WO2007137950A1 - Vollaktiver piezoaktor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Vollaktiver piezoaktor und verfahren zu seiner herstellung

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WO2007137950A1
WO2007137950A1 PCT/EP2007/054817 EP2007054817W WO2007137950A1 WO 2007137950 A1 WO2007137950 A1 WO 2007137950A1 EP 2007054817 W EP2007054817 W EP 2007054817W WO 2007137950 A1 WO2007137950 A1 WO 2007137950A1
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contacting
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internal electrodes
piezoelectric
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Carsten Schuh
Andreas SCHÖNECKER
Bent BRÜCKNER
Sylvia Gebhardt
Morgane Radanielina
Thorsten Steinkopff
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
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    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins

Definitions

  • the present invention relates to a fully active piezoelectric actuator, in particular a multilayer actuator, and a method for its production.
  • the piezo actuators or stacks are designed as multilayers to achieve the required operating field strength of 2 kV / mm in a cost-effective system environment (drive sources, cabling).
  • drive sources for the commonly used piezo actuators with a ceramic layer thickness of 80 microns z.
  • B. a drive voltage of 160 V required.
  • the use of multilayer structures has a number of disadvantages, in particular with regard to component reliability.
  • the internal electrodes are alternately connected to the component surface by means of a collecting electrode and then connected via two leads to the drive source.
  • the inner metallization of the counter-pole inner electrode in the region of the collecting electrode is not led out to the surface, ie they cover only part of the surface of the adjacent piezoelectric ceramic layer.
  • an inactive area arises in the stack, which causes strong gradients of the electric field and thus also the mechanical stresses in the component.
  • the manufacturers of multilayer actuators have developed special design solutions that allow reliable operation of the piezo actuators with inactive areas up to 10 9 cycles.
  • the requirements from the system view are not satisfied satisfactorily.
  • the partial area electrodes cause cracks in the component, which in principle can not be avoided.
  • After the polarization of the piezoelectric actuator there is an initial damage, which is the trigger for a mechanical failure at high number of cycles.
  • the combination of all the same-pole electrodes excludes the individual activation of individual ceramic layers.
  • Another aspect is the limitation of miniaturization, since with a cross-sectional reduction of the stack, the relative proportion of the passive volume grows and thus the efficiency of the actuator decreases.
  • the fully active piezoactuator in particular a multilayer actuator, has the following features: a plurality of piezoelectric ceramic layers, the opposite sides of which are oriented perpendicular to a stacking direction of the piezoactuator are covered by fully flat internal electrodes, a plurality of contacts are arranged on at least one side panel surface of the piezoelectric actuator parallel to the stacking direction, which are arranged such that each inner electrode is electrically connectable via a respective contact and / or that groups of inner electrodes are closed together via one contact in each case are electrically connected.
  • the piezoelectric actuator according to the invention is formed by a multilayer structure of piezoelectric layers and internal electrodes without inactive contacting zones.
  • the internal electrodes are fully perpendicular to the
  • each inner electrode is individually connected electrically by means of a contacting.
  • the individual piezoelectric layers of the fully active piezoelectric actuator are individually controllable, each usable as a sensor within the piezoelectric actuator, in their function switched on and off and specifically regulated to optimize life and performance of the piezoelectric actuator. It is likewise preferred to electrically actuate groups of inner electrodes which are closed together via a respective contacting. Depending on the contacting of the internal electrodes, the layers of the piezoelectric actuator can thereby be controlled individually or a number of the layers individually and a different number in groups or only in different groups.
  • the contacts are made of electrical leads to the individual internal electrodes or in each case a contacting pad is applied to each internal electrode.
  • the plurality of contacts on the at least one side surface of the piezoelectric actuator is electrically connected via a leadframe and a plurality of contact bridges. It is further preferred that the contacts on this Leadframe individually controllable.
  • the use of a leadframe in conjunction with the fully active piezoelectric actuator creates a constructive possibility of electrically connecting the plurality of internal electrodes without the use of a common external metallization of the piezoactuator.
  • the leadframe provides the prerequisite that not only a group-wise control of internal electrodes but actually an individual control of each internal electrode in the fully active piezoelectric actuator is possible.
  • the leadframe comprises evaluation and / or control electronics for at least one function of the piezoelectric actuator.
  • Piezoactuator comprises the following steps: a) connecting a plurality of piezoelectric ceramic layers to a stack, in which perpendicular to a stacking direction of the stack o-oriented opposite sides of the piezoelectric ceramic layers are covered by full-surface internal electrodes, b) determining a respective position of the internal electrodes at least one side surface of the stack oriented parallel to its stacking direction; and c) applying one contact per inner electrode to one of the side surfaces of the stack, such that the contact and each one of the inner electrodes are electrically connected together.
  • Fig. 1 is a schematic side view of an embodiment of the fully active piezoelectric actuator with rectangular
  • Cross-section, 2 is a schematic sectional view along an inner electrode of the piezoelectric actuator according to FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic representation of the piezoelectric actuator of FIG. 1 with leadframe and connected electronics according to a preferred embodiment
  • FIG. 4 is a schematic side view of another embodiment of the fully active piezoelectric actuator with a round cross-section
  • FIG. 5 is a schematic sectional view along an inner electrode of the piezoelectric actuator of FIG. 4,
  • Fig. 6 is a schematic representation of another embodiment of the fully active piezoelectric actuator.
  • the invention discloses a fully active piezoactuator 1, preferably a multilayer actuator, as shown schematically in a side view in FIG.
  • the piezoelectric actuator 1 comprises a plurality of piezoceramic layers 10, which are arranged one above the other to form a stack or stack with a stacking direction 50.
  • the piezoelectric actuator 1 seen in its upper and lower end in the stacking direction 50 inactive cover packages (not shown).
  • the end faces of the piezoceramic layers 10 transversely to the stacking direction 50 are each completely covered by internal electrodes 20.
  • the inner electrodes 20 each extend to the side surfaces of the stack, which are arranged parallel to the stacking direction 50. This is indicated by the dashes with the reference numeral 20 in Fig. 1. Based on this arrangement results in a fully active piezoelectric actuator without inactive areas that would represent areas of high mechanical and electrical loads of the piezoelectric actuator 1.
  • piezoelectric actuators 1 In order to make the majority of the above-mentioned piezoelectric ceramic layers 10 into a stack with full-surface internal electrical To connect the 20, resorted to common in the prior art manufacturing process for piezoelectric actuators. These manufacturing methods provide a piezoelectric actuator 1 with a rectangular cross-sectional area, as shown by way of example in FIGS. 1 and 2. It is also conceivable to produce piezoelectric actuators 1 with a round cross-section according to the embodiments in FIGS. 4 and 5. As further alternatives, the cross sections of piezoelectric actuators 1 are hexagonal or octagonal.
  • Each of the internal electrodes 20 has an individual contact or an individual electrical connection to a control, evaluation and power electronics.
  • a plurality of internal electrodes are combined to form a group, which is then connected / driven via a group-specific contacting.
  • piezoactuators are made with only individually contacted layers or with individual contacted layers and groups of layers or only with individual contacted groups of layers.
  • the contacting is produced according to an embodiment directly by connecting a suitable contacting means 70 with the individual internal electrodes 20.
  • Contacting means 70 include, for example, bonding wire, metal strand and / or electrically conductive polymers.
  • a contacting pad 30 is applied in each case to the inner electrode 20 to be contacted.
  • Contacting pads 30, in adaptation to the size of the piezoactuator 1, have, for example, a surface area of 20 ⁇ 20 ⁇ m 2 . Its surface is also adapted in such a way that a contacting pad 30 overlaps only one inner electrode 20 in a partial area provided for this purpose.
  • the area and arrangement of the contacting pad 30 with respect to adjacent internal electrodes 20 or adjacent contacting pads 20 are chosen such that electrical flashovers are prevented.
  • Contact pads 30 and thus the internal electrodes 20 which are electrically connected to them are then likewise electrically connected to the aforementioned electronics via the above-mentioned contacting means 70.
  • the direct electrical connection of the inner electrode 20 or the connection of the inner electrode 20 via the respective contacting pad 30 takes place by means of different methods. These methods include known bonding, soldering, welding and / or gluing.
  • the requirements for the positional accuracy of the contacts of the internal electrodes 20 depend on the dimensions of the piezoceramic layers 10 and the internal electrodes 20 lying between them.
  • the internal electrodes have a thickness of 80 ⁇ 5 ⁇ m, while the internal electrodes 20 2 ⁇ m are thick.
  • the contacts In order to provide a sufficient life of the piezoelectric actuator 1, moreover, the contacts must be constructed sufficiently reliable. Due to the function of the piezoelectric actuator 1 undergoes a longitudinal expansion under operating conditions, so that the contacts must be designed durable.
  • a single contacting of the internal electrodes 20 is carried out with the aid of the following steps.
  • a further alternative is to connect contacting means 70 directly to the individual internal electrodes 20 instead of the contacting pads 30. If the contact is realized via contacting pads 30, then closing still feeding and tying a suitable contact means 70 to the respective contacting pad 30th
  • a leadframe 60 known from the semiconductor industry is provided. This is shown by way of example in FIGS. 2, 3, 5 and 6.
  • the leadframe 60 preferably consists of a structured, ie conductor tracks containing, metal frame with defined electrical connections to the internal electrodes 20.
  • Another alternative of the leadframe 60 is to construct it similar to a known from microelectronics circuit board.
  • FIGS. 2 and 5 show an alternative of the leadframe 60, which is arranged adjacent to the piezoactuator 1.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the leadframe 60 in which the leadframe 60 is arranged away from the piezoactuator 1.
  • the lead frame represents
  • control, evaluation and power electronics (not shown) ready.
  • a part of the control and evaluation is already arranged on the leadframe 60, if the spatial requirements of the entire arrangement of piezoelectric actuator 1 and electrical supply allow this.
  • Such electronics on the leadframe includes, for example, chips, transistors, switches and similar electronic elements for controlling the piezoelectric actuator. 1
  • control, evaluation and power electronics implemented based on the individual controllability of each individual inner electrode 20 macroscopic control and evaluation of the piezoelectric actuator 1 now in a microscopic Frame. While previously only the activation of the entire piezoelectric actuator and the evaluation of its signals or a group of piezoelectric layers 10 was possible, ie control and evaluation in the macroscopic frame, this is now done for individual piezoelectric layers 10 of the piezoactuator 1 , ie control and evaluation in a microscopic framework.
  • the piezoceramic layers 10 of the piezoactuator 1 are individually controlled via the individual contacts of the internal electrodes 20.
  • the representation of complex stress gradients in the piezoactuator 1 is possible.
  • the piezoceramic layers 10 are selectively driven in the piezoelectric actuator 1 with different electrical field strengths, for example to achieve lower mechanical stresses at the transition from the active piezoceramic layers 10 to the cover package of the piezoelectric actuator 1.
  • the piezoceramic layers 10 located in this boundary region are supplied, for example, with smaller electrical voltages than the piezoceramic layers 10, which are located further away from the cover plate of the piezoactuator 1.
  • piezoceramic layers 10 are actuated offset in time with specific electrical voltages in order to reduce or prevent the formation and propagation of shock waves in the piezoactuator 1 in this way.
  • the individual control of the internal electrodes 20 realizes a standardization of the stress levels of the individual piezoceramic layers 10 in the piezoelectric actuator 1.
  • the clamping forces at the top and bottom of the piezoelectric actuator seen in the stacking direction 50 by controlling a different degrees of strain in the individual piezoceramic layers 10 compensated.
  • at least one piezoceramic layer in the piezoelectric actuator 1 is used as a sensor layer. During the operation of the piezoelectric actuator 1, this sensor layer is exposed to mechanical stresses, as a result of which propor- tional evaluable electrical signals are generated in the sensor layer, which can be read out via the internal electrodes 20 and thus evaluated.
  • the remaining operable piezoceramic layers 10 are operated with a larger electric field, so that the required expansion behavior of the piezoelectric actuator 1 is maintained.
  • the monitoring of the functional moisture of the individual piezoceramic layers 10 described above is also referred to as health monitoring.
  • Another advantage is that the active volume of the piezoelectric actuator 1 and thus the power density are maximally increased by the fully active stack structure without inactive contacting zones. This has an advantageous effect on the Cost efficiency in the production of the piezoelectric actuators 1 and the later required space for installation of the piezoelectric actuator 1 from. In other words, the ever-increasing miniaturization, for example in motor vehicle construction, is supported in this way.
  • each individual ceramic layer to be individually sensory detected and correspondingly electrically controlled.
  • the possibility is given to even out the occurring mechanical and electrical loads in the stack to perform the health monitoring and to realize the individual shutdown or shutdown of faulty piezoceramic layers 10 under operating conditions of the piezoelectric actuator 1.
  • the present invention thus represents a decisive key for the increase in reliability, the increase in the control accuracy and the controllability of the piezoelectric actuator 1 as a control element. This is in particular by the full-surface inner electrodes within the ceramic multilayer component 1 and the space-savingmanntitle réelle on the leadframe 60 guaranteed.

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen vollaktiven Piezoaktor und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dieser Piezoaktor umfasst eine Mehrzahl piezoelektrischer Keramikschichten (10), deren Stirnseiten durch vollflächige Innenelektroden (20) bedeckt sind. Die Innenelektroden (20) sind individuell über jeweils eine Kontaktierung (30) elektrisch mit einer Steuerelektronik verbindbar. Des Weiteren offenbart die vorliegende Efindung ein Herstellungsverfahren für diese vollaktiven Piezoaktoren (1).

Description

Beschreibung
Vollaktiver Piezoaktor und Verfahren zu seiner Herstellung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen vollaktiven Piezoaktor, insbesondere einen Vielschichtaktor, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
2. Hintergrund der Erfindung
Die Piezoaktoren oder Stacks werden als Multilayer ausgelegt, um die erforderliche Betriebsfeldstärke von 2 kV/mm in einer kostengünstigen Systemumgebung (Ansteuerquellen, Verkabelung) realisieren zu können. Für die üblicherweise benutzten Piezo- aktoren mit einer Keramikschichtdicke von 80 μm ist z. B. eine Ansteuerspannung von 160 V erforderlich.
Die Nutzung von Mehrlagenstrukturen hat eine Reihe von Nachteilen, insbesondere im Hinblick auf die Bauteilzuverläs- sigkeit. Nach dem Stand der Technik werden die Innenelektroden wechselweise an der Bauteiloberfläche mit Hilfe einer Sammelelektrode zusammengeschlossen und dann über zwei Zuleitungen mit der Ansteuerquelle verbunden.
Zur Vermeidung von Kurzschlüssen wird die Innenmetallisierung der gegenpoligen Innenelektrode im Bereich der Sammelelektrode nicht bis an die Oberfläche heraus geführt, d. h. sie bedecken nur einen Teil der Fläche der angrenzenden piezoelektrischen Keramikschicht. Infolgedessen entsteht ein inaktiver Bereich im Stack, der starke Gradienten des elektrischen Feldes und damit auch der mechanischen Spannungen im Bauteil nach sich zieht. Die Hersteller von Multilayer-Aktoren haben spezielle Designlösungen entwickelt, die einen zuverlässigen Betrieb der Piezoaktoren mit inaktiven Bereichen bis 109 Zyk- len zulassen.
Die Anforderungen aus der Systemsicht werden jedoch nicht zufrieden stellend erfüllt. Zunächst sind die teilflächigen In- nenelektroden Ursache für Risse im Bauteil, die prinzipiell nicht vermieden werden können. Nach der Polarisierung des Piezoaktors liegt eine Anfangsschadigung vor, die Ausloser für ein mechanisches Versagen bei hoher Zyklenzahl ist. Der Zusammenschluss aller gleichpoligen Elektroden schließt die individuelle Ansteuerung einzelner Keramiklagen aus. Damit bestehen keine Möglichkeiten, Strategien für eine Homogenisierung der mechanischen und elektrischen Belastungen im Stack, für eine Einfuhrung eines Health Monitorings bzw. ei- ner Überwachung der piezoelektrischen Schichten auf Funkti- onstuchtigkeit oder das individuelle Abschalten fehlerhafter Schichten unter Betriebsbedingungen umzusetzen. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Beschrankung der Miniaturisierung, da bei einer Querschnittsverkleinerung des Stacks der relative Anteil des passiven Volumens wachst und damit die Leistungsfähigkeit des Aktors sinkt.
Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Piezoaktor be- reit zu stellen. Es ist ein weiteres Problem der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen solchen Piezoaktor zu liefern.
3. Zusammenfassung der Erfindung Das obige Problem wird durch einen vollaktiven Piezoaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Herstellungsverfahren für diesen vollaktiven Piezoaktor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des Piezoaktors und seines Herstellungsverfahrens gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhangenden Patentansprüchen hervor.
Der vollaktive Piezoaktor, insbesondere ein Vielschichtaktor, weist die folgenden Merkmale auf: eine Mehrzahl von piezo- elektrischen Keramikschichten, deren senkrecht zu einer Stapelrichtung des Piezoaktors orientierte gegenüberliegende Seiten durch vollflachige Innenelektroden bedeckt sind, eine Mehrzahl von Kontaktierungen auf mindestens einer Seitenfla- che des Piezoaktors parallel zur Stapelrichtung, die derart angeordnet sind, dass jede Innenelektrode über jeweils eine Kontaktierung elektrisch verbindbar ist und/oder dass Gruppen von zusammen geschlossenen Innenelektroden über jeweils eine Kontaktierung elektrisch verbindbar sind.
Der erfindungsgemäße Piezoaktor wird durch eine Multilayer- Struktur aus piezoelektrischen Schichten und Innenelektroden ohne inaktive Kontaktierungszonen gebildet. Zu diesem Zweck sind die Innenelektroden vollflächig auf die senkrecht zur
Stapelrichtung des Piezoaktors angeordneten Seitenflächen der piezokeramischen Schichten aufgebracht. Um eine sichere Ansteuerung des Piezoaktors zu gewährleisten, wird jede Innenelektrode individuell mit Hilfe einer Kontaktierung elekt- risch angeschlossen. Auf dieser technischen Grundlage sind die einzelnen piezoelektrischen Schichten des vollaktiven Piezoaktors individuell ansteuerbar, jeweils als Sensor innerhalb des Piezoaktors verwendbar, in ihrer Funktion zu- und abschaltbar und gezielt regulierbar, um Lebensdauer und Leis- tungsfähigkeit des Piezoaktors zu optimieren. Es ist ebenfalls bevorzugt, Gruppen von zusammen geschlossenen Innenelektroden über jeweils eine Kontaktierung elektrisch anzusteuern. In Abhängigkeit von der Kontaktierung der Innenelektroden sind dadurch die Schichten des Piezoaktors indivi- duell oder eine Anzahl der Schichten individuell und eine andere Anzahl in Gruppen oder nur in verschiedenen Gruppen ansteuerbar .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung bestehen die Kontaktierun- gen aus elektrischen Zuleitungen zu den einzelnen Innenelektroden oder jeweils ein Kontaktierungspad ist auf jede Innenelektrode aufgebracht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird über einen Leadframe und eine Mehrzahl von Kontaktbrücken die Mehrzahl von Kontaktierungen auf der mindestens einen Seitenfläche des Piezoaktors elektrisch verbunden. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Kontaktierungen über diesen Leadframe individuell ansteuerbar sind. Die Nutzung eines Leadframes in Verbindung mit dem vollaktiven Piezoaktor schafft eine konstruktive Möglichkeit, die Mehrzahl an Innenelektroden ohne Nutzung einer gemeinsamen Außenmetallisierung des Piezoaktors elektrisch anzuschließen. Zudem schafft der Leadframe die Voraussetzung, dass nicht nur eine gruppenweise Ansteuerung von Innenelektroden sondern tatsächlich eine individuelle Ansteuerung jeder Innenelektrode im vollaktiven Piezoaktor möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Leadframe Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik für mindestens eine Funktion des Piezoaktors.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren des vollaktiven
Piezoaktors umfasst die folgenden Schritte: a) Verbinden einer Mehrzahl piezoelektrischer Keramikschichten zu einem Stapel, in dem senkrecht zu einer Stapelrichtung des Stapels o- rientierte gegenüberliegende Seiten der piezoelektrischen Ke- ramikschichten durch vollflächige Innenelektroden bedeckt sind, b) Bestimmen einer jeweiligen Position der Innenelektroden auf mindestens einer Seitenfläche des Stapels, die parallel zu dessen Stapelrichtung orientiert ist, und c) Aufbringen jeweils einer Kontaktierung pro Innenelektrode auf eine der Seitenflächen des Stapels, so dass die Kontaktierung und die jeweils eine Innenelektrode elektrisch miteinander verbunden sind.
4. Detaillierte Beschreibung der begleitenden Zeichnung Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungs- form des vollaktiven Piezoaktors mit rechteckigem
Querschnitt, Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Innenelektrode des Piezoaktors gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Piezoaktors aus Fig. 1 mit Leadframe und angeschlossener Elektronik gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des vollaktiven Piezoaktors mit rundem Querschnitt,
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Innenelektrode des Piezoaktors aus Fig. 4,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des vollaktiven Piezoaktors.
5. Detaillierte Beschreibung bevorzugten Ausführungsformen Die Erfindung offenbart einen vollaktiven Piezoaktor 1, vor- zugsweise einen Vielschichtaktor, wie er schematisch in einer Seitenansicht in Fig. 1 gezeigt ist. Der Piezoaktor 1 umfasst eine Mehrzahl von piezokeramischen Schichten 10, die übereinander zu einem Stapel oder Stack mit einer Stapelrichtung 50 angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform weist der Piezo- aktor 1 an seinem oberen und unteren Ende gesehen in Stapelrichtung 50 inaktive Deckpakete (nicht gezeigt) auf. Die Stirnseiten der piezokeramischen Schichten 10 quer zur Stapelrichtung 50 sind jeweils vollflächig durch Innenelektroden 20 bedeckt. Die Innenelektroden 20 reichen jeweils bis an die Seitenflächen des Stacks, die parallel zur Stapelrichtung 50 angeordnet sind. Dies ist durch die Striche mit dem Bezugszeichen 20 in Fig. 1 angedeutet. Basierend auf dieser Anordnung ergibt sich ein vollaktiver Piezoaktor ohne inaktive Bereiche, die Bereiche hoher mechanischer und elektrischer Be- lastungen des Piezoaktors 1 darstellen würden.
Um die Mehrzahl der oben genannten piezoelektrischen Keramikschichten 10 zu einem Stapel mit vollflächigen Innenelektro- den 20 zu verbinden, wird auf gangige im Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren für Piezoaktoren zurückgegriffen. Diese Herstellungsverfahren liefern einen Piezoaktor 1 mit rechteckiger Querschnittsflache, wie er beispielgebend in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Es ist ebenfalls denkbar, Piezoaktoren 1 mit rundem Querschnitt gemäß den Ausfuhrungsformen in den Figuren 4 und 5 herzustellen. Als weitere Alternativen sind die Querschnitte von Piezoaktoren 1 sechs- oder achteckig ausgebildet.
Jede der Innenelektroden 20 weist eine individuelle Kontak- tierung bzw. einen individuellen elektrischen Anschluss an eine Steuer-, Auswerte- und Leistungselektronik auf. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform ist jeweils eine Mehrzahl von Innenelektroden zu einer Gruppe zusammen geschlossen, die dann über eine Gruppen spezifische Kontaktierung angeschlossen/angesteuert wird. Auf diese Weise werden Piezoaktoren mit nur individuell kontaktierten Schichten oder mit individuelle kontaktierten Schichten und Gruppen von Schichten oder nur mit individuelle kontaktierten Gruppen von Schichten hergestellt. Die Kontaktierung wird gemäß einer Ausfuhrungsform direkt durch Verbinden eines geeigneten Kontaktierungsmittels 70 mit den einzelnen Innenelektroden 20 hergestellt. Kontak- tierungsmittel 70 umfassen beispielsweise Bonddraht, Metall- Litze und/oder elektrisch leitende Polymere.
Neben oder anstelle der direkten Kontaktierung der Innenelektrode 20 wird jeweils ein Kontaktierungspad 30 auf die zu kontaktierende Innenelektrode 20 aufgebracht. Kontaktie- rungspads 30 weisen in Anpassung an die Große des Piezoaktors 1 beispielsweise eine Flache von 20 x 20 μm2 auf. Ihre Flache ist zudem derart angepasst, dass ein Kontaktierungspad 30 jeweils nur eine Innenelektrode 20 in einem dafür vorgesehenen Teilbereich überlappt. Außerdem ist die Flache und Anordnung des Kontaktierungspads 30 im Hinblick auf benachbarte Innenelektroden 20 oder benachbarte Kontaktierungspads 20 derart gewählt, dass elektrische Überschlage verhindert sind. Kontaktierungspads 30 und somit die mit ihnen elektrisch in Verbindung stehenden Innenelektroden 20 werden dann ebenfalls über die oben genannten Kontaktierungsmittel 70 elektrisch mit der bereits genannten Elektronik verbunden. Das direkte elektrische Verbinden der Innenelektrode 20 oder das Verbinden der Innenelektrode 20 über das jeweilige Kontaktie- rungspad 30 erfolgt mittels unterschiedlicher Verfahren. Zu diesen Verfahren zählen das bekannte Bonden, Löten, Schweißen und/oder Kleben.
Die Anforderungen für die Lagegenauigkeit der Kontaktierungen der Innenelektroden 20 richten sich nach den Dimensionen der piezokeramischen Schichten 10 und der dazwischen liegenden Innenelektroden 20. In einer Ausführungsform weisen bei- spielsweise die Innenelektroden eine Dicke von 80 ± 5 μm auf, während die Innelektroden 20 2 μm dick sind. Um eine ausreichende Lebensdauer des Piezoaktors 1 bereit zu stellen, müssen zudem die Kontaktierungen ausreichend zuverlässig aufgebaut sein. Funktionsbedingt erfährt der Piezoaktor 1 unter Betriebsbedingungen eine Längsdehnung, so dass die Kontaktierungen dauerfest ausgelegt werden müssen.
Unter Beachtung der oben genannten Randbedingungen wird eine Einzelkontaktierung der Innenelektroden 20 mit Hilfe der fol- genden Schritte durchgeführt. Zunächst detektiert man die Lage der Innenelektroden 20 an der Seitenfläche des Piezoaktors 1, die parallel zur Stapelrichtung 50 angeordnet sind. Diese Detektion wird mit Hilfe optischer, physikalischer oder chemischer Verfahren durchgeführt. Nachdem die Lage der Innen- elektroden 20 bekannt ist, wird jeweils ein Kontaktierungspad 30 pro Innenelektrode 20 mit Hilfe von Siebdruck, Dispensen, PVD (Physical Vapour Deposition = physikalische Gasphasenab- scheidung) , CVD (Chemical Vapour Deposition = chemische Gas- phasenabscheidung) oder ähnlichen geeigneten Verfahren aufge- bracht. Eine weitere Alternative besteht darin, anstelle der Kontaktierungspads 30 Kontaktierungsmittel 70 direkt mit den einzelnen Innenelektroden 20 zu verbinden. Wird die Kontak- tierung über Kontaktierungspads 30 realisiert, erfolgt ab- schließend noch ein Zuführen und Anbinden eines geeigneten Kontaktierungsmittels 70 an das jeweilige Kontaktierungspad 30.
Um eine effiziente und Platz sparende elektrische Verbindung zu den einzelnen Innenelektroden herzustellen, wird ein aus der Halbleiterindustrie bekannter Leadframe 60 bereitgestellt. Dieses ist exemplarisch in den Figuren 2, 3, 5 und 6 dargestellt. Der Leadframe 60 besteht bevorzugt aus einem strukturierten, also Leiterbahnen enthaltenden, Metallrahmen mit definierten elektrischen Verbindungen zu den Innenelektroden 20. Eine weitere Alternative des Leadframes 60 besteht darin, ihn ähnlich einer aus der Mikroelektronik bekannten Leiterplatte zu konstruieren.
Die elektrischen Verbindungen zwischen Innenelektrode 20 und Leadframe 60 werden über die oben genannten Kontaktierungs- mittel 70 oder andere geeignete Kontaktbrücken hergestellt. In den Figuren 2 und 5 ist eine Alternative des Leadframes 60 gezeigt, der angrenzend an den Piezoaktor 1 angeordnet ist. Eine weitere Ausführungsform des Leadframes 60 geht aus Fig. 6 hervor, in der der Leadframe 60 entfernt vom Piezoaktor 1 angeordnet ist.
Wie schematisch in Fig. 3 gezeigt ist, stellt der Leadframe
60 eine elektrische Verbindung 80 zur Ansteuer-, Auswerte und Leistungselektronik (nicht gezeigt) bereit. Ein Teil der Ansteuer- und Auswerteelektronik ist bereits auf dem Leadframe 60 angeordnet, sofern die räumlichen Anforderungen an die gesamte Anordnung aus Piezoaktor 1 und elektrischer Versorgung dies zulassen. Derartige Elektronik auf dem Leadframe umfasst beispielsweise Chips, Transistoren, Schalter und ähnliche elektronische Elemente zur Steuerung des Piezoaktors 1.
Die Ansteuer-, Auswerte- und Leistungselektronik realisiert basierend auf der individuellen Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Innenelektrode 20 makroskopische Ansteuer- und Auswertefunktionen des Piezoaktors 1 nun in einem mikroskopischen Rahmen. Wahrend bisher nur die Ansteuerung des gesamten Pie- zoaktors und die Auswertung seiner Signale oder einer zusam- mengefassten Gruppe von piezoelektrischen Schichten 10 möglich war, d. h. also Ansteuerung und Auswertung im makrosko- pischen Rahmen, erfolgt dies nun für einzelne piezoelektrische Schichten 10 des Piezoaktors 1, d. h. Ansteuerung und Auswertung im mikroskopischen Rahmen.
Die oben genannte Elektronik realisiert folgende oder einen Teil der folgenden Funktionen. Wie beispielsweise schematisch in den Figuren 3 und 6 gezeigt ist, erfolgt eine Einzelansteuerung der piezokeramischen Schichten 10 des Piezoaktors 1 über die Einzelkontaktierungen der Innenelektroden 20. Auf Grundlage der Einzelansteuerung ist die Darstellung komplexer Belastungsgradienten im Piezoaktor 1 möglich. Die piezokeramischen Schichten 10 werden selektiv im Piezoaktor 1 mit unterschiedlichen elektrischen Feldstarken angesteuert, um beispielsweise geringere mechanische Belastungen am Übergang von den aktiven piezokeramischen Schichten 10 zum Deckpaket des Piezoaktors 1 zu erzielen. Die in diesem Grenzbereich befindlichen piezokeramischen Schichten 10 werden zu diesem Zweck beispielsweise mit kleineren elektrischen Spannungen versorgt, als die piezokeramischen Schichten 10, die sich weiter entfernt von der Deckplatte des Piezoaktors 1 befinden.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform werden piezokeramische Schichten 10 zeitlich versetzt mit bestimmten elektrischen Spannungen angesteuert, um auf diese Weise das Entstehen und die Ausbreitung von Schockwellen im Piezoaktor 1 zu vermin- dern oder zu verhindern.
Des Weiteren realisiert die individuelle Ansteuerung der Innenelektroden 20 eine Vereinheitlichung des Belastungsniveaus der einzelnen piezokeramischen Schichten 10 im Piezoaktor 1. So werden beispielsweise die Klemmungskrafte am oberen und unteren Ende des Piezoaktors gesehen in Stapelrichtung 50 durch die Ansteuerung einer unterschiedlich starken Dehnung in den einzelnen piezokeramischen Schichten 10 kompensiert. Es ist des Weiteren bevorzugt, mindestens eine piezokerami- sche Schicht im Piezoaktor 1 als Sensorschicht zu nutzen. Wahrend des Betriebs des Piezoaktors 1 ist diese Sensorschicht mechanischen Belastungen ausgesetzt, wodurch propor- tionale auswertbare elektrische Signale in der Sensorschicht generiert werden, die über die Innenelektroden 20 auslesbar und somit auswertbar sind. Auf diese Weise sind Risse erkennbar, auf die durch gezielte Regulierung der Belastungsniveaus im Piezoaktor 1 Einfluss genommen werden kann, so dass ein Versagen des Piezoaktors 1 oder einzelner piezokeramischer Schichten 10 verhindert wird. Des Weiteren können über die Innenelektroden 20 elektrische Sollwerte der piezokeramischen Schichten 10 gemessen werden, so dass beispielsweise ein Abschalten einzelner Schichten bei Erkennen eines Fehlers mog- lieh ist. Es werden über die Innenelektroden 20 beispielsweise Spannungs- und Stromsignale ausgelesen, um die Kapazität zu bestimmen, und es wird aus Kleinsignalkapazitat und Verlustwinkel die Leitfähigkeit der piezokeramischen Schichten 10 erfasst.
Um den Betrieb des Piezoaktors 1 trotz Abschaltung einzelner Schichten 10 aufrecht zu erhalten, werden beispielsweise die verbleibenden betriebsfähigen piezokeramischen Schichten 10 mit einem größeren elektrischen Feld betrieben, so dass das geforderte Dehnungsverhalten des Piezoaktors 1 erhalten bleibt.
Die oben beschriebene Überwachung der Funktionstuchtigkeit der einzelnen piezokeramischen Schichten 10 wird auch als Health Monitoring bezeichnet. Durch das gezielte Abschalten fehlerhafter Schichten 10 und der Verteilung der Kraft-Weg- Generierung auf die verbleibenden aktiven piezokeramischen Schichten 10 wird die Lebensdauer des Piezoaktors 1 erhöht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den vollaktiven Stackaufbau ohne inaktive Kontaktierungszonen das aktive Volumen des Piezoaktors 1 und damit die Leistungsdichte maximal vergrößert werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kosteneffizienz bei der Herstellung der Piezoaktoren 1 und auf den später benötigten Bauraum zur Installation des Piezo- aktors 1 aus. Mit anderen Worten wird auf diese Weise die ständig zunehmende Miniaturisierung beispielsweise im Kraft- fahrzeugbau unterstützt.
Ingesamt lässt sich durch das oben beschriebene konstruktive Konzept jede einzelne Keramiklage individuell sensorisch erfassen und entsprechend elektrisch ansteuern. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, die auftretenden mechanischen und elektrischen Belastungen im Stack zu vergleichmäßigen, das Health Monitoring durchzuführen und das individuelle Herunterfahren bzw. Abschalten fehlerhafter piezokeramischer Schichten 10 unter Betriebsbedingungen des Piezoaktors 1 zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung stellt damit einen entscheidenden Schlüssel für die Zuverlässigkeitserhöhung, die Erhöhung der Regelgenauigkeit sowie die Kontrollierbarkeit des Piezoaktors 1 als Stellelement dar. Dies wird insbesondere durch die vollflächigen Innenelektroden innerhalb des keramischen MuI- tilayer-Bauteils 1 und die Platz sparende Weiterkontaktierung über den Leadframe 60 gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Vollaktiver Piezoaktor (1), insbesondere ein Vielschich- taktor, der die folgenden Merkmale aufweist: a. eine Mehrzahl von piezoelektrischen Keramikschichten (10), deren senkrecht zu einer Stapelrichtung (50) des Piezoaktors (1) orientierte gegenüberliegende Seiten durch vollflächige Innenelektroden (20) bedeckt sind, b. eine Mehrzahl von Kontaktierungen auf mindestens einer Seitenfläche (40) des Piezoaktors (1) parallel zur
Stapelrichtung (50), die derart angeordnet sind, dass c. jede Innenelektrode (20) über jeweils eine Kontak- tierung elektrisch verbindbar ist und/oder dass Gruppen von zusammen geschlossenen Innenelektroden über jeweils eine Kontaktierung elektrisch verbindbar sind.
2. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1, dessen Kontaktierungen elektrische Zuleitungen zu den einzelnen Innenelektroden
(20) oder jeweils ein Kontaktierungspad (30) auf jeder Innenelektrode (20) sind.
3. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, der weiterhin einen Leadframe (60) umfasst, der über eine Mehrzahl von Kontaktbrücken mit den Kontaktierungen verbunden ist.
4. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 3, in dem die Kontaktie- rungspads (30) über den Leadframe (60) individuell ansteuerbar sind.
5. Piezoaktor (1) gemäß Anspruch 3 oder 4, in dem der
Leadframe (60) Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik für mindestens eine Funktion des Piezoaktors (1) aufweist.
6. Herstellungsverfahren eines vollaktiven Piezoaktors (1), insbesondere eines Vielschichtaktors, das die folgenden Schritte aufweist: a. Verbinden einer Mehrzahl piezoelektrischer Keramikschichten (10) zu einem Stapel, in dem senkrecht zu einer Stapelrichtung (50) des Stapels orientierte gegenüberliegende Seiten der piezoelektrischen Keramikschichten (10) durch vollflächige Innenelektroden (20) bedeckt sind, b. Bestimmen einer jeweiligen Position der Innenelekt- roden (20) auf mindestens einer Seitenfläche (40) des
Stapels, die parallel zu dessen Stapelrichtung (50) orientiert ist, und c. Herstellen jeweils einer Kontaktierung pro Innenelektrode (20) und/oder pro Gruppe zusammen geschlossener Innenelektroden, so dass die Kontaktierung und die jeweils eine Innenelektrode (20) und/oder Gruppe von zusammen geschlossenen Innenelektroden elektrisch miteinander verbunden sind.
7. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6, mit dem weiteren Schritt:
Bereitstellen der Kontaktierung jeweils als elektrische Zuleitung zu den einzelnen Innenelektroden (20) oder als ein Kontaktierungspad (30) pro Innenelektrode (20) auf einer Seitenfläche des Stapels.
8. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, mit dem weiteren Schritt:
Zuführen und Verbinden eines Kontaktierungsmittels (70) mit der Innenelektrode (20) oder direkt über das Kontaktierungspad (30).
9. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8, in dem das Kon- taktierungsmittel (70) Bonddraht und/oder elektrisch lei- tendes Polymer ist, das mittels Bonden, Löten, Schweißen und/oder Kleben aufgebracht wird.
10. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 7, mit dem weiteren Schritt: Aufbringen der Kontaktierungspads (30) mittels Siebdruck, Dispensen, PVD und/oder CVD.
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