WO2007104784A1 - Vielschichtaktoren mit interdigitalelektroden - Google Patents

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Hans-Jürgen SCHREINER
Jürgen Schmidt
Reiner Bindig
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Ceramtec Ag
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    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a monolithic Dahlschich- actuator according to the preamble of claim 1 and a multilayer actuator according to the preamble of claim 2.
  • Monolithic multilayer actuators (hereafter also referred to generally as actuators) of the prior art typically consist of stacked thin layers 2 of active material, e.g. a piezoceramic or electrostrictive materials, each with interposed conductive internal electrodes 4.
  • Active material e.g. a piezoceramic or electrostrictive materials
  • Controllerelekt- roden 3 connect these internal electrodes 4 alternately.
  • the internal electrodes 4 are electrically connected in parallel and combined into two groups, which represent the two terminal poles of the actuator (see Fig. 1).
  • the described effect is also called a 33-effect, since the electric field is applied in the direction of polarization (spatial direction: first index 3) and the mechanical effects occurring in the same direction (spatial direction: second index 3) are used.
  • the 31 effect used in many bending elements characterizes the application of the electric field in the direction of polarization (spatial direction first index 3) and the use of the mechanical effects at right angles thereto (spatial direction of the second index 1).
  • the polarization direction 6 and the movement direction 7 of the actuator must run in the same direction, normally in the direction of the actuator longitudinal axis 5. This means that, as shown in Fig. 1, the individual layers 2 and inner electrodes 4 are at right angles to the Aktorlticiansachse 5 and the layering direction 8 is parallel to the Aktorlticiansachse 5.
  • the invention is based on the object to improve a method for producing a multilayer actuator according to the preamble of claim 1 so that the known and commercially available technology for the stacking and laminating can be used.
  • a multilayer actuator is to be specified according to the preamble of claim 2, which can have a large height in a very small footprint and in particular was prepared by the method just mentioned.
  • the layering direction 8 of all active foils is arranged at right angles to the longitudinal axis of the multilayer actuator and the foils are sintered together with the inner electrodes in a cofiring process, can be known and commercially available Technology can be used for the stacking and laminating machines.
  • the cofiring process is understood to mean that the internal electrodes are completely laminated and sintered together with the ceramic.
  • the cofiring process is thus the simultaneous sintering of the internal electrodes together with the ceramic foils in one step.
  • the object is achieved with respect to the multilayer actuator by the features of claim 2.
  • multilayer actuators 33- Actuators are easily manufactured with a high level, which are needed for example for valve actuators.
  • the internal electrodes are no longer completely incorporated as a metal layer in the actuators, but as interconnects with the finest possible conductors. It is therefore only a fraction of the very expensive, noble metal-containing internal electrode material needed.
  • the inventive method leads to a simpler and less complicated process, to save precious metal-containing inner electrode and thus to significantly lower manufacturing costs for actuators and flexures.
  • An embodiment of the invention is characterized in that the inner electrodes of both polarities are comb-like, each having a base conductor and of this substantially perpendicular outgoing comb conductors, wherein the comb conductors of both polarities engage each other so that except for the edge region of the films each Kammleiterbahn one polarity is arranged between two comb conductors of the other polarity.
  • These comb-shaped interlocking internal electrodes are also referred to below as interdigital electrodes.
  • the base conductor tracks are preferably arranged adjacent to opposite sides of the film.
  • the thickness of the films is 10 ⁇ m to 300 ⁇ m, preferably 30 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the width of the conductor tracks of the internal electrodes is 0.05 to 0.5 mm, preferably 0.1 to 0.2 mm.
  • the distance between the conductor tracks of the internal electrodes is selected so that a field strength of 0.5 to 5 kV / mm, preferably 1, 5 to 2.5 kV / mm is established at a desired operating voltage.
  • the multilayer actuator also contains inactive films without internal electrodes in addition to the active films, so that one or more active zones and one or more inactive zones are formed and the multilayer actuator can bend during operation.
  • foils with a full-area inner electrode not electrically contacted by the outer electrode are arranged between the active zones and the inactive zones.
  • a low sintering piezoceramic material is used for the ceramic. Such a piezoceramic material is described, for example, in DE 198 40 488 A1.
  • Figure 1 shows a monolithic 33-actuator 1, carried out according to the prior art.
  • the polarization direction 6, the direction of movement 7 and the layering direction 8 extend in the direction of the actuator longitudinal axis 5 (see also the introduction to the description). Full-surface internal electrodes are used here.
  • Monolithic 33-actuators for bending elements can not be made according to the prior art by a stack / lamination method, but are sawed off from larger, already sintered and electro-33 actuators as thin slices.
  • 33-bend reactors can not be made by stacking / lamination processes, but must be joined by gluing from sintered and electroded part actuators.
  • FIG. 2 shows a monolithic 33-actuator (multilayer actuator) according to the invention. It should be emphasized that the polarization direction 6 and the direction of movement 7 extend in the direction of the actuator longitudinal axis 5. The direction of the stratification 8, however, is at right angles to it.
  • the interdigital electrodes 9 are electrically connected laterally by external electrodes 3. Only one of the outer electrodes 3 is shown, the other outer electrode is on the opposite side.
  • FIG. 3 shows the plan view of a monolithic 33 actuator according to the invention with interdigitated interdigital electrodes 9.
  • FIG. 4 shows a section through the monolithic 33 actuator shown in FIG. 3 along the section line A-B.
  • FIG. 5 shows a section (as in FIG. 4) through a monolithic 33-bend reactor, carried out by the method according to the invention.
  • an inactive zone 12 is formed.
  • the remaining actuator package 10 or the active zone bends the structure downward when it expands in the direction of movement 7.
  • Full-surface applied, electrically non-contacted internal electrodes 13 prevent any cracks resulting from the bend grow into the passive zone.
  • Figure 6 shows a section through a monolithic 33-bending reactor, carried out according to the inventive method.
  • an inactive zone 12 is formed.
  • the remaining actuator packages 10, 11 deform the structure upwards or downwards if they expand alternately.
  • Internal electrodes 13 which are applied over the entire surface and are not electrically contacted prevent bending due to the bending Growing cracks grow into the inactive zone 12.

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschichtaktors (1) aus einem Stapel dünner aktiver Folien (2) aus Piezokeramik mit aufgebrachten metallischen Innenelektroden, die wechselseitig aus dem Stapel herausführen und über Außenelektroden (3) elektrisch parallel geschaltet werden. Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie (2) die Innenelektroden (9) beider Polaritäten als Leiterbahnen aufgebracht werden, die Schichtungsrichtung (8) aller aktiven Folien (2) rechtwinklig zur Längsachse (5) des Vielschichtaktors (1) angeordnet werden und die Folien (2) mit den Innenelektroden (9) zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert werden, kann bekannte und marktübliche Technik für die Stapel- und Laminiermaschinen eingesetzt werden.

Description

Vielschichtaktoren mit Interdigitalelektroden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschich- taktors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
Monolithische Vielschichtaktoren (nachfolgend auch allgemein als Aktoren bezeichnet) nach dem Stand der Technik bestehen in der Regel aus gestapelten dünnen Schichten 2 aktiven Materials, z.B. einer Piezokeramik oder elektrostriktiven Materialien, mit jeweils dazwischen angeordneten leitfähigen Innenelektroden 4. Außenelekt- roden 3 verbinden diese Innenelektroden 4 abwechselnd. Dadurch werden die Innenelektroden 4 elektrisch parallel geschaltet und zu zwei Gruppen zusammengefasst, welche die beiden Anschlusspole des Aktors darstellen (siehe Fig. 1 ).
Legt man eine elektrische Spannung an die Anschlusspole, so wird diese auf alle Innenelektroden parallel übertragen und verursacht ein elektrisches Feld in allen Schichten aktiven Materials, das sich dadurch mechanisch verformt. Die Summe aller dieser mechanischen Verformungen steht an den Endflächen des Aktors als nutzbare Dehnung und/oder Kraft in Richtung der Aktorlängsachse 5 zur Verfügung.
Der beschriebene Effekt wird auch als 33-Effekt bezeichnet, da das elektrische Feld in Richtung der Polarisation angelegt wird (Raumrichtung: erster Index 3) und die in der gleichen Richtung auftretenden mechanischen Effekte (Raumrichtung: zweiter Index 3) genutzt werden. Im Gegensatz dazu kennzeichnet der bei vielen Biegeelementen genutzte 31 -Effekt das Anlegen des elektrischen Feldes in Polarisationsrichtung (Raumrichtung erster Index 3) und die Nutzung der mechanischen Effekte rechtwinklig dazu (Raumrichtung zweiter Index 1 ). Um den 33-Effekt nutzen zu können müssen die Polarisationsrichtung 6 und die Bewegungsrichtung 7 des Aktors in der gleichen Richtung, normalerweise in Richtung der Aktorlängsachse 5 verlaufen. Das bedeutet, dass, wie in Fig. 1 dargestellt, die einzelnen Schichten 2 und Innenelektroden 4 im rechten Winkel zur Aktorlängsachse 5 liegen und die Schichtungsrichtung 8 parallel zur Aktorlängsachse 5 verläuft.
Es müssen deshalb sehr viele Schichten bzw. Keramiklagen mit Innenelektroden ü- bereinander gestapelt werden, wobei die Innenelektroden als dünne Metallschichten ausgebildet sind. Für einen Aktor mit den Abmessungen 7 x 14 x 100 mm müssen z.B. 1 100 Lagen mit je 0,09 mm Dicke passgenau übereinander gestapelt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Viel- schichtaktors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, das bekannte und marktübliche Technik für die Stapel- und Laminiermaschinen eingesetzt werden können. Außerdem soll ein Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 angegeben werden, der bei einer sehr kleinen Grundfläche eine große Hö- he aufweisen kann und insbesondere nach dem eben genannten Verfahren hergestellt wurde.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie die Innenelektroden beider Polaritäten als Lei- terbahnen aufgebracht werden, die Schichtungsrichtung 8 aller aktiven Folien rechtwinklig zur Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet werden und die Folien mit den Innenelektroden zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert werden, kann bekannte und marktübliche Technik für die Stapel- und Laminiermaschinen eingesetzt werden.
Unter cofiring-Prozess wird verstanden, dass die Innenelektroden komplett einlaminiert und zusammen mit der Keramik gesintert werden. Der cofiring-Prozess ist somit das gleichzeitige Sintern der Innenelektroden zusammen mit den Keramikfolien in einem Arbeitsschritt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des Vielschichtaktors durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.
Dadurch, dass auf jeder aktiven Folie die Innenelektroden beider Polaritäten als Leiterbahnen angeordnet sind, die Schichtungsrichtung aller aktiven Folien rechtwinklig zur Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet sind und die Folien mit den Innenelektroden zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert sind, können Vielschichtak- toren (33-Aktoren) mit einer großen Höhe einfach gefertigt werden, die zum Beispiel für Ventilantriebe benötigt werden.
Es ist auch sehr leicht möglich 33-Aktoren mit sehr kleiner Grundfläche und großer Höhe zu erzeugen, wie sie für 33-Biegeaktoren benötigt werden.
Es ist auch sehr leicht möglich, diese Biegeelemente direkt im gleichen Prozess monolithisch herzustellen.
Die Innenelektroden sind nicht mehr vollflächig als Metallschicht in die Aktoren eingebracht, sondern als Leiterbahnen mit möglichst feinen Leitern. Es wird deshalb nur ein Bruchteil des sehr teueren, edelmetallhaltigen Innenelektrodenmaterials benötigt.
Insgesamt führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem einfacheren und unkomplizierteren Prozess, zur Einsparung von edelmetallhaltiger Innenelektrode und damit zu erheblich geringeren Herstellkosten für Aktoren und Biegeelemente.
Es wird möglich Aktortypen wirtschaftlich zu fertigen, die bis jetzt aus Kostengründen nicht in großen Stückzahlen herstellbar waren. Für einen Aktor mit den Abmessungen 7 x 14 x 100 mm müssen nach diesem Verfahren lediglich 77 Lagen mit je 0,1 mm Dicke passgenau übereinander gestapelt werden. - A -
Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenelektroden beider Polaritäten kammartig ausgebildet sind mit jeweils einer Basisleiterbahn und von dieser im Wesentlichen rechtwinklig ausgehenden Kammleiterbahnen, wobei die Kammleiterbahnen beider Polaritäten so ineinander greifen, dass bis auf den Randbereich der Folien jede Kammleiterbahn einer Polarität zwischen zwei Kammleiterbahnen der anderen Polarität angeordnet ist. Diese kammförmig ineinander greifenden Innenelektroden werden nachfolgend auch als Interdigitalelektroden bezeichnet.
Bevorzugt sind die Basisleiterbahnen angrenzend an sich gegenüberliegenden Seiten der Folie angeordnet.
Vorteilhaft beträgt die Dicke der Folien 10 μm bis 300 μm, bevorzugt 30 μm bis 100 μm.
In erfindungsgemäßer Ausbildung beträgt die Breite der Leiterbahnen der Innenelektroden 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,2 mm.
Der Abstand zwischen den Leiterbahnen der Innenelektroden ist so gewählt ist, dass sich bei einer gewünschten Betriebsspannung eine Feldstärke von 0,5 bis 5 kV/mm, bevorzugt 1 ,5 bis 2,5 kV/mm einstellt.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung enthält der Vielschichtaktor zusätzlich zu den aktiven Folien auch inaktive Folien ohne Innenelektroden, so dass eine oder mehrere aktive Zonen und eine oder mehrere inaktive Zonen entstehen und der Vielschichtaktor im Betrieb eine Biegung ausführen kann.
Bevorzugt sind zwischen den aktiven Zonen und den inaktiven Zonen Folien mit einer vollflächigen, elektrisch durch die Außenelektrode nicht kontaktierten, Innenelektrode angeordnet. Bevorzugt wird für die Keramik ein niedrig sinterndes piezokeramisches Material verwendet. Ein derartiges piezokeramisches Material ist zum Beispiel beschrieben in der DE 198 40 488 A1 .
Nachfolgend werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen monolithischen 33-Aktor 1 , ausgeführt nach dem Stand der Technik.
Hervorzuheben ist, dass die Polarisationsrichtung 6, die Bewegungsrichtung 7 und die Schichtungrichtung 8 in Richtung der Aktorlängsachse 5 verlaufen (siehe hierzu auch die Beschreibungseinleitung). Es werden hier vollflächige Innenelektroden eingesetzt.
Monolithische 33-Aktoren für Biegeelemente können nach dem Stand der Technik nicht sinnvoll über ein Stapel/Laminierverfahren hergestellt werden, sondern werden von größeren, bereits gesinterten und elektrodierten 33-Aktoren als dünne Scheiben abgesägt.
33-Biegeaktoren können durch Stapel/Laminierverfahren nicht hergestellt werden, sondern müssen aus gesinterten und elektrodierten Teilaktoren durch Verkleben gefügt werden.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen monolithischen 33-Aktor (Vielschichtaktor). Hervorzuheben ist, dass die Polarisationsrichtung 6 und die Bewegungsrichtung 7 in Richtung der Aktorlängsachse 5 verlaufen. Die Richtung der Schichtung 8 verläuft dagegen rechtwinklig dazu. Die Interdigitalelektroden 9 sind seitlich durch Außenelektroden 3 elektrisch verbunden. Es ist nur eine der Außenelektroden 3 gezeigt, die andere Außenelektrode befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite. Figur 3 zeigt die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen monolithischen 33-Aktor mit ineinander greifenden Interdigitalelektroden 9.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch den in Figur 3 gezeigten monolithischen 33-Aktor entlang der Schnittlinie A-B. Hervorzuheben ist die abwechselnde Polarität der Inter- digitalelektroden 9 und dass die Schichtungsrichtung 8 rechtwinklig zur Polarisations- 6 und Bewegungsrichtung 7 ist.
Figur 5 zeigt einen Schnitt (wie in Figur 4) durch einen monolithischen 33-Biegeaktor, ausgeführt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch Weglassen der Interdigitalelektroden 9 im unteren Schichtungsbereich entsteht eine inaktive Zone 12. Das verbleibende Aktorpaket 10 bzw. die aktive Zone verbiegt die Struktur nach unten, wenn es sich in der Bewegungsrichtung 7 ausdehnt. Vollflächig aufgebrachte, elektrisch nicht kontaktierte Innenelektroden 13 verhindern, dass eventuell durch die Biegung entstehende Risse in die passive Zone hineinwachsen.
Figur 6 zeigt einen Schnitt durch einen monolithischen 33-Biegeaktor, ausgeführt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Durch Weglassen der Elektroden im mittleren Schichtungsbereich entsteht eine inaktive Zone 12. Die verbleibenden Aktorpakete 10, 1 1 verbiegen die Struktur nach oben oder unten, wenn sie sich wechselweise ausdehnen 7. Vollflächig aufgebrachte, elektrisch nicht kontaktierte Innenelektroden 13 verhindern, dass eventuell durch die Biegung entstehende Risse in die inaktive Zone 12 hineinwachsen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Vielschichtaktors (1 ) aus einem Stapel dünner aktiver Folien (2) aus Piezokeramik mit aufgebrachten metallischen Innenelektroden, die wechselseitig aus dem Stapel herausführen und über Au- ßenelektroden (3) elektrisch parallel geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder aktiven Folie (2) die Innenelektroden (9) beider Polaritäten als Leiterbahnen aufgebracht werden, die Schichtungsrichtung (8) aller aktiven Folien (2) rechtwinklig zur Längsachse (5) des Vielschichtaktors (1 ) angeordnet werden und die Folien (2) mit den Innenelektroden (9) zusammen in einem cofiring- Prozess gesintert werden.
2. Monolithischer Vielschichtaktor aus einem Stapel dünner aktiver Folien (2) aus Piezokeramik mit aufgebrachten metallischen Innenelektroden (9), die wechselseitig aus dem Stapel herausführen und über Außenelektroden (3) elektrisch parallel geschaltet sind, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren nach An- spruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder aktiven Folie (2) die Innenelektroden (9) beider Polaritäten als Leiterbahnen angeordnet sind, die Schichtungsrichtung (8) aller aktiven Folien (2) rechtwinklig zur Längsachse (5) des Vielschichtaktors (1 ) angeordnet sind und die Folien (2) mit den Innenelektroden (9) zusammen in einem cofiring-Prozess gesintert sind.
3. Vielschichtaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektroden (9) beider Polaritäten kammartig ausgebildet sind mit jeweils einer Basisleiterbahn (16) und von dieser im Wesentlichen rechtwinklig ausgehenden Kammleiterbahnen (17), wobei die Kammleiterbahnen (17) beider Polaritäten so ineinander greifen, dass bis auf den Randbereich (18) der Folien (2) jede Kammleiter- bahn (17) einer Polarität zwischen zwei Kammleiterbahnen der anderen Polarität angeordnet ist.
4. Vielschichtaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisleiterbahnen (16) angrenzend an sich gegenüberliegenden Seiten der Folie angeordnet sind.
5. Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Folien (2) 10 μm bis 300 μm, bevorzugt 30 μm bis 100 μm beträgt.
6. Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (15) der Leiterbahnen der Innenelektroden (9) 0,05 bis 0,5 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,2 mm beträgt.
7. Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (14) zwischen den Leiterbahnen der Innenelektroden (9) so gewählt ist, dass sich bei einer gewünschten Betriebsspannung eine Feldstärke von 0,5 bis 5 kV/mm, bevorzugt 1 ,5 bis 2,5 kV/mm einstellt.
8. Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielschichtaktor zusätzlich zu den aktiven Folien auch inaktive Folien ohne Innenelektroden enthält, so dass eine oder mehrere aktive Zonen (10, 1 1 ) und eine oder mehrere inaktive Zonen (12) entstehen und der Vielschichtaktor (1 ) im Betrieb eine Biegung ausführen kann.
9. Vielschichtaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den aktiven Zonen (10, 1 1 ) und den inaktiven Zonen (12) Folien (13) mit einer vollflächigen, elektrisch durch die Außenelektrode (3) nicht kontaktierten Innenelektroden angeordnet sind.
10. Vielschichtaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Keramik ein niedrig sinterndes piezokeramisches Materialverwen- det wird.
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