WO2011101473A1 - Piezoelektrisches vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen vielschichtbauelements - Google Patents

Piezoelektrisches vielschichtbauelement und verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen vielschichtbauelements Download PDF

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WO2011101473A1
WO2011101473A1 PCT/EP2011/052527 EP2011052527W WO2011101473A1 WO 2011101473 A1 WO2011101473 A1 WO 2011101473A1 EP 2011052527 W EP2011052527 W EP 2011052527W WO 2011101473 A1 WO2011101473 A1 WO 2011101473A1
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piezoelectric
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sacrificial layer
metal
multilayer component
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PCT/EP2011/052527
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Alexander Glazunov
Oliver Dernovsek
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Epcos Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/053—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by integrally sintering piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric component with piezoelectric layers.
  • Multilayer piezoelectric devices such as
  • multilayer piezoelectric actuators include multiple layers of piezoelectric material. Piezoelectric actuators can be used, for example, to actuate a
  • Injection valve can be used in a motor vehicle.
  • Piezoelectric actuators are known, for example, from DE 10 2004 031 404 A1, DE 10 2005 052 686 A1 and EP 1926156 A2.
  • the object of the invention is a piezoelectric
  • the stack has an active region with disposed between the piezoelectric layers
  • Electrode layers and at least one inactive region are the end product of the
  • the piezoelectric multilayer component intended to deform at a voltage applied to the electrode layers voltage.
  • the inactive area contains at least one sacrificial layer.
  • the sacrificial layer has an electrical
  • the metal is at least partially diffusible from the sacrificial layer into the piezoelectric layers of the inactive region.
  • Component be designed as a piezoelectric actuator in multi-layer design.
  • the active region of the component has electrode layers arranged between the piezoelectric layers. When a voltage is applied to the electrode layers, a deformation of the piezoelectric material occurs in the active region. If the component is a piezoelectric actuator, this deformation can also be described as
  • the deformation of the inactive area is smaller than the deformation of the active area at one of the
  • Electrode layers of the active region applied voltage.
  • the inactive region has no deformation in response to that in the inactive region
  • the inactive region preferably has no electrode layers.
  • the inactive region may be provided for electrically isolating the active region, for example from a housing in which the device is installed.
  • the inactive area can be used as an end piece of the component for clamping the component.
  • the piezoelectric layers of the component in particular of the intermediate product, can be produced from so-called green sheets which, in addition to other components such as sintering aids, comprise a ceramic powder.
  • Green films can be the electrode layers of the active Range, for example in a screen printing process,
  • the green sheets are then stacked so that an intermediate product of the component is formed, and sintered together so that from the
  • the occurrence of mechanical stresses can lead to the formation of cracks at the boundary between the active region and the inactive region during the heating of the intermediate or in the operation of the final product.
  • the cracks can lead to failure of the piezoelectric actuator.
  • the reduction of the occurrence of cracks can thus crucial to increasing the reliability and the
  • the inactive region has at least one sacrificial layer containing metal.
  • the metal diffuses from the sacrificial layer of the inactive region into the piezoelectric layers of the inactive region. This will be the
  • Sintered shrinkage in the inactive region approximates the sintering shrinkage in the active region.
  • the sacrificial layer points
  • Layers in the active region and in the inactive region have the same concentration of metal. Furthermore, the amount of insulating material contained in the sacrificial layer is preferably selected such that the insulating product of the inactive region is ensured in the end product despite the metal contained in the sacrificial layer.
  • Adjustment of the sintering shrinkage properties of the active and inactive area of the stack can be achieved.
  • the sacrificial layer may contain, in addition to the metal and the electrically insulating material, an organic binder which preferably volatilizes before the sintering of the intermediate product by a suitable temperature treatment.
  • a piezoelectric multilayer component is specified as the end product, which has a stack of piezoelectric layers arranged one above the other.
  • the stack has an active area with between
  • piezoelectric layers arranged electrode layers and at least one inactive region.
  • the piezoelectric layers of the active region and the inactive region preferably have metal in the
  • layers of the active and inactive regions selected so that the differences in the sintering shrinkage of the active and inactive regions are so small that no formation of cracks occurs during the sintering process.
  • the piezoelectric layers of the active region and the inactive region may have the same metal.
  • the metal in the piezoelectric layers of the active region may be different from the one
  • the piezoelectric layers of the active region and the inactive region preferably have the same chemical composition, in particular the same Metal concentration, on.
  • the piezoelectric layers of the active region and the inactive region have the same chemical composition, in particular the same Metal concentration, on.
  • the piezoelectric layers of the active region and the inactive region comprise the metal, for example copper, contained in the electrode layers of the active region.
  • the amount of metal contained in the inactive region is advantageously chosen so that the inactive region, despite the metal contained in the piezoelectric layers of the inactive region, is electrically insulating with respect to the active region and opposite the actuator
  • the number of sacrificial layers in the inactive region and the amount of metal in the respective sacrificial layer are such
  • the piezoelectric layers assigned to the inactive region have the same concentration of metal as the piezoelectric associated with the active region
  • the number of sacrificial layers in the inactive region and the amount of metal in the respective sacrificial layer are chosen such that the insulating ones
  • Characteristics of the inactive area in particular the insulating effect of the inactive area compared to the external electrodes attached to the actuator, continue to be ensured.
  • the amount of metal contained in the sacrificial layer is selected depending on how much metal the metal has
  • the inactive region can accommodate piezoelectric layers of the inactive region during the heating of the intermediate product. Among other things, this depends on the thickness of the piezoelectric layers of the inactive region.
  • the piezoelectric layers of the inactive region can accommodate piezoelectric layers of the inactive region during the heating of the intermediate product. Among other things, this depends on the thickness of the piezoelectric layers of the inactive region.
  • Sacrificial layer at least as much metal as can diffuse during heating in the piezoelectric layers of the inactive region.
  • Sacrificial layer has a weight ratio between metal and insulating material ranging between 1: 5 and 1:50.
  • the piezoelectric layers comprise a piezoceramic material.
  • the piezoelectric layers comprise a lead zirconate titanate (PZT) ceramic.
  • the piezoelectric layers of the active region and the inactive region may comprise the same piezoceramic material.
  • Piezoelectric material such as the piezoelectric layers.
  • the diffusion behavior of the metal in the inactive region and in the active region can be particularly good at each other
  • the sacrificial layers preferably follow the heating of the device the same composition as the piezoelectric layers of the inactive region and are no longer visible as separate layers.
  • the sacrificial layer has at least as much metal that, due to the diffusion of the metal from the sacrificial layer into the piezoelectric layers of the inactive region
  • Saturation of the piezoelectric layers of metal can be achieved. Preferably diffused during the
  • the sacrificial layer comprises a ceramic powder having a particle size of greater than or equal to 0.2 ym and less than or equal to 1.5 ym.
  • the sacrificial layer comprises a metal powder having a particle size of greater than or equal to 0.01 ⁇ m and less than or equal to 3.0 ⁇ m.
  • a median value d50 of the distribution of the particle sizes in the sacrificial layer is preferred.
  • Heating of the intermediate may be greater than or equal to 0.2 ym and less than or equal to 1.5 ym, and is preferably greater than or equal to 0.4 ym and less than or equal to 1.5 ym.
  • the metal powder has the same particle size as the metal of the electrode layers of the active region.
  • the ceramic powder preferably has the same particle size as the piezoelectric material of the piezoelectric layers of the active region and the inactive region. This is particularly useful to provide the same diffusion behavior of the metal in the active and inactive regions and thus to achieve an adaptation of the sintering shrinkage of the active region and the inactive region during the heating of the device.
  • a further embodiment provides that the distance between two sacrificial layers in the inactive region is 0.3 to 3.0 times the distance between two adjacent electrode layers in the active region.
  • the distance between two sacrificial layers in the inactive region is just as great as the distance between two adjacent electrode layers in the active region.
  • Metal in the piezoelectric layers of the active and inactive area can be achieved.
  • a further embodiment of the intermediate product provides that the sacrificial layer has a structuring in a plane perpendicular to the stacking direction.
  • the sacrificial layer may have a discontinuous structure, or only a part of one
  • the sacrificial layer may be implemented as an array of islands deposited on a piezoelectric layer in the inactive region.
  • the sacrificial layer may, for example, have recesses, in particular in such a way that, as a network structure, they only have a part of the
  • the amount of metal diffusing into the piezoelectric layers of the inactive region during the sintering process can be additionally controlled.
  • Electrode layer the diffusion behavior of the metal from the sacrificial layer of the diffusion behavior of the metal from the electrode layers can be particularly well adjusted and thus the difference in sintering shrinkage in the active region and in the inactive region can be further minimized.
  • the amount of metal is at least
  • a maximum weight for the sacrificial layer is determined.
  • Weight of the insulating material for the sacrificial layer determined from the difference between the maximum weight of the sacrificial layer and the weight of the amount of metal intended for the sacrificial layer.
  • the amount of insulating material present in the sacrificial layer is preferably determined such that the insulating effect of the inactive region is still ensured despite the metal contained in the sacrificial layer.
  • the amount of metal in the sacrificial layer is preferably at least such that in the sintering process as much metal from the sacrificial layer can diffuse into the piezoelectric material of the inactive region as metal from the electrode layers diffuses into the piezoelectric material in the active region.
  • the amount of metal in the sacrificial layer depends on the chemical composition of the
  • the amount of metal depends on the type of metal. From this as well as from the volume of the inactive area, the metal weight per sacrificial layer can be determined.
  • the maximum weight of the sacrificial layer is dependent on the weight of the metal.
  • the layer thickness of the sacrificial layer, and thus the maximum weight of the sacrificial layer, is also dependent on the method, for example a
  • piezoelectric layer of the inactive region is applied.
  • An embodiment of the method provides heating, in particular sintering, of the intermediate product for obtaining the end product for the piezoelectric multilayer component.
  • Multilayer component is sintered, wherein the metal at least partially from the sacrificial layer in the
  • Figure 2 is a schematic representation of a portion
  • FIGS. 3A to 3F show different embodiments of a
  • Figure 1 shows a final product of a multilayered
  • piezoelectric actuator 1 which has a stack 2 of a plurality of piezoelectric layers 3 arranged one above the other.
  • the stack 2 is subdivided into an active area 6 and two inactive areas 7.
  • the inactive regions 7 adjoin the active region 6 in the stacking direction and form the end pieces of the stack 2.
  • the active region 6 of the stack 2 points between the two
  • the actuator 1 is so
  • electrical polarity associated electrode layers 4 do not extend at this point to the edge of the actuator 1.
  • the electrode layers 4 are therefore each formed in the form of nested combs.
  • an electrical voltage can be applied to the electrode layers 4.
  • an electrical voltage can be applied to the electrode layers 4.
  • the inactive regions 7 have no electrode layers 4. When a voltage is applied to the metallizations 5, no electric field is generated in the inactive regions 7. In particular, when a voltage is applied to the metallizations 5, no deformation of the piezoelectric material in the inactive regions 7 occurs. Thus, the inactive regions 7 do not contribute to the stroke of the piezoelectric actuator 1.
  • the inactive areas 7 are used for
  • the inactive regions 7 can for example also be used for clamping the actuator 1.
  • a layer of a piezoelectric layer 3 can be formed from a film (see layers 3 'in the piezoelectric layers 3 of the intermediate product in FIG. 2).
  • a piezoelectric layer 3 may comprise a plurality of layers 3 'of a piezoelectric material (see FIG. 2). In the end product of the actuator 1, in particular after the
  • the layers 3 ' may not be more
  • the piezoelectric material may additionally be provided with dopants.
  • dopants for example, that can be
  • piezoelectric material may be doped with neodymium or with a mixture of zinc and niobium.
  • a metal paste for example a
  • Copper paste, a silver paste or a silver-palladium paste are applied to the films.
  • foils made of the same piezoelectric material as in the active region 6 are used.
  • the films for the inactive regions 7 have no printing with the metal paste for the production of electrode layers 4. All films are stacked, pressed and sintered together at temperatures between 900 ° C and 1200 ° C, so that the end product is a monolithic body.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a
  • FIG. 2 shows an inactive region 7 as well as a part of the active region 6 of a multi-layered piezoelectric actuator 1 adjoining the inactive region 7. All of the features of the actuator 1 cited in the description of FIG. 1 also apply to the end product according to the invention, which consists of the
  • the intermediate product described below may be formed except that the final product has metal in the piezoelectric layers 3 of the inactive region 7 and, more particularly, the metal concentration in the piezoelectric layers 3 of the active region 6 and the inactive region 7 is the same. This will be explained in detail below.
  • the inactive area 7 has in the illustrated here
  • Embodiment a piezoelectric layer 3 on.
  • the active region 6 consists of a plurality of piezoelectric layers 3, which also have a plurality of layers 3 'of the piezoelectric material (not explicitly
  • the inactive area 7 has the same
  • piezoelectric material such as the active region 6.
  • Polarity contacted electrode layers 4 introduced.
  • the layer thickness of the piezoelectric layer 3 in the inactive region 7 is greater, preferably at least ten times greater than the layer thickness of a piezoelectric layer 3 in the active region 6. The greater the thickness of the piezoelectric layer 3 in the inactive region 7 the better
  • Layer thickness of the inactive region 7 associated piezoelectric layer 3 but also be smaller than the layer thicknesses of the piezoelectric layers 3 in the active region 6, in particular when the inactive region 7 has a plurality of piezoelectric layers 3.
  • the sacrificial layer 8 comprises an organic binder and a mixture of a metal powder and an electrically insulating material, in this embodiment a ceramic powder.
  • a ceramic powder In this case, the ceramic powder of the
  • Sacrificial layer 8 has the same chemical composition as the piezoelectric material of the piezoelectric layers 3 in the active region 6 and in the inactive regions 7, for example, PZT.
  • the metal powder has the same metal as the electrode layers 4 in the active region 6 of the actuator 1.
  • the metal powder has copper.
  • Electrode layers 4 of the active region 6, a silver paste or a silver-palladium paste are used, the metal powder of the sacrificial layer 8 on silver.
  • the metal powder has, for example, no palladium, since palladium has only a low diffusibility when heating the actuator 1.
  • the existing in the sacrificial layer 8 metal is to
  • the ceramic powder in the sacrificial layer 8 preferably has a particle size of greater than or equal to 0.4 ⁇ m and less than or equal to 1.5 ⁇ m.
  • the metal powder preferably has a particle size of greater than or equal to 0.4 ym and less than or equal to 1.5 ym.
  • the metal powder may have a smaller particle size than the ceramic powder, resulting in better diffusion of the metal particles into the
  • the metal powder has the same particle size as the metal of the electrode layers 4.
  • Sacrificial layer 8 may be applied.
  • a sacrificial layer 8 can be applied only to selected layers 3 'of the piezoelectric material in the inactive region 7, for example to every second layer 3'. The distance between two provided with the sacrificial layer 8 layers 3 'of the
  • the piezoelectric material in the inactive region 7 is approximately the same size as the distance between two adjacent electrode layers 4 in the active region 6.
  • the piezoelectric material in the active region 6 and the piezoelectric material in the inactive Areas 7 consequently the same chemical composition and,
  • the end product of the actuator 1 produced by the sintering can, as already mentioned before, look like the end product described in connection with FIG. 1, except that the metal concentration in the piezoelectric layers 3 in the active region 6 and inactive region 7 in the case described here End product is the same.
  • Sacrificial layer 8 additionally contains the same ceramic material as the piezoelectric layers 3 of the active region 6 and the inactive region 7, the sacrificial layer 8 after the sintering process is little or no longer of the piezoelectric material of the piezoelectric layers 3 of the active and inactive region 6, 7 to distinguish. In other words, after the sintering process, there is preferably no difference between the piezoelectric material in the active region 6 and in the inactive region 7.
  • the sacrificial layers 8 contain more metal than can be accommodated by the piezoelectric layer 3 of the inactive region 7 during the sintering process and, in particular, until it reaches the saturation state, the remaining metal, for example in the form of small ones, may be present
  • the sacrificial layer 8, like the electrode layers 4 in the active region 6, can be applied in a screen printing process to the layers 3 'of the piezoelectric material of the inactive region.
  • Sacrificial layer 8 only on local areas of a layer 3 'of the piezoelectric material in the inactive region 7 and by a suitable choice of shape and size of the sacrificial layer 8 printed surface of the layer 3', the amount of metal during the sintering process in the
  • Electrode layer 4 the diffusion behavior of the metal from the sacrificial layer 8, the diffusion behavior of the metal from the electrode layers 4 can be further adjusted and thus the difference in sintering shrinkage can be further minimized. In particular, this can be the same
  • FIGS. 3A to 3F show various embodiments of a sacrificial layer 8.
  • Figure 3A shows the top view of a
  • Sacrificial layer 8 which covers the entire top of a layer 3 'of the piezoelectric material in the inactive region 7.
  • the sacrificial layer 8 may be applied to the layer 3 'analogously to the application pattern of an electrode layer 4 in the active region 6 of the stack 2.
  • the sacrificial layer 8 would be applied, for example, to the complete upper side of the layer 3 ', apart from a recess at one edge of the layer 3' (not explicitly shown).
  • FIG. 3B shows the top view of a sacrificial layer 8 which covers the entire upper side of a layer 3 'of the piezoelectric material in the inactive region 7, apart from a recess 9 running around the edge of the layer 3'.
  • Recess 9 can be the diffusion of metal from the
  • Embodiment of the sacrificial layer 8 can be increased.
  • the recess 9 is particularly advantageous in order to continue to ensure the electrically insulating effect of the inactive region 7 with respect to the metallizations 5 attached to the actuator 1 (see FIG. 1).
  • FIG. 3C shows the top view of a structured one
  • Sacrificial layer 8 Here, the material of the sacrificial layer 8 in the form of individual islands 10 on the top of the layer 3 ' applied. Recesses 12 can be seen between the islands 10, so that the sacrificial layer 8 only a part of the
  • Sacrificial layer 8 diffused into the piezoelectric layers 3 of the inactive region 7, further controlled.
  • the islands 10 are, for example, circular and in
  • FIG. 3D shows an embodiment of the sacrificial layer 8 in which the islands 10 are square.
  • FIG. 3E shows a sacrificial layer 8, which as a kind
  • FIG. 3F shows a sacrificial layer 8, which is applied as an arrangement of concentric, frame-shaped regions 13, 14 on a layer 3 '.
  • the regions 13, 14 may have circular or square outlines. They can be called annular islands that have a common center
  • frame-shaped portion 14 of the sacrificial layer 8 concentrically disposed within the frame-shaped portion 13. Between the frame-shaped areas 13, 14 can be seen a recess 12a. Furthermore, it is located within the
  • a recess 12b of the sacrificial layer 8 At the edge of the layer 3', a circumferential recess 9 is provided.
  • Electrode layers 4 of the active region 6 diffused, be adapted.

Landscapes

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

Abstract

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) als Zwischenprodukt, das einen Stapel (2) von übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten (3) aufweist. Der Stapel (2) weist einen aktiven Bereich (6) mit zwischen den piezoelektrischen Schichten (3) angeordneten Elektrodenschichten (4) und wenigstens einen inaktiven Bereich (7) auf, wobei der aktive Bereich (6) beim Endprodukt des piezoelektrisches Vielschichtbauelements (1) dazu vorgesehen ist, sich bei einer an die Elektrodenschichten (4) angelegten Spannung zu verformen. Der inaktive Bereich (7) enthält wenigstens eine Opferschicht (8), die ein elektrisch isolierendes Material und ein Metall aufweist, wobei mittels Erwärmen des Vielschichtbauelements (1) das Metall zumindest teilweise aus der Opferschicht (8) in die piezoelektrischen Schichten (3) des inaktiven Bereichs (7) diffundierbar ist.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauelement mit piezoelektrischen Schichten.
Vielschichtige piezoelektrische Bauelemente, wie etwa
vielschichtige piezoelektrische Aktoren, umfassen mehrere Schichten eines piezoelektrischen Materials. Piezoelektrische Aktoren können zum Beispiel zum Betätigen eines
Einspritzventils in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Piezoelektrische Aktoren sind beispielsweise aus der DE 10 2004 031 404 AI, der DE 10 2005 052 686 AI und der EP 1926156 A2 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches
Bauelement mit hoher Zuverlässigkeit anzugeben.
Es wird ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement als
Zwischenprodukt angegeben, welches einen Stapel von
übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten
aufweist. Der Stapel weist einen aktiven Bereich mit zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten
Elektrodenschichten und wenigstens einen inaktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist beim Endprodukt des
piezoelektrischen Vielschichtbauelements dazu vorgesehen, sich bei einer an die Elektrodenschichten angelegten Spannung zu verformen. Der inaktive Bereich enthält wenigstens eine Opferschicht. Die Opferschicht weist ein elektrisch
isolierendes Material und ein Metall auf. Mittels Erwärmen des Vielschichtbauelements ist das Metall zumindest teilweise aus der Opferschicht in die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs diffundierbar.
Insbesondere kann das Endprodukt des piezoelektrischen
Bauelements als Piezoaktor in Vielschichtbauweise ausgebildet sein. Der aktive Bereich des Bauelements weist zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnete Elektrodenschichten auf. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten tritt eine Verformung des piezoelektrischen Materials im aktiven Bereich auf. Handelt es sich bei dem Bauelement um einen Piezoaktor, so kann diese Verformung auch als
piezoelektrischer Hub bezeichnet werden.
Die Verformung des inaktiven Bereichs ist kleiner als die Verformung des aktiven Bereichs bei einer an die
Elektrodenschichten des aktiven Bereichs angelegten Spannung. Vorzugsweise weist der inaktive Bereich keine Verformung als Antwort des im inaktiven Bereich angeordneten
piezoelektrischen Materials auf eine angelegte Spannung auf. Insbesondere weist der inaktive Bereich vorzugsweise keine Elektrodenschichten auf. Der inaktive Bereich kann zur elektrischen Isolierung des aktiven Bereichs, beispielsweise von einem Gehäuse, in dem das Bauelement eingebaut wird, vorgesehen sein. Beispielsweise kann der inaktive Bereich als Endstück des Bauelements zur Einspannung des Bauelements, genutzt werden.
Die piezoelektrischen Schichten des Bauelements, insbesondere des Zwischenprodukts, können aus so genannten Grünfolien hergestellt werden, die neben weiteren Bestandteilen wie etwa Sinterhilfsmitteln ein Keramikpulver aufweisen. Auf die
Grünfolien können die Elektrodenschichten des aktiven Bereichs, zum Beispiel in einem Siebdruckverfahren,
aufgebracht werden. Die Grünfolien werden anschließend gestapelt, so dass ein Zwischenprodukt des Bauelements entsteht, und gemeinsam gesintert so dass aus dem
Zwischenprodukt des Bauelements als Endprodukt ein
monolithischer Grundkörper entsteht.
Während des Erwärmens des Zwischenprodukts, insbesondere während des Sintervorgangs, diffundiert Metall aus den
Elektrodenschichten des aktiven Bereichs in die
piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs. Im Fall, dass der inaktive Bereich keine Elektrodenschichten aufweist, findet im inaktiven Bereich keine Diffusion von Metall in die piezoelektrischen Schichten statt. Dies führt zu
unterschiedlichen Metallkonzentrationen in den
piezoelektrischen Schichten von aktivem Bereich und inaktivem Bereich. Insbesondere beschleunigt das aus den
Elektrodenschichten in die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs diffundierte Metall den Sinterschwund im aktiven Bereich, vor allem bei hohen Sintertemperaturen.
Dadurch kommt es zu unterschiedlichen
Sinterschwundeigenschaften und folglich zu unterschiedlichen Sinterschwundtemperaturen des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs und in Folge dessen zur Bildung von mechanischen Spannungen insbesondere an der Grenze zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Bereich. Die
auftretenden mechanischen Spannungen können zur Bildung von Rissen an der Grenze zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Bereich während des Erwärmens des Zwischenprodukts oder im Betrieb des Endprodukts führen. Durch die Risse kann es zum Versagen des piezoelektrischen Aktors kommen. Die Verminderung des Auftretens von Rissen kann somit entscheidend zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der
Lebensdauer des Aktors beitragen.
Bei dem hier beschriebenen Zwischenprodukt weist der inaktive Bereich wenigstens eine Opferschicht auf, die Metall enthält. Während des Erwärmens des Zwischenprodukts, insbesondere während des Sintervorgangs, diffundiert das Metall aus der Opferschicht des inaktiven Bereichs in die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs. Dadurch wird der
Sinterschwund im inaktiven Bereich dem Sinterschwund im aktiven Bereich angenähert. Die Opferschicht weist
vorzugsweise eine derartige Menge an Metall auf, dass nach dem Sintern des Zwischenprodukts die piezoelektrischen
Schichten im aktiven Bereich und im inaktiven Bereich die gleiche Konzentration an Metall aufweisen. Weiterhin ist die in der Opferschicht enthaltene Menge an isolierendem Material vorzugsweise so gewählt, dass beim Endprodukt die isolierende Wirkung des inaktiven Bereichs trotz des in der Opferschicht enthaltenen Metalls gewährleistet ist.
Das beschriebene piezoelektrische Bauelement hat folglich den Vorteil, dass durch das in der Opferschicht enthaltene Metall vorzugsweise gleiche Metallkonzentrationen in den
piezoelektrischen Schichten im aktiven Bereich und im
inaktiven Bereich hervorgerufen werden und dadurch eine
Anpassung der Sinterschwundeigenschaften von aktivem und inaktivem Bereich des Stapels erreicht werden kann. Die
Bildung von Rissen, insbesondere an der Grenze zwischen aktivem und inaktivem Bereich, beispielsweise während des Erwärmens des Bauelements oder auch im Betrieb des
Endprodukts, kann somit vermieden oder zumindest verringert werden . Die Opferschicht kann neben dem Metall und dem elektrisch isolierenden Material einen organischen Binder enthalten, der sich vorzugsweise noch vor dem Sintern des Zwischenprodukts durch eine geeignete Temperaturbehandlung verflüchtigt.
Weiterhin wird ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement als Endprodukt angegeben, das einen Stapel von übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten aufweist. Der Stapel weist einen aktiven Bereich mit zwischen den
piezoelektrischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten und wenigstens einen inaktiven Bereich auf. Der aktive
Bereich ist dazu vorgesehen, sich bei einer an die
Elektrodenschichten angelegten Spannung zu verformen. Die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs weisen vorzugsweise Metall in im
Wesentlichen der gleichen Konzentration auf.
Mit „im Wesentlichen der gleichen Konzentration" ist dabei eine Konzentration an Metall in den piezoelektrischen
Schichten des aktiven und inaktiven Bereichs gemeint, die so gewählt ist, dass die Unterschiede im Sinterschwund von aktivem und inaktivem Bereich so gering sind, dass es zu keiner Bildung von Rissen während des Sintervorgangs kommt. Die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs können dabei das gleiche Metall aufweisen. Alternativ dazu kann das Metall in den piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs verschieden sein von dem
Metall in den piezoelektrischen Schichten des inaktiven
Bereichs .
Die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs weisen vorzugsweise die gleiche chemische Zusammensetzung, insbesondere die gleiche Metallkonzentration, auf. Die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs weisen
vorzugsweise das gleiche Metall auf. Vorzugsweise weisen die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs das in den Elektrodenschichten des aktiven Bereichs enthaltene Metall, beispielsweise Kupfer, auf.
Dadurch kann eine Anpassung der Sinterschwundeigenschaften des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs erreicht werden .
Die im inaktiven Bereich enthaltenen Menge an Metall ist vorteilhafterweise so gewählt, dass der inaktive Bereich, trotz des in den piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs enthalten Metalls, elektrisch isolierend gegenüber dem aktiven Bereich und gegenüber am Aktor angebrachte
Außenelektroden wirkt.
In einer vorteilhaften Ausführung des Zwischenprodukts ist die Anzahl an Opferschichten im inaktiven Bereich und die Menge an Metall in der jeweiligen Opferschicht derart
gewählt, dass nach dem Erwärmen des Vielschichtbauelements die dem inaktiven Bereich zugeordneten piezoelektrischen Schichten die gleiche Konzentration an Metall aufweisen wie die dem aktiven Bereich zugeordneten piezoelektrischen
Schichten. Weiterhin ist die Anzahl an Opferschichten im inaktiven Bereich und die Menge an Metall in der jeweiligen Opferschicht derart gewählt, dass die isolierenden
Eigenschaften des inaktiven Bereichs, insbesondere die isolierende Wirkung des inaktiven Bereichs gegenüber den am Aktor angebrachten Außenelektroden, weiterhin gewährleistet sind . Die in der Opferschicht enthaltene Menge an Metall wird in Abhängigkeit davon gewählt, wie viel Metall die
piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs während des Erwärmens des Zwischenprodukts aufnehmen können. Dies ist unter anderem von der Dicke der piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs abhängig. Vorzugsweise weist die
Opferschicht mindestens genauso soviel Metall auf, wie während des Erwärmens in die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs diffundieren kann.
In einer Ausführungsform des Zwischenprodukts weist die
Opferschicht ein Gewichtsverhältnis zwischen Metall und isolierendem Material auf, das in einem Bereich zwischen 1:5 und 1:50 liegt.
In einer Ausführungsform des Zwischenprodukts weisen die piezoelektrischen Schichten ein piezokeramisches Material auf .
Beispielsweise weisen die piezoelektrischen Schichten eine Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) Keramik auf. Insbesondere können die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs das gleiche piezokeramische Material aufweisen .
In einer Ausführungsform des Zwischenprodukts weist die
Opferschicht als isolierendes Material das gleiche
piezoelektrische Material wie die piezoelektrischen Schichten auf .
Dadurch kann das Diffusionsverhalten des Metalls im inaktiven Bereich und im aktiven Bereich besonders gut einander
angepasst werden. Vorzugsweise weisen die Opferschichten nach dem Erwärmen des Bauelements die gleiche Zusammensetzung auf wie die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs und sind nicht mehr als separate Schichten zu erkennen.
Die Opferschicht weist mindestens so viel Metall auf, dass durch die Diffusion des Metalls aus der Opferschicht in die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs eine
Sättigung der piezoelektrischen Schichten an Metall erreicht werden kann. Vorzugsweise diffundiert während des
Sintervorgangs soviel Metall aus den Elektrodenschichten des aktiven Bereichs in die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und soviel Metall aus der Opferschicht in die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs, dass ein Sättigungszustand an Metall in den piezoelektrischen Schichten im aktiven und im inaktiven Bereich erreicht wird. Für den Fall, dass die Opferschicht mehr Metall aufweist, als von den piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs während des Sintervorgangs aufgenommen werden kann, so verbleibt das restliche Metall, zum Beispiel in Form von kleinen Metallteilchen, nach dem Sintervorgang in der
Opferschicht, so dass die Opferschicht auch im Endprodukt erkennbar sein kann.
Eine Ausführungsform des Zwischenprodukts sieht vor, dass die Opferschicht ein Keramikpulver mit einer Partikelgröße von größer oder gleich 0,2 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym aufweist .
Eine Ausführungsform des Zwischenprodukts sieht vor, dass die Opferschicht ein Metallpulver mit einer Partikelgröße von größer oder gleich 0,01 ym und kleiner oder gleich 3,0 ym aufweist . Für die Partikelgröße wird dabei bevorzugt ein Medianwert d50 der Verteilung der Partikelgrößen in der Opferschicht
angegeben. Die Partikelgröße des Keramikpulvers vor dem
Erwärmen des Zwischenprodukts kann größer oder gleich 0,2 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym sein und ist bevorzugt größer oder gleich 0,4 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym. Die
Partikelgröße des Metallpulvers vor dem Erwärmen des
Zwischenprodukts kann größer oder gleich 0,01 ym und kleiner oder gleich 3,0 ym sein und ist bevorzugt größer oder gleich 0,4 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym. Vorzugsweise weist das Metallpulver die gleiche Partikelgröße auf wie das Metall der Elektrodenschichten des aktiven Bereichs. Weiterhin weist das Keramikpulver vorzugsweise die gleiche Partikelgröße auf wie das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs und des inaktiven Bereichs. Dies ist besonders zweckmäßig, um ein gleiches Diffusionsverhalten des Metalls im aktiven und im inaktiven Bereich zu bewirken und somit eine Anpassung des Sinterschwunds von aktivem Bereich und inaktivem Bereich während des Erwärmens des Bauelements zu erreichen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Abstand zwischen zwei Opferschichten im inaktiven Bereich 0,3 bis 3,0 mal so groß ist wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten im aktiven Bereich.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen zwei Opferschichten im inaktiven Bereich genauso so groß, wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten im aktiven Bereich. Durch die Anpassung des Abstands zwischen zwei Opferschichten an den Abstand zwischen zwei Elektrodenschichten kann
vorzugsweise eine gleiche Konzentrationsverteilung des
Metalls in den piezoelektrischen Schichten des aktiven und inaktiven Bereichs erreicht werden. Dabei können die
piezoelektrischen Schichten im Übergangsbereich zwischen piezoelektrischer Schicht und Opferschicht im inaktiven
Bereich des Stapels, sowie im Übergangsbereich zwischen piezoelektrischer Schicht und Elektrodenschicht im aktiven Bereich des Stapels eine höhere Metallkonzentration
aufweisen, als in einem weiter vom Übergangsbereich
entfernten Bereich der piezoelektrischen Schicht.
Eine weitere Ausführungsform des Zwischenprodukts sieht vor, dass die Opferschicht eine Strukturierung in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung aufweist.
Dabei kann die Opferschicht eine unterbrochene Struktur aufweisen, beziehungsweise nur einen Teil einer
piezoelektrischen Schicht des inaktiven Bereichs bedecken. Die Opferschicht kann beispielsweise als eine Anordnung von Inseln, die auf einer piezoelektrischen Schicht im inaktiven Bereich aufgebracht sind, ausgeführt sein. Die Opferschicht kann beispielweise Aussparungen aufweisen, insbesondere derart, dass sie als Netzstruktur nur einen Teil der
piezoelektrischen Schicht des inaktiven Bereichs abdeckt.
Durch die Strukturierung der Opferschicht kann die Menge des während des Sintervorgangs in die piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs diffundierenden Metalls zusätzlich kontrolliert werden.
Eine Ausführungsform des Zwischenprodukts sieht vor, dass das geometrische Auftragungsmuster der Opferschicht dem
geometrischen Auftragungsmuster der Elektrodenschichten im aktiven Bereich entspricht. Durch gleiche Auftragungsmuster von Opferschicht und
Elektrodenschicht kann das Diffusionsverhalten des Metalls aus der Opferschicht dem Diffusionsverhalten des Metalls aus den Elektrodenschichten besonders gut angeglichen werden und somit der Unterschied an Sinterschwund im aktiven Bereich und im inaktiven Bereich weiter minimiert werden.
Neben dem piezoelektrischen Vielschichtbauelement als
Zwischenprodukt sowie als Endprodukt wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements als Zwischenprodukt angegeben.
Dabei wird ein Verfahren zur Herstellung des vorab
beschriebenen Zwischenprodukts für ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement angegeben, das folgende Schritte aufweist :
In einem ersten Schritt wird eine Menge an Metall und
insbesondere das Gewicht des Metalls für die Opferschicht bestimmt. Die Menge an Metall ist dabei zur zumindest
teilweisen Diffusion in die dem inaktiven Bereich
zugeordneten piezoelektrischen Schichten vorgesehenen.
In einem weiteren Schritt wird ein maximales Gewicht für die Opferschicht bestimmt. In einem nächsten Schritt wird die Menge des isolierenden Materials, und insbesondere das
Gewicht des isolierenden Materials, für die Opferschicht aus der Differenz zwischen dem maximalen Gewicht der Opferschicht und dem Gewicht der für die Opferschicht bestimmten Menge an Metall bestimmt. In einem weiteren Schritt wird die
Opferschicht aus der vorbestimmten Menge an Metall und an isolierendem Material in denjenigen piezoelektrischen
Schichten gebildet, die dem inaktiven Bereich zugeordnet sind. In einem letzten Schritt wird der Stapel des Bauelements gebildet, der wenigstens eine nach den
vorangegangen Schritten gebildete piezoelektrische Schicht für den inaktiven Bereich sowie übereinander angeordnete piezoelektrische Schichten und dazwischen angeordnete
Elektrodenschichten für den aktiven Bereich aufweist.
Die in der Opferschicht vorhandene Menge an isolierendem Material ist vorzugsweise so bestimmt, dass die isolierende Wirkung des inaktiven Bereichs trotz des in der Opferschicht enthaltenen Metalls weiterhin gewährleistet ist.
Die Menge an Metall in der Opferschicht ist vorzugsweise mindestens so groß, dass beim Sintervorgang genauso viel Metall aus der Opferschicht in das piezoelektrische Material des inaktiven Bereichs diffundieren kann, wie Metall aus den Elektrodenschichten in das piezoelektrische Material im aktiven Bereich diffundiert. So kann eine Anpassung der Sinterschwundeigenschaften von aktivem und inaktivem Bereich erreicht werden. Die Menge an Metall in der Opferschicht ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung des
piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich. Zusätzlich ist die Menge des Metalls abhängig von der Art des Metalls. Daraus sowie aus dem Volumen des inaktiven Bereichs kann das Metallgewicht pro Opferschicht bestimmt werden.
Das maximale Gewicht der Opferschicht ist abhängig von dem Gewicht des Metalls. Die Schichtdicke der Opferschicht, und somit das maximale Gewicht der Opferschicht, ist zudem abhängig von dem Verfahren, beispielsweise ein
Siebdruckverfahren, mit dem die Opferschicht auf die
piezoelektrische Schicht des inaktiven Bereichs aufgebracht wird . Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht Erwärmen, insbesondere Sintern, des Zwischenprodukts zum Erhalt des Endprodukts für das piezoelektrische Vielschichtbauelement vor .
Das als Zwischenprodukt hergestellte piezoelektrische
Vielschichtbauelement wird gesintert, wobei das Metall zumindest teilweise aus der Opferschicht in die
piezoelektrischen Schichten des inaktiven Bereichs
diffundiert und das Metall aus den Elektrodenschichten in die piezoelektrischen Schichten des aktiven Bereichs diffundiert. Die piezoelektrischen Schichten des durch das Sintern entstandenen Endprodukts, insbesondere des aktiven und des inaktiven Bereichs des Endprodukts, weisen
vorzugsweise im Wesentlichen die gleichen
Metallkonzentrationen und demnach gleiche
Sinterschwundeigenschaften auf.
Im Folgenden werden zur Erläuterung der hier beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 beispielhaft piezoelektrische Bauelemente beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Endprodukts eines piezoelektrischen Aktors,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs
eines Zwischenprodukts eines piezoelektrischen Aktors gemäß einer Ausführungsform,
Figuren 3A bis 3F verschiedene Ausführungsformen einer
Opferschicht . In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit bzw. zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert
dargestellt sein.
Figur 1 zeigt ein Endprodukt eines vielschichtigen
piezoelektrischen Aktors 1, der einen Stapel 2 aus mehreren übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten 3 aufweist .
Entlang der Stapelrichtung ist der Stapel 2 in einen aktiven Bereich 6 und zwei inaktive Bereiche 7 unterteilt. Die inaktiven Bereiche 7 grenzen in Stapelrichtung an den aktiven Bereich 6 an und bilden die Endstücke des Stapels 2. Der aktive Bereich 6 des Stapels 2 weist zwischen den
piezoelektrischen Schichten 3 angeordnete Elektrodenschichten 4 auf. Um die Elektrodenschichten 4 im aktiven Bereich 6 einfach kontaktieren zu können, ist der Aktor 1 so
ausgebildet, dass sich nur jeweils der gleichen elektrischen Polarität zugeordnete Elektrodenschichten 4 bis zu einem Randbereich des Aktors 1 erstrecken. Die der anderen
elektrischen Polarität zugeordneten Elektrodenschichten 4 erstrecken sich an dieser Stelle nicht bis ganz zum Rand des Aktors 1. Die Elektrodenschichten 4 sind demnach jeweils in Form von ineinander geschobenen Kämmen ausgebildet. Über Kontaktflächen in Form von Metallisierungen 5 an der
Außenseite des Stapels 2 kann an die Elektrodenschichten 4 eine elektrische Spannung angelegt werden. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 4 tritt eine Verformung des piezoelektrischen Materials im aktiven Bereich 6 auf.
Die inaktiven Bereiche 7 weisen keine Elektrodenschichten 4 auf. Beim Anlegen einer Spannung an die Metallisierungen 5 wird kein elektrisches Feld in den inaktiven Bereichen 7 erzeugt. Insbesondere tritt beim Anlegen einer Spannung an die Metallisierungen 5 keine Verformung des piezoelektrischen Materials in den inaktiven Bereichen 7 auf. Somit tragen die inaktiven Bereiche 7 nicht zum Hub des piezoelektrischen Aktors 1 bei. Die inaktiven Bereiche 7 dienen zur
elektrischen Isolierung des aktiven Bereichs 6. Die inaktiven Bereiche 7 können beispielsweise auch zur Einspannung des Aktors 1 verwendet werden.
Für die Herstellung der piezoelektrischen Schichten 3 des Aktors 1 werden beispielsweise dünne Folien aus einem
piezokeramischen Material, zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) , verwendet. Aus einer Folie kann eine Lage einer piezoelektrischen Schicht 3 gebildet werden (siehe Lagen 3' in den piezoelektrischen Schichten 3 des Zwischenprodukts in Figur 2) . Eine piezoelektrische Schicht 3 kann mehrere Lagen 3' eines piezoelektrischen Materials umfassen (siehe Figur 2) . Beim Endprodukt des Aktors 1, insbesondere nach dem
Sintern des Zwischenprodukts, können, wie aus Figur 1 ersichtlich, die Lagen 3' möglicherweise nicht mehr
voneinander unterschieden werden.
Im ganzen Aktor 1 wird das gleiche piezoelektrische Material verwendet. Das piezoelektrische Material kann zusätzlich mit Dotierstoffen versehen sein. Beispielsweise kann das
piezoelektrische Material mit Neodym oder mit einer Mischung aus Zink und Niobium dotiert sein. Zur Bildung der Elektrodenschichten 4 des aktiven Bereichs 6 kann in einem Siebdruckverfahren eine Metallpaste, zum Beispiel eine
Kupferpaste, eine Silberpaste oder eine Silber-Palladium- Paste, auf die Folien aufgebracht werden. Für die inaktiven Bereiche 7 werden Folien aus dem gleichen piezoelektrischen Material wie im aktiven Bereich 6 verwendet. Die Folien für die inaktiven Bereiche 7 weisen jedoch keine Bedruckung mit der Metallpaste zur Erzeugung von Elektrodenschichten 4 auf. Alle Folien werden gestapelt, verpresst und gemeinsam bei Temperaturen zwischen 900°C und 1200°C gesintert, so dass als Endprodukt ein monolithischer Grundkörper entsteht.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines
Teilbereichs eines Zwischenprodukts eines piezoelektrischen Aktors 1 gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere zeigt Figur 2 einen inaktiven Bereich 7 sowie einen Teil des an den inaktiven Bereich 7 angrenzenden aktiven Bereichs 6 eines vielschichtigen piezoelektrischen Aktors 1. Alle bei der Beschreibung von Figur 1 angeführten Merkmale des Aktors 1 gelten auch für das erfindungsgemäße Endprodukt, welches aus dem im Folgenden beschriebenen Zwischenprodukt gebildet werden kann, mit Ausnahme davon, dass das Endprodukt Metall in den piezoelektrischen Schichten 3 des inaktiven Bereichs 7 aufweist und, insbesondere, die Metallkonzentration in den piezoelektrischen Schichten 3 des aktiven Bereichs 6 und des inaktiven Bereichs 7 gleich ist. Dies wird nachfolgend detailliert erläutert.
Der inaktive Bereich 7 weist im hier dargestellten
Ausführungsbeispiel eine piezoelektrische Schicht 3 auf. Die piezoelektrische Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7 weist, wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, eine Vielzahl an Lagen 3' des piezoelektrischen Materials, zum Beispiel PZT auf.
Der aktive Bereich 6 besteht aus mehreren piezoelektrischen Schichten 3, die ebenfalls eine Vielzahl an Lagen 3' des piezoelektrischen Materials aufweisen (nicht explizit
dargestellt) . Der inaktive Bereich 7 weist dasselbe
piezoelektrische Material auf wie der aktive Bereich 6.
Zwischen den einzelnen piezoelektrischen Schichten 3 des aktiven Bereichs 6 sind jeweils mit unterschiedlicher
Polarität kontaktierte Elektrodenschichten 4 eingebracht.
Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht 3 im inaktiven Bereich 7 ist größer, vorzugsweise mindestens zehnmal größer, als die Schichtdicke einer piezoelektrischen Schicht 3 im aktiven Bereich 6. Je größer die Dicke der piezoelektrischen Schicht 3 im inaktiven Bereich 7 desto besser ist die
elektrische Isolierung des aktiven Bereichs 6 durch den inaktiven Bereich 7 des Aktors 1. Alternativ kann die
Schichtdicke einer dem inaktiven Bereich 7 zugeordneten piezoelektrischen Schicht 3 aber auch kleiner sein, als die Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten 3 im aktiven Bereich 6, insbesondere wenn der inaktive Bereich 7 eine Mehrzahl an piezoelektrischen Schichten 3 aufweist.
Zur Anpassung des Sinterschwunds im aktiven Bereich 6 und im inaktiven Bereich 7 und dadurch zur Vermeidung der Bildung von Rissen an der Grenze zwischen aktivem Bereich 6 und inaktiven Bereichen 7, insbesondere während des
Sintervorgangs, sind in die piezoelektrische Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7 und, insbesondere auf die Lagen 3' des piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7, Opferschichten 8 (zur Verdeutlichung durch gestrichelte
Linien angedeutet) eingebracht.
Die Opferschicht 8 weist ein organischen Bindemittel sowie eine Mischung aus einem Metallpulver und einem elektrisch isolierendem Material, in diesem Ausführungsbeispiel einem Keramikpulver, auf. Dabei weist das Keramikpulver der
Opferschicht 8 dieselbe chemische Zusammensetzung auf wie das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten 3 im aktiven Bereich 6 und in den inaktiven Bereichen 7, beispielsweise PZT. Das Metallpulver weist das gleiche Metall auf wie die Elektrodenschichten 4 im aktiven Bereich 6 des Aktors 1. Beispielsweise weist das Metallpulver Kupfer auf. Alternativ dazu, für den Fall, dass für die
Elektrodenschichten 4 des aktiven Bereichs 6 eine Silberpaste oder eine Silber-Palladium-Paste verwendet werden, weist das Metallpulver der Opferschicht 8 Silber auf. Das Metallpulver weist beispielweise kein Palladium auf, da Palladium nur eine geringe Diffusionsfähigkeit beim Erwärmen des Aktors 1 aufweist .
Das in der Opferschicht 8 vorhandene Metall ist dazu
vorgesehen, während des Sintervorgangs in die
piezoelektrische Schicht 3, insbesondere in an die
Opferschicht 8 angrenzende Lagen 3' der piezoelektrischen Schicht 3, des inaktiven Bereichs 7 zu diffundieren. Dadurch wird während des Sintervorgangs die gleiche
Metallkonzentration in den piezoelektrischen Schichten 3 im aktiven Bereich und im inaktiven Bereich 7 herbeigeführt. Hierdurch wird eine Anpassung der Sinterschwundeigenschaften des aktiven Bereichs 6 und des inaktiven Bereichs 7 erreicht. Die Bildung von Rissen während des Sintervorgangs wird somit vermieden oder zumindest verringert, wie später im Detail beschrieben ist.
Das Keramikpulver in der Opferschicht 8 weist vorzugsweise eine Partikelgröße von größer oder gleich 0,4 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym auf. Das Metallpulver vorzugsweise eine Partikelgröße von größer oder gleich 0,4 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym auf. Das Metallpulver kann insbesondere eine kleinere Partikelgröße als das Keramikpulver aufweisen, was eine bessere Diffusion der Metallpartikel in die
piezoelektrische Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7 bewirkt. Vorzugsweise weist das Metallpulver die gleiche Partikelgröße auf wie das Metall der Elektrodenschichten 4.
Wie in Figur 2 dargestellt, kann auf jede Lage 3' des
piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7 eine
Opferschicht 8 aufgebracht sein. Alternativ kann nur auf ausgewählte Lagen 3' des piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7, beispielsweise auf jede zweite Lage 3', eine Opferschicht 8 aufgebracht sein. Der Abstand zwischen zwei mit der Opferschicht 8 versehenen Lagen 3' des
piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7 ist, wie aus Figur 2 ersichtlich, etwa gleich groß wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten 4 im aktiven Bereich 6.
Während des Sintervorgangs diffundiert zumindest ein Teil des Metalls aus der Opferschicht 8 in die an die Opferschicht 8 angrenzenden Lagen 3' der piezoelektrischen Schicht 3 im inaktiven Bereich 7. Nach dem Sintervorgang weisen das piezoelektrische Material im aktiven Bereich 6 und das piezoelektrische Material in den inaktiven Bereichen 7 folglich die gleiche chemische Zusammensetzung und,
insbesondere, die gleiche Menge an Metall auf.
Das durch das Sintern erzeugte Endprodukt des Aktors 1 kann, wie bereits vorher erwähnt, wie das in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Endprodukt aussehen, abgesehen davon, dass die Metallkonzentration in den piezoelektrischen Schichten 3 im aktiven Bereich 6 und inaktiven Bereich 7 bei dem hier beschriebenen Endprodukt gleich ist.
Da das in der Opferschicht 8 vorhandene Metall während des Sinterns annähernd vollständig, insbesondere bis zum
Erreichen des Sättigungszustands, in die piezoelektrische Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7 diffundiert und die
Opferschicht 8 zusätzlich das gleiche Keramikmaterial enthält, wie die piezoelektrischen Schichten 3 des aktiven Bereichs 6 und des inaktiven Bereichs 7, ist die Opferschicht 8 nach dem Sintervorgang nicht mehr oder kaum noch von dem piezoelektrischen Material der piezoelektrischen Schichten 3 des aktiven und inaktiven Bereichs 6, 7 zu unterscheiden. Mit anderen Worten, nach dem Sintervorgang ist vorzugsweise kein Unterschied zwischen dem piezoelektrischen Material im aktiven Bereich 6 und im inaktiven Bereich 7 vorhanden.
Falls die Opferschichten 8 mehr Metall enthalten als von der piezoelektrischen Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7 während des Sintervorgangs und, insbesondere, bis zum Erreichen des Sättigungszustands aufgenommen werden kann, so kann das restliche Metall, zum Beispiel in Form von kleinen
Metallteilchen, nach dem Sintervorgang in den Opferschichten 8 verbleiben. In diesem Fall sind auch im Endprodukt des Aktors 1, das heißt nach dem Sintern des Zwischenprodukts, Opferschichten 8 im inaktiven Bereich 7 erkennbar. Selbst für den Fall, dass Teile des Metalls in den
Opferschichten 8 verbleiben, ist im Endprodukt keine
elektrische Verbindung des Metalls in der Opferschicht 8 zu den in Figur 1 dargestellten Metallisierungen 5 an der
Außenseite des Stapels 2 vorhanden. Insbesondere entstehen aus den Opferschichten 8 keine mit den Metallisierungen 5 verbundenen Elektrodenschichten des inaktiven Bereichs 7.
Die Opferschicht 8 kann, wie die Elektrodenschichten 4 im aktiven Bereich 6, in einem Siebdruckverfahren auf die Lagen 3' des piezoelektrischen Materials des inaktiven Bereichs eingebracht werden. Dabei kann die Opferschicht 8 eine
Strukturierung in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung aufweisen. Insbesondere kann durch ein Aufbringen der
Opferschicht 8 nur auf lokale Bereiche einer Lage 3' des piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7 sowie durch eine geeignete Wahl von Form und Größe der mit der Opferschicht 8 bedruckten Fläche der Lage 3' die Menge an Metall, die während des Sintervorgangs in die
piezoelektrische Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7
diffundiert, zusätzlich kontrolliert werden.
Durch gleiche Auftragungsmuster von Opferschicht 8 und
Elektrodenschicht 4 kann das Diffusionsverhalten des Metalls aus der Opferschicht 8 dem Diffusionsverhalten des Metalls aus den Elektrodenschichten 4 weiter angeglichen werden und somit der Unterschied an Sinterschwund weiter minimiert werden. Insbesondere kann dadurch eine gleiche
Metallkonzentration der piezoelektrischen Schicht 3 des inaktiven Bereichs 7 und der piezoelektrischen Schichten 3 des aktiven Bereichs 6 nach dem Sintervorgang erreicht werden . Figuren 3A bis 3F zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Opferschicht 8.
Insbesondere zeigt Figur 3A die Draufsicht auf eine
Opferschicht 8, die die gesamte Oberseite einer Lage 3' des piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7 bedeckt.
Alternativ dazu kann die Opferschicht 8, wie bereits erwähnt, analog zum Auftragungsmuster einer Elektrodenschicht 4 im aktiven Bereich 6 des Stapels 2 auf die Lage 3' aufgebracht sein. In diesem Fall wäre die Opferschicht 8 beispielsweise auf die komplette Oberseite der Lage 3' abgesehen von einer Aussparung an einem Rand der Lage 3' aufgebracht (nicht explizit dargestellt) .
Figur 3B zeigt die Draufsicht auf eine Opferschicht 8, die die gesamte Oberseite einer Lage 3' des piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7 abgesehen von einer am Rand der Lage 3' umlaufenden Aussparung 9 abdeckt. Durch die
Aussparung 9 kann die Diffusion von Metall aus der
Opferschicht 8 in den Randbereich der Lage 3' des
piezoelektrischen Materials im inaktiven Bereich 7 verringert werden. Dadurch kann die isolierende Wirkung des inaktiven Bereichs 7 gegenüber der in Figur 3A dargestellten
Ausführungsform der Opferschicht 8 gesteigert werden.
Insbesondere ist die Aussparung 9 besonders vorteilhaft, um die elektrisch isolierende Wirkung des inaktiven Bereichs 7 gegenüber den am Aktor 1 angebrachten Metallisierungen 5 (siehe Figur 1) weiterhin zu gewährleisten.
Figur 3C zeigt die Draufsicht auf eine strukturierte
Opferschicht 8. Hierbei ist das Material der Opferschicht 8 in Form von einzelnen Inseln 10 auf die Oberseite der Lage 3' aufgebracht. Zwischen den Inseln 10 sind Aussparungen 12 zu erkennen, so dass die Opferschicht 8 nur einen Teil der
Oberseite der Lage 3' abdeckt. Durch Variieren der Größe der Aussparungen 12 kann die Menge des Metalls, das aus der
Opferschicht 8 in die piezoelektrischen Schichten 3 des inaktiven Bereichs 7 diffundiert, weiter kontrolliert werden.
Die Inseln 10 sind beispielsweise kreisförmig und in
regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Am Rand der Lage 3' ist eine umlaufende Aussparung 9 zu erkennen. Wie bereits erwähnt, wird durch die Aussparung 9 die elektrisch isolierende Wirkung des inaktiven Bereichs 7 gegenüber den Metallisierungen 5 gewährleistet.
Figur 3D zeigt eine Ausführungsform der Opferschicht 8, bei der die Inseln 10 quadratisch sind.
Figur 3E zeigt eine Opferschicht 8, die als eine Art
Netzstruktur 11 auf einer Lage 3' des piezoelektrischen
Materials im inaktiven Bereich 7 aufgebracht ist. Somit ist die Opferschicht 8 in einer zusammenhängenden Struktur, welche quadratische Aussparungen 12 einschließt, auf die Lage 3' aufgebracht. Am Rand der Lage 3' ist wiederum eine
umlaufende Aussparung 9 zu erkennen.
Figur 3F zeigt eine Opferschicht 8, die als eine Anordnung von konzentrischen, rahmenförmigen Bereichen 13, 14 auf einer Lage 3' aufgebracht ist. Die Bereiche 13, 14 können dabei kreisförmige oder quadratische Umrisse aufweisen. Sie können als ringförmige Inseln, die ein gemeinsames Zentrum
aufweisen, verstanden werden. Insbesondere ist der
rahmenförmige Bereich 14 der Opferschicht 8 konzentrisch innerhalb des rahmenförmigen Bereichs 13 angeordnet. Zwischen den rahmenförmigen Bereichen 13, 14 ist eine Aussparung 12a zu erkennen. Weiterhin befindet sich innerhalb des
rahmenförmigen Bereichs 14, insbesondere im Zentrum der Lage 3', eine Aussparung 12b der Opferschicht 8. Am Rand der Lage 3' ist eine umlaufende Aussparung 9 vorgesehen. Durch
Variieren der Anzahl und Form der rahmenförmigen Bereiche sowie der Größe der Aussparungen 9, 12 kann die Menge des Metalls, das in die piezoelektrischen Schichten 3 des inaktiven Bereichs 7 diffundiert, kontrolliert werden und somit an die Menge des Metalls, das aus den
Elektrodenschichten 4 des aktiven Bereichs 6 diffundiert, angepasst werden.
Bezugs zeichenliste
1 Vielschichtbauelement
2 Stapel
3 Piezoelektrische Schicht 3' Lage
4 Elektrodenschicht
5 Metallisierung
6 Aktiver Bereich
7 Inaktiver Bereich
8 Opferschicht
9 Aussparung
10 Insel
11 Netzstruktur
12 Aussparung
12a Aussparung
12b Aussparung
13 Rahmenförmiger Bereich
14 Rahmenförmiger Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) als
Zwischenprodukt, aufweisend einen Stapel (2) von
übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten (3), wobei der Stapel (2) einen aktiven Bereich (6) mit zwischen den piezoelektrischen Schichten (3) angeordneten Elektrodenschichten (4) und wenigstens einen inaktiven Bereich (7) aufweist, wobei der aktive Bereich (6) beim Endprodukt des piezoelektrisches Vielschichtbauelements (1) dazu vorgesehen ist, sich bei einer an die
Elektrodenschichten (4) angelegten Spannung zu verformen, wobei der inaktive Bereich (7) wenigstens eine
Opferschicht (8) enthält, die ein elektrisch isolierendes Material und ein Metall aufweist, wobei mittels Erwärmen des Vielschichtbauelements (1) das Metall zumindest teilweise aus der Opferschicht (8) in die
piezoelektrischen Schichten (3) des inaktiven Bereichs
(7) diffundierbar ist.
2. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach Anspruch 1,
bei dem die Anzahl an Opferschichten (8) im inaktiven Bereich (7) und die Menge an Metall in der jeweiligen Opferschicht (8) derart gewählt sind, dass nach dem
Erwärmen des Vielschichtbauelements (1) die dem inaktiven Bereich (7) zugeordneten piezoelektrischen Schichten (3) im Wesentlichen die gleiche Konzentration an Metall aufweisen wie die dem aktiven Bereich (6) zugeordneten piezoelektrischen Schichten (3) .
3. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Opferschicht (8) ein Gewichtsverhältnis zwischen Metall und isolierendem Material aufweist, das in einem Bereich zwischen 1:5 und 1:50 liegt.
4. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die piezoelektrischen Schichten (3) ein
piezokeramisches Material aufweisen.
5. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Opferschicht (8) als isolierendes Material das gleiche piezoelektrische Material wie die
piezoelektrischen Schichten (3) aufweist.
6. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Opferschicht (8) das gleiche Metall wie die Elektrodenschichten (4) aufweist.
7. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach Anspruch 5 oder 6,
bei dem die Opferschicht (8) ein Keramikpulver mit einer Partikelgröße von größer oder gleich 0,2 ym und kleiner oder gleich 1,5 ym aufweist.
8. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Opferschicht (8) ein Metallpulver mit einer Partikelgröße von größer oder gleich 0,01 ym und kleiner oder gleich 3,0 ym aufweist.
9. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem der Abstand zwischen zwei Opferschichten (8) im inaktiven Bereich (7) 0,3 bis 3,0 mal so groß ist wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten (4) im aktiven Bereich (6) .
10. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Opferschicht (8) eine Strukturierung in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung aufweist.
11. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem das geometrische Auftragungsmuster der
Opferschicht (8) dem geometrischen Auftragungsmuster der Elektrodenschichten (4) im aktiven Bereich (6)
entspricht .
12. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) als
Endprodukt aufweisend einen Stapel (2) von
übereinander angeordneten piezoelektrischen Schichten
(3) , wobei der Stapel (2) einen aktiven Bereich (6) mit zwischen den piezoelektrischen Schichten (3) angeordneten Elektrodenschichten (4) und wenigstens einen inaktiven Bereich (7) aufweist, wobei der aktive Bereich (6) dazu vorgesehen ist, sich bei einer an die Elektrodenschichten
(4) angelegten Spannung zu verformen, wobei die
piezoelektrischen Schichten (3) des aktiven Bereichs (6) und des inaktiven Bereichs (7) ein Metall in im
wesentlichen der gleichen Konzentration aufweisen.
13. Piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) als
Endprodukt, das aus einem Zwischenprodukt
nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durch Sintern des Zwischenprodukts gebildet ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Zwischenprodukts für ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend folgende Schritte:
A) Bestimmen einer Menge an Metall für die Opferschicht (8), die zur zumindest teilweisen Diffusion in die dem inaktiven Bereich (7) zugeordneten piezoelektrischen Schichten (3) vorgesehenen ist,
B) Bestimmen eines maximalen Gewichts für die
Opferschicht (8),
C) Bestimmen der Menge des isolierenden Materials für die Opferschicht (8) aus der Differenz zwischen dem maximalen Gewicht der Opferschicht (8) und dem Gewicht der für die Opferschicht (8) bestimmten Menge an Metall,
D) Bilden der Opferschicht (8) aus der vorbestimmten Menge an Metall und an isolierendem Material in
denjenigen piezoelektrischen Schichten (3), die dem inaktiven Bereich (7) zugeordnet sind,
E) Bilden des Stapels (2) aufweisend wenigstens eine nach den Schritten A) bis D) gebildete piezoelektrische
Schicht (3) für den inaktiven Bereich (7) sowie
übereinander angeordnete piezoelektrische Schichten (3) und dazwischen angeordnete Elektrodenschichten (4) für den aktiven Bereich (6) .
15. Verfahren nach Anspruch 14, umfassend Sintern des
Zwischenprodukts zum Erhalt des Endprodukts für das piezoelektrische Vielschichtbauelement (1).
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