EP1537611A1 - Keramischer körper mit einer homogenen keramikschicht und verfahren zum herstellen des keramischen körpers - Google Patents

Keramischer körper mit einer homogenen keramikschicht und verfahren zum herstellen des keramischen körpers

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EP1537611A1
EP1537611A1 EP03750280A EP03750280A EP1537611A1 EP 1537611 A1 EP1537611 A1 EP 1537611A1 EP 03750280 A EP03750280 A EP 03750280A EP 03750280 A EP03750280 A EP 03750280A EP 1537611 A1 EP1537611 A1 EP 1537611A1
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EP
European Patent Office
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ceramic
layer
homogeneous
layers
ceramic layer
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Withdrawn
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EP03750280A
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Karl Lubitz
Carsten Schuh
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • Y10T428/24926—Discontinuous or differential coating, impregnation or bond [e.g., artwork, printing, retouched photograph, etc.] including ceramic, glass, porcelain or quartz layer

Definitions

  • the invention relates to a ceramic body with at least one essentially homogeneous ceramic layer.
  • a method for producing the ceramic body is also specified.
  • a ceramic body of the type mentioned and a method for its production are known from US Pat. No. 6,260,248 B1.
  • the ceramic body is a multi-layer piezo actuator.
  • the piezo actuator consists of a large number of ceramic layers arranged one above the other with a ceramic material made of doped lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) 0 3 .
  • the ceramic green foils consist of a green ceramic.
  • the green ceramic is a not yet compacted ceramic and consists of powdered lead zirconate titanate and an organic binder.
  • a layer thickness of the green sheet is, for example, 100 ⁇ m.
  • the stack of printed green foils is consolidated.
  • the stack is laminated and then subjected to a heat treatment.
  • the heat treatment includes debinding of the ceramic green sheets and subsequent sintering.
  • the piezo actuator results in a multilayer construction, the individual ceramic layers being essentially homogeneous.
  • the entire piezo actuator is inhomogeneous.
  • the internal electrodes made of the silver-palladium alloy are arranged in the volume of the piezo actuator.
  • the individual phases each form a chemical and physical unit. Both phases are not homogeneously distributed over the entire piezo actuator.
  • the object of the present invention is to show how an essentially homogeneous ceramic body can be provided.
  • a ceramic body with at least one essentially homogeneous ceramic layer is specified.
  • the ceramic body is characterized in that the ceramic layer has a multiplicity of homogeneous ceramic partial layers arranged one above the other.
  • a method for producing the ceramic body is also specified to achieve the object.
  • the process is characterized by the following process steps: a) Arranging the homogeneous ceramic partial layers one above the other a stack and b) solidifying the stack, the ceramic body being formed with the ceramic layer.
  • the basic idea is to build up the ceramic body or a ceramic layer of the ceramic body from a multiplicity of homogeneous ceramic partial layers and thus to obtain a ceramic body with a homogeneous ceramic layer.
  • the ceramic partial layers can have the same or different partial layer thicknesses.
  • a homogeneous ceramic sublayer consists of a single phase.
  • the phase is formed, for example, from a single ceramic material, the composition of which is independent of location. This means that there is no crack and also almost no gradient in the composition of the ceramic material in the ceramic partial layer. It is also conceivable that there are several phases.
  • the ceramic layer consists of various ceramic materials. The ceramic materials are ' evenly distributed over the entire. There is no concentration of any of the ceramic materials. Ceramic and non-ceramic phases can also be present. This non-ceramic phase is, for example, an organic binder of a green ceramic.
  • the homogeneous ceramic layer is characterized, for example, by a uniform structure. This leads to an improvement in certain properties of the ceramic body compared to a ceramic body with an inhomogeneous ceramic layer.
  • the ceramic body is a piezoelectric transformer. A small number of pores, inclusions, foreign phases or other defects in the ceramic layer leads to a relatively high piezo activity in the piezoelectric transformer, for example.
  • a homogeneous polarity state is realized, which leads to a uniform mechanical load during operation of the transformer. The result is a long service life and high reliability of the transformer.
  • the ceramic sublayer has a ceramic material selected from the group of green ceramics and / or sintered ceramics.
  • Sintered ceramic is an at least partially compacted ceramic.
  • Green ceramic is a ceramic that has not yet been compacted.
  • the ceramic body can be present as a sintered ceramic body or as a green part (non-sintered ceramic body).
  • a sintered ceramic body is produced from the ceramic body in the form of a green part.
  • ceramic green foils with a green ceramic are used as homogeneous ceramic part layers for producing the ceramic body in the form of a green part.
  • These ceramic green films consist, for example, of powdered ceramic material and an organic binder.
  • the green foils consist of homogeneously distributed ceramic and non-ceramic material. Standard processes such as slip casting or film casting are used to produce the ceramic green films.
  • the powdered ceramic material consists, for example, of calcined ceramic.
  • At least one of the ceramic partial layers has a partial layer thickness selected from the range from 5 ⁇ m up to and including 250 ⁇ m.
  • the ceramic partial layers in the form of ceramic green foils have very fine powdered ceramic materials with the specified partial layer thicknesses. These very fine powdered ceramic materials lead to an improved chemical homogeneity of the green sheet, a higher sintering activity and thus to a compaction of the ceramic materials that takes place at lower temperatures.
  • the sintering temperature is relatively low.
  • a grain size distribution (microstructure) within a ceramic partial layer made of a ceramic green sheet is uniform.
  • the ceramic layer consisting of the ceramic partial layers is also characterized by this uniform grain size distribution.
  • the consolidation of the stack includes, in particular, a heat treatment of the stack.
  • the heat treatment is, for example, a debinding of the green ceramic.
  • the heat treatment includes sintering the stack.
  • At least one electrode layer is arranged on at least one surface section of the ceramic layer. At least one further electrode layer is preferably arranged on at least one further surface section of the ceramic layer in such a way that the electrode layers lie opposite one another and the ceramic layer is arranged between the electrode layers.
  • a ceramic body is, for example, a capacitor.
  • At least one of the electrode layers is arranged between the ceramic layer and at least one further ceramic layer.
  • the ceramic layer is essentially covered by the further ceramic layer.
  • the electrode layer is buried by the further ceramic layer.
  • the further ceramic layer is designed, for example, in such a way that an electrical and / or mechanical property of the component is not influenced or is influenced only slightly. Performance data of the component are retained.
  • the further ceramic layer is very thin, for example.
  • the further ceramic layer can also act as a so-called buffer layer. This is advantageous, for example, when the ceramic body is used in an atmosphere that is reactive with the electrode material of the electrode layer. For example, the ceramic body is used in an environment with high humidity.
  • the additional ceramic layer during sintering is inert to the ceramic material of the ceramic layer and partial ceramic layers and to a sintering environment.
  • the electrode layers are guided to separate, lateral surface sections of the ceramic body.
  • an outer metallization is applied to the surface sections.
  • the outer metallizations are applied, for example, using thick-film technology or by sputtering.
  • an electrical plated-through hole can be provided in the further ceramic layer covering the electrode layer for electrical contacting.
  • the . Electrical through-contacting is a through hole (hole) filled with electrically conductive material in the further ceramic layer. It is also conceivable that the additional ceramic layer does not completely, but only partially cover the electrode layer underneath. This leaves a freely accessible contact area of the electrode layer.
  • the ceramic material is, for example, a perovskite.
  • the ceramic material is a piezoceramic.
  • the piezoceramic is preferably a lead zirconate titanate.
  • the invention is distinguished by the following particular advantages: by using thin ceramic green foils with the powdered ceramic material, the sintering temperature can be reduced below 1,300 ° C. This has the advantage that certain components of the lead zirconate titanate, such as lead oxide (PbO) or manganese oxide (MnO), which are volatile during the sintering, do not evaporate to the same extent as with comparable block sintering at higher sintering temperatures would occur.
  • PbO lead oxide
  • MnO manganese oxide
  • a harmful reaction with a sintering aid occurs only to a small extent at lower sintering temperatures.
  • a surface layer of the ceramic body or the ceramic layer that is in contact with the sintering agent during sintering remains largely homogeneous. The surface layer is not destroyed to a depth of 1 mm to 3 mm, as is customary in block sintering at elevated temperatures. After the ceramic body has been produced, the surface layer does not have to be removed by grinding, sawing or the like.
  • Figure 1 shows a section of an embodiment of the ceramic body in the form of a transformer.
  • Figure 2 shows a section of an embodiment of the ceramic body in the form of a bending transducer.
  • Figures 3A to 3C show various electrical
  • each of the partial ceramic layers 3 has a "partial layer thickness of 4 microns of about 20 microns. 20 such ceramic partial layers are arranged one above the other.
  • the piezoelectric transformer 11 has a homogeneous ceramic layer 2 with a total layer thickness 5 of approximately 500 ⁇ m.
  • the ceramic body 1 is a piezoelectric bending transducer 12 (FIG. 2).
  • the homogeneous ceramic layer of the bending transducer consists of five homogeneous ceramic partial layers with partial layer thicknesses of approximately 20 ⁇ m.
  • the electrode layers 8 and 10 are guided to an edge of the homogeneous ceramic layer 2 and thus to a lateral surface section 17 of the piezoceramic bending transducer 12.
  • the electrode layers 8 and 10 are each covered over a large area by a further ceramic layer 13.
  • the layer thickness of the further ceramic layers 13 is approximately 10 ⁇ m.
  • the electrode layers 8 and 10 are buried under the further ceramic layers 13.
  • the piezoelectric bending transducer 12 can also be used in a moist environment which is reactive towards the electrode material of the electrode layers 8 and 10 and has a high long-term stability.
  • the electrode layers 8 and 10 corresponding to the electrode layers 8 and 10 of the transformer 11 of the first exemplary embodiment are not covered by further electrode layers and are freely accessible (cf. FIG. 1).
  • the piezoelectric transformer or the piezoelectric bending transducer To manufacture the piezoelectric transformer or the piezoelectric bending transducer, homogeneous ceramic partial layers in the form of ceramic green foils with a green ceramic are used as the starting point.
  • the ceramic green foils are arranged one above the other to form a stack (18, FIG. 4).
  • a die is used to enable the ceramic green foils to be stacked exactly one on top of the other.
  • the stack is subsequently solidified (19, FIG. 4). This is done by uniaxially pressing the stack (laminating). In an alternative embodiment, the solidification takes place by applying isostatic pressure.
  • the stack After the lamination, the stack is subjected to a heat treatment.
  • the heat treatment includes debinding and subsequent sintering.

Landscapes

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen keramischen Körper (1) mit mindestens einer im Wesentlichen homogenen Keramikschicht (2). Die homogene Keramikschicht (2) weist eine Vielzahl von übereinander angeordneten homogenen Keramikteilschichten (4) auf. Zum Herstellen des keramischen Körpers werden beispielweise homogene Keramikteilschichten in Form von keramischen Grünfolien übereinander gestapelt, entbindert und gesintert. Der keramische Körper kann im Vergleich zu einem üblichen Blocksintern bei einer niedrigeren Sintertemperatur verdichtet werden. Die Keramikschicht des keramischen Körpers weist darüber hinaus eine geringe Anzahl an Poren, Einschlüssen, Fremdphasen und anderen Defekten auf und verfügt über eine hohe Homogenität. Der keramische Körper ist insbesondere ein piezoelektrischer Biegewandler (12) oder ein piezoelektrischer Transformator (11). Vorteilhaft weisen der Biegewandler oder der Transformator zur elektrischen Ansteuerung Elektroden (8) auf, die unter einer weiteren Keramikschicht (13) vergraben sind. Die weitere Keramikschicht und/oder die Elektrodenschicht dienen als Diffusionsbarriere. Beim Sintern verarmt die homogene Keramikschicht nicht an leicht flüchtigen Bestandteilen und bei einem Einsatz in feuchter Umgebung wird die Diffusion von Feuchtigkeit in die homogene Keramikschicht unterbunden.

Description

Beschreibung
Keramischer Körper mit einer homogenen Keramikschicht und Verfahren zum Herstellen des keramischen Körpers
Die Erfindung betrifft einen keramischen Körper mit mindestens einer im Wesentlichen homogenen Keramikschicht. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Körpers angegeben.
Ein keramischer Körper der genannten Art und ein Verfahren zu dessen Herstellung sind aus US 6 260 248 Bl bekannt. Der keramische Körper ist ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise. Der Piezoaktor besteht aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Keramikschichten mit einem keramischen Material aus dotiertem Bleizirkonattitanat Pb(Zr,Ti)03. Zwischen zwei Keramikschichten ist jeweils eine als Innenelektrode bezeichnete Elektrodenschicht aus einer Silber-Palladium- Legierung angeordnet.
Zum Herstellen des Piezoaktors wird eine Vielzahl von mit der Legierung bedruckten keramischen Grünfolien übereinander zu einem Stapel angeordnet. Die keramischen Grünfolien bestehen aus einer Grünkeramik. Die Grünkeramik ist eine noch nicht verdichtete Keramik und besteht aus pulverförmigem Bleizirkonattitanat und einem organischen Binder. Eine Schichtdicke der Grünfolie beträgt beispielsweise 100 μm.
Der Stapel aus bedruckten Grünfolien wird verfestigt. Dazu wird der Stapel laminiert und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung umfasst ein Entbindern der keramischen Grünfolien und ein nachfolgendes Sintern. Es resultiert der Piezoaktor in Vielschichtbauweise, wobei die einzelnen Keramikschichten im Wesentlichen homogen sind. Der gesamte Piezoaktor ist dagegen inhomogen. Im Volumen des Piezoaktors sind die Innenelektroden aus der Silber-Palladium-Legierung angeordnet. Es gibt zumindest eine erste Phase aus Bleizirkonattitanat und eine weitere Phase mit der Silber-Palladium-Legierung. Die einzelnen Phasen bilden jeweils eine chemische und physikalische Einheit. Beide Phasen sind nicht homogen über den gesamten Piezoaktor verteilt.
Allgemein ist eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer mechanischer Spannung in einem inhomogenen keramischen Körper relativ groß. Beispielsweise kommt es bei dem beschriebenen Piezoaktor an einer zwischen den unterschiedlichen Phasen vorhandenen Phasengrenze bei einer Polung oder im Betrieb des Piezoaktors zu mechanischen Spannungen, die in der Folge zu einem Mikroriss oder zu einer Ausbreitung eines bereits vorhandenen Mikrorisses und damit zu einem Ausfall des Piezoaktors führen können. Unterschiedliche Phasen, die ungleichmäßig über den inhomogenen keramischen Körper verteilt sind, können von unterschiedlichem keramischen Material oder von Einschlüssen gebildet werden. Denkbar ist auch, dass die Phasen aus keramischem Material gleicher Zusammensetzung aber jeweils unterschiedlicher Gefügestruktur bestehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie ein im Wesentlichen homogener keramischer Körper bereitgestellt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein keramischer Körper mit mindestens einer im Wesentlichen homogenen Keramikschicht angegeben. Der keramische Körper ist dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht eine Vielzahl von übereinander angeordneten homogenen Keramikteilschichten aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe wird zudem ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Körpers angegeben. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: a) Übereinander Anordnen der homogenen Keramikteilschichten zu einem Stapel und b) Verfestigen des Stapels, wobei der keramische Körper mit der Keramikschicht gebildet wird.
Die grundlegende Idee besteht darin, den Keramikkörper beziehungsweise eine Keramikschicht des Keramikkörpers aus einer Vielzahl von homogenen Keramikteilschichten aufzubauen und so zu einem Keramikkörper mit einer homogenen Keramikschicht zu kommen. Die Keramikteilschichten können dabei gleiche oder unterschiedliche Teilschichtdicken aufweisen. Eine homogene Keramikteilschicht besteht beispielsweise aus einer einzigen Phase. Die Phase wird beispielsweise von einem einzigen keramischen Material gebildet, dessen Zusammensetzung ortsunabhängig. Dies bedeutet, dass kein Sprung und auch nahezu kein Gradient in der Zusammensetzung des keramischen Material in der Keramikteilschicht vorhanden ist. Denkbar ist aber auch, dass mehrere Phasen vorliegen. Beispielsweise besteht die Keramikschicht aus verschiedenen keramischen Materialien. Die keramischen Materialien sind 'über die gesamte .Keramikteilschicht gleichmäßig verteilt. Es tritt keine Konzentrierung eines der keramischen Materialien auf. Darüber hinaus können auch keramische und nicht-keramische Phasen vorliegen. Diese nicht-keramische Phase ist beispielsweise ein organischer Binder einer Grünkeramik.
Die homogenen Keramikteilschichten sind derart übereinander angeordnet, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Fremdphase zwischen den Keramikteilschichten reduziert ist. Die Keramikschicht, die aus den homogenen Keramikteilschichten besteht, ist somit ebenfalls homogen. Die Keramikteilschichten können dabei durchaus voneinander abweichende Zusammensetzungen aufweisen. Beispielsweise sind alle Keramikteilschichten der Keramikschicht aus Bleizirkonattitanat. Die Keramikteilschichten können sich aber durch die Dotierung des Bleizirkonattitanats (Art und Anteil der Dotierung) von einander unterscheiden. So lässt sich beispielsweise ein Dotierungsgradient in der Keramikschicht realisieren. Unbeeinflusst davon bleibt aber die Homogenität der Keramikschicht. Die gesamte Keramikschicht besteht aus Bleizirkonattitanat. Durch die Dotierungen wird das Kristallsystem des Bleizirkonattitanats nahezu nicht verändert .
Zum Herstellen des keramischen Körpers mit der homogenen Keramikschicht werden die homogenen Keramikteilschichten direkt übereinander angeordnet. Zwischen den
Keramikteilschichten treten im Wesentlichen keine bleibenden Fremdphasen auf . Eine bleibende Fremdphase würde beispielsweise zwischen den Keramikteilschichten angeordnetes Elektrodenmaterial bilden, das durch das nachfolgende Verfestigen des Stapels nicht entfernt wird. Eine nichtbleibende Fremdphase ist beispielsweise Luft, die beim Verfestigen des Stapels entfernt wird. Durch das Verfestigen des Stapels entsteht der keramische Körper mit der im Wesentlichen homogenen Keramikschicht.
.Die homogene Keramikschicht zeichnet sich beispielsweise durch eine gleichmäßige Gefügestruktur aus. Dies führt zu einer Verbesserung bestimmter Eigenschaften des keramischen Körpers im Vergleich zu einem keramischen Körper mit einer inhomogenen Keramikschicht. Beispielsweise ist der keramische Körper ein piezoelektrischer Transformator. Eine geringe Anzahl an Poren, Einschlüssen, Fremdphasen oder anderen Defekten in der Keramikschicht führt bei dem piezoelektri-schen Transformator beispielsweise zu einer relativ hohen Piezoaktivität . Zudem wird ein homogener Polungszustand realisiert, der zu einer gleichmäßigen mechanischen Belastung im Betrieb des Transformators führt. Es resultiert eine hohe Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit des Transformators.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Keramikteilschicht ein aus der Gruppe Grünkeramik und/oder Sinterkeramik ausgewähltes keramisches Material auf. Sinterkeramik ist eine zumindest teilweise verdichtete Keramik. Grünkeramik ist eine noch nicht verdichtete Keramik. Der keramische Körper kann als gesinterter keramischer Körper oder auch als Grünteil (nicht gesinterter keramischer Körper) vorliegen. Aus dem keramischen Körper in Form eines Grünteils wird ein gesinterter keramischer Körper hergestellt. Beispielsweise werden als homogene Keramikteilschichten zum Herstellen des keramischen Körpers in Form eines Grünteils keramische Grünfolien mit einer Grünkeramik verwendet. Diese keramischen Grünfolien bestehen beispielsweise aus pulverförmigem keramischen Material und einem organischen Binder. Die Grünfolien bestehen aus homogen verteiltem keramischen und nicht-keramischen Material. Zum Herstellen der keramischen Grünfolien werden Standardverfahren wie Schlickerguss oder Foliengießen angewandt. Das pulverförmige keramische Material besteht beispielsweise aus kalzinierter Keramik .
Durch nachfolgendes Laminieren und Sintern des Stapels aus den Grünfolien entsteht der keramische Körper mit der homogenen Keramikschicht aus gesinterten homogenen Keramikteilschichten. Die Keramikteilschichten bestehen aus der Sinterkeramik.
In einer besonderen Ausgestaltung weist zumindest eine der Keramikteilschichten eine aus dem Bereich von einschließlich 5 μm bis einschließlich 250 μm ausgewählte Teilschichtdicke auf. Die Keramikteilschichten in Form von keramischen Grünfolien verfügen bei den angegebenen Teilschichtdicken über sehr feine pulverförmige keramische Materialien. Diese sehr feinen pulverförmigen keramischen Materialien führen zu einer verbesserten chemischen Homogenität der Grünfolie, einer höheren Sinteraktivität und damit zu einer bei tieferen Temperaturen stattfindenden Verdichtung der keramischen Materialien. Die Sintertemperatur ist relativ niedrig. Beim Herstellverfahren der keramischen Grünfolien mit den feinen Ausgangspulvern ist dabei eine sehr gute Entgasbarkeit und Filtrierbarkeit eines für die Herstellung der keramischen Grünfolien benötigten Schlickers erreichbar. Es resultiert eine geringere Wahrscheinlichkeit für Defekte in dem herzustellenden keramischen Körper. Eine Korngrößenverteilung (Gefügestruktur) innerhalb einer aus einer keramischen Grünfolie hergestellten Keramikteilschicht ist gleichmäßig. Die aus den Keramikteilschichten bestehende Keramikschicht zeichnet sich ebenfalls durch diese gleichmäßige Korngrößenverteilung aus.
Das Verfestigen des Stapels aus den Grünfolien erfolgt beispielsweise durch Laminieren. Das Laminieren umfasst beispielsweise ein uniaxiales oder isostatisches Verpressen der keramischen Grünfolien des Stapels.
Das Verfestigen des Stapels umfasst insbesondere eine Wärmebehandlung des Stapels. Die Wärmebehandlung ist beispielsweise ein Entbindern der Grünkeramik. Insbesondere beinhaltet die Wärmebehandlung ein Sintern des Stapels.
In einer besonderen Ausgestaltung werden so viele keramische Grünfolien übereinander gestapelt, dass ein keramischer Körper mit einer Keramikschicht entsteht, die eine aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 5 mm ausgewählte Gesamtschichtdicke aufweist. In Abhängigkeit von einer Anzahl von verwendeten Keramikteilschichten und deren Teilschichtdicken ist ein Keramikkörper mit einer sehr dünnen homogenen Keramikschicht zugänglich. Insbesondere kann der Keramikkörper aber auch eine sehr dicke, homogene Keramikschicht aufweisen. Es resultiert ein keramischer Volumenkörper mit einer relativ dicken homogenen Keramikschicht. Diese dicke homogene Keramikschicht weist insbesondere eine Gesamtschichtdicke von über 400 μm auf. Im Vergleich zur Keramikschicht eines mit einem herkömmlichen Verfahren (Pressverfahren, Blocksinterung) hergestellten keramischen Volumenkörpers zeichnet sich aber. die Keramikschicht aus den Keramikteilschichten durch eine deutlich höhere Homogenität aus.
In einer weiteren Ausgestaltung ist an mindestens einem Oberflächenabschnitt der Keramikschicht mindestens eine Elektrodenschicht angeordnet. Vorzugsweise ist an mindestens einem weiteren Oberflächenabschnitt der Keramikschicht mindestens eine weitere Elektrodenschicht derart angeordnet, dass die Elektrodenschichten einander gegenüber liegend und die Keramikschicht zwischen den Elektrodenschichten angeordnet sind. Ein derartiger keramischer Körper ist beispielsweise ein Kondensator.
In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine der Elektrodenschichten zwischen der Keramikschicht und mindestens einer weiteren Keramikschicht angeordnet. Die Keramikschicht ist im Wesentlichen durch die weitere Keramikschicht abgedeckt. Die Elektrodenschicht ist durch die weitere Keramikschicht vergraben. Bei einem piezoelektrischen Bauteil ist die weitere Keramikschicht beispielsweise so ausgestaltet, dass eine elektrische und/oder mechanische Eigenschaft des Bauteils nicht oder nur kaum beeinflusst wird. Leistungsdaten des Bauteils bleiben erhalten. Die weitere Keramikschicht ist beispielsweise sehr dünn. Die weitere Keramikschicht kann dabei auch als sogenannte Pufferschicht fungieren. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn der keramische Körper in einer gegenüber dem Elektrodenmaterial der Elektrodenschicht reaktiven Atmosphäre eingesetzt wird. Beispielsweise wird der keramische Körper in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt. Als Folge davon könnten Migrationseffekte des Elektrodenmaterials, beispielsweise Silber-Migration, und elektrochemische Diffusionsprozesse auftreten. Eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit des keramischen Körpers könnte daraus resultieren. Überschläge und Kurzschlüsse wären die Folge. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die weitere Keramikschicht beim Sintern gegenüber dem keramischen Material der Keramikschicht und Keramikteilschichten und gegenüber einer Sinterumgebung reaktionsträge ist.
Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht und der weiteren Elektrodenschicht bieten sich verschiedene Varianten an. Beispielsweise sind die Elektrodenschichten an voneinander getrennte, seitliche Oberflächenabschnitte des keramischen Körpers geführt. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten wird an den Oberflächenabschnitten jeweils eine Außenmetallisierung angebracht. Das Anbringen der Außenmetallisierungen erfolgt beispielsweise in Dickschichttechnik oder durch Sputtern. Alternativ dazu kann zur elektrischen Kontaktierung in der die Elektrodenschicht abdeckenden weiteren Keramikschicht eine elektrische Durchkontaktierung (Via) vorgesehen sein. Die .elektrische Durchkontak ierung ist ein mit elektrisch leitendem Material befülltes Durchgangsloch (Bohrung) in der weiteren Keramikschicht. Denkbar ist auch, dass die weitere Keramikschicht die darunter liegende Elektrodenschicht nicht ganz, sondern nur zum Teil abdeckt. Dadurch verbleibt ein frei zugänglicher Kontaktierungsbereich der Elektrodenschicht .
Das keramische Material ist beispielsweise ein Perowskit. Insbesondere ist das keramische Material eine Piezokeramik. Vorzugsweise ist die Piezokeramik ein Bleizirkonattitanat. In der Kombination des keramischen Körpers mit dem keramischen Material aus Bleizirkonattitanat zeichnet sich die Erfindung durch folgende besonderen Vorteile aus: Durch die Verwendung von dünnen keramischen Grünfolien mit dem pulverförmigen keramischen Material kann die Sintertemperatur unter 1.300° C gesenkt werden. Dies beinhaltet den Vorteil, dass bestimmte, während des Sinterns flüchtige Komponenten des Bleizirkonattitanats wie Bleioxid (PbO) oder Manganoxid (MnO) nicht in einer Stärke abdampfen, wie es bei dem vergleichbaren Blocksintern bei höheren Sintertemperaturen auftreten würde. Zudem tritt bei niedrigeren Sintertemperaturen eine schädliche Reaktion mit einem Sinterhilfsmittel (beispielsweise eine Unterlegplatte oder einer Kapsel) nur in einem geringen Maß auf. Eine Oberflächenschicht des Keramikkörpers oder der Keramikschicht, die mit dem Sintermittel während des Sinterns mit in Kontakt steht, bleibt weitgehend homogen. Die Oberflächenschicht wird nicht, wie beim Blocksintern bei erhöhten Temperaturen üblich, bis in eine Tiefe von 1 mm bis 3 mm zerstört. Nach dem Herstellen des keramischen Körpers muss die Oberflächenschicht nicht durch Schleifen, Sägen oder ähnliches abgetragen werden.
Besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Bleizirkonattitanat sind die Elektrodenschicht und die weitere Keramikschicht. Jede dieser Schichten kann als Diffusionssperre für die genannten flüchtigen Bestandteile des Bleizirkonattitanats fungieren. Umgekehrt kann durch diese Schichten auch ein Eindiffundieren unerwünschter Fremdatome aus der Umgebung unterbunden werden. Eine Zusammensetzung des Bleizirkonattitanats mit einem bestimmten Sauerstoffanteil oder einem bestimmten Anteil eines Dotierstoffs ändert sich nicht. Vorteilhaft steht während des Sinterns der keramische Körper über eine reaktionsträge weitere Keramikschicht mit den Sinterhilfsmitteln in Kontakt.
Insbesondere ist der keramische Körper aus der Gruppe piezoelektrischer Transformator oder piezoelektrischer Biegewandler ausgewählt. Denkbar ist aber auch jedes andere keramische Bauteil, bei dem eine Keramikschicht mit einer entsprechenden Dicke hergestellt werden soll. Durch die Anwendung der Vielschichttechnik ist es möglich, den keramischen Körper mit einer homogenen Keramikschicht herzustellen.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile: • Es ist ein keramischer Körper mit einer im Wesentlichen homogenen Keramikschicht mit einer geringen Anzahl an Poren, Einschlüssen, Fremdphasen und anderen Defekten zugänglich. Die Keramikschicht verfügt über eine hohe Homogenität und gleichmäßige Gefügestruktur.
• Die hohe Homogenität und gleichmäßige Gefügestruktur führt zu einer verminderten Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Mikro- und Makrorissen bei einer mechanischen oder thermischen Belastung des keramischen Körpers .. Ein Wachstum vorhandener Risse wird unterdrückt. Es resultieren eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit des keramischen Körpers.
• Beim Herstellen der Keramikschicht aus keramischen Grünfolien findet ein Verdichten bei. einer relativ niedrige Sintertemperatur statt. Eine niedrige Sintertemperatur führt zu einer gleichmäßigen Gefügestruktur. Die gleichmäßige GefügeStruktur tritt insbesondere auch in einem Randbereich (Oberflächenschicht) der Keramikschichten auf.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels des keramischen Körpers in Form eines Transformators.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels des keramischen Körpers in Form eines Biegewandlers.
Figuren 3A bis 3C zeigen verschiedene elektrische
Kontaktierungsmöglichkeiten einer vergrabenen Elektrodenschicht des keramischen Körpers. Figur 4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Körpers .
Ausführungsbeispiel 1:
Der keramische Körper 1 ist ein piezoelektrischer Transformator 11 (Figur 1) . Der piezoelektrische Transformator 11 besteht aus einer im Wesentlichen homogenen Keramikschicht 2, die an zwei gegenüber liegenden Oberflächenabschnitten 7 und 9 jeweils eine Elektrodenschicht 8 und 10 aufweist. Die homogene Keramikschicht 2 besteht aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten homogenen Keramikteilschichten 3. Die Keramikteilschichten 3 und damit die gesamte Keramikschicht 2 bestehen aus keramischem Material 6 in Form von Sinterkeramik. Der piezoelektrische Transformator 11 ist ein gesinterter keramischer Körper 1. Das keramische Material 6 ist Bleizirkonattitanat.
' Jede der Keramikteilschichten 3 verfügt über eine ' Teilschichtdicke 4 von etwa 20 μm. Übereinander sind 20 derartige Keramikteilschichten angeordnet. Der piezoelektrische Transformator 11 verfügt über eine homogene Keramikschicht 2 mit einer Gesamtschichtdicke 5 von etwa 500 μm.
Ausführungsbeispiel 2 :
Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Transformators 11 sind die Elektrodenschichten 8 und 10 entsprechend der Elektrodenschichten 8 und 10 des Biegewandlers 12 des zweiten Ausführungsbeispiels (vgl. Figur 2) unter weiteren Keramikschichten 13 vergraben. Ausführungsbeispiel 3:
Der keramische Körper 1 ist ein piezoelektrischer Biegewandler 12 (Figur 2) . Im Vergleich zum vorher beschriebenen Transformator besteht die homogene Keramikschicht des Biegewandler aus fünf homogenen Keramikteilschichten mit Teilschichtdicken von etwa 20 μm. Zur Maximierung der Auslenkung sind die Elektrodenschichten 8 und 10 bis an einen Rand der homogenen Keramikschicht 2 und damit an einen seitlichen Oberflächenabschnitt 17 des piezokeramischen Biegewandlers 12 geführt.
Die Elektrodenschichten 8 und 10 sind großflächig von jeweils einer weiteren Keramikschicht 13 abgedeckt. Die Schichtdicke der weiteren Keramikschichten 13 beträgt etwa 10 μm. Die Elektrodenschichten 8 und 10 sind unter den weiteren Keramikschichten 13 vergraben. Dadurch kann der piezoelektrische Biegewandler 12 auch in einer feuchten, gegenüber dem Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten 8 und 10 reaktiven Umgebung mit einer hohen Langzeitstabilität eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel 4:
Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Biegewandlers 12 sind die Elektrodenschichten 8 und 10 entsprechend der Elektrodenschichten 8 und 10 des Transformators 11 des ersten Ausführungsbeispieis nicht durch weitere Elektrodenschichten abgedeckt und frei zugänglich (vgl . Figur 1) .
Zur elektrischen Kontaktierung der unter der weiteren Keramikschicht 13 verborgenen Elektrodenschicht 8 oder 10 ist gemäß einer ersten Ausführungsform an dem seitlichen Oberflächenabschnitt 17 des Transformators 11 beziehungsweise des Biegewandlers 12 eine Außenmetallisierung 14 durch Sputtern angebracht (Figur 3A) . In einer zweiten Ausführungsform erfolgt die elektrische Kontaktierung mit Hilfe einer elektrischen Durchkontaktierung 15 (Figur 3B) . Gemäß einer dritten Ausführungsform erfolgt die elektrische Kontaktierung über einen frei zugänglichen, nicht durch die weitere Keramikschicht 13 abgedeckten freien Kontaktierungsbereich 16 der jeweiligen Elektrodenschicht 8 und 10 (Figur 3C) .
Zum Herstellen des piezoelektrischen Transformators beziehungsweise des piezoelektrischen Biegewandlers werden als Ausgangspunkt homogene Keramikteilschichten in Form keramischer Grünfolien mit einer Grünkeramik verwendet. Die keramischen Grünfolien werden übereinander zu einem Stapel angeordnet (18, Figur 4) . Dazu wird eine Matrize verwendet, um ein genaues Übereinanderstapeln der keramischen Grünfolien zu ermöglichen. Nachfolgend wird der Stapel verfestigt (19, Figur 4) . Dies erfolgt unter einachsigem Verpressen des Stapels (Laminieren) . In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Verfestigung durch das Anwenden von isostatischem Druck. Nach dem Laminieren wird der Stapel einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung umfasst dabei ein Entbindern und ein nachfolgendes Sintern.

Claims

Patentansprüche
1. Keramischer Körper (1) mit mindestens einer im Wesentlichen homogenen Keramikschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (2) eine Vielzahl von übereinander angeordneten homogenen Keramikteilschichten (3) aufweist .
2. Keramischer Körper nach Anspruch 1, bei dem die Keramikteilschichten (3) ein aus der Gruppe Grünkeramik und/oder Sinterkeramik ausgewähltes keramisches Material
(6) aufweisen.
3. Keramischer Körper nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest eine der Keramikteilschichten (3) eine aus dem Bereich von einschließlich 5 μm bis einschließlich 250 μm ausgewählte Teilschichtdicke (4) aufweist.
■4. Keramischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Keramikschicht (2) eine aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 5 mm ausgewählte Gesamtschichtdicke (5) aufweist.
5. Keramischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem an mindestens einem Oberflächenabschnitt (7) der Keramikschicht (2) mindestens eine Elektrodenschicht (8) angeordnet ist.
6. Keramischer Körper nach Anspruch 5, bei dem an mindestens einem weiteren Oberflächenabschnitt (9) der Keramikschicht (2) mindestens eine weitere Elektrodenschicht (10) derart angeordnet ist, dass die Elektrodenschichten (8, 10) einander gegenüber liegend und die Keramikschicht (2) zwischen den Elektrodenschichten (8, 10) angeordnet sind.
. Keramischer Körper nach Anspruch 5 oder 6, bei dem mindestens eine der Elektrodenschichten (8, 10) zwischen der Keramikschicht (2) und mindestens einer weiteren Keramikschicht (13) angeordnet ist.
8. Keramischer Körper nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das keramische Material (6) eine Piezokeramik aufweist .
9. Keramischer Körper nach Anspruch 8, bei dem die Piezokeramik (6) ein Bleizirkonattitanat ist.
10. Keramischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Körper (1) aus der Gruppe piezoelektrischer Transformator (11) oder piezoelektrischer Biegewandler (12) ausgewählt ist.
11. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Übereinander Anordnen der homogenen Keramikteilschichten zu einem Stapel und b) Verfestigen des Stapels, wobei der keramische Körper mit der Keramikschicht gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als homogene Keramikteilschichten keramische Grünfolien mit einer Grünke amik verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 , wobei das Verfestigen des Stapels ein Laminieren umfasst.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Verfestigen des Stapels eine Wärmebehandlung des Stapels umfasst .
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