WO2010103127A1 - Piezoaktor in vielschichtbauweise und verfahren zum befestigen einer aussenelektrode bei einem piezoaktor - Google Patents

Piezoaktor in vielschichtbauweise und verfahren zum befestigen einer aussenelektrode bei einem piezoaktor Download PDF

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WO2010103127A1
WO2010103127A1 PCT/EP2010/053310 EP2010053310W WO2010103127A1 WO 2010103127 A1 WO2010103127 A1 WO 2010103127A1 EP 2010053310 W EP2010053310 W EP 2010053310W WO 2010103127 A1 WO2010103127 A1 WO 2010103127A1
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WO
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piezoelectric actuator
coating
diffusion
actuator according
solder
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/053310
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English (en)
French (fr)
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Franz Rinner
Markus Weiglhofer
Marion Ottlinger
Reinhard Gabl
Martin Galler
Christoph Auer
Georg KÜGERL
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Epcos Ag
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Publication date
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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
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/063—Forming interconnections, e.g. connection electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts

Definitions

  • a multilayer piezoactuator which comprises a stack of piezoelectric layers and electrode layers disposed therebetween.
  • the electrode layers can be electrically contacted by means of external electrodes, which are fastened to the outer sides of the stack.
  • the piezoelectric actuator expands along the electric field.
  • Such piezo actuators can be used for example for actuating an injection valve in a motor vehicle.
  • the document EP 9844678 Bl discloses a piezoelectric actuator with an outer electrode attached to the stack.
  • piezoelectric actuator in multilayer construction with a stack of piezoelectric layers and arranged therebetween electrode layers indicated.
  • a base metallization is applied on at least a portion of the outside of the stack.
  • a coating is applied which has at least one diffusion-inhibiting layer.
  • the diffusion-inhibiting layer is capable of inhibiting the diffusion of a constituent of a solder through the layer.
  • the piezoelectric layers and the electrode layers of the stack are sintered together to form a monolithic sintered body.
  • thin films containing a piezoceramic material such as lead zirconate titanate (PZT) are used for the piezoelectric layers.
  • a metal paste for example a silver-palladium paste or a copper-containing paste may be applied to the films in a screen printing process.
  • the films are then stacked, pressed and sintered together. After sintering, the piezoelectric layers are polarized so that they expand along their polarization direction upon application of a voltage between adjacent electrode layers.
  • a base metallization may be applied to at least a portion of the outside of the stack.
  • This base metallization is preferably in the form of a silver-palladium paste or a copper-containing paste on a
  • the paste contains a proportion of glass flux, for example in the form of lead oxide or silicon dioxide.
  • glass flux for example in the form of lead oxide or silicon dioxide.
  • base metallizations are applied to two opposite side surfaces of the stack.
  • the base metallizations are applied in the region of so-called inactive zones in which Do not overlap adjacent electrode layers along the stacking direction.
  • the electrode layers alternately extend to one of the side surfaces and are recessed into the stack with respect to the opposite side surface.
  • a base metallization deposited on an inactive zone is in electrical contact with only every other electrode layer.
  • the further base metallization deposited on another inactive zone then contacts the other electrode layers.
  • the electrode layers are alternately electrically connected to one of the base metallizations along the stacking direction.
  • the piezoelectric layers expand less in the inactive zones than in the active zones. This can lead to mechanical tension and eventually to cracks in the piezoelectric actuator. If such cracks continue into the base metallization, this can lead to the electrode layers no longer being able to be electrically reliably contacted.
  • the base metallization and the outer electrode should be attached as reliably as possible to the stack.
  • an outer electrode is preferably soldered.
  • a coating containing at least one diffusion-inhibiting layer is located between the base metallization and an applied solder a coating containing at least one diffusion-inhibiting layer.
  • the diffusion-inhibiting layer inhibits the diffusion of that component of a solder that leads to the
  • the diffusion-inhibiting layer is suitable for inhibiting the diffusion of tin.
  • alloys of tin and a constituent of the base metallization may form, resulting in a weakening of the base metallization.
  • the diffusion-inhibiting layer contains metals from the amount of nickel, titanium and tungsten.
  • the diffusion-inhibiting layer may also be formed as a metal layer, i. H. contain one or more metals as their main components.
  • the coating comprises a further, lower layer which is applied directly to the base metallization.
  • the lower layer has a particularly good adhesion to the base metallization.
  • the lower layer contains metals from the amount of silver, copper and chromium.
  • the coating has a further, upper layer, which is particularly good solderable.
  • an outer electrode can be reliably fixed to the outside of the coating by means of a solder.
  • the further, upper layer contains, for example, metals from the amount of tin, silver, copper and gold.
  • the various layers of the coating may be metal-containing layers or metal layers, d. H. contain one or more metals as main constituents. In one embodiment, the coating contains at least one metal layer.
  • a piezoelectric actuator with at least one
  • the outer electrode is formed as a wire mesh.
  • the wire mesh may for example be made of the materials steel, copper or iron-nickel alloy. To improve the solder wettability of the wires, the wires may be coated with copper.
  • the outer electrode may also be in a different shape, for example, it may be formed as a sheet and be provided with holes, whereby the extensibility of the outer electrode is increased.
  • the solder is applied in the form of a solder layer which is arranged between the outer electrode and the outer side of the stack.
  • the layer may have interruptions. In this way, mechanical stresses in the layer can be reduced and thus the occurrence of cracks in the operation of the actuator can be avoided.
  • the solder can also be applied as an arrangement of several islands.
  • the solder does not have to be between the outer electrode and the coating.
  • the outer electrode can, for example, rest directly on the coating and the solder can fill the holes of the outer electrode and thus produce a firm connection between the outer electrode and the coating.
  • the solder is a lead-free tin solder.
  • the solder may contain other additives from the amount of copper, silver, nickel and antimony.
  • the solder material used preferably contains as few environmentally harmful components as possible and in particular meets the so-called RoHS Directive of the European Union for restricting the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment.
  • a further contact to the power supply is attached to the outside of the outer electrode.
  • the further contacting is fastened to the outer electrode, for example by means of soft soldering or welding.
  • a method for fixing an outer electrode in a piezoelectric actuator is specified.
  • a stack of piezoelectric layers and electrode layers arranged therebetween is provided.
  • a base metallization is applied, and preferably baked.
  • a coating is sputtered onto the base metallization.
  • An outer electrode is attached to the coating by means of a solder.
  • solder material For example, a wire mesh coated with the solder material is used as the outer electrode. After placing this outer electrode on the sputtered coating, the solder material is heated so that it softens and enters into a cohesive connection with the coating.
  • FIG. 1 shows a cross section of a piezoelectric actuator with an outer electrode in the form of a wire mesh
  • Figure 2 shows a cross section of a piezoelectric actuator with a
  • FIG. 1 shows a cross-section of a piezoactuator 1 which has a stack 2 of piezoelectric layers 3 and electrode layers (not shown here) between them. The layers are stacked along a stacking direction S and sintered together.
  • the base body of the piezoactuator 1 thus formed is parallelepiped-shaped and has a longitudinal axis which corresponds to the stacking direction S.
  • the electrode layers alternately extend along the stacking direction S to an outer side 21a, 21b of the stack 2 and are spaced from the respectively opposite outer side 21b, 21a. This results in so-called inactive zones 31a, 31b in which adjacent electrode layers do not overlap in the stacking direction S.
  • the inactive zones are so-called inactive zones
  • 31a, 31b each extend over an entire outer side 21a, 21b of the stack.
  • outer electrodes 7a, 7b are applied by means of a fastening 9a, 9b.
  • the outer electrodes 7a, 7b shown here are in the form of wire meshes 71a, 71b.
  • the attachment 9a, 9b of the respective outer electrode 7a, 7b comprises a coating (not shown here) which contains at least one diffusion-inhibiting layer (not shown here).
  • the outer electrodes 7a, 7b are fixed to the coating by means of a solder (not shown here).
  • Figure 2 shows in cross-section a further embodiment of a piezoelectric actuator 1, wherein the outer electrodes 7a, 7b in the form of wire braces 72a, 72b at two opposite
  • a wire harp 72a, 72b has a plurality of parallel wires 70a, 70b, preferably perpendicular are arranged to the stacking direction S.
  • the wires 70a, 70b are connected to the stack 1 by means of a fastening 9a, 9b in the region of inactive zones 31a, 31b.
  • the inactive zones 31a, 31b do not extend over an entire side face 21a, 21b of the piezoactuator 1, but only over a partial area of the respective side face 21a, 21b adjacent to the edge 22a, 22b.
  • the wire braces 72a, 72b are guided over this edge 22a, 22b and connected at their free end to further contacts in the form of contact pins 8a, 8b.
  • the contact pins 8a, 8b are mechanically and electrically connected to the wire harp 72a, 72b by soldering or welding, for example.
  • Figure 3A shows in cross-section an embodiment for a mounting 9 of an outer electrode 7 to a stack 2 of electrode layers (not shown here) and ceramic layers 3.
  • the fasteners 9a, 9b shown in Figures 1 and 2 are for example designed like the attachment 9 shown here ,
  • FIG. 3A Shown in Figure 3A is a wire 70 of wire mesh 71a, 71b or a wire brace 72a, 72b which is secured by a solder 6 to an outer side 21 of the stack. As the lowest part of the attachment 9, a base metallization 4 is applied directly to the outer side 21 of the stack 2.
  • the base metallization 4 is a baked 20 to 50 microns thick copper paste containing a proportion of glass flux and directly with piezoceramic layers 3 and
  • Electrode layers (not shown here) is connected.
  • a coating 5 is applied, which consists of a diffusion-inhibiting layer 51 consists.
  • the coating is a 0.3 ⁇ m thick nickel layer, which is applied to the base metallization by means of a sputtering process.
  • the wires 70 of the outer electrode 7 are fixed by means of a solder 6.
  • the Lot 6 is a lead-free tin solder with other components, for example, a Sn99Cul solder.
  • the diffusion-inhibiting layer 51 inhibits diffusion of the constituent tin toward the base metallization 4, thereby preventing or retarding reaction of the tin with the copper of the base metallization. For example, such a reaction would form Cu6Sn5 or Cu3Sn alloys, which could weaken the base metallization 4.
  • FIG. 3B shows a further embodiment for a
  • the attachment 9 comprises a base metallization 4, a coating 5 and a solder 6, which are each designed as layers and are arranged one above the other.
  • the coating 5 contains a diffusion-inhibiting layer 51, as well as a further, lower layer 52 and a further, upper layer 53. All layers 51, 52 and 53 are applied to the base metallization 4 by means of sputtering.
  • the further, lower layer 52 has a particularly high adhesive strength on the base metallization 4.
  • the further, lower layer 52 is, for example, a 0.3 ⁇ m thick chromium layer.
  • the diffusion-inhibiting layer 51 is sputtered.
  • the diffusion-inhibiting layer consists of a 0.3 ⁇ m thick
  • Nickel layer On the diffusion-inhibiting layer 51, a further, upper layer 53 is applied, for example in the form of a 0.3 micron thick silver layer.
  • the other, upper layer 53 has a particularly good solderability, so that the outer electrode 7 can be fixed particularly stable means of a solder 6 to the coating 5.
  • the coating 5 may, for example, contain only one diffusion-inhibiting layer 51 and further, lower layer 52 or a diffusion-inhibiting layer 51 and a further, upper layer 53. Furthermore, it is also possible to apply a plurality of further, lower layers 52 or further, upper layers 53.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben, bei dem auf wenigstens ein Teilbereich der Außenseite (21, 21a, 21b) eine Grundmetallisierung (4) aufgebracht ist. Über der Grundmetallisierung (4) ist eine Beschichtung (5) aufgebracht, die wenigstens eine diffusionshemmende Schicht (51) aufweist. Die diffusionshemmende Schicht (51) hemmt die Diffusion eines Bestandteils eines Lotes durch die diffusionshemmende Schicht (51). Weiterhin wird ein Verfahren zum Befestigen einer Außenelektrode bei einem Piezoaktor angegeben, bei dem auf eine Grundmetallisierung (4) eine Beschichtung (5) auf gesputtert und eine Außenelektrode (7, 7a, 7b) mittels eines Lots befestigt wird.

Description

Beschreibung
Piezoaktor in Vielschichtbauweise und Verfahren zum Befestigen einer Außenelektrode bei einem Piezoaktor
Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise angegeben, der einen Stapel aus piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten aufweist. Die Elektrodenschichten können mittels Außenelektroden elektrisch kontaktiert werden, die an den Außenseiten des Stapels befestigt sind. Beim Anlegen einer Spannung zwischen benachbarte Elektrodenschichten dehnt sich der Piezoaktor entlang des elektrischen Feldes aus. Derartige Piezoaktoren können beispielsweise zum Betätigen eines Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
In der Druckschrift EP 9844678 Bl ist ein Piezoaktor mit einer am Stapel befestigten Außenelektrode angegeben.
Es ist eine zu lösende Aufgabe, eine Außenelektrode möglichst zuverlässig an der Außenseite des Stapels zu befestigen.
Es wird ein Piezoaktor in Vielschichtbauweise mit einem Stapel aus piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten angegeben. Auf wenigstens einem Teilbereich der Außenseite des Stapels ist eine Grundmetallisierung aufgebracht. Über der Grundmetallisierung ist eine Beschichtung aufgebracht, die wenigstens eine diffusionshemmende Schicht aufweist. Die diffusionshemmende Schicht ist dazu geeignet, die Diffusion eines Bestandteils eines Lots durch die Schicht hindurch zu hemmen. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Schichten und die Elektrodenschichten des Stapels gemeinsam gesintert und bilden einen monolithischen Sinterkörper. Für die piezoelektrischen Schichten werden beispielsweise dünne Folien, die ein piezokeramisches Material wie Blei-Zirkonat- Titanat (PZT) enthalten, verwendet. Zur Bildung der Elektrodenschichten kann in einem Siebdruckverfahren eine Metallpaste, zum Beispiel eine Silber-Palladium-Paste oder eine kupferhaltige Paste auf die Folien aufgebracht werden. Die Folien werden anschließend gestapelt, verpresst und gemeinsam gesintert. Nach dem Sintern werden die piezoelektrischen Schichten polarisiert, so dass sie sich beim Anlegen einer Spannung zwischen benachbarte Elektrodenschichten entlang ihrer Polarisationsrichtung ausdehnen.
Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten kann auf wenigstens einen Teilbereich der Außenseite des Stapels eine Grundmetallisierung aufgebracht werden. Diese Grundmetallisierung wird vorzugsweise in Form einer Silber- Palladium-Paste oder einer kupferhaltigen Paste auf einen
Teilbereich der Außenseite des Stapels aufgetragen und beim Sintern des Stapels mit eingebrannt. Vorzugsweise enthält die Paste neben ihren Grundbestandteilen einen Glasflussanteil, beispielsweise in Form von Bleioxid oder Siliziumdioxid. Dadurch kann eine teilweise Diffusion der Grundmetallisierung in die Keramik und, damit verbunden, eine Erhöhung der Haftfestigkeit der Grundmetallisierung an der Außenseite des Stapels erreicht werden.
Beispielsweise sind auf zwei gegenüber liegenden Seitenflächen des Stapels Grundmetallisierungen aufgebracht. Vorzugsweise sind die Grundmetallisierungen im Bereich sogenannter inaktiver Zonen aufgebracht, in denen sich entlang der Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten nicht überlappen. Die Elektrodenschichten reichen abwechselnd bis zu einer der Seitenflächen heran und sind in Bezug auf die gegenüber liegende Seitenfläche in den Stapel zurückversetzt. Eine Grundmetallisierung, die auf eine inaktive Zone aufgebracht wird, steht nur mit jeder zweiten Elektrodenschicht in elektrischem Kontakt. Die weitere Grundmetallisierung, die auf einer weiteren inaktiven Zone aufgebracht ist, kontaktiert dann die anderen Elektroden- schichten. Auf diese Weise sind die Elektrodenschichten entlang der Stapelrichtung abwechselnd mit einer der Grundmetallisierungen elektrisch verbunden. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Grundmetallisierungen wird somit eine elektrische Spannung zwischen benachbarten Elektrodenschichten angelegt.
In den inaktiven Zonen, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten nicht überlappen, ist das elektrische Feld im Vergleich zu den angrenzenden aktiven Zonen, in denen sich benachbarte Elektrodenschichten überlappen, vermindert. Dadurch dehnen sich die piezoelektrischen Schichten in den inaktiven Zonen weniger aus als in den aktiven Zonen. Dies kann zu mechanischen Verspannungen und schließlich zu Rissen im Piezoaktor führen. Setzen sich derartige Risse in die Grundmetallisierung hinein fort, kann dies dazu führen, dass die Elektrodenschichten nicht mehr zuverlässig elektrisch kontaktiert werden können. Um einen Ausfall des Piezoaktors zu vermeiden, sollten die Grundmetallisierung und die Außenelektrode möglichst zuverlässig am Stapel befestigt werden.
Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten ist vorzugsweise eine Außenelektrode angelötet. Zum Schutz der Grundmetallisierung befindet sich zwischen der Grundmetallisierung und einem aufgebrachten Lot eine Beschichtung, die wenigstens eine diffusionshemmende Schicht enthält. Vorzugsweise hemmt die diffusionshemmende Schicht die Diffusion desjenigen Bestandteils eines Lots, der zum
Ablegieren der Grundmetallisierung führen kann. Vorzugsweise ist die diffusionshemmende Schicht zur Hemmung der Diffusion von Zinn geeignet.
Bei einer Diffusion des Zinns zur Grundmetallisierung können sich Legierungen aus Zinn und einem Bestandteil der Grundmetallisierung bilden, was zu einer Schwächung der Grundmetallisierung führt.
Vorzugsweise enthält die diffusionshemmende Schicht Metalle aus der Menge Nickel, Titan und Wolfram.
Die diffusionshemmende Schicht kann auch als Metallschicht ausgebildet sein, d. h. ein oder mehrere Metalle als ihre Hauptbestandteile enthalten.
In einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine weitere, untere Schicht auf, die direkt auf der Grundmetallisierung aufgebracht ist.
Vorzugsweise weist die untere Schicht eine besonders gute Haftfestigkeit auf der Grundmetallisierung auf.
Auf diese Weise kann eine besonders stabile Befestigung der Beschichtung mit der Grundmetallisierung erreicht werden. Beispielsweise enthält die untere Schicht Metalle aus der Menge Silber, Kupfer und Chrom. In einer Ausführungsform weist die Beschichtung eine weitere, obere Schicht auf, die besonders gut lötbar ist.
Dadurch kann eine Außenelektrode mittels eines Lots zuverlässig an der Außenseite der Beschichtung befestigt werden. Die weitere, obere Schicht enthält beispielsweise Metalle aus der Menge Zinn, Silber, Kupfer und Gold.
Die verschiedenen Schichten der Beschichtung können dabei metallhaltige Schichten oder auch Metallschichten sein, d. h. ein oder mehrere Metalle als Hauptbestandteile enthalten. In einer Ausführungsform enthält die Beschichtung wenigstens eine Metallschicht.
Weiterhin wird ein Piezoaktor mit wenigstens einer
Außenelektrode zur Kontaktierung der Elektrodenschichten angegeben, wobei die Außenelektrode mittels eines Lots an der Beschichtung befestigt ist.
Vorzugsweise ist die Außenelektrode als Drahtgewebe ausgebildet .
Das Drahtgewebe kann beispielsweise aus den Materialien Stahl, Kupfer oder Eisen-Nickel Legierung hergestellt sein. Um die Benetzbarkeit der Drähte mit Lot zu verbessern, können die Drähte mit Kupfer beschichtet sein. Die Außenelektrode kann auch in einer anderen Form vorliegen, beispielsweise kann sie als Blech ausgebildet sein und mit Löchern versehen sein, wodurch die Dehnbarkeit der Außenelektrode erhöht wird.
In einer Ausführungsform ist das Lot in Form einer Lotschicht aufgebracht, die zwischen der Außenelektrode und der Außenseite des Stapels angeordnet ist. Um die Dehnfähigkeit der Schicht zu erhöhen, kann die Schicht Unterbrechungen aufweisen. Auf diese Weise können mechanische Spannungen in der Schicht verringert und so das Auftreten von Rissen beim Betrieb des Aktors vermieden werden. Das Lot kann auch als eine Anordnung mehrerer Inseln aufgebracht sein.
Bei Verwendung einer Außenelektrode, die Löcher aufweist, z. B. bei einem Drahtgewebe, muss sich das Lot nicht zwischen der Außenelektrode und der Beschichtung befinden. Die Außen- elektrode kann beispielsweise direkt auf der Beschichtung aufliegen und das Lot kann die Löcher der Außenelektrode füllen und somit eine feste Verbindung der Außenelektrode und der Beschichtung herstellen.
Vorzugsweise ist das Lot ein bleifreies Zinnlot. Das Lot kann weitere Zusätze aus der Menge Kupfer, Silber, Nickel und Antimon enthalten. Vorzugsweise enthält das verwendete Lotmaterial möglichst wenig umweltschädliche Bestandteile und genügt insbesondere der sogenannten RoHS-Richtlinie der Europäischen Union zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten.
Vorzugsweise ist an der Außenseite der Außenelektrode eine Weiterkontaktierung zur Spannungsversorgung befestigt. Die Weiterkontaktierung ist beispielsweise mittels Weichlöten oder Schweißen an der Außenelektrode befestigt.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Befestigen einer Außenelektrode bei einem Piezoaktor angegeben. Dabei wird ein Stapel aus piezoelektrischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten bereitgestellt. Auf wenigstens einen Teilbereich einer Außenseite des Stapels wird eine Grundmetallisierung aufgebracht und vorzugsweise eingebrannt. Auf die Grundmetallisierung wird eine Beschichtung aufgesputtert . An der Beschichtung wird eine Außenelektrode mittels eines Lots befestigt.
Beispielsweise wird als Außenelektrode ein Drahtgewebe verwendet, das mit dem Lotmaterial beschichtet ist. Nach dem Auflegen dieser Außenelektrode auf die aufgesputterte Beschichtung wird das Lotmaterial erhitzt, so dass es erweicht und eine Stoffschlüssige Verbindung mit der Beschichtung eingeht.
In einer Ausführungsform werden bei der Bildung der Beschichtung nacheinander mehrere Schichten auf die Grundmetallisierung aufgesputtert .
Im Folgenden werden der angegebene Piezoaktor und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt eines Piezoaktors mit einer Außenelektrode in Form eines Drahtgewebes,
Figur 2 einen Querschnitt eines Piezoaktors mit einer
Außenelektrode in Form einer Drahtharfe,
Figur 3A im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel für eine
Beschichtung, an der eine Außenelektrode befestigt ist,
Figur 3B im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beschichtung, an der eine Außenelektrode befestigt ist. Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Piezoaktors 1, der einen Stapel 2 aus piezoelektrischen Schichten 3 und dazwischen liegenden Elektrodenschichten (hier nicht gezeigt) aufweist. Die Schichten sind entlang einer Stapelrichtung S übereinander gestapelt und gemeinsam gesintert. Der so gebildete Grundkörper des Piezoaktors 1 ist quaderförmig und weist eine Längsachse auf, die der Stapelrichtung S entspricht .
Die Elektrodenschichten reichen entlang der Stapelrichtung S abwechselnd bis zu einer Außenseite 21a, 21b des Stapels 2 und sind von der jeweils gegenüberliegenden Außenseite 21b, 21a beabstandet. Dadurch entstehen sogenannte inaktive Zonen 31a, 31b in denen sich in Stapelrichtung S benachbarte Elektrodenschichten nicht überlappen. Die inaktiven Zonen
31a, 31b erstrecken sich jeweils über eine gesamte Außenseite 21a, 21b des Stapels. Auf den gegenüberliegenden Außenseiten 21a, 21b, die an die inaktiven Zonen 31a, 31b angrenzen, sind Außenelektroden 7a, 7b mittels einer Befestigung 9a, 9b aufgebracht. Die hier gezeigten Außenelektroden 7a, 7b sind in Form von Drahtgeweben 71a, 71b ausgeführt. Die Befestigung 9a, 9b der jeweiligen Außenelektrode 7a, 7b umfasst eine Beschichtung (hier nicht gezeigt) , die wenigstens eine diffusionshemmende Schicht (hier nicht gezeigt) enthält. Die Außenelektroden 7a, 7b sind mittels eines Lots (hier nicht gezeigt) an der Beschichtung befestigt.
Figur 2 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungsform für einen Piezoaktor 1, bei dem Außenelektroden 7a, 7b in Form von Drahtharfen 72a, 72b an zwei gegenüberliegenden
Außenseiten 21a, 21b des Stapels 2 befestigt sind. Eine Drahtharfe 72a, 72b weist eine Vielzahl von parallel angeordneten Drähten 70a, 70b auf, die vorzugsweise senkrecht zur Stapelrichtung S angeordnet sind. Die Drähte 70a, 70b sind mittels einer Befestigung 9a, 9b im Bereich von inaktiven Zonen 31a, 31b mit dem Stapel 1 verbunden. Die inaktiven Zonen 31a, 31b erstrecken sich in dieser Ausführungsform nicht über eine gesamte Seitenfläche 21a, 21b des Piezoaktors 1, sondern nur über einen an die Kante 22a, 22b angrenzenden Teilbereich der jeweiligen Seitenfläche 21a, 21b. Die Drahtharfen 72a, 72b sind über diese Kante 22a, 22b geführt und an ihrem freien Ende mit Weiterkontaktierungen in Form von Kontaktpins 8a, 8b verbunden. Die Kontaktpins 8a, 8b sind beispielsweise durch Löten oder Schweißen mit der Drahtharfe 72a, 72b mechanisch und elektrisch verbunden.
Figur 3A zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel für eine Befestigung 9 einer Außenelektrode 7 an einem Stapel 2 aus Elektrodenschichten (hier nicht gezeigt) und Keramikschichten 3. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Befestigungen 9a, 9b sind beispielsweise wie die hier gezeigte Befestigung 9 ausgeführt.
In Figur 3A ist ein Draht 70 eines Drahtgewebes 71a, 71b oder einer Drahtharfe 72a, 72b gezeigt, der mittels eines Lots 6 an einer Außenseite 21 des Stapels befestigt ist. Als unterster Bestandteil der Befestigung 9 ist direkt auf die Außenseite 21 des Stapels 2 eine Grundmetallisierung 4 aufgebracht .
Die Grundmetallisierung 4 ist eine eingebrannte 20 bis 50 μm dicke Kupferpaste, die einen Glasflussanteil enthält und direkt mit piezokeramischen Schichten 3 und
Elektrodenschichten (hier nicht gezeigt) verbunden ist. Auf die Grundmetallisierung 4 ist eine Beschichtung 5 aufgebracht, die aus einer diffusionshemmenden Schicht 51 besteht. Beispielsweise ist die Beschichtung eine 0,3 μm dicke Nickelschicht, die mittels eines Sputterverfahrens auf die Grundmetallisierung aufgebracht ist. An der diffusionshemmenden Schicht 51 sind die Drähte 70 der Außenelektrode 7 mittels eines Lots 6 befestigt. Das Lot 6 ist ein bleifreies Zinnlot mit weiteren Bestandteilen, zum Beispiel ein Sn99Cul-Lot. Die diffusionshemmende Schicht 51 hemmt die Diffusion des Bestandteils Zinns in Richtung der Grundmetallisierung 4. Dadurch kann eine Reaktion des Zinns mit dem Kupfer der Grundmetallisierung verhindert oder verzögert werden. Beispielsweise würden sich bei einer derartigen Reaktion Cu6Sn5- oder Cu3Sn-Legierungen bilden, wodurch die Grundmetallisierung 4 geschwächt werden könnte.
Figur 3B zeigt eine weitere Ausführungsform für eine
Befestigung 9 einer Außenelektrode 7 bei einem Piezoaktor 1. Die Befestigung 9 umfasst eine Grundmetallisierung 4, eine Beschichtung 5 und ein Lot 6, die jeweils als Schichten ausgeführt sind und übereinander angeordnet sind.
Die Beschichtung 5 enthält eine diffusionshemmende Schicht 51, sowie eine weitere, untere Schicht 52 und eine weitere, obere Schicht 53. Alle Schichten 51, 52 und 53 sind mittels Sputterns auf die Grundmetallisierung 4 aufgebracht. Die weitere, untere Schicht 52 weist eine besonders hohe Haftfestigkeit auf der Grundmetallisierung 4 auf. Die weitere, untere Schicht 52 ist beispielsweise eine 0,3 μm dicke Chromschicht. Auf die weitere, untere Schicht 52 ist die diffusionshemmende Schicht 51 aufgesputtert . Die diffusionshemmende Schicht besteht aus einer 0,3 μm dicken
Nickelschicht. Auf die diffusionshemmende Schicht 51 ist eine weitere, obere Schicht 53 aufgebracht, zum Beispiel in Form einer 0,3 μm dicken Silberschicht. Die weitere, obere Schicht 53 weist eine besonders gute Lötbarkeit auf, so dass die Außenelektrode 7 besonders stabil mittels eines Lots 6 an der Beschichtung 5 befestigt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen kann die Beschichtung 5 beispielsweise nur eine diffusionshemmende Schicht 51 und weitere, untere Schicht 52 oder eine diffusionshemmende Schicht 51 und eine weitere, obere Schicht 53 enthalten. Weiterhin ist es auch möglich mehrere weitere, untere Schichten 52 oder weitere, obere Schichten 53 aufzubringen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung an Hand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Piezoaktor
2 Stapel 21, 21a, 21b Außenseite 22a, 22b Kante
3 piezoelektrische Schicht 31a, 31b inaktive Zone
4 Grundmetallisierung 5 Beschichtung
51 diffusionshemmende Schicht
52 untere Schicht
53 obere Schicht 6 Lot 7, 7a, 7b Außenelektrode
70, 70a, 70b Draht
71, 71a, 71b Drahtgewebe
72, 72a, 72b Drahtharfe 8a, 8b Kontaktpin 9, 9a, 9b Befestigung
5 Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktor in Vielschichtbauweise
- mit einem Stapel (2) aus piezoelektrischen Schichten (3) und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten,
- bei dem auf wenigstens einen Teilbereich der Außenseite (21, 21a, 21b) des Stapels (2) eine Grundmetallisierung (4) aufgebracht ist und
- bei dem über der Grundmetallisierung (4) eine Beschichtung (5) aufgebracht ist, die wenigstens eine diffusionshemmende
Schicht (51) aufweist, die die Diffusion eines Bestandteil eines Lots durch die diffusionshemmende Schicht (51) hindurch hemmt .
2. Piezoaktor nach Anspruch 1,
- bei dem die diffusionshemmende Schicht (51) zur Hemmung der Diffusion von Zinn geeignet ist.
3. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, - bei dem die diffusionshemmende Schicht (52) Metalle aus der Menge Nickel, Titan und Wolfram enthält.
4. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei dem die Beschichtung (5) eine weitere, untere Schicht (52) aufweist, die direkt auf der Grundmetallisierung (4) aufgebracht ist.
5. Piezoaktor nach Anspruch 4,
- bei dem die weitere, untere Schicht (52) Metalle aus der Menge Silber, Kupfer und Chrom enthält.
6. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- bei dem die Beschichtung (5) eine weitere, obere Schicht (53) aufweist, die besonders gut lötbar ist.
7. Piezoaktor nach Anspruch 6,
- bei dem die weitere, obere Schicht (53) Metalle aus der Menge Zinn, Silber, Kupfer und Gold enthält.
8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - bei dem die Grundmetallisierung (4) eine eingebrannte Paste aus der Menge Kupferpaste und Silber-Palladium-Paste ist.
9. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- mit wenigstens einer Außenelektrode (7, 7a, 7b) zur Kontaktierung der Elektrodenschichten,
- bei dem die Außenelektrode (7, 7a, 7b) mittels eines Lots (6) an der Beschichtung (5) befestigt ist.
10. Piezoaktor nach Anspruch 9, - bei dem das Lot (6) ein bleifreies Zinnlot ist.
11. Piezoaktor nach Anspruch 10,
- bei dem das Lot (6) weitere Zusätze aus der Menge Kupfer, Silber, Nickel und Antimon enthält.
12. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
- bei dem die Außenelektrode (7, 7a, 7b) als Drahtgewebe (71, 71a, 71b) ausgebildet ist.
13. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
- bei dem die Außenelektrode (7, 7a, 7b) als Drahtharfe (72, 72a, 72b) ausgebildet ist.
14. Verfahren zum Befestigen einer Außenelektrode bei einem Piezoaktor, umfassend die Schritte:
A) Bereitstellen eines Stapels (2) aus piezoelektrischen Schichten (3) und dazwischen angeordneten Elektroden- schichten,
B) Aufbringen einer Grundmetallisierung (4) auf wenigstens einen Teilbereich einer Außenseite (21, 21a, 21b) des Stapels
(2),
C) Aufsputtern einer Beschichtung (5) auf die Grund- metallisierung (4),
D) Befestigen einer Außenelektrode (7, 7a, 7b) an der Beschichtung (42) mittels eines Lots.
15. Verfahren nach Anspruch 14, - bei dem in Schritt C) zur Bildung der Beschichtung (5) nacheinander mehrere Schichten auf die Grundmetallisierung (4) aufgesputtert werden.
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