DE69629283T2 - Ferroelektrischer dünnlagiger monomorpher verbundsensor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Ferroelektrischer dünnlagiger monomorpher verbundsensor und verfahren zu seiner herstellung Download PDFInfo
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Description
- ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
- 1. Erfindungsgebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ferroelektrische Bauelemente und insbesondere ferroelektrische Bauelemente, die große mechanische Lastverschiebungen bereitstellen.
- 2. Beschreibung des Stands der Technik
- Zu Verfahren nach dem Stand der Technik zählen piezoelektrische „Rainbow"-Aktoren und -Sensoren, herkömmlichere piezoelektrische Aktoren und Sensoren und elektromagnetische Aktoren.
- Herkömmliche piezoelektrische Aktoren zeigen begrenzte mechanische Verschiebungen. Die Leistung herkömmlicher piezoelektrischer Bauelemente wird durch die im Grunde niedrige Konstante der piezoelektrischen Verschiebung des Materials beschränkt. Herkömmliche Bauelemente mit vernünftiger Dicke (d. h. in der Größenordnung einiger weniger Millimeter) liefern deshalb nur eine mechanische Lastbewegung im Mikrometerbereich. „Rainbow"-Aktoren, „Moonies", monomorphe und bimorphe piezoelektrische Aktoren weisen eine größere mechanische Lastbewegung auf. Jedoch liefern sogar die dünnsten keramischen Wafer, die die größte beobachtete Lastbewegung aufweisen, eine Verschiebung, die für ein 3–4 cm langes Bauelement in der z-Richtung auf eine Bewegung von etwa 1 mm begrenzt ist. Außerdem sind ¼ mm dicke keramische Bauelemente extrem spröde und brüchig, so daß sie leicht brechen und spezielle Handhabung erfordern. Zu bisherigen Verfahren zum Ausbilden von „Rainbow"-Aktoren zählt ein zusätzlicher chemischer Reduktionsprozeß, der Bleidämpfe aus dem Wafer in die Atmosphäre freisetzt.
- Aus WO 94/19834 sind ein konkav geformtes, intern asymmetrisch vorbelastetes keramisches Element und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Das keramische Element weist auf der ersten Oberfläche eine elektrisch leitende, chemisch reduzierte Schicht auf, die als eine der Elektroden des Bauelements dient. Eine zweite Elektrode kann auf der zweiten Oberfläche abgeschieden sein. Bei dem Verfahren zum Herstellen des keramischen Elements wird das Element zuerst hergestellt, und danach wird nur eine seiner Oberflächen durch Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre chemisch reduziert.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend in der Bereitstellung eines ferroelektrischen Aktors mit verbesserter mechanischer Verschiebung.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines ferroelektrischen Aktors mit verbesserter Haltbarkeit.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines ferroelektrischen Aktors mit verbesserter Bearbeitbarkeit.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines ferroelektrischen Aktors, das unter Umweltgesichtspunkten sicherer ist als bisherige Verfahren.
- Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen Aufgaben auf einfache Weise zu bewerkstelligen.
- Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus den Zeichnungen und der Spezifikation hervor, die folgen.
- KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die obigen und weitere Aufgaben erreicht, indem ein Verfahren zum Herstellen ferroelektrischer Bauelemente bereitgestellt wird. Zunächst wird eine Form für das Bauelement ausgewählt. Eine Vorbelastungsschicht wird auf der Form plaziert, und eine ferroelektrische Schicht wird auf der Vorbelastungsschicht plaziert. Diese Schichten werden durch Erwärmen und nachfolgendes Kühlen des zusammengefügten Bauelements miteinander verklebt. Die Vorbelastungsschicht kann ein Kleber sein und Verstärkungsmaterial enthalten. Die Verstärkungsschicht kann ein piezoelektrisches Material, ein piezostriktives Material oder ein Verbundmaterial sein. Die ferroelektrische Schicht enthält Oberflächenelektroden, die aufgetragen werden können, indem auf beiden Seiten der ferroelektrischen Schicht vor dem Erwärmen der Baugruppe eine Elektrodenschicht aufgenommen wird.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUGNEN
-
1 ist eine Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform vor dem Kleben der Schichten; -
2 ist eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform nach dem Kühlen der Schichten; -
3 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Herstellungsprozeß der vorliegenden Erfindung zeigt; -
6 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
7 ist eine Draufsicht, die mehrere vorbelastete Wafer zeigt, die zur Ausbildung eines größeren Wafers verbunden sind; und -
8 ist eine Seitenansicht, die drei der vorbelasteten Wafer in einer gestapelten Konfiguration zeigt. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt ein piezoelektrisches Bauelement10 gemäß der vorliegenden Erfindung vor der Verarbeitung. Das Bauelement enthält vier Schichten, eine piezoelektrische Schicht12 , eine Vorbelastungsschicht14 und zwei Elektrodenschichten18a und18b . Die piezoelektrische Schicht12 kann aus einer Scheibe aus piezoelektrischem Material bestehen, das von Aura Ceramics (Material C3900) oder Morgan Matrox im Handel erhältlich ist. Diese Schicht kann aber auch aus einem piezoelektrischen Material bestehen, das zuerst zu einem feinen Pulver gemahlen und dann zu einer Schicht konsolidiert wurde, indem das Pulver unter Druck mit einem Kleber wie etwa einem Polyimid verklebt wurde, wie in „Tough, Soluble, Aromatic, Thermoplastic Copolyimides", US-A-5,741,883, eingereicht am 16. Dezember 1994, gezeigt wird. Man beachte, daß das Klebebindemittel bei letzterem Ansatz einen sehr kleinen Anteil von in der Regel 5 Gew.-% der fertiggestellten piezoelektrischen Schicht12 ausmacht. Dieser letztere Ansatz ist deshalb attraktiv, da der erforderliche Klebevorgang einfach gleichzeitig mit anderen erforderlichen, im letzten Absatz erörterten Klebevorgängen durchgeführt werden kann. Zur Ausbildung dieser Schicht können zusätzlich zu piezoelektrischen Materialien andere ferroelektrische Materialien einschließlich piezostriktive Materialien verwendet werden. - Die Vorbelastungsschicht
14 kann aus einem mechanisch starken Kleber wie etwa Polyimid hergestellt werden. Für diese Schicht14 können auch Thermoplaste, Duroplaste und Hartlotlegierungen verwendet werden. Außerdem können mehrere Vorbelastungsschichten14 verwendet werden, damit man eine größere Vorbelastung erhält. Der Kleber wird entweder naß aufgetragen oder ist ein Dünnfilm, der auf eine Oberfläche der piezoelektrischen Schicht12 aufgeschmolzen und dann bei einer erhöhten Temperatur mit ihr verklebt wird, die von dem verwendeten Kleber abhängig ist und gestattet, daß das Material einer Härtung, einer Trocknung und/oder einem Schmelzfließen unterzogen wird. Die so ausgebildete Schicht aus Kleber ist in der Regel zwölf Mikrometer dick, doch kann die Dicke im Bereich zwischen einigen Mikrometern und mehreren Millimetern liegen. Das Verkleben der Schichten erfolgt bei einer hohen Temperatur, die von dem Kleber abhängt, aber in der Regel 200–350°C beträgt, so daß die differentiellen thermischen Kompressionsraten der Schichten den Schichten automatisch die gewünschte mechanische Vorbelastung verleihen, wie in2 gezeigt, wenn die zweischichtige Verbundmatrix auf Raumtemperatur abkühlt. Falls gewünscht kann die Vorbelastungsschicht14 aus Kleber verstärkt werden, und zwar in erster Linie damit die Höhe der Vorbelastung vergrößert werden kann, aber auch im Hinblick auf mechanische Zähigkeit und verringerte Hysterese. Dazu wird eine dünne Schicht aus verstärkendem Material16 auf (3 ) oder in (4 ) die Vorbelastungsschicht14 geschmolzen oder geklebt. Zu Beispielen für verstärkende Materialien zählen u. a. Kunststoffe, Keramiken, Metalle und Kombinationen aus diesen Materialien wie etwa Aluminiumblech und Kohlenstoffasern. Das Kleben des verstärkenden Materials16 kann gleichzeitig mit dem Kleben der piezoelektrischen Schicht auf die Vorbelastungsschicht erfolgen. - Durch die Klebeschicht kann der dünne keramische Wafer unter Verwendung herkömmlicher Schneidwerkzeuge wie etwa Scheren und Musterschneidemaschinen ohne Absplittern oder Brechen zurechtgeschnitten werden, was zurechtgeschnittene Gestalten anstatt geformte Gestalten gestattet. Dieses Verfahren ermöglicht die Verwendung von Techniken, die den Musteraufbau von dreidimensionalen Objekten aus der Konsolidierung der zweidimensionalen flachen keramischen Gestalten gestatten. Mit diesen Schichten kann man auch einen zusätzlichen Umgebungsschutz erhalten, wodurch diese Bauelemente unter rauhen Bedingungen verwendet werden können. Falls die verwendete Kleberschicht ein gutes Dielektrikum darstellt, ist die Wahrscheinlichkeit für eine interne und externe Lichtbogenbildung aufgrund der angelegten Spannung reduziert.
- Bei einer Ausführungsform enthält das piezoelektrische Bauelement
10 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Elektroden18a und18b . Die Elektroden18a und18b können von dem herkömmlicheren, durch Vakuum abgeschiedenen Metalltyp sein und vor dem Auftragen der Vorbelastungsschicht14 auf die piezoelektrische Schicht12 aufgebracht werden. Die Elektroden können aber auch eine Graphit- oder Metall-plus-Kleber-Mischung wie etwa Silberepoxidharz sein, das ein ausgezeichneter Leiter ist. Diese alternative Technik weist den Vorteil auf, daß die leitende Klebermischung auf die piezoelektrische Schicht12 aufgetragen und danach auf die piezoelektrische Schicht12 geklebt werden kann, und zwar gleichzeitig mit dem Kleben der Vorbelastungsschicht14 und der piezoelektrischen Schicht12 . Für die gewünschte Anwendung können gegebenenfalls auch mehrere oder strukturierte Elektroden verwendet werden. - Die obigen Lehren können kombiniert werden, um die Herstellung piezoelektrischer Bauelemente zu vereinfachen. Vollständige Bauelemente können hergestellt werden, indem getrennte Schichten aus verschiedenen Materialien zusammengetragen werden, wie etwa die entsprechenden Mischungen aus klebend aufgetragenem pulverförmigem piezoelektrischem Material plus Kleber für die piezoelektrische Schicht, leitendem Kleber für die Elektroden und der Kleber für sich selbst oder als Verstärkung für die Vorbelastungsschicht, gefolgt von einem einzigen Hochtemperaturklebevorgang, wie in „Tough, Soluble, Aromatic, Thermoplastic Copolyimides", US-A-5,741,883, eingereicht am 16. Dezember 1994, beschrieben.
- Während des Herstellungsprozesses sollten Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, daß die Vorbelastungsschicht des fertiggestellten piezoelektrischen Bauelements unter Zugspannung steht, wodurch das piezoelektrische Material die gewünschte Kompression erhält. Das Ausmaß der Vorbelastung in dem piezoelektrischen Material kann während der Herstellung zugeschnitten werden, um die Lastbewegung und Effizienz des fertiggestellten Bauelements zu maximieren. Die Materialschichten können auf einer gekrümmten Form ausgebildet werden.
- Eine Beschreibung, die typisch ist für die Herstellung eines vorbelasteten Bauelements
10 von Hand, wird hier geliefert und ist in5 gezeigt. Es wird eine Formoberfläche20 für den Krümmungsgrad ausgewählt, der benötigt wird, damit man die gewünschte Vorbelastung erhält. Die verstärkende Vorbelastungsschicht16 aus Aluminiumfolie wird dann auf der Formoberfläche20 plaziert. Als nächstes wird auf der verstärkenden Schicht16 die klebende Vorbelastungsschicht14 plaziert, die aus einem Polyimid besteht, wie in „Tough, Soluble, Aromatic, Thermoplastic Copolyimides", US-A-5,741,883, eingereicht am 16. Dezember 1994, beschrieben. Die Elektrodenschicht18b aus Silber wird im Vakuum auf der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Wafers12 abgeschieden (dieser Schritt ist unnötig, falls im voraus mit Elektroden versehene piezoelektrische Wafer verwendet werden). Der piezoelektrische Wafer12 wird auf der klebenden Vorbelastungsschicht14 plaziert. Schließlich wird eine Elektrodenschicht18a aus Silber gegebenenfalls im Vakuum auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Wafers12 abgeschieden. Eine Folie aus einem Hochtemperaturmaterial22 , wie etwa Kapton® (DuPont) wird über dem Stapel plaziert und mit einem Hochtemperatur-Packband24 versiegelt, damit man einem Vakuumbeutel erhält. Die Anordnung wird in einen Ofen plaziert, und die Luft in dem Kapton®-Beutel22 wird durch einen Vakuumanschluß26 evakuiert. Der Ofen wird auf 300°C erhitzt, damit der Kleber schmilzt und die Anordnung verklebt. Beim Abkühlen wird die Anordnung einer weiteren Vorbelastung unterzogen, und das sich ergebende piezoelektrische Element wird aus dem Vakuumbeutel und der Form entfernt. - Obwohl die ferroelektrischen Wafer in der Regel so gepolt sind, wie sie vom Verkäufer empfangen werden, müssen sie nach einer Wärmebehandlung in dem Vorbelastungsprozeß umgepolt werden. Diese Polung erfolgt bei einer erhöhten Temperatur mit einer Gleichspannung, die ausreicht, eine Dipolorientierung zu induzieren. Nach dem Polen wird der Wafer in Gegenwart des elektrischen Felds auf Raumtemperatur abgekühlt, um die induzierte Orientierung beizubehalten. Die bei der Polarisierung verwendete Stärke des Gleichfelds wird so ausgewählt, daß man eine optimale Polarisation erhält, ohne daß über das Feld hinausgegangen wird, bei dem der Spannungsdurchschlag bei einer gegebenen Polungstemperatur in dem Material auftritt.
- Das Ausmaß und die Art der Eingangsspannung pro Einheit der Auslenkung, der Bewegung, der Kraft und der Ausgangsspannung, des Ausgangsstroms oder der Leistungsumwandlung kann justiert werden, indem die Dicke und/oder Anzahl der Schichten der piezoelektrischen Schicht, die Anzahl der Schichten und/oder die Dicke der Vorbelastungsschicht, das Vorbelastungsmaterial, die piezoelektrische Zusammensetzung und die Krümmung und Gestalt der Formoberfläche variiert werden. Indem die Krümmung der Form variiert wird, wird die Vorbelastung variiert, die das fertig gestellte piezoelektrische Bauelement erhält. Indem die Dicke oder die Anzahl der Vorbelastungsmaterialschichten oder das verwendete Material variiert werden, können auch die Lastbewegung und mechanische Kraft variiert werden. Während der Verarbeitung bewegen sich die piezoelektrische und die Vorbelastungsschicht relativ zueinander und verkleben beim Abkühlen unter zusätzlicher Vorbelastung. Dieses Verfahren zur Herstellung von Bauelementen hat zu einer erheblichen Erhöhung der Lastbewegung von ansonsten identischen piezoelektrischen Bauelementen geführt.
- Ein zylindrischer Biegermodus kann betont werden, indem in nur einer Richtung vorbelastet wird, was dadurch geschehen kann, daß die Schichten während des Erwärmungszyklus über eine zylindrische Formoberfläche gebogen werden. Die Vorbelastungsschicht
14 , die sich unter der piezoelektrischen Schicht12 befindet, weist beim Abkühlen einen engeren Krümmungsradius auf und belastet in einer Richtung mehr, wodurch der Bieger ausgebildet wird: Diese Zylindermodus-Bieger weisen in der Regel andere Gestalten als kreisförmig auf, wie in6 gezeigt. - Eine Reihe einzelner polygonförmiger piezoelektrischer Bauelemente
28 können zu einem großflächigen Mosaik gruppiert werden, indem ihre entsprechenden Kanten wie in7 gezeigt verbunden werden. Ein nützliches Verfahren zur Kantenbefestigung ist die Verwendung einer einzigen verstärkenden Schicht, die das ganze Mosaik bedeckt. - Bestimmte Anwendungen erfordern möglicherweise eine größere mechanische Lastkraft als die, die von einem einzigen Bauelement
10 bereitgestellt werden kann. Zwei oder mehr Bauelemente10 können dann in einer effizienten Tandemanordnung verwendet werden, indem ihre kuppelartigen Gestalten in einer Konfiguration wie „gestapelte Löffel" vereinigt werden.8 zeigt drei Bauelemente in dieser gestapelten Konfiguration. Um das unbehinderte Biegen der einzelnen Bauelemente während des Betriebs zu ermöglichen, können die Bauelemente aneinander geklebt werden, wobei eine nachgiebige Schicht30 verwendet wird, wie etwa ein Elastomer, d. h. ein Silikonkautschuk, durch den sich eine Schicht relativ zu der anderen bewegen kann. Bei einem derartigen Aktorstapel bleiben die einzelnen Bauelemente10 elektrisch voneinander isoliert: Eines oder mehrere der Bauelemente10 können als ein Bewegungsrückkopplungssensor wirken. - Wenn ein Matrixverbundherstellungsverfahren verwendet wird, das gezeigt wird in „Tough, Soluble, Aromatic, Thermoplastic Copolyimides", laufende Nr. 08/359,752, eingereicht am 16. Dezember 1994, können große flexible Folien zum Einsatz in Niederfrequenzaktoranwendungen (d. h. rauschunterdrückenden Bauelementen oder Lautsprechern) hergestellt werden. Erreicht werden kann dies durch die Verwendung großer flacher Formen für die Konsolidierung oder durch einen kontinuierlichen Walzprozeß. Formteile können aneinander geklebt werden, indem sie erwärmt werden, um den Bindemittelkleber zu erweichen und/oder zu härten, während sie zusammengepreßt werden.
- Durch das vorliegende Verfahren hergestellte ferroelektrische Bauelemente können in Pumpen, Ventilen, Bremsen, Motoren, Sensoren, Aktoren, Optiken, Schallwandlern und aktiven Strukturen verwendet werden.
- Für den Fachmann ergeben sich viele Verbesserungen, Modifikationen und Additionen, ohne daß er vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abweicht, wie er hier beschrieben und in den nachfolgenden Ansprüchen definiert wird.
Claims (12)
- Verfahren zum Herstellen ferroelektrischer Bauelemente (
10 ), umfassend: Auswählen einer Form für das Bauelement (10 ); Plazieren einer Vorbelastungsschicht (14 ) auf der Form; Plazieren einer ferroelektrischen Schicht (12 ) auf der Vorbelastungsschicht (14 ), um eine Schichtstruktur herzustellen; Erwärmen der Vorbelastungsschicht und der ferroelektrischen Schicht (14 ,12 ); und Kühlen der Vorbelastungsschicht und der ferroelektrischen Schicht (14 ,12 ), wobei die Schritte des Erwärmens und Kühlens in der Schichtstruktur eine Vorbelastung induzieren. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsschicht (
14 ) Verstärkungsmaterial enthält. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht (
12 ) Oberflächenelektroden (18 ) enthält. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin folgendes umfaßt: Plazieren einer ersten Elektrodenschicht (
18b ) zwischen der Vorbelastungsschicht (14 ) und der ferroelektrischen Schicht (12 ); und Plazieren einer zweiten Elektrodenschicht (18a ) auf der ferroelektrischen Schicht (12 ). - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsschicht (
14 ) ein Kleber ist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht (
12 ) ein piezoelektrisches Material, ein piezostriktives Material oder ein Verbundmaterial ist. - Ferroelektrisches Bauelement (
10 ), das durch den Prozeß nach Anspruch 1 erhalten werden kann, mit einer vorbelasteten Schichtstruktur, die aus einer Vorbelastungsschicht (14 ) und einer auf der Vorbelastungsschicht (14 ) plazierten ferroelektrischen Schicht (12 ) besteht. - Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsschicht (
14 ) Verstärkungsmaterial enthält. - Bauelement nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht (
12 ) Oberflächenelektroden (18 ) enthält. - Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin folgendes umfaßt: eine zwischen der Vorbelastungsschicht (
14 ) und der ferroelektrischen Schicht (12 ) plazierte Elektrodenschicht (18b ); und eine auf der ferroelektrischen Schicht (12 ) plazierte Elektrodenschicht (18a ). - Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastungsschicht (
14 ) ein Kleber ist. - Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht (
12 ) ein piezoelektrisches Material, ein piezostriktives Material oder ein Verbundmaterial ist.
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