DE69825512T2 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit funktioneller Schicht - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements und ein Funktionsschichtelement selbst und insbesondere ein Funktionsschichtelement, das in einem Fluidsensor, einem Temperatursensor, einer Fluidpumpe, einem Lautsprecher, einem Aktuator, einem Wandler oder dergleichen geeignet eingesetzt wird.
  • In den vergangenen Jahren war ein Funktionsschichtelement bekannt, das eine Energieumwandlungsfunktion einer Funktionsschicht verwendete, in der ein Hohlraum in einem Substrat gebildet und ein Funktionsschichtaktuator auf der Außenfläche des Hohlraums angebracht ist, der Veränderungen physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur, die im Hohlraum auftreten, abtastet und ein elektrisches Signal gemäß der Veränderungen der physikalischen Größen abgibt. Ein Funktionsschichtelement, das solche Eigenschaften verwendet, um die Veränderung verschiedener physikalischer Größen in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wird im Allgemeinen Funktionsschichtsensor oder Funktionsfilter genannt.
  • Wird ein elektrisches Signal (Spannung oder Strom) an solch ein Funktionsschichtelement angelegt, so erzeugt der Funktionsschichtaktuator im Gegensatz zu obigen Elementen gemäß der angelegten Spannung oder dem angelegten Strom mechanische Beanspruchung wie Expansion oder Kontraktion, Biegen oder Vibration im Hohlraum oder erzeugt Hitze, sodass er als Heizelement oder dergleichen zum Heizen des Inneren des Hohlraums agiert.
  • 4 zeigt ein Strukturbeispiel eines herkömmlichen Funktionsschichtelements 14 oder eines Sensors. Ein Funktionsschichtelement 14 wird durch Bereitstellen von Durchgangslöchern 2 und 3, um die zu messende äußere Umgebung (Atmosphäre) einzufangen, durch Bilden eines Hohlraums 1 in einem Keramiksubstrat 9, der einen Messbereich darstellt, und durch einstückiges Ausbilden eines Funktionsschichtak tuators 13 auf einer Abdeckplatte 6 für die Außenwand, die gegenüber den Durchgangslöchern 2 und 3 im Hohlraum 1 angebracht ist, aufgebaut. Hierbei wird das Keramiksubstrat 9 einstückig durch Laminieren der Abdeckplatte 6 und einer Durchgangslochplatte 8 gebildet, die die Durchgangslöcher 2 und 3 aufweist, die den Weg in den Hohlraum 1 freigeben, wobei jede der Platten eine sehr dünne Platte mit einer Fensterabstandshalterplatte 7 dazwischen ist. Die Durchgangslöcher sind nicht auf die Durchgangslöcher 2 und 3 beschränkt, sondern ein Durchgangsloch 4 oder andere Durchgangslöcher sind je nach Absicht, die Anzahl der Kontaktpunkte mit der äußeren Umgebung zu erhöhen, bereitgestellt.
  • Die Fensterabstandshalterplatte 7 ist so mit einem Fenster 5 ausgebildet, dass drei Durchgangslöcher 2, 3 und 4, bereitgestellt in der Durchgangslochplatte 8, in Längsausdehnung vom Fenster 5 gebildet sind, sodass diese Löcher in Richtung von Fenster 5 geöffnet sind. Darüber hinaus ist eine sehr dünne Abdeckplatte 6 auf der Oberfläche gegenüber der Seite, auf der die Durchgangslochplatte 8 der Fensterabstandshalterplatte 7 auflaminiert ist, auflaminiert, um das Fenster 5 abzudecken und zu schließen, wodurch der Hohlraum 1 innerhalb des Keramiksubstrats 9 entsteht.
  • Anschließend wird das Keramiksubstrat 9 mit dem Funktionsschichtaktuator 13 auf der Außenfläche der Abdeckplatte 6 an einer Stelle versehen, die dem Hohlraum 1 entspricht. Hierbei besteht der Funktionsschichtaktuator 13 aus einer unteren Elektrode 12, einer Funktionsschicht 11 und einer oberen Elektrode 10.
  • Das herkömmliche Funktionselement 14 wird wie zuvor beschrieben angebracht, wobei bei Betrachten des Hohlraums 1 und der Durchgangslöcher 2, 3 und 4 in einer Draufsicht der Hohlraum 1 die Durchgangslöcher 2, 3 und 4, wie in 5 gezeigt, überlappt. Eine ähnliche Struktur wird in der EP-A-572.230 gezeigt. Andererseits wurde in einem jüngst vorgelegten Vorschlag, wie es in der Draufsicht in 2 ersichtlich ist, die eine Lagebeziehung zwischen einem Fenster 29 und den Durchgangslöchern 22, 23 und 24 darstellt, eine Form eingesetzt, in der die Durchgangslöcher, beispielsweise 22 und 23, die von jenen im Keramiksubstrat gebildeten ausge wählt wurden, in einen Hohlraum 21 der Länge nach verlängert sind (Fenster 29), um die Genauigkeit der Detektion des Funktionsschichtelements zu erhöhen.
  • Bei der tatsächlichen Herstellung eines Funktionsschichtelements jedoch, worin die Durchgangslöcher 22 und 23 vom äußeren Ende des Hohlraums 21 nach außen hin verlängert sind (Fenster 29), verhindern die Durchgangslöcher 22 und 23, die in einer Fensterabstandshalterplatte 26 und einer Durchgangslochplatte 27 bereitgestellt sind, die Übertragung von Druck durch jede einzelne Grünplatte im Laminierabschnitt, wenn diese Grünkeramikplatten laminiert und unter Druck vereint werden, wodurch das Anbringen von ausreichendem Pressdruck erschwert wird und somit keine ausreichende Haftung erlangt werden kann. Folglich tritt das Problem auf, dass eine Abdeckplatte 25 und eine Fensterabstandshalterplatte 26 in einem Kontaktabschnitt zwischen ihnen getrennt werden, was dazu führt, dass das Fenster 21 nach dem Brennen, wie es in 3 ersichtlich ist, eine Lücke 41 hervorbringt.
  • Das Auftreten einer solchen Lücke 41 ist von Nachteil, da, wenn das Funktionsschichtelement als Druckmesssensor eingesetzt wird, beispielsweise Luft im Hohlraum zurückbleibt, wenn das auf Druck zu messende Fluid in den Hohlraum gefüllt werden soll, um für einen Messfehler beim Druck zu sorgen. Darüber hinaus verursacht die Luft auch eine Messverzögerung, die exakt der Temperaturänderung des Fluids entspricht, wenn das Element als Temperatursensor eingesetzt wird, insbesondere zur Temperaturmessung von Fluiden wie Flüssigkeiten, da die in der Lücke verbleibende Luft häufig Wärmekapazität aufweist, die sich von jener der Flüssigkeit unterscheidet. Weiters wird eine Abdeckplatte 25 aufgrund von Vibration des Funktionsschichtelements mechanisch beansprucht, wenn das Element als Lautsprecher eingesetzt wird, was zur Abtrennung der Abdeckplatte 25 oder dergleichen und so zur Beschädigung des Lautsprechers führt, wobei die Bruchlinie an der Lücke 41 ansetzt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der zuvor beschriebenen Probleme entwickelt, und Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements bereitzustellen, in dem Durchgangslöcher voneinem Hohlraum nach außen hin verlängert sind, worin keine Lücke zwischen einer Abdeckplatte und einer Fensterabstandshalterplatte entsteht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements, wie in Anspruch 1 festgelegt, bereitgestellt.
  • Die Erfindung stellt ebenfalls Keramikfunktionsschichtelemente nach Anspruch 4 bereit.
  • Im Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements wird das Durchgangsloch vorzugsweise mit einer Breite von 300 μm oder weniger in seiner Nebenachsenrichtung in der Grünplatte für die Durchgangslochplatte gebildet. Das Durchgangsloch weist vorzugsweise die Form eines länglichen Kreises auf oder ist oval oder rechteckig.
  • Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Entstehung einer Lücke an einer Grenzfläche zwischen der Abdeckplatte und der Fensterabstandshalterplatte während der Herstellung des Keramiksubstrats des Funktionsschichtelements verhindert, wodurch ein Funktionsschichtelement bereitgestellt wird, das über ausgezeichnete Detektionsgenauigkeit und mechanische Eigenschaften verfügt.
  • Funktionsschicht bezeichnet hierin spezifisch eine dielektrische Schicht, eine thermoelektrische Elementschicht, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht, eine Varistorschicht oder eine Schicht, die nur aus Elektroden besteht.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Funktionsschichtelements.
  • 2 ist eine Draufsicht, die die Lagebeziehung zwischen den kommunizierenden Löchern und einem Hohlraum eines erfindungsgemäßen Funktionsschichtelements darstellt.
  • 3 ist ein Querschnitt, der zeigt, wie eine Lücke entsteht, wobei solch eine Lücke das durch diese Erfindung zu lösende Problem darstellt.
  • 4 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen Funktionsschichtelements.
  • 5 ist eine Draufsicht, die die Lagebeziehung zwischen den kommunizierenden Löchern und einem Hohlraum eines herkömmlichen Funktionsschichtelements darstellt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail beschrieben.
  • 1 ist ein Querschnitt, der eine Ausführungsform eines Funktionsschichtelements 34 zeigt, das durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Das Funktionsschichtelement 34 umfasst ein Keramiksubstrat 28 und einen Funktionsschichtaktuator 33, der einstückig auf dem Keramiksubstrat 28 gebildet wird. Das Keramiksubstrat 28 wird durch einstückiges Laminieren einer Abdeckplatte 25 und einer Durchgangslochplatte 27, die mit Durchgangslöchern 22, 23 und 24 mit einer Fensterabstandshalterplatte 26 zwischen ihnen gebildet wird, aufgebaut, wobei jede dieser Platten eine sehr dünne Platte ist.
  • Die Fensterabstandshalterplatte 26 wird mit zumindest einem Fenster 29 ausgebildet. Die Fensterabstandshalterplatte 26 wird auf die Durchgangslochplatte 27 so auflaminiert, dass die Durchgangslöcher 22 und 23, die in der Durchgangslochplatte 27 gebildet werden, diese Fenster 29 in der Fensterabstandshalterplatte 26 teilweise überlappen und sich in Richtung dieser Fenster öffnen und dass das Durchgangsloch 24 zur Gänze mit dem Fenster 29 kommuniziert. Daher kann die Lagebeziehung zwischen dem Fenster 29 und den Durchgangslöchern 22, 23 und 24 in einer mit 2 deckungsgleichen Draufsicht gezeigt werden. Darüber hinaus wird die Abdeckplatte 25 an der Oberfläche gegenüber der Seite angeordnet, an der der Fensterabstandshalter 26 und die Durchgangslochplatte 27 auflaminiert werden, um eine Öffnung des Fensters 29 mit der Abdeckplatte 25 abzudecken und zu verschließen, wodurch der Hohlraum 21 innerhalb des Keramiksubstrats 28 gebildet wird.
  • Bei der Herstellung solch eines Funktionsschichtelements 34 wird das t/w-Verhältnis der Dicke t einer Grünplatte für die Fensterabstandshalterplatte 26 zur Breite w der beiden Durchgangslöcher 22 und 23, die auf der Grünplatte für die Durchgangslochplatte 27 in Richtung ihrer Nebenachse gebildet werden (wie in 2 gezeigt), vorzugsweise auf eins oder mehr eingestellt, und eine Breite w für jedes der beiden Durchgangslöcher 22 und 23 wird insbesondere auf 300 μm oder weniger eingestellt. Werden die Grünplatten unter Druck auflaminiert und vereinigt, so unterdrücken diese Bedingungen das Verhindern der Druckübertragung in Laminierrichtung der Grünplatte, die durch die Fensterabstandshalterplatte 26 und die in der Durchgangslochplatte 27 gebildeten Durchgangslöcher 22 und 23 entsteht, wodurch keine Lücke 41 durch Abblättern im Kontaktabschnitt gegenüber dem Hohlraum 21 zwischen der Abdeckplatte 25 und der Fensterabstandshalterplatte 26 nach dem Brennen entsteht. Übersteigt jedoch die Breite w der beiden Durchgangslöcher 22 und 23 in der Nebenachsenrichtung 300 μm, so kann die Vereinigung durch Laminieren der Grünplatten in gewissen Abschnitten zwischen der Abdeckplatte 25 und der Fensterabstandshalterplatte 26 nur schwer aufrechterhalten werden, sodass das System zur Bildung der Lücken 41 neigt, sogar, wenn der t/w-Wert innerhalb der Grenze von eins oder mehr festgelegt ist.
  • Daher weisen in der vorliegenden Erfindung die Durchgangslöcher 22 und 23 vorzugsweise einen länglichen Kreis in der Draufsicht, wie in 2 gezeigt, oder eine rechteckige oder ovale Form auf, da die Breite in Nebenachsenrichtung begrenzt ist. Darüber hinaus kann das Loch eine Form aufweisen, die an ihren Enden in der Hauptachsenrichtung verändert wird, um eine polygonale Form aufzuweisen, oder es kann auch die Form eines in eine Richtung verlängerten Polygons haben. Wenn auch die Bedingungen zum Bilden des Durchgangsloches 24 vorzugsweise jenen der Durchgangslöcher 22 und 23 entsprechen, muss das Durchgangsloch 24 nicht zur Gänze mit dem Hohlraum 21, wie in 1 gezeigt, kommunizieren und kann auch in derselben Weise wie die Durchgangslöcher 22 und 23 gebildet werden. Weiters ist die Grundrissform des Hohlraums 21 nicht auf die Form eines länglichen Kreises, wie in 2 gezeigt, beschränkt, sondern kann verschiedene Formen annehmen.
  • In der vorliegenden Erfindung wird das zuvor beschriebene Keramiksubstrat 28 als ein einstückig gesinterter Keramikgegenstand gebildet. Besonders wird eine Grünplatte aus aus Keramikmaterial hergestelltem Keramikschlicker, Bindemittel und Lösungsmittel mittels einer herkömmlichen Vorrichtung wie eines Streichmessers oder einer Kalanderrolle geformt. Anschließend wird die Grünplatte durch Schneiden, Schleifen oder Stanzen, sofern erforderlich, verarbeitet, um Vorläufer für die jeweiligen Platten herzustellen, die mit dem Fenster 29 und den Durchgangslöchern 22, 23 und 24 gebildet werden. Diese Vorläufer werden auflaminiert, unter Druck (und gleichzeitigem Erhitzen, sofern erforderlich) vereinigt und gesintert, sodass ein vereinigtes Keramiksubstrat 28 erzeugt wird. Materialien, die zur Zusammensetzung des Keramiksubstrats 28 eingesetzt werden, umfassen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Formbarkeit vorzugsweise Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, sind jedoch nicht speziell eingeschränkt. Es wird ebenfalls bevorzugt, dass die hergestellten Grünplatten im Wesentlichen ein gleiches Schrumpfungsverhältnis beim Brennen aufweisen. Dies begründet sich darauf, dass das Keramiksubstrat 28 eine Trennung der Platten oder Verformung beim Brennen erfahren muss, wenn das Schrumpfungsverhältnis beim Brennen von einer Grünplatte zur anderen signifikante Unterschiede aufweist.
  • Anschließend wird das Keramiksubstrat 28 mit einer Funktionsschicht 31 eines Funktionsschichtaktuators 33 an der Außenfläche der Abdeckplatte 25 ausgestattet, um einen Teil der Grundrissform des Hohlraums 21 abzudecken. Hierbei umfasst der Funktionsschichtaktuator 33 eine untere Elektrode 32, die Funktionsschicht 31 und eine obere Elektrode 30. Diese Teile können gewöhnlicherweise mittels unterschiedlicher, herkömmlicher Schichtbildungsverfahren wie Bildungsverfahren für dicke Schichten, umfassend Siebdruck, Spritzen oder Schlämmbeschichten, oder Bildungsverfahren für dünne Schichten, umfassend Ionenstrahl-, Sputter- oder chemische Dampfphasenabscheidung (CVD-Beschichtungsverfahren) gebildet werden.
  • Jede Schicht des so gebildeten Funktionsschichtaktuators 33 (untere Elektrode 32, Funktionsschicht 31 und obere Elektrode 30) wird anschließend einer Wärmebehandlung (Brennen) unterzogen. Solche eine Wärmebehandlung kann jedes Mal nach Bildung einer Schicht oder nachdem alle Schichten gebildet wurden durchgeführt werden. Bei aufeinander folgendem Brennen jedoch wird bevorzugt, dass die Wärmebehandlungstemperatur bei späteren Verfahrensschritten gleich hoch oder niedriger als jene bei früheren Verfahrensschritten ist. Dies begründet sich darauf, dass die in früheren Verfahrensschritten gebrannte Schicht auch in späteren Verfahrensschritten gesintert wird, wenn die Behandlungstemperatur bei diesen späteren Verfahrensschritten höher als jene in früheren Verfahrensschritten ist, was zu möglichem Abblättern oder Aggregation aufgrund von übermäßigem Sintern führen kann.
  • Materialien für die untere und obere Elektrode 32 und 30, die den Funktionsschichtaktuator 33 bilden, sind keineswegs auf bestimmte Materialien beschränkt, solange sie Leiter sind, die Temperatur und Atmosphäre bei der Bildung der jeweiligen Schicht standhalten können. Im Allgemeinen werden Metalle, Legierungen oder leitfähige Keramiken eingesetzt. Besonders bevorzugte Materialien sind Edelmetalle mit hohen Schmelzpunkten, umfassend Platin, Gold, Palladium und Legierungen aus Silber und Palladium.
  • Weiters können je nach Anwendungsbereich unterschiedliche funktionelle Keramiken, funktionelle Polymere oder Metallmaterialien als Materialien für die den Funktionsschichtaktuator 33 bildende Funktionsschicht 31 eingesetzt werden. Vorzugsweise eingesetzte Materialien sind beispielsweise intermetallische Verbindungen vom Eisen- (Fe-) Silicium- (Si-) Typ oder dergleichen für das thermoelektrische Element, Zinkoxid (ZnO) oder dergleichen für das Varistorelement oder Bleizirkoniumsäuretitanat (PZT) oder Bleimagnesiumniobat (PMN) oder Bleinickelniobat (PNN) für jene Materialien, die eine durch ein elektrisches Feld induzierte Verzerrung, wie beispielsweise einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekt, aufweisen.
  • Das so hergestellte Funktionsschichtelement 34 kann mit nur einer Elektrodenschicht an der Deckplatte 25 ausgestattet werden. In solch einem Fall kann das die Abdeckplatte 25 umfassende Keramiksubstrat 28 aus verschiedenen funktionellen Materialien, die für die Funktionsschicht 31 eingesetzt werden, hergestellt werden.
  • Darüber hinaus beläuft sich die Dicke des Funktionsfilmaktuators 33 typischerweise auf 100 μm oder weniger, die Dicke der unteren und oberen Elektrode 32 und 30 typischerweise auf 20 μm oder weniger, vorzugsweise auf 5 μm oder weniger, und die Dicke der Funktionsschicht 31 auf vorzugsweise 50 μm oder weniger, noch bevorzugter auf 3 μm oder mehr, jedoch auf 40 μm oder weniger, um ein höheres Potential bei geringer Arbeitsspannung zu erreichen.
  • Wie zuvor beschrieben ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung eines Funktionschichtelements mit einem Fluidkanal mit Durchgangslöchern, die von einem Hohlraum aus verlängert sind, ohne jedoch eine Lücke zu erzeugen, wobei ein Funktionsschichtelement mit höherer Detektionsgenauigkeit als nach dem Stand der Technik bekannt bereitgestellt werden kann.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements, das die folgenden Schritte umfasst: das Anordnen einer Abdeckplatte (25) auf einer Seite einer Fensterabstandshalterplatte (26), die mit zumindest einem Fenster (29) ausgestattet ist, um das Fenster (29) zu bedecken und zu schließen; das Anordnen einer Durchgangslochplatte (27) mit Durchgangslöchern (22, 23) auf der anderen Seite der Fensterabstandshalterplatte (26), so dass die Durchgangslöcher mit dem Fenster (29) kommunizieren, und die Durchgangslöcher (22, 23) vom Fenster nach außen hin verlängert sind, so dass sie das Fenster nur teilweise überlappen; das Laminieren und einstückige Brennen einer grünen Platte aus jeder der Platten (25, 26, 27) auf eine solche Art und Weise, dass das Verhältnis t/w der Dicke t der Fensterabstandshalterplatte (26) zur Breite w jedes der Durchgangslöcher (22, 23) in ihrer Nebenachsenrichtung eins oder mehr ist, um ein Keramiksubstrat mit einem Hohlraum auszubilden, in dem die Durchgangslöcher (22, 23) mit dem Fenster (29) kommunizieren; und das Ausbilden einer Funktionsschicht (33) auf der Außenfläche der Abdeckplatte (25).
  2. Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements nach Anspruch 1, worin jedes der Durchgangslöcher (22, 23) in der Richtung seiner Nebenachse eine Breite von 300 μm oder weniger aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Funktionsschichtelements nach Anspruch 1 oder 2, worin jedes der Durchgangslöcher (22, 23), das in der Durchgangslochplatte (27) bereitgestellt ist, die Gestalt eines länglichen Kreises aufweist oder oval oder rechteckig ist.
  4. Keramikfunktionsschicht-Energieumwandlungselement, mit einer Fensterabstandshalterplatte (26), die mit zumindest einem Fenster (29) bereitgestellt ist; einer Abdeckplatte (25), die auf eine Seite der Fensterabdeckplatte (26) laminiert ist, um das Fenster (29) abzudecken und zu verschließen; einer Durchgangslochplatte (27), die auf die andere Seite der Fensterabstandshalterplatte (26) laminiert ist und Durchgangslöcher (22, 23) aufweist, die mit dem Fenster (29) kommunizieren; und einer Funktionsschicht (33) auf der Oberfläche der Abdeckplatte (25), die vom Fenster (29) weggerichtet sind; worin die Abdeckplatte (27), die Fensterabstandshalterplatte (26) und die Durchgangslochplatte (27) eine Keramikstruktur sind, die durch einstückiges Brennen der jeweiligen grünen Platten vereinigt worden sind; und worin die Durchgangslöcher (22, 23) länglich sind und eine Hauptachsenrichtung aufweisen, die in Richtung ihrer Längsausdehnung verläuft, und eine Nebenachsenrichtung quer dazu, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher (22, 23) das Fenster nur teilweise überlappen und das Verhältnis t/w der Dicke t der Fensterabstandhalterplatte (26) zur Breite w jedes der Durchgangslöcher (22, 23) eins oder mehr ist.
  5. Element nach Anspruch 4, worin jedes der Durchgangslöcher in seiner Nebenachsenrichtung eine Breite von 300 μm oder weniger aufweist.
  6. Element nach Anspruch 4 oder 5, worin jedes der Durchgangslöcher die Gestalt eines länglichen Kreises aufweist oder oval oder rechteckig ist.
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