PIEZOELEKTRISCHER VIELSCHICHTAKTOR MIT KERAMISCHEN INNENELEKTRODEN
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Keramikkorper, insbesondere einen piezoelektrischen keramischen Aktor, nach der Gattung des Hauptanspruches.
Stand der Technik
Keramische Piezoaktoren, die aus einer Vielzahl von dünnen keramischen, piezoaktiven Schichten bestehen, die jeweils über eine Innenelektrodenschicht voneinander getrennt und darüber elektrisch kontaktierbar und ansteuerbar sind, sind vielfach bekannt. Dazu sei beispielsweise auf K. Ruschmeyer, „Piezokeramik: Grundlagen, Werkstoff, Applikationen", expert- Verlag, Renningen, 1995, verwiesen.
Bekannte Piezoaktoren bestehen beispielsweise im wesentlichen aus einer PZT-Keramik, d.h. Pb(Tι Zry)03 mit 0,40 < x < 0,60, in Form einer Vielzahl von zusammengesinterten, keramischen, piezoaktiven Schichten aus dieser PZT-Keramik, die über dazwischen angebrachte Innenelektroden elektrisch in definierter Weise ansteuerbar sind, und bei Anlegen einer äußeren Spannung über den umgekehrten Piezoeffekt (Elektrostriktion) eine mechanische Dehnung oder Stauchung erfahren.
Da derartige PZT-Keramiken je nach Dotierung und
Herstellungsverfahren bei Temperaturen von 1000°C bis 1200°C und unter oxidierenden Bedingungen gesintert werden müssen, sind bisher als Materialien für die Innenelektroden lediglich metallische Legierungen wie Ag/Pd-Legierungen bekannt. Dazu sei beispielsweise auf A.C. Caballero et al . , J. Mat. Sei., 32, 3257-3262, (1997), verwiesen.
Diese Materialien für die Innenelektroden stellen einen Kompromiß zwischen elektrischer Leitfähigkeit, Materialkosten, Sintertemperatur, Sinteratmosphare und angepaßtem thermischen Ausdehnungsverhalten dar. Dennoch sind die Materialkosten für die Innenelektroden trotz einer typischen Dicke von lediglich ca. 1 μm bis 3 μm aufgrund der hohen Anzahl von Innenelektroden von typischerweise mehr als 500 immer noch betrachtlich. Sie erreichen derzeit im Fall von der Ag/Pd-Legierung Werte von 6800 DM pro Kilogramm Elektrodenmaterial.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemaße piezoelektrische Keramikkorper hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit eine deutliche Verringerung der Materialkosten für das verwendete Elektrodenmaterial der Innenelektroden erreicht wird. Damit können durch den erfindungsgemaßen Einsatz gemischtleitender Materialien beispielsweise die Herstellungkosten für Piezoaktoren deutlich gesenkt werden.
Unter einem gemischtleitenden Material wird dabei im übrigen entsprechend dem allgemeinen Sprachgebrauch ein Material verstanden, das sowohl eine gute elektronische Leitfähigkeit als auch eine Ionenleitfahigkeit aufweist.
Gleichzeitig ermöglichen die zahlreichen potentiellen Materialkombinationen und Dotierungen der Innenelektrodenmaterialien eine optimale Anpassung der jeweiligen Innenelektrodenmaterialien an die benachbarten Isolierschichten mit dem eigentlichen keramischen, piezoaktiven Material. Diese Anpassung an die keramischen, piezoaktiven Schichten, d.h. insbesondere die PZT-Tragerfolien, erfolgt dabei vorteilhaft sowohl hinsichtlich der thermischen Ausdehnung als auch der Sintertemperatur des Elektrodenmaterials.
Der Fachmann hat somit vorteilhaft die Möglichkeit, aus zahlreichen, preiswerten Materialien als
Innenelektrodenmaterialien auswählen zu können, wobei im Einzelfall die Kriterien für das jeweils am besten geeignete Material, neben den Kosten, vor allem die Sintertemperatur der piezoaktiven Keramik, die möglichst gute elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials der Innenelektroden im betreffenden Temperaturbereich und die Phasenstabilitat des Innenelektrodenmaterials und des piezoaktiven Materials beim gemeinsamen Sintern zu dem Keramikkorper durch einen Cofiring- Prozeß sind. Unter Phasenstabilitat wird dabei verstanden, daß beim Sintern keine Phasenumwandlung des Materials der Innenelektroden und/oder des Materials der Isolierschichten auftritt .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteranspruchen genannten Maßnahmen.
So enthalt das Material der Innenelektroden vorteilhaft eine perwoskitische oder fluorit-basierte Keramik, da diese
Materialien bei geeigneter Auswahl über eine hohe elektronische und ionische Leitfähigkeit verfugen und auch bei tiefen Temperaturen von unter 100°C bereits eine für die Anwendung ausreichende Leitfähigkeit aufweisen. Überdies ist die Synthese
und Handhabung derartiger Materialien sehr einfach und preiswert. Weiter liegen die erforderlichen Sintertemperaturen für derartige keramische Gemischtleiter im Bereich zwischen 1000°C und 1200°C, d.h. sie sind hervorragend an PZT-Keramiken angepaßt. Überdies sind sie vielfach phasenstabil gegenüber PZT- Keramik.
Zeichnung
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigt die Figur einen piezoelektrischen Keramikkorper in Form eines piezokeramischen Aktors aus einer Schichtfolge von piezoaktiven Isolierschichten und Innenelektrodenschichten .
Ausführungsbeispiele
Die Figur zeigt einen an sich bekannten Aufbau eines piezoelektrischen Keramikkorpers 5 in Form eines Quaders mit einer Vielzahl von Isolierschichten 12 aus einer an sich bekannten, piezoaktiven PZT-Keramik, die über Innenelektroden 13, 14 in Form von dünnen Schichten bereichsweise jeweils voneinander getrennt sind. Die PZT-Keramik hat beispielsweise die Zusammensetzung Pb(TixZry)03 mit 0,40 < x < 0,60. Die Dicke der Isolierschichten 12 betragt beispielsweise 50 μm bis 130 μm bei einer typischen Anzahl von 300 bis 600; die Dicke der Innenelektroden 13, 14 betragt liegt bevorzugt zwischen 500 n und 5 μm, insbesondere bei 1 bis 2 μm.
Die Stirnseiten des Keramikkorpers 5 sind weiter durch zwei gegenüberliegende, beispielsweise metallische, ganzflachig aufgebrachte Außenelektroden 10, 11 in an sich bekannter Weise kontaktiert, wobei die erste Außenelektrode 10 an der zugeordneten Stirnseite des Quaders die ersten Innenelektroden
13 kontaktiert und die zweite Außenelektrode 11 an der zugeordneten Stirnseite des Quaders die zweiten Innenelektroden
14 kontaktiert. Über die Außenelektroden 10, 11 sind die Innenelektroden 13, 14 mit einer Feldstarke beaufschlagbar, die typischerweise zwischen 1 kV/mm und 3 kV/mm liegt, und in dem Keramikkorper 5 über den umgekehrten piezoelektrischen Effekt (Elektrostriktion) zu einer Dehnung oder Stauchung der Isolierschichten 12 in Richtung der Flachennormalen der Isolierschichten 12 fuhrt. Die Innenelektroden 13, 14 bilden somit die Platten eines Plattenkondensators mit den Isolierschichten 12 als Dielektrikum.
Weiter bestehen die Innenelektroden 13, 14 jeweils aus einem gemischtleitenden keramischen Material. Als besonders geeignet hat sich im Fall einer PZT-Keramik als Material der
Isolierschichten 12 für das Material der Innenelektroden 13, 14 SrFeCθo,sOx herausgestellt, da dieses Material oberhalb von 25°C eine ausreichende Leitfähigkeit aufweist und seine Sintertemperatur zwischen 1000°C und 1200°C liegt, d.h. auf die Sintertemperatur der PZT-Keramik angepaßt ist.
Alternativ kommt anstelle von SrFeCo0,5θx für das Material der Innenelektroden 13, 14 jedoch auch das gemischtleitende keramische Material Lax-xSrxCoi-yCUyOa- mit 0 < x < 1 und 0 < y < 1 in Frage.
Weiterhin sind auch perowskitische oder fluorit-basierte Materialien wie Laι-xCaxCo03-.δ, SrCe03, LaCr!_xMgxθ3, Lai-xSryMnOs oder LaNi-yCaxOa besonders geeignet.
Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl geeigneter, insbesondere keramischer Gemischtleiter ist deren möglichst geringer spezifischer elektrischer Widerstand, der im Fall von Pt als Elektrodenmaterial bei Raumtemperatur bei 10,6 μΩcm und bei AgPd
mit einer Zusammensetzung von 70 zu 30 Massenprozent bei 15 μΩcm liegt. Insofern muß der spezifische elektrische Widerstand des Gemischtleiters zumindest kleiner als 1*10~3 Ωcm sein und insbesondere im Bereich von 1*10"6 Ωcm bis 5*104 Ωcm liegen.
Zur Herstellung des Keramikkorpers 5 werden zunächst in an sich bekannter Weise keramische Grunfolien hergestellt, die die spateren Isolierschichten 12 bilden sollen. Diese werden dann bereichsweise, entsprechend in der in der Figur dargestellten Weise, einseitig mit einer weiteren Folie versehen, die eine spatere Innenelektrode 13, 14 bilden soll.
Alternativ kann das die spateren Innenelektroden bildende Material jedoch auch mittels Siebdruck bereichsweise auf die keramischen Grunfolien gedruckt werden. Anschließend werden diese Grunfolienpaare bzw. die bedruckten Grunfolien dann derart abwechselnd um 180° gegeneinander gedreht gestapelt, so daß eine periodische Abfolge von Isolierschicht 12, erste Innenelektrode 13, Isolierschicht 12, zweite Innenelektrode 14, Isolierschicht 12, erste Innenelektrode 13 usw. entsteht. Schließlich wird der derart erhaltene Grunkorper in einer Matrize gepreßt bzw. laminiert und anschließend bei Temperaturen zwischen 1000 °C und 1200 °C gesintert, so daß der Keramikkorper 5 entsteht.
Nach dem Sintern wird der erhaltene Keramikkorper 5 üblicherweise außen geschliffen und danach auf zwei gegenüberliegenden Stirnflachen des Keramikkorpers 5 mit den Außenelektroden 10, 11 kontaktiert. Aufgrund der abwechselnd jeweils nicht bis zu den Stirnseiten des Keramikkorpers 5 reichenden Innenelektroden kontaktiert somit die erste
Außenelektrode 10 lediglich die ersten Innenelektroden 13 und die zweite Außenelektrode 11 lediglich die zweiten Innenelektroden 14. Weitere Details dazu sind beispielsweise in K. Ruschmeyer, „Piezokeramik: Grundlagen, Werkstoff,
Applikationen", expert-Verlag, Renningen, 1995, Seite 79, beschrieben .
Bezugszeichenliste
5 Keramikkorper
10 erste Außenelektrode
11 zweite Außenelektrode 12 Isolierschicht
13 erste Innenelektrode
14 zweite Innenelektrode