren Elektrode 12 wird die P/E-Schicht 14 unter Verwendung des P/E-Materials durch ein ausgewähltes bekanntes Filmbildungsverfahren ausgebildet. Die P/E-Schicht 14 kann vorzugsweise durch eines der oben erwähnten Dickfilmbildungsverfahren, wie etwa Siebdruck, Aufspritzen, Beschichten und Eintauchen, ausgebildet werden. Das Dickfilmbildungsverfahren verwendet eine Paste oder Aufschlämmung, die als Hauptkomponente P/E-Keramikteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 0,01-7 um, vorzugsweise 0,05-5 um, enthält, um die filmähnliche P/E-Schicht 14 an der Außenfläche des Membranabschnitts 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 auszubilden. In diesem Fall weist das resultierende Filmelement hervorragende P/E-Eigenschaften aut. Unter den oben erwähnten Dickfilmbilduntzsverfahren ist der Siebdruck besonders bevorzugt, da er feine Musterung zu relativ niedrigen Kosten ermöglicht. Die Dicke der P/E-Schicht 14 beträgt vorzugsweise 50 um oder weniger, noch bevorzugter 3-40 um, um eine relativ starke Verlagerung der P/E-Schicht 14 mit relativ geringer Spannung zu ermöglichen.
Das P/E-Material zur Ausbildung der P/E-Schicht 14 enthält Magnesiumoxid oder eine Magnesiumoxid liefernde Komponente in ungebundener Form oder in Form einer Verbindung. Der Ausdruck "eine Magnesiumoxid liefernde Komponente" bezieht sich hierin auf eine Komponente, die nach dem Brennen der P/E-Schicht Magnesiumoxid liefert, z. B. Magnesium an sich. Das P/E-Material, das Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente enthält, umfasst als Hauptkomponente Bleizirkonattitanat (PZT), Bleinickelniobat (PNN), Bleimanganniobat, Bleianitimonstannat, Bleizinkniobat, Bleititanat oder Bleinickeltantalat. Alternativ dazu enthält das P/E-Material ein Gemisch dieser Materialien, dem Magnesiumoxid oder Magnesium zugegeben wird. Anders ausgedrückt enthält das P/E-Material Magnesiumoxid oder Magnesium unabhängig von der P/E-Zusammensetzung. Vorzugsweise wird in der Erfindung ein P/E-Material verwendet, das innerhalb der P/E-Zusammensetzung, die P/E-Eigenschaften aufweist, Magnesiumoxid in Form einer Verbindung enthält. Beispielsweise enthält das P/E-Material vorzugsweise als Hauptkomponente Bleimagnesiumniobat (PMN) oder Bleimagnesiumtantalat. Alternativ dazu enthält das P/E-Material vorzugsweise ein Gemisch dieser Materialien und PZT, wie zuvor beschrieben.
Von den oben angeführten P/E-Materialien wird günstigerweise ein Material verwendet, das als Hauptkomponente eines der folgenden Gemische enthält: ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat; ein Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat; ein Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleinickeltantalat, Bleizirkonat und Bleititanat; und ein Gemisch aus Bleimagnesiumtantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat. Ferner kann ein Material, das ein Oxid oder eine Verbindung von Lanthan, Barium, Niob, Magnesium, Zink, Cer, Cadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Wolfram, Nickel, Mangan, Lithium, Strontium oder Wismut enthält, dem P/E-Material zugesetzt werden.
Wenn das P/E-Material mit drei oder mehr Komponenten verwendet wird, können die P/E-Eigenschaften je nach Zusammensetzung der Komponenten des Materials variieren. Ein aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestehendes Dreikomponenten-Material, ein aus Bleimagnesiumniobat, Bleinickeltantalait, Bleizirkonat und Bleititanat bestehendes Vierkomponenten-Material oder ein aus Bleimagnesiumtantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat bestehendes Vierkomponenten-Material besitzt vorzugsweise eine Zusammensetzung in der Nähe der Phasengrenzen der pseudokubischen Kristallphase, tetragonalen Kristallphase und rhomboedrischen Kristallphase. Uni eine ausreichend hohe piezoelektrische Konstante und einen ausreichend hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor sicherzustellen, ist es besonders wünschenswert, eine der folgenden Zusammensetzungen zu verwenden: 1) eine Zusammensetzung mit 15-50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10-45 Mol-% Bleizirhonat und 30-45 Mol-% Bleititanat, 2) 15-50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10-40 Mol-% Bleinickeltantalat, 10-45 Mol-% Bleizirkonat und 30-45 Mol-% Bleititanat und 3) 15-50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10-40 Mol-% Bleimagnesiumtantalat, 10-45 Mol-% Bleizirkonat und 30-45 Mol- % Bleititanat.
Wenn das P/E-Material Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente in Form einer Verbindung als Bestandteil der P/E-Zusammensetzung enthält, ist es nicht erforderlich, den Gehalt von Magnesiumoxid oder der Magnesiumoxid liefernden Komponente im P/E-Material einzustellen. Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente wird in einer Menge verwendet, die in der P/E-Zusammensetzung des P/E-Materials enthalten ist. Wenn das P/E-Material Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente in ungebundener Form enthält, wird die Menge an Magnesiumoxid oder an der Magnesiumoxid liefernden Komponente im P/E-Material je nach Menge an Aluminumoxid (1,1-5,0 Gew.-%) im Membranabschnitt bestimmt, sodass Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente mit Aluminiumoxid im Membranabschnitt 10 reagiert und die Verbindung von Aluminiumoxid und Magne siumoxid entsteht, ohne die P/E-Eigenschaften der P/E-Schicht 14 negativ zu beeinflussen.
Die so auf der unteren Elektrode 12 geformte P/E-Schicht 14 wird einer geeigneten Wärmebehandlung (Brennen) unterzogen. m die einstückige Verbindung mit der unteren Elektrode 12 und dem Zirkoniumdioxid-Substrat 2, d. h. dem Membranabschnitt 10, zu bilden. Die Temperatur der Wärmebehandlung (Brennen) der P/E-Schicht 14 zur einstückigen Verbindung mit der unteren Elektrode 12 und dem Membranabschnitt 10 wird im Allgemeinen in einem Bereich von 500ºC-1400ºC, vorzugsweise 1000ºC-1400ºC, gehalten. Um Änderungen in der Zusammensetzung des P/E-Materials der P/E-Schicht 14 bei hohen Temperaturen zu vermeiden, ist es wünschenswert, die P/E-Schicht 14 der Wärmebehandlung bzw. dem Brennen zu unterziehen, während die Brennatmosphäre so gesteuert wird, dass sie die Verdampfungsquelle des P/E-Materials enthält. Es ist zu empfehlen, die P/E-Schicht 14 zu brennen, während sie mit einem geeigneten Abdeckungselement bedeckt ist, sodass die Oberfläche der P/E-Schicht 14 nicht direkt der Brennatmosphäre ausgesetzt ist. Das Abdeckungselement kann aus einem ähnlichen Material wie jenes des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 bestehen.
Die P/E-Schicht 14 wird durch die oben beschriebene Wärmebehandlung (Brennen) zu einem dichten Körper gesintert, um die gewünschten P/E-Eigenschaften aufzuweisen. Infolge der Wärmebehandlung (Brennen) der P/E-Schicht 14 bewegt sich Magnesiumoxid oder die Magnesiumoxid liefernde Komponente in der P/E-Schicht 14 durch die untere Elektrode 12 hindurch zum Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2, während sich gleichzeitig das zumindest im Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 vorhandene Aluminiumoxid zur Oberfläche des Membranabschnitts 10 auf der Seite der unteren Elektrode 12 bewegt, wodurch die Aluminiumoxid-Komponente und die Magnesiumoxid-Komponente zumindest an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 12 und dem Membranabschnitt 10 direkt unterhalb der P/E-Schicht 14 miteinander reagieren, sodass die zwei Komponenten auf der Grenzfläche in Form von Teilchen einer vorbestimmten Verbindung abgelagert werden.
Das oben beschriebene Verhalten der Aluminiumoxid-Komponente im Membranabschnitt 10 während der Wärmebehandlung der P/E-Schicht 14 führt zu verringerter Steifigkeit des Membranaschnitts 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2, und der Membranabschnitt 10 zeigt während der Wärmebehandlung eine Tendenz zur leichten Verformung. Diese Anordnung kann das Auftreten von Spannungen, die während der Brennschrumpfung der P/E-Schicht 14 entstehen würden, wirkungsvoll verhindern, sodass die P/E- Schicht 14 günstigerweise ausreichend hohe Sinterbarkeit oder Dichte aufweist. Da die P/E-Schicht 14 nach dem Brennen keine Restspannungen aufweist, kann sie ihre inhärenten Eigenschaften zur Geltung bringen, um dadurch ein P/E-Filmelement mit hoher Zuverlässigkeit und hohem Wirkungsgrad der elektromagnetischen Umwandlung bereitzustellen. Die Aluminiumoxid-Komponente im Membranabschnitt 10 des Zirkoniumdioxid-Substrats 2 bewegt sich zur Oberfläche des Membranabschnitts 10 (siehe Fig. 1) und reagiert mit der Magnesiumoxid-Komponente, die sich von der P/E-Schicht 14 durch die untere Elektrode 12 hindurch zum Membranabschnitt 10 bewegt, um an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 12 der P/E-Einheit 18 und dem Membranabschnitt 10 eine Grenzfläche zu bilden, die sich direkt unterhalb cier P/E-Schicht 14 befindet. Aufgrund dieser Anordnung gibt es innerhalb des Membranabschnitts 10 im Wesentlichen keine Aluminiumoxid-Komponente. Da die Steifigkeit des Membranabschnitts 10 nach der Wärmebehandlung der P/E-Schicht 14 nicht wesentlich abnimmt, werden jedoch selbst in diesem Fall die mechanische Festigkeit und die Resonanzfrequenz des Filmelements nicht beeinträchtigt.
In der vorliegenden Erfindung wird Zirkoniumdioxid-Substrat 2, dessen Membranabschnitt 10 die nach außen konvexe Form besitzt, vorzugsweise wie oben verwendet. Die nach außen konvexe Form des Membranabschnitts 1() ändert sich im Allgemeinen nach der Wärmebehandlung der P/E-Schicht 14 zu einer nach innen konkaven Form, die in den Boden des Fensters 6 hineinragt.
Auf der so gebrannten P/E-Schicht 14 wird die obere Elektrode 16 der P/E-Einheit 18 in gleicher Weise wie die untere Elektrode 12 durch ein ausgewähltes bekanntes Filmbildungsverfahren geformt. Die obere Elektrode 12 kann vorzugsweise durch Siebdruck, bei dem eine Resinat-Druckpaste oder eine Dickfilm-Druckpaste zum Einsatz kommt, oder durch ein Dünnfilmbildungsverfahren wie etwa Sputtern, Ionenstrahlen, Vakuumabscheidung, Ionenplattieren, CVD und Plattieren geformt werden. Die Dicke der oberen Elektrode 16 beträgt im Allgemeinen höchstens 20 um, vorzugsweise höchstens 5 um. Die Gesamtdicke der P/E-Einheit 18, d. h. die Summe der Dicke der oberen und unteren Elektrode 12, 16 sowie der P/E-Schicht 14, beträgt im Allgemeinen höchstens 100 um, vorzugsweise höchstens 50 um.
Im wie oben beschrieben erzeugten P/E-Filmelement werden die Teilchen, die hauptsächlich aus der Verbindung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen, z. B. Spinell (MgAl&sub2;O&sub4;), zumindest an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt 10 der Zirkoniumdioxid-Substrats 2 und der unteren Elektrode 12 der P/E-Einheit 18 abgelagert, welche Grenzfläche sich direkt unterhalb der P/E-Schicht 14 befindet. Die Teilchen liegen an der Grenzfläche in einem Anteil von zumindest 5% oder mehr der besetzter Fläche vor.
In Fig. 2 sieht man eine Ansicht einer freiliegenden Oberfläche des Membranabschnitts 10 des wie oben beschrieben ausgebildeten P/E-Filmelements, welche Ansicht durch ein Elektronenmikroskop beobachtet wird. Genauer gesagt wurde die P/E-Einheit 18 vom Zirkoniumdioxid-Substrat 2 abgelöst und entfernt und die Oberfläche des Membranabschnitt 10 direkt unterhalb der P/E-Schicht 14 freigelegt. Wie aus dem schwarzen Muster in Fig. 2 ersichtlich, sind die abgelagerten Teilchen 20, die im Wesentlichen aus der Verbindung bestehen, die durch die Reaktion von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid gebildet wird, auf der freiliegenden Oberfläche des Membranabschnitts 10 gleichmäßig feinverteilt. Die abgelagerten Teilchen 20 befinden sich auf den anliegenden Oberflächen des Membranabschnitts 10 und der unteren Elektrode 12 und sorgen für eine Ver ankerung der unteren Elektrode 12 und des Membranabschnitts, um dadurch die Bindungs- oder Haftfestigkeit dazwischen zu steigern.
Der Anteil an besetzer Fläche der Teilchen 20 der Aluminiumoxid-Magnesiumoxid-Verbindung an der Oberfläche des Membranabschnitts 10 wird folgendermaßen gemessen. Zunächst wird die P/E-Einheit 18 (bestehend aus der unteren Elektrode 12, der P/E- Schicht 14 und der oberen Elektrode 16) z. B. nach dem folgenden Verfahren vom Zirkoniumdioxid-Substrat 2 abgelöst und entfernt. Zunächst wird Königswasser gebildet, das aus einem im Handel erhältlichen Salzsäure und konzentrierte Salpetersäure in einem Volumsverhältnis von 3 : 1 enthaltenden Gemisch besteht. Das P/E-Filmelement wird in das Königswasser eingelegt, das bei einer Temperatur von 80ºC gehalten wird. Die P/E- Einheit 18 wird im Königswasser gelöst oder zersetzt, sodass die P/E-Einheit 18 vom Zirkoniumdioxid-Substrat 2 entfernt wird. Die Entfernung der P/E-Einheit 18 wird durch Aufkochen des Königswassers leicht bewerkstelligt. Als nächstes wird die freiliegende Oberfläche des Membranabschnitts 10 des Zirkoniumdioxid-Subsirats 2 mit entfernter P/E-Einheit 18 durch ein Elektronenmikroskop beobachtet, um die Gesamtfläche der Teilchen 20 der Aluminiumoxid-Magnesiumoxid-Verbindung an der freiliegenden Oberfläche des Membranabschnitts 10 zu erhalten, welche freiliegende Oberfläche der Fläche der P/E-Schicht 14 entspricht, unter der die untere Elektrode 12 ausgebildet wurde. Auf der Basis des erhaltenen Werts wird der Anteil an besetzter Fläche der Teilchen 20 gemäß der folgenden Formel berechnet:
Anteil an besetzter Fläche (1) = (A/A&sub0;) · 100,
worin:
A0 die Fläche des Membranabschnitts 10 ist, die jener der P/E-Schicht 14 entspricht, unter der die untere Elektrode 12 ausgebildet wurde, und
A die Gesamtfläche der Teilchen 20 der Aluminiumoxid-Magnesiumoxid-Verbindung ist, die an der Oberfläche des Membranabschnitts 10 mit entfernter P/E-Einheit 18 vor liegen, welche Fläche jener der unteren Elektrode 12 direkt unterhalb der P/E-Schicht 14 entspricht.
Der Anteil an besetzter Fläche der Teilchen 20, im Wesentlichen bestehend aus der Aluminiumoxid-Magnesiunioxid-Verbindung, wird bei 5% oder mehr, vorzugsweise 100/0 oder mehr, noch bevorzugter 30% oder mehr, gehalten, da die Gegenwart der Teilchen 20 möglicherweise nicht ausreichend zur Geltung kommt, wenn der Anteil an besetzter Fläche unterhalb der Untergrenze von 5% liegt. Obwohl die Obergrenze des Anteils an besetzer Fläche der Teilchen 20 keinen besonderen Einschränkungen unterliegt, ist es wünschenswert, den Anteil bei etwa 80% oder weniger zu halten, um Rissbildung und andere Fehler zu vermeiden.
Das so erhaltene P/E-Filmelement der Erfindung weist nicht den Nachteil der geringeren Steifigkeit des Membranabschnitts und somit auch niedrigere Resonanzfrequenz auf. Außerdem besitzt die P/E-Schicht der P/E-Einheit höhere Dichte, wodurch das P/E-Filmelement hervorragende P/E-Eigenschaften mit hoher Zuverlässigkeit aufweist. Während das erfindungsgemäße P/E-Filmelement günstigerweise in Anwendungen wie Messwandlern, Sensoren und Stellgliedern zum Einsatz kommt, wird es vorzugsweise als P/E- Stellglied verwendet, da das Element Verlagerung erfährt und bei Betätigung der P/E-Einheit an der Außenfläche des Membranabschnitts eine Kraft erzeugt. Das P/E-Filmelement der Erfindung kann z. B. folgendermaßen verwendet werden: für Filter, verschiedene Sensoren (Ultraschallsensor, Winkelgeschwindigkeitssensor, Beschleunigungssensor und Schocksensor), Transformatoren, Mikrofone, Beschallungskörper wie z. B. Lautsprecher, Diskriminatoren und verschiedene Vibratoren, Oszillatoren und Resonatoren für strombetriebene und Kommunikationsgeräte. Außerdem wird das erfindungsgemäße Filmelement vorzugsweise als unimorphes, bimorphes oder eine andere Art von P/E- Stellglied verwendet, das Verlagerung in Form von Verbiegung bewirkt und für Servo- Verlagerungselemente, pulsgetriebene Motoren, Ultraschal motoren, piezoelektrische Gebläse und dergleichen eingesetzt wird, welche Elemente und Motoren in "FUNDA- MENTALS TO APPLICATIONS OF PIEZOELECTRIC/ELECTROSTRICTIVE ACTUATORS", Kenji Uchino, Japan, Industrial Technology Center, veröffentlicht von Morikita-Shuppan, beschrieben sind. Ferner wird das Filmelement vorzugsweise als Dickfilmkondensatorelement und Anzeigevorrichtung verwendet.
Bezug nehmend auf Fig. 3, einer schematischen Darstellung eines weiteren Beispiels für ein P/E-Filmelement der Erfindung, und Fig. 4, einer perspektivischen Explosionsansicht des Filmelements aus Fig. 3, besitzt das Filmelement eine einstückige Struktur, umfassend ein Zirkoniumdioxid-Substrat 22 und eine Vielzahl an P/E-Einheiten 24 auf relevanten Außenflächen dünnwandiger Membran- oder Schwirigungsabschnitte des Zirkoniumdioxid-Substrats 22. Während des Betriebs wird jeder der Membranabschnitte des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 bei Anlegen einer Spannung an die entsprechende P/E- Einheit 24 verbogen oder in anderer Weise verformt.
Genauer gesagt besitzt das Zirkoniumdioxid-Substrat 22 eine einstückige Laminat-Struktur, die aus einer relativ dünnen Verschlussplatte (Membranplatte) 26, einer Verbindungsplatte (Basisplatte) 28 und einer Abstandhalterplatte (Basisplatte) 30 besteht, die zwischen der Verschluss- und der Verbindungsplatte 2 G, 23 eingeschoben ist. Diese Platten 2 G, 28, 30 bestehen aus Zirkondiumdioxid-Material. Die Verbindungsplatte 28 besitzt drei Kommunikationslöcher 32, die durch die Dicke der Verbindungsplatte 28 hindurch mit geeignetem Abstand dazwischen ausgebildet sind. Die Anzahl, Form, Dimensionen, Position und anderen Parameter cier Kommunikationslöcher 32 können je nach spezifischem Verwendunoszweck des P/E-Filmelements in geeigneter Weise bestimmt werden. Die Abstanchalterplatte 30 ist mit einer Vielzahl quadratischer Fenster 36 (in dieser Ausführungsform drei) versehen. Die Abstanchalterplatte 30 liegt auf der Verbindungsplatte 28, sodass die Kommunikationslöcher 32 der Verbindungsplatte 28 mit den jeweiligen Fenstern 36 kommunizieren. Die Verschlussplatte 26 liegt auf einer Hauptfläche der Abstandhalterplatte 30 in Entfernung von cier Verbindungsplatte 28, so dass die Öffnungen der Fenster 36 der Abstandhalterplatte 30 geschlossen sind. Aufgrund der solcherart übereinanderliegenden Verschlussplatte 26, Abstandhalterplatte 30 und Verbindungsplatte 28 sind drei Druckkammern 38 innerhalb des Zirkoniumdioxid- Substrats 22 ausgebildet, sodass sie durch die Kommunikationslöcher 32 mit dem Außenraum kommunizieren.
Das Zirkoniumdioxid-Substrat 22 ist ein einstückiger gebrannter Körper aus einem geeigneten Zirkondiumdioxid-Material. Obwohl das Zirkoniumdioxid-Substrat 22 der vorliegenden Ausführungsform eine dreischichtige Struktur aus Verschlussplatte 26 (Membranplatte), Abstandhalterplatte 30 (Basisplatte) und Verbindungsplatte 28 (Basisplatte) ist, kann das Substrat auch als vier- oder mehrschichtige einstückige Struktur mit vier oder mehr Schichten oder Platten ausgebildet sein.
Filmartige P/E-Einheiten 24 sind an der Außenfläche der Verschlussplatte 26 ausgebildet, sodass die P/E-Einheiten 24 mit den jeweiligen Druckkammern 38 ausgerichtet sind, was in einer zur Verschlussplatte 26 parallelen Ebene ersichtlich ist. jede der P/E- Einheiten 24 umfasst eine untere Elektrode 40, eine P/E-Schicht 42 und eine obere Elektrode 44, die nacheinander durch ein geeignetes Filmbildungsverfahren auf einem Abschnitt der Verschlussplatte 26 ausgebildet werden, der mit einem der Fenster 36 des Zirkoniumdioxid-Substrats 22, d. h. an der Außenfläche eines Membranabschnitts des Substrats 22, ausgerichtet ist. Während des Betriebs wird der Druck in der Druckkammer 38 bei Betätigung der entsprechenden P/E-Eineit 24 erhöht, sodass eine in der Druckkammer 38 enthaltene Flüssigkeit wirksam durch das entsprechende Kommunikationsloch 32 abgeleitet wird. Das solcherart ausgelegte P/E-Filmelement kann nicht nur als Stellglied, sondern auch als Sensor oder dergleichen verwendet werden, der ausgebildet ist, ein Spannungssignal zu erzeugen, das Verbiegungsverlagerung des Membranabschnitts des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 darstellt.
Im wie oben beschrieben konstruierten P/E-Filmelement werden die Teilchen, die im Wesentlichen aus der Verbindung von Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen, z. B. Spinell, zumindest an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode (40) und dem Membranabschnitt (26), welche Grenzfläche sich knapp unterhalb der P/E-Schicht 42 befindet, abgelagert. Die Teilchen liegen an der Grenzfläche in einem Anteil von 5% oder mehr an besetzter Fläche vor. Die Teilchen der Aluminiumoxid-Magnesiumoxid- Verbindung, wie z. B. Spinell, können innerhalb der P/E-Schicht 42 zwischen der oberen und unteren Elektrode 44, 40 angeordnet sein, vorausgesetzt die Menge der Teilchen ist relativ gering. In der P/E-Schicht 42 vorhandene Teilchen sind jedoch nicht wünschenswert, da solche Teilchen die P/E-Eigenschaften des Filmelements negativ beeinflussen könnten.
Obwohl das erfindungsgemäße P/E-Filmelement als Stellglied, Sensor und Messwandler verwendet werden kann, vorzugsweise als Element in Lautsprechern, Anzeigevorrichtungen, Servo-Verlagerungselementen, pulsgetriebenen Motoren, Ultraschallmotoren, Ultraschallmotoren, Beschleunigungssensoren, Schocksensoren, Vibratoren, Oszillatoren und Resonatoren, ist zu beachten, dass das Filmelement auch anderen auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Verwendungszwecken zugeführt werden kann.

BEISPIELE

Zur näheren Erläuterung der Erfindung folgt nun eine Beschreibung einiger Beispiele des erfindungsgemäßen P/E-Filmelements. Man beachte jedoch, dass die Erfindung keinesfalls auf die Details der folgenden Beispiele beschränkt ist, sondern mit zahlreichen Veränderungen, Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sind, ohne vom in den beigelegten Patentansprüchen definierten Grundprinzip und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

BEISPIEL 1

Als Beispiele für das in den Fig. 3 und 4 gezeigte P/E-Filmelement wurden acht Proben des P/E-Filmelements durch Verwendung gesinterter Zirkoniumdioxid-Substrate 22 mit jeweils vier rechteckigen Fenstern 36 einer Breite von jeweils 0,3 mm und einer Länge von jeweils 0,5 mm gebildet. Die vier Fenster 36 werden in gerader Linie in Längsrichtung des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 angeordnet, sodass die 0,3 mm langen kurzen Seiten der Fenster 36 zur Längsrichtung des Substrats 22 parallel verlaufen und die angrenzenden Fenster in einer Entfernung von 0,2 mm voneinander beabstandet sind. Die Zirkoniumdioxid-Substrate 22 der acht Proben des P/E-Filmelements enthielten Aluminiumoxid in den aus Tabelle 1 ersichtlichen Mengen. Auf der Außenfläche jedes der Membranabschnitte 26 jedes der angefertigten Zirkoniumdioxid-Substrate 22 wurden die untere Elektrode 40, die P/E-Schicht 42 und die obere Elektrode 44 hintereinander in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet. Die Verbindungsplatte 28 des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 wurde mit Kommunikationslöchern 32 mit einem Durchmesser von jeweils 0,2 mm versehen, sodass sich jedes Kommunikationsloch 32 im Mittelabschnitt des entsprechenden Fensters 36 der Abstandhalterplatte 30 befindet.
Im P/E-Filmelement jeder Probe besaßen die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30 (die den Basisabschnitt des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 darstellen) eine Dicke von jeweils 150 um, als sie nach dem Brennen des Substrats 22 gemessen wurden, während die den Membranabschnitt ergebende Membranplatte 26 eine Dicke von 13 um aufwies, als sie nach dem Brennen des Substrats 22 gemessen wurde. Die Verbindungsplatte 28, die Abstandhalterplatte 30 und die Membranplatte 26 wurden aus Zirkoniumdioxid gebildet, das durch 3 Mol- Yttriumoxid teilweise stabilisiert war. Um das Zirkoniumdioxid-Substrat 22 mit einstückiger Laminarstruktur der Membranplatte 26, Verbindungsplatte 28 und Abstandhalterplatte 30 zu erhalten, wurden grüne Platten für diese Platten 26, 28, 30 in nachstehend beschriebener Weise angefertigt, laminiert, unter Druck verbunden und dann gebrannt.

a) Herstellung der grünen Platte für die Membranplatte 26

Zirkoniumdioxid-Pulver, teilweise stabilisiert mit 3 Mol-% Yttriumoxid (mittlere Teilchengröße: 0,4 um) (100-x) Gewichtsteile
Aluminiumoxid-Pulver (mittlere Teilchengröße: 0,2 um) x Gewichtsteile
Polyvinylbutyral-Harz (Bindemittel) 9,0 Gewichtsteile
Dioctylphthalat (Weichmacher) 4,5 Gewichtsteile
Sorbitanfettsäureester enthaltendes 2,0 Gewichtsteile
Dispergiermittel Toluol 1 Isopropylalkohol = 50/50 enthaltendes Lösungsmittel 70 Gewichtsteile
Die oben angeführten Bestandteile wurden in einer Kugelmühle mit Zirkoniumdioxid- Kugeln vermischt, um eine Aufschlämmung mit einer anfänglichen Viskosität von 1,2 Pa.s (1200 cp) zu ergeben. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde im Vakuum entgast und ihre Viskosität auf 2,0 Pa.s (2000 cp) eingestellt. Dann wurde die Aufschlämmung durch einen Umkehrwalzbeschichter zu einer grünen Platte geformt, die nach dem Brennen den Membranabschnitt mit einer Dicke von 8 oder 13 um ergibt. Die grüne Platte wurde 10 Minuten lang bei 50ºC getrocknet.

b) Herstellung grüner Platten für die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30

Zirkoniumdioxid-Pulver, teilweise stabilisiert mit 3 Mol-% Yttriumoxid (mittlere Teilchengröße: 0,4 um) (100-x) Gewichtsteile
Aluminiumoxidpulver (mittlere Teilchengröße: 0,2 um) x Gewichtsteile
Polyvinylbutvral-Harz (Bindemittel) 8,0 Gewichtsteile
Dioctylphthalat (Weichmacher) 4,0 Gewichtsteile
Sorbitanfettsäureester enthaltendes 1,0 Gewichtsteil
Dispergiermittel Xvlol / (n)-Butylalkohol 50/50 enthaltendes Lösungsmittel 63 Gewichtsteile
Die obigen Bestandteile wurden in einer Kugelmühle mit Zirkoniumdioxid-Kugeln vermischt, um eine Aufschlämmung mit einer anfänglichen Viskosität von 2,0 Pa.s (2000 cp) zu ergeben. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde in Vakuum entgast und ihre Viskosität auf 5000 cp eingestellt. Danach wurde die Aufschlämmung durch ein Rakelverfahren zu grünen Platten geformt, die nach dem Brennen die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30 mit einer Dicke von jeweils 150 um ergeben. Die grünen Platten wurden 2 Stunden lang bei 80ºC getrocknet.
Die so erhaltenen grünen Platten für die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30 wurden mittels geeigneter Metallformen in Mustern gestanzt, um Kommunikationslöcher 32 und Fenster 36 auszubilden. Dann wurde die grüne Platte für die Membranplatte 26 auf diese grünen Platten auflaminiert und durch Thermokompression unter einem Druck von 100 kg/cm² bei 80ºC 1 Minute lang damit verbunden. Die so erhaltene einstückige Laminatstruktur wurde 2 Stunden lang bei 1500ºC gebrannt. So entstanden verschiedene Zirkoniumdioxid-Substrate 22, die in ihren Membranabschriitten und Basisabschnitten jeweils unterschiedliche Mengen an Aluminiumoxid enthielten.
An der Außenfläche jedes der Membranabschnitte 26 des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 jeder Probe wurde mittels Siebdruck eine Platinpaste aufgedruckt, 10 Minuten lang bei 120ºC getrocknet und 2 Stunden lang bei 1350ºC gebrannt, um die untere Elektrode 40 mit einer Dicke von 3 um zu ergeben.
Anschließend wurde eine Paste für die P/E-Schicht mittels Siebdruck auf die untere Elektrode 40 aufgedruckt, 20 Minuten lang bei 120ºC getrocknet und 2 Stunden lang bei 1275ºC gebrannt, um die P/E-Schicht 42 mit einer Dicke von 30 um zu ergeben. Die Paste wurde in folgender Weise ausgebildet. Zunächst wurde ein Pulver aus P/E-Material angefertigt, das aus 38 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 24 Mol-% Bleizirkonat und 38 Mol-% Bleititanat bestand, worin ein Teil des Pb durch Sr und La ersetzt war. Das Pulver besaß eine mittlere Teilchengröße von 0,9 um. Danach wurde eine Zusammensetzung, die aus 100 Gewichtsteilen des gebildeten Pulvers, 3 Gewichtsteilen Acrylbinde mittel und 20 Gewichtsteilen Terpineol (Lösungsmitel) bestand, geknetet, um die Paste für die P/E-Schicht 42 mit einer Viskosität von 100 Pa.s (100.000 cu) zu liefern. Die P/E- Schicht 42 wurde im Ofen in Gegenwart des Pulvers aus cfem P/E-Material zur Bildung der Paste gebrannt, wobei die Brennatmosphäre im Brennofen gesteuert wurde.
Nach Abschluss des Brennens der P/E-Schicht 42 wurde ein Cr-Dünnfilm durch Sputtern auf der P/E-Schicht 42 und ein Cu-Film auf dem Cr-Film ausgebildet, um die obere Elektrode 44 zu liefern. Auf diese Weise wurden die Proben Nr. 1-8 des P/E-Filmelements (siehe Tabelle 1) erhalten. Die erhaltenen Proben des Filmelements wurden einer Polarisierungsbehandlung unterzogen, indem 10 Minuten lang 40 V zwischen der oberen und der unteren Elektrode 44, 40 jeder P/E-Einheit 42 in Vorwärtsrichtung (in Verlagerungsrichtung der P/E-Schicht 42 gesehen) angelegt wurden.
Jede der Proben des P/E-Filmelements wurde hinsichtlich der Verlagerungseigenschaften und Resonanzfrequenz beurteilt. Außerdem wurden die P/E-Einheiten 24 vom Zirkoniumdioxid-Substrat 22 jeder Probe entfernt und die freiliegende Oberfläche jedes Membranabschnitts 26 durch das Elektronenmikroskop beobachtet. Anders ausgedrückt wurde die freiliegende Oberfläche jedes Membranabschnitts (entspricht der Fläche der P/E- Schicht 42) beobachtet, um den Anteil an besetzter Fläche cier Teilchen zu ermitteln, die im Wesentlichen aus der Aluminiumoxid-Magnesiumoxid-Verbindung bestehen und an der Grenzfläche zwischen der unteren Elektrode 40 und dem Membranabschnitt abgelagert sind. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 1 ersichtlich. Die Betrachtung durch ein (zur Elementaranalyse und Röntgenbeugungsanalyse fähiges) Elektronenmikroskop machte deutlich, dass die abgelagerten Teilchen aus Spinell bestanden.
Zur Bewertung der Verlagerungseigenschaften jeder Probe des P/E-Filmelements wurde zwischen der oberen und unteren Elektrode 44, 40 jeder P/E-Einheit 24 in Richtung der Polarisierungsbehang eine Spannung von 30 V angelegt. Das Ausmaß an Verlagerung jeder P/E-Einehit wurde durch eine Laserdopplervorrichtung gemessen. Der Anteil an besetzter Fläche der abgelagerten Teilchen jeder Probe des Filmelements wurde in folgender Weise ermittelt. Jede Probe des P/E-Filmelements wurde in das oben erwähnte und bei 80ºC gehaltene Königswasser eingelegt, sodass die P/E-Einheiten 24 jeder Probe darin gelöst oder zersetzt wurden, und vom Substrat entfernt. Die Oberfläche jedes Membranabschnitts 26, von dem die entsprechende P/E-Einheit 24 entfernt war, wurde durch das zur Elementaranalyse fähige Elektronenmikroskop betrachtet. Dann wurde die Gesamtfläche der abgelagerten Teilchen auf der freiliegenden Oberfläche des Membranabschnitts ermittelt, um den prozentuellen Anteil an besetzter Fläche gemäß der obigen Gleichung zu erhalten. In folgender Tabelle 1 sind die Verlagerungseigenschaften jeder Probe als Mittelwert der Verlagerungsmengen der vier P/E-Einheiten dargestellt. Ebenso ist der Anteil an besetzter Fläche jeder Probe als Mittelwert der Anteile an besetzter Fläche der vier Membranabschnitte angeführt. Tabelle 1
*: Vergleichsbeispiele
Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 1 ersichtlich zeigten die Proben Nr. 3-6 des erfindungsgemäßen P/E-Filmelements, worin der Basisabschnitt und der Membranabschnitt 26 des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 Aluminiumoxid in einer Menge von 1,1-5,0 Gew.- % enthielten, hervorragende Verlagerungseigenschaften. Da das P/E-Material für die P/E- Schicht 42 Magnesiumoxid in Form einer Verbindung enthielt, bewegte sich die Magnesiumoxid-Komponente in der P/E-Schicht 42 während des Brennens der P/E-Schicht 42 in Richtung des Membranabschnitts 26 des Substrats 22 und reagierte mit dem Aluminiumoxid im Membranabschnitt 26 an der Grenzfläche wischen dem Membranabschnitt 26 und der unteren Elektrode 40, wodurch die Spinellteilchen an der Grenzfläche abgelagert wurden. Es wurde in diesem Fall bestätigt, dass ein Teil der Aluminiumoxid-Komponente in der Verbindungsplatte 28 und Abstandhalterplatte 30 zum Membranabschnitt 26 wanderte und an der Reaktion mit der Magnesiumkomponente beteiligt war. Die abgelagerten Spinellteilchen lagen an der Außenfläche des Membranabschnitts in einem relativ hohen Anteil an besetzter Fläche vor, wie aus Tabelle 1 ersichtlich. Die Proben Nr. 3-6 des P/E-Filmelements der Erfindung zeigten demgemäß wie auch aus Tabelle 1 ersichtlich - hervorragende Verlagerungseigenschaften. Tabelle 1 zeigt ebenfalls, dass die Resonanzfrequenz jeder der Proben Nr. 3-6 nicht sank, da sich die Steifigkeit jedes Membranabschnitts nicht änderte, nachdem die Aluminiumoxid- Komponente von der Innenseite des Membranabschnitts 26 zur Außenfläche des Membranabschnitts 26 wanderte.
Im Gegensatz dazu waren in den Proben Nr. 1 und 2 des Filmelements, worin die Menge an Aluminiumoxid zumindest im Membranabschnitt 26 des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 unzureichend war, die Spinellteilchen nicht ausreichend an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt 26 und der unteren Elektrode 40 abgelagert. Außerdem waren in den Proben Nr. 7 und 8, worin zumindest im Membranabschnitt 26 des Substrats 22 kein Aluminiumoxid enthalten war, überhaupt keine Spinellteilchen abgelagert. Im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen P/E-Filmelementen wiesen daher die Filmelemente der Vergleichsbeispiele keine verbesserten Verlagerungseigenschaften auf.

BEISPIEL 2

Als Beispiele für das in den Fig. 3 und 4 gezeigte P/E-Filmelement wurden fünf Proben des P/E-Filmelements durch Verwendung gesinterter Zirkoniumdioxid-Substrate 22 mit jeweils zehn rechteckigen Fenstern 36 einer Breite von jeweils 0,3 mm und einer Länge von jeweils 0,7 mm gebildet. Die zehn Fenster 36 werden in gerader Linie in Längsrichtung des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 angeordnet, sodass die 0,5 mm langen kurzen Seiten der Fenster 36 zur Längsrichtung des Substrats 22 parallel verlaufen und die benachbarten Fenster in einer Entfernung von 0,2 mm voneinander beabstandet sind. Die Membranabschnitte 26 der Zirkoniumdioxid-Substrate 22 der fünf Proben des P/E-Filmelements enthielten Aluminiumoxid in den aus Tabelle 2 ersichtlichen Mengen. An der Außenfläche jedes der Membranabschnitte 26 jedes der angefertigten Zirkoniumdioxid- Substrate 22 wurde die P/E-Einheit 24 in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet.
Die grünen Platten, welche die jeweiligen Platten jedes Zirkoniumdioxid-Substrats 22 ergeben, wurden in folgender Weise angefertigt:

a) Herstellung grüner Platten für die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30

Zirkoniumdioxid-Pulver, teilweise stabilisiert mit 3 Mol-% Yttriumoxid (mittlere Teilchengröße: 0,8 um) 100 Gewichtsteile
Polyvinylbutyral-Harz (Bindemittel) 10 Gewichtsteile
Dibutylphthalat (Weichmacher) 5 Gewichtsteile
Sorbitanfettsäureester enthaltendes 2 Gewichtsteile
Dispergiermittel Toluol / Isopropylalkohol = 50/50 enthaltendes Lösungsmittel 73 Gewichtsteile
Die obigen Bestandteile wurden in einer Kugelmühle mit Zirkoniumdioxid-Kugeln vermischt, um eine Aufschlämmung mit einer anfänglichen Viskosität von 1,0 Pa.s (1000 cp) zu ergeben. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde im Vakuum entgast und ihre Viskosität auf 10 Pa.s (10.000 cp) eingestellt. Danach wurde die Aufschlämmung durch ein Rakelverfahren zu grünen Platten geformt, die nach dem Brennen die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30 mit einer Dicke von jeweils 150 um ergeben. Die grünen Platten wurden 3 Stunden lang bei 80ºC getrocknet.

b) Herstellung einer grünen Platte für die Membranplatte 26

Zirkoniumdioxid-Pulver, teilweise stabilisiert mit 3 Mol-% Yttriumoxid (mittlere Teilchengröße: 0,8 um) (100-x) Gewichtsteile
Aluminiumoxidpulver (mittlere Teilchengröße: 0,2 um) x Gewichtsteile
Polyvinylbutyral-Harz (Bindemittel) 9 Gewichtsteile
Dibutylphthalat (Weichmacher) 4 Gewichtsteile
Sorbitanfettsäureester enthaltendes Dispergiermittel 2 Gewichtsteile
Toluol / Isopropylalkohol = 50/50 enthaltendes Lösungsmittel 70 Gewichtsteile
Die oben angeführten Bestandteile wurden in einer Kugelmühle mit Zirkoniumdioxid- Kugeln vermischt, um eine Aufschlämmung mit einer anfänglichen Viskosität von 1 Pa.s (1000 cp) zu ergeben. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde im Vakuum entgast und ihre Viskosität auf 3000 cp eingestellt. Dann wurde die Aufschlämmung durch einen Umkehrwalzbeschichter zu einer grünen Platte geformt, die nach dem Brennen den Membranabschnitt 26 mit einer Dicke von 9 um ergibt.
Die so erhaltenen grünen Platten für die Verbindungsplatte 28 und die Abstandhalterplatte 30 wurden mittels geeigneter Metallformen in Mustern gestanzt, um Kommunikationslöcher 32 und Fenster 36 auszubilden. Dann wurde die grüne Platte für die Membranplatte 26 auf diese grünen Plätten auflaminiert und durch Thermokompression unter einem Druck von 100 kg/cm² bei 80ºC 1 Minute lang damit verbunden. Die so erhaltene einstückige Laminatstruktur wurde 2 Stunden lang bei 1500ºC gebrannt. So entstanden verschiedene Zirkoniumdioxid-Substrate 22, die jeweils unterschiedliche Mengen an Aluminiumoxid in ihren Membranabschnitten 26 enthielten, wie dies aus Tabelle 2 ersichtlich ist. Die Zirkoniumdioxid-Substrate 22 in den Proben 9-12 des P/E-Filmelements besaß die Membranabschnitte 26 mit jeweils nach außen konvexer Form (das Ausmaß des Vorragens beträgt etwa 20 um).
An der Außenfläche jedes der Membranabschnitte 26 des Zirkoniumdioxid-Substrats 22 jeder Probe wurde mittels Siebdruck eine Platinpaste aufgedruckt, 10 Minuten lang bei 120ºC getrocknet und 2 Stunden lang bei 1350ºC gebrannt, um die untere Elektrode 40 mit einer Dicke von 5 um zu ergeben.
Anschließend wurde eine Paste mittels Siebdruck auf jeder der unteren Elektroden 40 jeder Probe wie folgt aufgedruckt. Zunächst wurde eine Paste für die P/E-Schicht durch Verwendung eines Pulvers aus P/E-Material angefertigt, das aus 38 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 24 Mol-% Bleizirkonat und 38 Mol-% Bleititanat bestand, worin ein Teil von Pb durch Sr und La ersetzt war. Diese Paste für die P; E-Schicht 42 wurde durch Siebdruck auf die untere Elektrode 40 aufgedruckt, 20 Minuten lang bei 120ºC getrocknet und 2 Stunden lang bei 1275ºC gebrannt, uni die P/E-Schicht 42 mit einer Dicke von 30 um zu ergeben. Die P/E-Schicht 42 wurde im Ofen in Gegenwart des Pulvers aus dem P/E-Material zur Bildung der Paste gebrannt, wobei die Brennatmosphäre im Brennofen gesteuert wurde.
Nach Abschluss des Brennens der P/E-Schicht 42 wurde ein Cr-Dünnfilm durch Sputtern auf der P/E-Schicht 42 und ein Cu-Film auf dem Cr-Film ausgebildet, uni die obere Elek trode 44 zu liefern. Auf diese Weise wurden die Proben Nr. 9-13 des P/E-Filmelements (siehe Tabelle 2) erhalten. Die erhaltenen Proben des Filmelements wurden einer Polarisierungsbehandlung unterzogen, indem 100 V zwischen der oberen und unteren Elektrode 44, 40 jeder P/E-Einheit 24 angelegt wurden.
Jede der Proben des so erhaltenen P/E-Filmelements wurde hinsichtlich der Verlagerungseigenschaften, der Resonanzfrequenz und des Anteils an besetzter Fläche der an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt 26 und der unteren Elektrode abgelagerten Spinellteilchen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beurteilt. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 2 ersichtlich. In nachstehender Tabelle 2 sind die Verlagerungseigenschaften jeder Probe als Mittelwert des Ausmaßes der Verlagerung der zehn P/E-Einheiten dargestellt. Ebenso ist der Anteil an besetzter Fläche jeder Probe als Mittelwert der Anteile an besetzter Fläche der zehn Membranabschnitte angeführt. Tabelle 2
*: Vergleichsbeispiele
Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 2 ersichtlich, zeigten die Proben Nr. 10-12 des erfindungsgemäßen P/E-Filmelements, worin die Membranabschnitte 26 gemäß der vorliegenden Erfindung Alumniumoxid in jeweiligen geeignten Mengen enthielten, hervorragende Verlagerungseigenschaften.
Im erfindungsgemäß ausgelegten P/E-Filmelement bewegen sich die Magnesiumoxid- Komponente im P/E-Material für die P/E-Schicht und die Aluminiumoxid-Komponente zumindest im Membranabschnitt des Zirkoniumdioxid-Substrats in Richtung zumindest der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt und der unteren Elektrode, welche Grenzfläche sich direkt unterhalb der P/E-Schicht befindet. Die Aluminiumoxid-Komponente und die Magnesiumoxid-Komponente reagieren miteinander an der Grenzfläche, um dadurch die Teilchen der Verbindung, die aus den zwei Komponenten besteht, abzulagern. Gemäß dieser Anordnung wird die Steifigkeit des Membranabschnitts während des Brennens der P/E-Schicht wirksam verringert, und der Membranabschnitt kann leicht verformt werden, sodass die P/E-Schicht effizient zu einem ausreichend dichten Körper gesintert wird. Außerdem ist das vorliegende P/E-Element frei von üblicherweise auftretenden Restspannungen infolge der Brennschrumpfung der P/E-Schicht, sodass hohe Betriebszuverlässigkeit und ein hoher Wirkungsgrad der elektromagnetischen Umwandlung sichergestellt sind.
Im wie oben ausgelegten P/E-Filmelement der Erfindung bewegt sich die Aluminiumoxid-Komponente im Membranabschnitt während des Brennens der P/E-Schicht zur Oberfläche des Membranabschnitts, und die Menge an Aluminiumoxid im Membranabschnitt nimmt deutlich ab. Die Steifigkeit des Membranbschnitts wird jedoch nach dem Brennen nicht wesentlich verringert, sodass das Filmelement keine Verringerung der Resonanzfrequenz erfährt.
Im erfindungsgemäßen P/E-Filmelement lagern sich die Teilchen der Aluminiumoxid- Magnesiumoxid-Verbindung ab und liegen zumindest an der Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt und der unteren Elektrode direkt unterhalb der P/E-Schicht vor.
Die abgelagerten Teilchen sorgen für Verankerungswirkung, sodass der Membranabschnitt und die untere Elektrode miteinander verbunden werden, was verbesserte Haftfestigkeit zwischen ihnen gewährleistet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements, umfassend: ein Zirkoniumdioxidsubstrat (2, 22), das zumindest ein Fenster (6, 36) und einen Membranabschnitt (10, 26) aufweist, der als einstückiger Teil des Zirkoniumdioxidsubstrats ausgebildet ist und das zumindest eine oder jedes der Fenster verschließt; sowie eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24), die eine untere Elektrode (12, 40), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (14, 42) und eine obere Elektrode (16, 44) umfasst, die nach einem Filmbildungsverfahren in der Reihenfolge der Aufzählung an der Außenfläche des Membranabschnitts ausgebildet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

die Herstellung des Zirkoniumdioxidsubstrats, das gesintert worden ist und bei dem zumindest der Membranabschnitt aus einem Zirkoniumdioxidmaterial besteht, das Aluminiumoxid in einer Menge von 1, 1 bis 5,0 Gewichtsteilen enthält;

das Ausbilden der unteren Elektrode an der Außenfläche des Membranabschnitts und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht auf der unter Elektrode nach einem Filmbildungsverfahren unter Verwendung eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials, das Magnesiumoxid in ungebundener Form oder Form einer Verbindung oder eine Komponente, die beim Brennen Magnesiumoxid in ungebundener Form oder Form einer Verbindung liefert, enthält; und

das Brennen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht, so dass Teilchen, die hauptsächlich aus einer Verbindung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen, zumindest auf einer Grenzfläche zwischen dem Membranabschnitt und der unteren Elektrode abgelagert werden, wobei sich die Grenzfläche direkt unter der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin zumindest der Membranabschnitt des Zirkoniumdioxidsubstrats Aluminiumoxid in einer Menge von 1, 1 bis 2, 5 Gewichtsteilen enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die auf zumindest der Grenzfläche abgelagerten Teilchen Spinellteilchen sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Membranabschnitt des Zirkoniumdioxidsubstrats nach oben konvexe Form aufweist, die in eine Richtung vom Fenster weg ragt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das piezoelektrische/elektrostriktive Material Magnesiumoxid als eine Komponente enthält, die piezoelektrische/- elektrostriktive Eigenschaften aufweist.

6. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement, umfassend:

ein Zirkoniumdioxidsubstrat (2, 22) mit zumindest einem Fenster (6, 36) und einem Membranabschnitt (10, 26) aus einem Zirkoniumdioxidmaterial, der als einstückiger Teil des Zirkoniumdioxidsubstrats ausgebildet ist und das zumindest eine oder jedes der Fenster verschließt;

eine filmartige piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (18, 24), die eine untere Elektrode (12, 40), eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (14, 42) und eine obere Elektrode (16, 44) umfasst, die nach einem Filmbildungsverfahren in der Reihenfolge der Aufzählung an einer Außenfläche des Membranabschnitts ausgebildet sind; und

wobei der Membranabschnitt und die untere Elektrode, die direkt unter der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht eine Grenzfläche definieren, dadurch gekennzeichnet, dass Teilchen, die hauptsächlich aus einer Verbindung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen, an zumindest einer Grenzfläche in einem Anteil von 5 % oder mehr an besetzter Fläche vorliegen.

7. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 6, worin die Teilchen an der Grenzfläche in einem Anteil von 10% oder mehr an besetzter Fläche vorliegen.

8. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach Anspruch 7, worin die Teilchen an der Grenzfläche in einem Anteil von 30% oder mehr an besetzter Fläche vorliegen.

9. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, worin die Verbindung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid Spinell ist.