WO2002089228A2 - Kompositwerkstoff, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung - Google Patents

Kompositwerkstoff, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung Download PDF

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Anton Dukart
Franz Jost
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Robert Bosch Gmbh
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/092—Forming composite materials

Definitions

  • the invention relates to a composite material with piezoresistive and magnetoelastic properties, method for its production and its use in a sensor element or an actuator element according to the type of the independent claims.
  • Piezoelectric materials or materials that show a piezoelectric or reverse piezoelectric effect are widely known. These include, for example, lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics) or ferroelectric piezoceramic materials, such as those offered by Marco GmbH, Dachau. In particular, reference is made to their websites at www.marco.de and in particular to www.marco.de/D/fpm /001/OlO.html.
  • magnetoelastic materials are also known from the prior art. For example, reference is made to the materials manufactured and distributed by Etrema Products Inc., Iowa, USA, which are available as an overview on the Internet at www.etrema-usa.com. In particular, Etrema Products Inc. sells a magnetoelastic powder under the trade name Terfenol-D, which is made from a terbium dysprosium iron Alloy based. In addition, a large number of magnetoelastic materials are known which start from ferromagnetic powders such as nickel-iron powder or cobalt-iron powder.
  • a sensor element that uses both the magnetostrictive effect and the piezoelectric effect comprises a piece of a piezoelectric material and a piece of a magnetostrictive material, the magnetostrictive or magnetoelastic material exerting a mechanical tension on the piezoelectric material when an external magnetic field is applied, so that the piezoelectric material generates an electrical output signal which is tapped
  • the named article is available on the Internet at www.sensorsmag.com/articles/1000/52/main.shtml.
  • the composite material according to the invention and the methods according to the invention for its production have the advantage over the prior art in that a new type of material is obtained or can be produced which combines the properties of a piezoelectric material with the properties of a magnetoelastic material.
  • a new type of material is obtained or can be produced which combines the properties of a piezoelectric material with the properties of a magnetoelastic material.
  • the composite material according to the invention in particular compared to the prior art, less expensive and simpler sensor or actuator elements are manufactured or new application fields for such sensor or actuator elements are opened up.
  • the composite material according to the invention is particularly suitable for use in speed sensors, current sensors, torque sensors, force sensors, for example for use in motor vehicles, power tools or in household technology.
  • passive sensor elements can also be implemented very advantageously, ie sensor elements that do not require any voltage supply.
  • Another advantage of the composite material according to the invention is that when it is used in corresponding sensor elements, a contactless measurement of magnetic fields without energy supply to the sensor element, i.e. passive, is possible. Among other things, this also allows a telemetric query of the respective sensor signal without energy supply.
  • the composite material according to the invention can also be used under difficult conditions or stressed environments, such as, for example, at very high temperatures in the vicinity of an engine of a motor vehicle or on a brake of a motor vehicle.
  • the composite material according to the invention offers the advantage that electric fields can also be measured as a function of a change in the permeability of the composite material.
  • an electrical voltage applied to the composite material can change the resonance frequency of an oscillating circuit.
  • the advantages of known magnetoelastic sensors and piezoelectric sensors can be combined as desired, whereby dynamic and static forces can in particular also be measured simultaneously with a sensor element using the composite material according to the invention.
  • the composite material according to the invention can be shaped using conventional shaping methods, for example for use in a force sensor, and that the introduction of force into the composite material is also unproblematic, since the magnetoelastic or piezoelectric effect in the composite material according to the invention is in each case is a volume effect.
  • a sensor element or actuator element with the composite material according to the invention can also easily be used for self-diagnosis, since it can be switched over from a sensor functionality to an actuator functionality and vice versa without any problems.
  • the first component of the composite material that behaves like a piezoelectric material is a ceramic piezoelectric material such as a PZT ceramic.
  • quartz, zinc oxide, a ferroelectric material such as barium titanate or lead titanate or a ferroelectric piezoceramic material are advantageous.
  • the second component of the composite material according to the invention is advantageously a soft magnetic, highly magnetoelastic material such as a nickel-iron alloy, a cobalt-iron alloy, an iron oxide such as Fe 2 0 3 , a terbium-dysprosium-iron alloy or a nickel Manganese gallium alloy.
  • the structure of the composite material according to the invention it has proven to be advantageous if it is produced from a mixture of powders from the first component and the second component, the powder particles used preferably having an average particle size of 20 nm to 20 ⁇ m, in particular 500 nm to 5 ⁇ m. Such a powder mixture can then be sintered into a shaped body in the usual way.
  • the composite material according to the invention is made up of at least two, but preferably a plurality of layers which are arranged one above the other and which alternately have the first component made of the piezoelectric material and the second component made of the magnetoelastic material. These layers then each have a thickness of less than 2 ⁇ m, in particular less than 500 nm.
  • the first or second component is in the form of a nanoscale powder which is provided on the surface with a coating with the material of the other component. It is particularly advantageous if the powder particles consist of the second component, ie the magnetoelastic material, and if the surface coating is formed by the piezoelectric material, ie the first component.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a first exemplary embodiment of a composite material which is connected to a voltage source via electrodes
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment.
  • the composite material explained below and the processes described for its production are based on the fundamental knowledge that magnetic fields, in particular static magnetic fields, cause elongations or compressions in a magnetoelastic material due to the magnetoelastic effect, which then then occur in the piezoelectric material also contained in the composite material induce electrical voltages.
  • the conversion chain is typically such that a magnetoelastic effect is first produced in the composite material according to the invention via an external magnetic field, which is generated, for example, via a coil, a magnet or a soft magnetic modulator leads to an expansion or compression in the area of the composite material which is occupied by the second component, ie the magnetoelastic material.
  • This expansion or compression is then applied to the first component in the composite material, i.e. the piezoelectric material, so that there occurs a piezoelectric effect, i.e. an electrical voltage is induced, which can be tapped on the composite material by conventional electrodes and processed further.
  • a piezoelectric effect i.e. an electrical voltage is induced
  • a first exemplary embodiment which is explained with the aid of FIG. 1, is based on a first powder from a first component 11.
  • the first component 11 is a piezoelectric material or behaves like such under an impressed electrical or mechanical voltage.
  • a second powder is provided from a second component 12, the second component 12 being a magnetoelastic material or behaving as such under the influence of an applied mechanical tension or a magnetic field.
  • the first and the second powder are preferably each used as a powder with an average particle size of 20 nm to 20 ⁇ m, in particular 500 nm to 5 ⁇ m. Furthermore, these starting powders are preferably with a binder, with for example, an organic binder, and / or a conventional pressing aid.
  • shaping takes place, for example pressing such as cold pressing, so that a shaped body is then obtained.
  • This molded body is then debindered in the usual manner and finally sintered, so that a composite material 5 is formed from the first component 11 and the second component 12, these components being integrally connected to one another.
  • the composite material 5 can then further be provided on the surface according to FIG. 1 with electrodes 20 which are connected to a voltage source 25.
  • a voltage tap can also be provided.
  • the electrodes 20 are produced in the usual way by vapor deposition, sputtering or else gluing or pressing.
  • FIG. 1 is only a schematic diagram, i.e. the powder particles of the first and second components 11, 12 need not all be of the same size or have the regular arrangement shown.
  • a ceramic piezoelectric powder such as is suitable as powder for the first component 11 Usual PZT powder or also a quartz powder, a zinc oxide powder, a barium titanate powder, a lead titanate powder or a ferroelectric piezoceramic powder.
  • the second powder which is provided by the second component 12, is preferably a ferromagnetic, in particular soft magnetic powder such as, for example, a powder of a nickel-iron alloy, a cobalt-iron alloy, an iron oxide powder such as Fe 2 O 3 powder Powder of a terium-dysposium-iron alloy or a nickel-manganese-gallium alloy.
  • a ferromagnetic, in particular soft magnetic powder such as, for example, a powder of a nickel-iron alloy, a cobalt-iron alloy, an iron oxide powder such as Fe 2 O 3 powder Powder of a terium-dysposium-iron alloy or a nickel-manganese-gallium alloy.
  • the composite material 5 is formed by a plurality of first layers 13 and second layers 14 arranged one above the other, the first layer 13 each consisting of the first component 11 and the second layer 14 each consisting of the second component 12.
  • the thickness of the individual layers 13, 14 is usually less than 2 ⁇ m, in particular less than 500 nm.
  • the first layer 13 from the first component 11 is first vapor-deposited or sputtered onto a largely arbitrary substrate, then the second layer 14 from the second component 12 is sputtered or vapor-deposited onto the first layer 13, then again the first layer 13, etc.
  • the second layer 14 can first be vapor-deposited onto the substrate and then the first layer 13, etc.
  • Suitable materials for forming the first layer 13 from the first component 11 are the materials already explained with the aid of the first exemplary embodiment for the first component 11 there. The same also applies to the materials of the second layer 14 made of the second component 12.
  • a third exemplary embodiment of the invention is explained with reference to FIG. 3. It is provided that nanoscale powder particles with an average grain size of 20 nm to 300 nm from the second component 12, i.e. the magnetoelastic material, with a surface coating of the material of the first component 11, i.e. the piezoelectric material. However, it should be emphasized that the reverse can also be used, i.e. nanoscale powder particles of the first component 11 are provided with a surface coating made of the material of the second component 12.
  • a shaped body is then produced from the surface-coated powder of nanoscale particles obtained in each case. This is done, for example, by pressing, in particular by cold pressing, and subsequent sintering.
  • an organic binder and / or a pressing aid can first be added to the powder with the surface-coated nanoscale particles, so that the mass obtained in this way can be pressed more easily, then debindered and finally sintered in the usual way.
  • nanoscale particles are preferably produced with a surface coating in a plasma, for example by producing the second material with the nanoscale particles in the plasma from a precursor compound, in particular an organometallic precursor compound such as nickel-iron-carbonyl.
  • a precursor compound in particular an organometallic precursor compound such as nickel-iron-carbonyl.
  • a suitable organometallic precursor compound in the plasma is converted into nanoscale powder particles from the first component 11 or, preferably, the second component 12.
  • the plasma thereby removes the organic constituents of the precursor compound from the surface of the nanoscale particles formed, so that these surfaces can be provided with the desired surface coating in a subsequent processing step, for example already in the plasma by the targeted addition of a suitable reaction partner.
  • the reaction partner is only added to the plasma temporarily.
  • the added reactant is preferably a further precursor compound or a reactive gas, so that this further precursor compound or the reactive gas on the surface of the nanoscale particles from the second component 12 results in a surface coating made from the material of the first component 11, ie a piezoelectric material.
  • rial such as zinc oxide.
  • Oxygen is suitable as a reactive gas.
  • the corresponding powder particles according to the first embodiment are suitable with a corresponding grain size.
  • a material for the surface coating i.e. for the first component 11, barium titanate is particularly suitable in addition to zinc oxide.

Abstract

Es wird ein Kompositwerkstoff (5) mit einer ersten und einer zweiten Komponente (11, 12) vorgeschlagen, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei verhält sich die erste Komponente (11) wie ein piezoelektrisches und die zweite Komponente (12) wie ein magnetoelastisches Material. Der Kompositwerkstoff eignet sich besonders zur Verwendung in einem Sensorelement oder einem Aktorelement, beispielsweise einem Drehzahlfühler, Stromsensor, Drehmomentsensor, Kraftsensor oder einem passiven Sensorelement. Daneben werden Verfahren zur Herstellung des Kompositwerkstoffes vorgeschlagen. Ein erstes Verfahren geht von einer Pulvermischung mit einem ersten Pulver mit der zweiten Komponente (11) und einem zweiten Pulver mit der zweiten Komponente (12) aus, die verpresst und gesintert wird. Ein zweites Verfahren sieht das Aufbringen einer Beschichtung mit einer der beiden Komponenten (11, 12) auf nanoskaligen Pulverteilchen mit der jeweils anderen Komponente (11, 12) vor. Ein drittes Verfahren sieht vor, eine Schicht (13, 14) mit einer der beiden Komponenten (11) durch Aufsputtern oder Aufdampfen auf einem Substrat zu erzeugen, und auf diese Schicht (13, 14) dann eine Schicht (13, 14) mit der jeweils anderen Komponente aufzubringen.

Description

Kompositwerkstoff, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft einen Kompositwerkstoff mit piezore- sistiven und magnetoelastischen Eigenschaften, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung in einem Sensorelement oder einem Aktorelement nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche .
Stand der Technik
Piezoelektrische Materialien bzw. Materialien, die einen piezoelektrischen oder umgekehrten piezoelektrischen Effekt zeigen, sind vielfach bekannt. Dazu zählen beispielsweise Bleizirkonattitanat-Keramiken (PZT-Keramiken) oder auch fer- roelektrische piezokeramische Materialien, wie sie beispielsweise von der Firma Marco GmbH, Dachau, angeboten werden. Dazu sei insbesondere auf deren Internetseiten unter www.marco.de und insbesondere die Seiten www.marco.de/D/fpm /001/OlO.html verwiesen.
Weiter sind aus dem Stand der Technik auch vielfältige magnetoelastische Materialien bekannt. Dazu sei beispielsweise auf die von der Firma Etrema Products Inc., Iowa, USA hergestellten und vertriebenen Materialien verwiesen, die als Übersicht im Internet unter www.etrema-usa.com zugänglich sind. Insbesondere wird von der Firma Etrema Products Inc. ein magnetoelastisches Pulver unter dem Handelsnamen Terfe- nol-D vertrieben, das aus einer Terbium-Dysprosium-Eisen- Legierung basiert. Daneben sind eine Vielzahl von magnetoelastischen Materialien bekannt, die von ferromagnetischen Pulvern wie Nickel-Eisen-Pulver oder Kobalt-Eisen-Pulver ausgehen.
Von Y. Li und R. O'Handley wurde in dem Artikel „An Innovative Passive Solid-State Magnetic Sensor", Sensors, Oktober 2000, weiter bereits ein Sensorelement vorgeschlagen, das sowohl den magnetostriktiven Effekt als auch den piezoelektrischen Effekt benutzt. Dazu weist dieses Sensorelement ein Stück eines piezoelektrischen Materials und ein Stück eines magnetostriktiven Materials auf, wobei das magnetostriktive bzw. magnetoelastische Material bei einem Anlegen eines äußeren Magnetfeldes auf das piezoelektrische Material eine mechanische Spannung ausübt, so dass das piezoelektrische Material ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das abgegriffen wird. Der genannte Artikel ist unter www.sensorsmag.com/articles/1000/52/main.shtml im Internet verfügbar.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff und die erfindungsgemäßen Verfahren zu dessen Herstellung haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass dadurch eine neuartiges Material gegeben bzw. herstellbar ist, das die Eigenschaften eines piezoelektrischen Materials mit den Eigenschaften eines magnetoelastischen Materials verbindet. Insbesondere handelt es sich dabei nicht um eine bloße Aneinanderreihung verschiedener derartiger Materialien, sondern um einen neuen Werkstoff mit mehreren darin enthaltenen Komponenten, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff können insbesondere gegenüber dem Stand der Technik preisgünstigere und einfachere Sensor- bzw. Aktorelemente hergestellt bzw. auch neue Applikationsfelder für solche Sensor- bzw. Aktorelemente erschlossen werden. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff zum Einsatz in Drehzahlfühlern, Stromsensoren, Drehmomentsensoren, Kraftsensoren, beispielsweise zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, Elektrowerkzeu- gen oder in der Haushaltstechnik. Daneben sind damit sehr vorteilhaft auch passive Sensorelemente realisierbar, d.h. Sensorelemente, die keinerlei Spannungsversorgung benötigen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes liegt darin, dass bei dessen Verwendung in entsprechenden Sensorelementen eine berührungslose Messung magnetischer Felder ohne Energieversorgung des Sensorelementes, d.h. passiv, möglich ist. Dies erlaubt unter anderem auch eine tele- metrische Abfrage des jeweiligen Sensorsignals ohne Energiezufuhr. Zudem ist der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff auch unter erschwerten Bedingungen bzw. belasteten Umgebungen, wie beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen in der Umgebung eines Motors eines Kraftfahrzeuges oder an einer Bremse eines Kraftfahrzeuges, einsetzbar.
Weiter bietet der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff den Vorteil, dass damit auch elektrische Felder in Abhängigkeit von einer Änderung der Permeabilität des Kompositwerkstoffes messbar sind. So kann beispielsweise eine angelegte elektrische Spannung an dem Kompositwerkstoff die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises verändern. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, sowohl eine auf den erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff einwirkende statische Kraft mit einem an sich bekannten magnetoelastischen Abgriff zu messen, als auch eine auf den Kompositwerkstoff einwirkende dynamische Kraft durch einen entsprechenden Spannungsabgriff an einem piezoelektrischen Wandler. Insofern können die Vorteile bekannter magnetoelastischer Sensoren und piezoelektrischer Sensoren beliebig kombiniert werden, wobei dynamische und statische Kräfte mit einem Sensorelement mit dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff insbesondere auch gleichzeitig messbar sind.
In diesem Zusammenhang ist weiter vorteilhaft, dass der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff mittels üblicher Formgebungsverfahren beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftsensor geformt werden kann, und dass auch die Krafteinleitung in den Kompositwerkstoff unproblematisch ist, da es sich bei dem magnetoelastischen bzw. piezoelektrischen Effekt in dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff jeweils um einen Volumeneffekt handelt.
Schließlich ist vorteilhaft, dass ein Sensorelement bzw. Aktorelement mit dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff ohne Weiteres auch zur Selbstdiagnose einsetzbar ist, da es problemlos von einer Sensorfunktionalität auf eine Aktorfunktionalität und umgekehrt umgeschaltet werden kann.
Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Kompositwerkstoffes ist vorteilhaft, dass in erheblichem Umfang auch bekannte Fertigungsverfahren zur Herstellung von weichmagnetischen Verbundwerkstoffen oder auch auf Verfahren zur Herstellung nanoskaliger Pulver mit einer Oberflächenbe- schichtung zurückgegriffen werden kann. Daneben ist vorteilhaft, dass zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes auch übliche Aufdampfverfahren oder Sputterver- fahren, wie beispielsweise CVD-Verfahren („Chemical Vapor Deposition") , PVD-Verfahren („Physical Vapor Deposition") , PECVD-Verfahren („Physically Enhanced Chemical Vapor Deposition") oder MOCVD-Verfahren („Metal Organic Chemical Vapor Deposition") einsetzbar sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, wenn die erste, sich wie ein piezoelektrisches Material verhaltende Komponente des Kompositwerkstoffes ein keramisches piezoelektrisches Material wie beispielsweise eine PZT-Keramik ist. Daneben kommen vorteilhaft Quarz, Zinkoxid, ein ferroelektrisches Material wie Bariumtitanat oder Bleititanat oder ein ferroelektrisches piezokeramisches Material in Frage. Die zweite Komponente des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes ist vorteilhaft ein weichmagnetisches, stark magnetoelastisches Material wie beispielsweise eine Nickel-Eisen-Legierung, eine Kobalt- Eisen-Legierung, ein Eisenoxid wie Fe203, eine Terbium- Dysprosium-Eisen-Legierung oder eine Nickel-Mangan-Gallium- Legierung.
Hinsichtlich des Aufbaus des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser aus einer Mischung von Pulvern aus der ersten Komponente und der zweiten Komponente hergestellt ist, wobei die eingesetzten Pulverpartikel bevorzugt eine mittlere Teilchengröße von 20 nm bis 20 μm, insbesondere 500 nm bis 5 μm, aufweisen. Ein solches Pulvergemisch kann dann in üblicher Weise zu einem Formkörper gesintert werden.
Weiter ist vorteilhaft, wenn der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff aus mindestens zwei, vorzugsweise jedoch einer Vielzahl von Schichten aufgebaut ist, die übereinander angeordnet sind, und die abwechselnd die erste Komponente aus dem piezoelektrischen Material und die zweite Komponente aus dem magnetoelastischen Material aufweisen. Diese Schichten haben dann jeweils eine Dicke von weniger als 2 μm, insbesondere weniger als 500 nm. Schließlich hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die erste oder zweite Komponente als nanoskaliges Pulver vorliegt, das oberflächlich mit einer Beschichtung mit dem Material der jeweils anderen Komponente versehen ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Pulverteilchen aus der zweiten Komponente, d.h. dem magnetoelastischen Material, bestehen, und wenn die Oberflächenbeschichtung von dem piezoelektrischen Material, d.h. der ersten Komponente, gebildet wird.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kompositwerkstoffes, der über Elektroden mit einer Spannungsquelle verschaltet ist, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele
Der nachfolgend erläuterte Kompositwerkstoff und die erläuterten Verfahren zu dessen Herstellung gehen von der grundsätzlichen Erkenntnis aus, dass Magnetfelder, insbesondere statische Magnetfelder, in einem magnetoelastischen Material aufgrund des magnetoelastischen Effektes Dehnungen bzw. Stauchungen hervorrufen, die dann in dem ebenfalls in dem Kompositwerkstoff enthaltenen piezoelektrischen Material elektrische Spannungen induzieren.
Die Umwandlungskette ist dabei typischerweise derart, dass zunächst über ein externes Magnetfeld, das beispielsweise über eine Spule, einen Magneten oder einen weichmagnetischen Modulator erzeugt wird, ein magnetoelastischer Effekt in dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff hervorgerufen wird, der zu einer Dehnung oder Stauchung in dem Bereich des Kompositwerkstoffes führt, der von der zweiten Komponente, d.h. dem magnetoelastischen Material, eingenommen wird.
Diese Dehnung bzw. Stauchung wird dann in dem Kompositwerkstoff auf die erste Komponente, d.h. das piezoelektrische Material, übertragen, so dass dort ein piezoelektrischer Effekt auftritt, d.h. es wird eine elektrische Spannung induziert, die an dem Kompositwerkstoff durch übliche Elektroden abgegriffen und weiterverarbeitet werden kann.
Es sei jedoch betont, dass auch der umgekehrte Umwandlungspfad möglich ist, d.h. eine angelegte elektrische Spannung verändert die magnetischen Eigenschaften, beispielsweise die Permeabilität, des Kompositwerkstoffes und generiert darüber ein magnetisches Feld. Zwischen beiden Effekten kann schließlich auch nach Belieben hin- und hergeschaltet werden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel, das mit Hilfe der Figur 1 erläutert wird, geht von einem ersten Pulver aus einer ersten Komponente 11 aus. Die erste Komponente 11 ist ein piezoelektrisches Material bzw. verhält sich wie ein solches unter einer aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung. Weiter wird ein zweites Pulver aus einer zweiten Komponente 12 bereitgestellt, wobei die zweite Komponente 12 ein magnetoelastisches Material ist oder sich unter dem Ein- fluss einer aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein solches verhält.
Das erste und das zweite Pulver werden bevorzugt jeweils als Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 20 nm bis 20 μm, insbesondere 500 nm bis 5 μm, eingesetzt. Weiter werden diese Ausgangspulver bevorzugt mit einem Binder, bei- spielsweise einem organischen Binder, und/oder einem üblichen Presshilfsmittel vermischt.
Nach dem Vermischen der beiden Pulver aus der ersten Komponente 11 und der zweiten Komponente 12 und dem Zusatz des organischen Binders erfolgt eine Formgebung, beispielsweise ein Verpressen wie ein Kaltverpressen, so dass danach ein Formkörper erhalten wird. Dieser Formkörper wird dann in üblicher Weise entbindert und abschließend gesintert, so dass ein Kompositwerkstoff 5 aus der ersten Komponente 11 und der zweiten Komponente 12 entsteht, wobei diese Komponenten stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Der Kompositwerkstoff 5 kann dann weiter gemäß Figur 1 oberflächlich mit Elektroden 20 versehen werden, die mit einer Spannungsquelle 25 in Verbindung stehen. Anstelle der Spannungsquelle 25 kann jedoch auch ein Spannungsabgriff vorgesehen sein. Die Erzeugung der Elektroden 20 erfolgt in üblicher Weise durch Aufdampfen, Aufsputtern oder auch Aufkleben bzw. Aufpressen.
Im Übrigen sei betont, dass es sich bei der Darstellung gemäß Figur 1 lediglich um eine Prinzipskizze handelt, d.h. die Pulverteilchen der ersten bzw. zweiten Komponente 11, 12 müssen keinesfalls alle gleich groß sein bzw. die dargestellte regelmäßige Anordnung aufweisen.
Weiter ist darauf zu achten, dass der Anteil des organischen Binders in der vor dem Verpressen erzeugten Pressmasse möglichst gering gewählt ist, damit der schließlich erhaltene Kompositwerkstoff 5 nach dem Sintern eine möglichst hohe Dichte aufweist.
Konkret eignet sich als Pulver für die erste Komponente 11 beispielsweise ein keramisches piezoelektrisches Pulver wie übliche PZT-Pulver oder auch ein Quarz-Pulver, ein Zinkoxid- Pulver, ein Bariumtitanat-Pulver, ein Bleititanat-Pulver oder ein ferroelektrisches piezokeramisches Pulver.
Das zweite Pulver, das von der zweiten Komponente 12 gestellt wird, ist bevorzugt ein ferromagnetisches, insbesondere weichmagnetisches Pulver wie beispielsweise ein Pulver einer Nickel-Eisen-Legierung, einer Kobalt-Eisen-Legierung, ein Eisenoxidpulver wie Fe203-Pulver , ein Pulver einer Ter- bium-Dysposium-Eisen-Legierung oder einer Nickel-Mangan- Gallium-Legierung.
Ein zweites Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe der Figur 2 erläutert. Dort ist vorgesehen, dass der Kompositwerkstoff 5 von einer Vielzahl von übereinander angeordneten ersten Schichten 13 und zweiten Schichten 14 gebildet ist, wobei die erste Schicht 13 jeweils aus der ersten Komponente 11 und die zweite Schicht 14 jeweils aus der zweiten Komponente 12 besteht. Die Dicke der einzelnen Schichten 13, 14 liegt üblicherweise unter 2 μm, insbesondere unter 500 nm.
Zur Herstellung der Schichtanordnung gemäß Figur 2 wird zunächst die erste Schicht 13 aus der ersten Komponente 11 auf ein weitgehend beliebiges Substrat aufgedampft oder aufge- sputtert, danach wird die zweite Schicht 14 aus der zweiten Komponente 12 auf die erste Schicht 13 aufgesputtert bzw. aufgedampft, anschließend wieder die erste Schicht 13 usw.. Offensichtlich kann dabei auch zunächst die zweite Schicht 14 auf das Substrat aufgedampft werden kann und auf diese dann die erste Schicht 13 usw.. Abschließend werden dann auf die erzeugte Schichtanordnung, wie bereits erläutert, Elektroden 20 aufgebracht.
Zur Abscheidung der einzelnen Schichten 13, 14 eignen sich übliche physikalische/chemische Abscheideverfahren zur Her- Stellung von Funktionsschichten wie beispielsweise das CVD- Verfahren, das PVD-Verfahren, das PECVD-Verfahren oder auch das MOCVD-Verfahren, wobei letzteres am Beispiel der Herstellung von Oxiden aus metallorganischen Precursoren bzw. Vorläuferverbindungen in R. Xu, Journal of Materials, Oktober 97, Vol. 49, Nr. 10, „The Challenge of Precurser Com- pounds in the MOCVD of Oxides" ausführlich erläutert wird. Dieser Artikel ist im Internet unter www.tms.org/pubs/ jour- nals/JOM/9710/Xu/Xu-9710.html verfügbar.
Als Material zur Ausbildung der ersten Schicht 13 aus der ersten Komponente 11 eignen sich die bereits mit Hilfe des ersten Ausführungsbeispiels erläuterten Materialien für die erste Komponente 11 dort. Gleiches gilt auch für die Materialien der zweiten Schicht 14 aus der zweiten Komponente 12.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur 3 erläutert. Dabei ist vorgesehen, dass nanoskali- ge Pulverteilchen mit einer mittleren Korngröße von 20 nm bis 300 nm aus der zweiten Komponente 12, d.h. dem magnetoelastischen Material, mit einer Oberflächenbeschichtung aus dem Material der ersten Komponente 11, d.h. dem piezoelektrischen Material, versehen werden. Es sei jedoch betont, dass auch umgekehrt vorgegangen werden kann, d.h. es werden nanoskalige Pulverteilchen der ersten Komponente 11 mit einer Oberflächenbeschichtung aus dem Material der zweiten Komponente 12 versehen.
Aus dem dadurch jeweils erhaltenen oberflächenbeschichteten Pulver aus nanoskaligen Teilchen wird dann ein Formkörper erzeugt. Dies erfolgt beispielsweise mittels Verpressen, insbesondere durch Kaltverpressen, und anschließendes Sintern. Dazu kann, analog dem ersten Ausführungsbeispiel, dem Pulver mit den oberflächenbeschichteten nanoskaligen Teilchen zunächst ein insbesondere organischer Binder und/oder ein Presshilfsmittel zugesetzt werden, so dass die so erhaltene Masse einfacher verpresst, anschließend entbindert und schließlich in üblicher Weise gesintert werden kann.
Bevorzugt erfolgt das Erzeugen der vorstehend erläuterten nanoskaligen Teilchen mit einer Oberflächenbeschichtung in einem Plasma, indem beispielsweise das zweite Material mit den nanoskaligen Teilchen in dem Plasma aus einer Vorläuferverbindung, insbesondere einer metallorganischen Vorläuferverbindung wie beispielsweise Nickel-Eisen-Karbonyl, erzeugt wird.
Im Einzelnen wird dabei eine geeignete metallorganische Vorläuferverbindung in dem Plasma in nanoskalige Pulverpartikel aus der ersten Komponente 11 oder, bevorzugt, der zweiten Komponente 12 überführt. Gleichzeitig bewirkt das Plasma dabei ein Entfernen der organischen Bestandteile der Vorläuferverbindung an der Oberfläche der gebildeten nanoskaligen Teilchen, so dass diese Oberflächen in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt, beispielsweise bereits in dem Plasma durch gezielte Zugabe eines geeigneten Reaktionspartners, mit der gewünschten Oberflächenbeschichtung versehen werden können. Insbesondere erfolgt dazu die Zugabe des Reaktionspartners zu dem Plasma lediglich temporär.
Bevorzugt ist der zugesetzte Reaktionspartner eine weitere Vorläuferverbindung oder ein Reaktivgas, so dass sich aus dieser weiteren Vorläuferverbindung bzw. dem Reaktivgas auf der Oberfläche der nanoskaligen Teilchen aus der zweiten Komponente 12 eine Oberflächenbeschichtung aus dem Material der ersten Komponente 11, d.h. einem piezoelektrischen Mate- rial wie beispielsweise Zinkoxid, bildet. Als Reaktivgas eignet sich dabei beispielsweise Sauerstoff.
Insgesamt wird auf diese Weise eine Oberflächenbeschichtung auf den nanoskaligen Pulverteilchen mit einer typischen Dik- ke von 10 nm bis 300 nm, vorzugsweise von 20 nm bis 100 nm, erzeugt.
Bei der erläuterten Oberflächenbeschichtung der nanoskaligen Pulverteilchen ist im Übrigen darauf zu achten, dass die aufgebrachte Beschichtung die einzelnen nanoskaligen Pulverpartikel möglichst vollständig umgibt.
Als Materialien für das nanoskalige Pulver, d.h. die zweite Komponente 12, eignen sich die entsprechenden Pulverteilchen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit entsprechender Korngröße. Als Material für die Oberflächenbeschichtung, d.h. für die erste Komponente 11, eignet sich neben Zinkoxid vor allem auch Bariumtitanat .
Im Rahmen des vorstehenden Ausführungsbeispiels ist es zudem vielfach zweckmäßig, schon bei der Erzeugung der Oberflächenbeschichtung auf den nanoskaligen Pulverteilchen ein Magnetfeld an die Pulverteilchen anzulegen, um dabei bereits eine weitgehend einheitliche Ausrichtung der magnetischen Domänen in den nanoskaligen Pulverteilchen aus dem magnetoelastischen Material zu erreichen. Dies führt zu einer im Späteren erhöhten Sensibilität des erhaltenen Kompositwerkstoffes hinsichtlich einer gewünschten Sensierrichtung.

Claims

Patentansprüche
1. Kompositwerkstoff mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Komponente (11) unter dem Einfluss einer dem Kompositwerkstoff (5) aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung wie ein piezoelektrisches Material verhält, und dass sich die zweite Komponente (12) unter dem Einfluss einer dem Kompositwerkstoff (5) aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein magnetoelastisches Material verhält.
2. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (11) ein keramisches piezoelektrisches Material, insbesondere PZT-Keramik, Quarz, Zinkoxid, ein ferroelektrisches Material wie BaTi03 oder PbTi03 oder ein ferroelektrisches piezokeramisches Material ist oder enthält.
3. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (12) ein ferromagneti- sches, insbesondere weichmagnetisches Material ist oder enthält.
4. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (12) eine NiFe- Legierung, eine CoFe-Legierung, ein Eisenoxid wie Fe203, ei- ne TbDyFe-Legierung oder eine NiMnGa-Legierung ist oder enthält.
5. Kompositwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente
(11) eine erste Schicht (13) und die zweite Komponente eine zweite Schicht (14) bildet.
6. Kompositwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten und zweiten Schichten (13, 14) vorgesehen ist, die abwechselnd übereinander angeordnet sind, und die eine Dicke von jeweils weniger als 2 μm, insbesondere weniger als 500 nm, aufweisen.
7. Kompositwerkstoff nach einem der 'vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente
(12) nanoskalige Pulverteilchen mit einer mittleren Korngröße von 20 nm bis 300 nm aufweist, wobei zumindest ein Teil der Pulverteilchen mit einer Oberflächenbeschichtung mit dem Material der ersten Komponente (11) versehen ist.
8. Kompositwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (11) nanoskalige Pulverteilchen mit einer mittleren Korngröße von 20 nm bis 300 nm aufweist, wobei zumindest ein Teil der Pulverteilchen mit einer Oberflächenbeschichtung mit dem Material der zweiten Komponente (12) versehen ist.
9. Kompositwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zu einem Formkörper gesintert ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes nach einem der vorangehenden Ansprüche mit den Verfahrens- schritten a.) Bereitstellen eines ersten Pulvers mit einer ersten Komponente (11) , die sich unter dem Einfluss einer aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung wie ein piezoelektrisches Material verhält, und eines zweiten Pulvers mit einer zweiten Komponente (12), die sich unter dem Einfluss einer aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein magnetoelastisches Material verhält, b.) Vermischen der Pulver, c.) Verpressen der Pulvermischung und d.) Sintern der verpressten Pulvermischung.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulvermischung vor dem Verpressen ein insbesondere organischer Binder und/oder ein Presshilfsmittel zugesetzt wird, und dass die verpresste Pulvermischung vor dem Sintern entbindert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes und/oder zweites Pulver ein Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 20 nm bis 20 μm, insbesondere 500 nm bis 5 um, eingesetzt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Verfahrensschritten a.) Bereitstellen oder Erzeugen einer zweiten Komponente (12) mit nanoskaligen Teilchen, die sich unter dem Einfluss einer aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein magnetoelastisches Material verhalten, b.) Aufbringen einer Beschichtung mit einer ersten Komponente
(11) auf die Oberfläche der nanoskaligen Teilchen, wobei sich die erste Komponente (11) unter dem Einfluss einer aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung wie ein piezoelektrisches Material verhält.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenbeschichteten nanoskaligen Teilchen in Form eines Pulvers erzeugt werden, das danach einer Formgebung unterzogen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung mittels Verpressen, insbesondere Kaltverpressen, erfolgt, und dass der erhaltene Formkörper anschließend gesintert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pulver zunächst ein insbesondere organischer Binder und/oder ein Presshilfsmittel zugesetzt wird, und dass die so erhaltene Masse dann verpresst, entbindert und gesintert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (12) mit nanoskaligen Teilchen in einem Plasma aus einer Vorläuferverbindung, insbesondere einer metallorganischen Vorläuferverbindung, erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Beschichtung mit der ersten Komponente (11) auf die Oberfläche der nanoskaligen Teilchen in einem Plasma durch insbesondere temporären Zusatz einer weiteren Vorläuferverbindung oder eines Reaktivgases zu dem Plasma erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von 10 nm bis 300 nm, insbesondere 20 nm bis 100 nm, erzeugt wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Verfahrensschritten a.) Bereitstellen oder Erzeugen einer ersten Komponente (11) mit nanoskaligen Teilchen, die sich unter dem Einfluss einer aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung wie ein piezoelektrisches Material verhalten, b.) Aufbringen einer Beschichtung mit einer zweiten Komponente (12) auf die Oberfläche der nanoskaligen Teilchen, wobei sich die zweite Komponente (12) unter dem Einfluss einer aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein magnetoelastisches Material verhält.
21. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Verfahrensschritten a.) Erzeugung einer ersten Schicht (13) mit einer ersten Komponente (11) durch Aufsputtern oder Aufdampfen auf ein Substrat, wobei sich die erste Komponente (11) unter dem Einfluss einer aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung wie ein piezoelektrisches Material verhält, und b.) Erzeugen einer zweiten Schicht (14) mit der zweiten Komponente (12) durch Aufsputtern oder Aufdampfen auf die erste Schicht (13) , wobei sich die zweite Komponente (12) unter dem Einfluss einer aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein magnetoelastisches Material verhält.
22. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Verfahrensschritten a.) Erzeugung einer zweiten Schicht (14) mit einer zweiten Komponente (12) durch Aufsputtern oder Aufdampfen auf ein Substrat, wobei sich die zweite Komponente (12) unter dem Einfluss einer aufgeprägten mechanischen Spannung oder eines Magnetfeldes wie ein magnetoelastisches Material verhält und b.) Erzeugen einer ersten Schicht (13) mit einer ersten Korn- ponente (11) durch Aufsputtern oder Aufdampfen auf die zweite Schicht (14) , wobei sich die erste Komponente (11) unter dem Einfluss einer aufgeprägten elektrischen oder mechanischen Spannung wie ein piezoelektrisches Material verhält.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, insbesondere eine Vielzahl, von übereinander liegenden Schichten (13, 14) erzeugt werden, wobei die Schichten (13, 14) abwechselnd die erste Komponente (11) und die zweite Komponente (12) aufweisen.
24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass, das Aufdampfen oder Aufsputtern mittels eines CVD-Verfahrens, eines PVD-Verfahrens, eines MOCVD- Verfahrens oder eines PECVD-Verfahrens erfolgt.
25. Verwendung eines Kompositwerkstoffes nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Sensorelement oder einem Aktorelement, insbesondere einem Drehzahlfühler, einem Stromsensor, einem Drehmomentsensor, einem Kraftsensor oder einem passiven Sensorelement.
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