WO2012045867A1 - Piezoelektrisches vielschichtbauelement - Google Patents

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Igor Kartashev
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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
    • H10N30/40—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and electrical output, e.g. functioning as transformers

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric multilayer component, in particular a transformer.
  • piezoelectric components For high frequency applications are particularly suitable piezoelectric components that work with thickness vibrations. Such piezoelectric components have operating frequencies of more than 500 kHz, which allow further miniaturization of the electronic components.
  • a piezoelectric multilayer component which comprises a base body of piezoelectric material having an input region and an output region, wherein the output region or the input region has at least two adjacent layers which are polarized anti-parallel to each other and at least two adjacent layers ⁇ has, which are polarized parallel to each other.
  • layers referred to herein portions of the multilayer component.
  • a layer of a from ⁇ section which is disposed between two adjacent electrodes.
  • the layers have a piezoelectric Ma ⁇ TERIAL on.
  • the piezoelectric material in a position a uniform direction of polarization A location in the entrance area is also referred to below as “layer”.
  • a position in the exit area is also referred to below as "partial layer”.
  • layer is preferably a ⁇ zelne portions of the multilayer component, which all have the same thickness, which is preferably a half wavelength of a harmonic of the basic body.
  • a layer may comprise a plurality of "sub-layers”. Has a layer several sub-layers, as is each of the partial ⁇ layers thinner than the layer.
  • the on ⁇ excitation is effectively damped by parasitic vibration modes.
  • the piezoelectric component can according to the proven Layer technology and thus produced inexpensively ⁇ the.
  • the attenuation of the parasitic vibration modes leads to an increased efficiency of the piezoelectric component.
  • the input region comprises at least two superposed layers which have an opposite polarization ge ⁇ directed substantially perpendicular to the top surface of the base body.
  • the layers in the exit area have a smaller thickness than the layers in the entrance area.
  • the piezoelectric Rather layer component a first primary electrode is arranged above the input portion parallel to an upper surface of the base ⁇ body, a second primary electrode, which is formed parallel to the first Primae ⁇ ren electrode below the input range , and first and second secondary electrodes, which are arranged at least partially in the interior of the starting ⁇ area of the main body parallel to the first primary electrode, on.
  • the piezoelectric multilayer component uses both the direct and the inverse piezoelectric effect.
  • the inverse piezoelectric effect is understood to mean that the piezoelectric ceramic undergoes deformation in parallel or anti-parallel or at an angle to the polarization direction when an electrical field is applied.
  • the direct piezoelectric effect is understood to mean that a voltage drops in the body when deformations occur.
  • the input region and the output region of the piezoelectric component are mechanically coupled to one another via the various layers of the piezoelectric main body.
  • An input electrical signal is in comessbe ⁇ area of the piezoelectric multilayer component, in preference ⁇ mechanical thickness vibrations of the basic body is converted to ⁇ . Due to the mechanical coupling of Insbe ⁇ Empire and the output range both parties are affected by the me ⁇ chanical thickness vibration.
  • the conversion of electrical energy into mechanical energy is done on ⁇ ground of the inverse piezoelectric effect.
  • the mechanical vibrations are thick in skilletbe ⁇ rich preferably converted back into an electrical signal due to the direct piezoelectric effect.
  • ⁇ mation of the base body When an alternating voltage to the first and second primary electrode is a periodically recurring DEFOR ⁇ mation of the base body can be produced. This periodically as ⁇ derlidende deformation of the base body can in turn cause a periodically varying voltage in the first and second secondary electrodes.
  • suitable arrangement of the first and second primary electrodes and the first and second secondary electrodes can be achieved that the output voltage is different from the input voltage. In this case, one obtains a transformer with a ratio of the voltages corresponding transmission ratio.
  • the deflection is a contraction or dilation of the body. In principle, this can cause thickness vibrations, horizontal vibrations and bending vibrations. In the case of thickness vibrations, a vertical deflection of the main body occurs.
  • the piezoelectric multilayer component is preferably designed for high-frequency applications.
  • the frequency of the fundamental vibration at thickness vibrations is higher than that of the fundamental vibration at horizontal vibrations.
  • a higher harmonic of the horizontal fundamental may be approximately at the frequency of the useful thickness vibration.
  • This harmonic of the horizontal fundamental represents a parasitic mode of vibration that can be attenuated by the indicated polarization of the various layers in the input and output regions.
  • PZT lead zirconate titanate
  • lead-free materials ver ⁇ turns can be.
  • the exit region has at least two layers lying one above the other, each of which comprises at least two partial layers lying one above the other, the at least two partial layers preferably being one layer are polarized substantially perpendicular to the top of the base body and wherein the at least two sub-layers of the respective layer are preferably polarized anti-parallel to each other.
  • adjacent sub-layers of adjacent layers can each be polarized parallel to one another. Due to the alternating sequence of parallel and antiparallel polarized partial layers parasitic vibration modes can be effectively damped.
  • the multilayer piezoelectric component also comprises a first and a second electrical contact.
  • the first electrical contact is electrically coupled to the first secondary electrodes and the second electrical contact to the second secondary electrodes.
  • any parasitic oscillation modes which are not completely suppressed by the specific polarization of the sublayers may additionally be electrically compensated.
  • some of the first and second secondary electrodes are alternately disposed between the individual sublayers. A portion of the first and second secondary electrodes may also be disposed above or below the output region.
  • a thickness of a layer in the input region and / or in the output region can amount to half the wavelength of a harmonic of the main body.
  • the partial layers of the at least two superimposed layers in the exit region can have a uniform thickness.
  • the second primary electrodes and one of the first secondary electrodes form a common electrode.
  • the common electrode is arranged between the input portion and the output portion parallel to the first primary electrode and thereby also couples me ⁇ mechanically the two areas.
  • An input voltage is applied to the first primary electrode and the common electrode in this embodiment.
  • the thickness vibrations caused by the input voltage are mechanically transmitted to the output range and, due to the direct piezoelectric effect, produce a voltage drop between the common electrode and the second electrical contact.
  • an insulating layer is arranged between the input region and the output region.
  • This insulating layer extending parallel to the upper surface of the base body and can in particular comprise orga ⁇ African or inorganic material.
  • the inventor ⁇ rich and the output portion are connected through the insulating layer to one another mechanically and electrically isolated from each other.
  • a piezoelectric multilayer component in particular a transmembrane ⁇ formator:
  • a base body of piezoelectric material having an input region and an output region, wherein the input region is arranged above the output region
  • first and second secondary electrodes which are at least in part ⁇ , in the interior of the output region of the base body paral ⁇ lel disposed to the first primary electrode, wherein the input region comprises at least two superposed layers including a vertically opposing Polarized ⁇ tion substantially have the top of the body,
  • the output region comprises at least two superposed layers, each comprising at least two übereinan ⁇ the underlying sub-layers,
  • a piezoelectric multilayer component comprises a base body made of pie ⁇ zoelektharim material, a first and a second primary electrode and first and second secondary electrodes.
  • the base body has an input area and an output area, wherein the input region is disposed above the Trustbe ⁇ kingdom.
  • the entrance area comprises at least two superimposed layers, which are directed opposite and polarized substantially perpendicular to an upper side of the base ⁇ body.
  • the exit region has at least two superposed layers, each comprising at least two sublayers lying one above the other.
  • the at least two partial layers of the respective layer are polarized antiparallel to one another and substantially perpendicular to the upper side of the basic body.
  • Another aspect of the invention relates to a method of operating a piezoelectric multilayer component according to at least one of the embodiments described above.
  • This method involves the operation of the piezoelectric multilayer component at a frequency corresponding to a harmonized ⁇ rule harmonic, particularly a fourth harmonic, of the fundamental oscillation of the base body.
  • the piezoelectric multilayer component is thus operated at a frequency at which a standing wave of thickness vibration is formed.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the piezoelectric multilayer component.
  • FIG. 1 shows a piezoelectric multilayer component with a base body 1 working with thickness oscillations in a cross section.
  • the main body 1 of piezoelectric material comprises an input region 2 and an output region 3, which is arranged below the input region 2.
  • a first Primae ⁇ re electrode 4 is applied above the input section 2 parallel to a top face 6 of the base body.
  • a second primary electrode 5 which is formed parallel to the first primary electrode 4.
  • the piezoelectric multilayer component comprises first and secondary electrodes 7, which are arranged at least partially in the interior of the output region 3 of the main body 1 parallel to the first primary electrode 4.
  • One of the first secondary electrode 7 is electrically coupled in the example shown in figure 1 embodiment with the two ⁇ th primary electrode 5 and forms a common electrode. 11
  • the two ⁇ te primary electrode 5 can and one of the first secondary Elect ⁇ roden 7 separately, ie, designed without an electrical coupling.
  • an insulating layer in particular of organic or inorganic material, can be arranged in this exemplary embodiment.
  • the insulating layer may be a passivation layer of any dielectric material such as glass, silicon dioxide, organic coating or ceramic.
  • the exemplary embodiment from FIG. 1 also has second secondary electrodes 8 which are located inside the output area 3 of the main body 1 parallel to the first primary electrode 4 are located.
  • the input region 2 of the piezoelectric multilayer component is constructed from two superimposed layers 21, 22 which have an opposite polarization P substantially perpendicular to the upper side 6 of the main body 1.
  • the layers 21, 22 of the input area are also referred to as layers. Between the layers 21, 22 may be arranged a so-called "floating" electrode.
  • the output region 3 comprises two layers 31, 32 lying one above the other.
  • the layer 31 in the output region 3 is constructed from two superimposed partial layers 31a, 31b.
  • the partial layers 31a, 31b of the output region are also referred to as layers.
  • the layer 32 comprises the two ⁇ superposed sub-layers 32a, 32b.
  • the sub-layers 32a, 32b of the output range are referred to as layers ⁇ net. All partial layers are polarized perpendicular to the upper side 6 of the main body 1.
  • the two sub-layers 31a and 31b of layer 31 are polarized anti parallel to each other ⁇ .
  • the adjacent partial layers 31b and 32a of the adjacent layers 31 and 32 have a parallel polarization.
  • the first and second secondary electrodes 7, 8 are alternately in the main portion 3 of the piezoelectric multilayer component Rather, partly between the individual partial ⁇ layers 31a, 31b, 32a, 32b.
  • a first electrical ⁇ shear contact 9 is electrically coupled to the first secondary electrode and the common electrode 11 and the second primary electrode. 5
  • a second electrical Contact 10 electrically connects the second secondary electrodes 8.
  • Figure 1 it can be seen that the thickness of a layer 21, 22, 31, 32 in the entrance area 2 or 3 are each output range is one-half wavelength of the fourth harmonic ⁇ vibration of the base body. 1 Due to the uniform thickness of the partial layers 31a, 31b, 32a, 32b, the second secondary electrodes 8 are located exactly in the area of the antinodes of the fourth harmonic harmonic.
  • the propagation of parasitic oscillation modes is attenuated, on the one hand, by the opposing polarization of the layers 21, 22 in the input region 2.
  • the layers 21 and 22 become due to their different polarization opposite defor- mized. This in turn leads to a damping of the parasitic vibration modes.
  • parasitic oscillation modes in the output region 3 are additionally electrically compensated by the above-described interconnection of the first and second secondary electrodes 7, 8.
  • the described in the embodiment polarization of the layers or sub-layers and the described electrical coupling of the first and second secondary electrodes effectively dampens the propagation of parasitic vibration modes, in particular of horizontal vibrations and bending vibrations.
  • the efficiency of the piezoelectric multilayer component is thus increased.
  • the preparation of the Bauele ⁇ ment is kos ⁇ -effectively by using multilayer technology.
  • the polarization of the piezoelectric multilayer component is not limited to the polarizations of the layers or partial layers shown in FIG.
  • different polarizations in the input region 2 can be combined with arbitrary polarizations in the output region 3.
  • the polarization of the layers 21 and 22 can be rotated and combined with the polarizations shown from the output region 3.
  • the polarization of the sub-layer 31a to the top and the polarization of the sub-layer 31b may be directed to the underside of the piezo ⁇ electrical multilayer component. From the above descriptions, the skilled person will be familiar with the suitable variations of the polarization of the layers or partial layers.
  • the piezoelectric multilayer component is operated at a frequency which corresponds to a fourth harmonic of the fundamental of the basic body.
  • the component can also be operated with any other harmonic harmonics.
  • the thickness of the layers may be varied to operate the device at other harmonics or other frequencies.
  • the thickness of a layer corresponds to half the wavelength of the excited thickness vibration.

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Abstract

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit einem piezoelektrischen Grundkörper (1), der einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) aufweist, wobei im Ausgangsbereich (3) oder im Eingangsbereich (2) zumindest zwei benachbarte Lagen (21, 22; 31a, 31b; 32a, 32b) antiparallel zueinander polarisiert sind und zumindest zwei benachbarte Lagen (31b, 32a) parallel zueinander polarisiert sind.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches VielSchichtbauelement
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Vielschichtbaue- lement, insbesondere einen Transformator.
Für Hochfrequenzanwendungen eignen sich insbesondere piezoelektrische Bauelemente, die mit Dickenschwingungen arbeiten. Solche piezoelektrischen Bauelemente weisen Arbeitsfrequenzen von mehr als 500 kHz auf, die eine weitere Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente ermöglichen.
Eine Ausgestaltung für ein im Hochfrequenzbereich arbeitendes piezoelektrisches Bauelement ist aus der Druckschrift
US 6,707,235 bekannt. Bei piezoelektrischen Transformatoren, die mit Dickenschwingungen arbeiten, beeinträchtigt die Anre¬ gung von parasitären Schwingungsmoden, insbesondere der horizontalen Schwingungsmoden, den Wirkungsgrad der Anordnung. In der Druckschrift US 6,707,235 wird vorgeschlagen, dieses Problem durch einen ringförmig gestalteten piezoelektrischen Grundkörper zu lösen. Diese spezielle ringförmige Ausgestal¬ tung des piezoelektrischen Grundkörpers erfordert jedoch den Einsatz aufwendiger Technologien bei der Herstellung dieses Bauelements, welche nicht kompatibel zu der bereits einge¬ setzten Vielschichttechnologie sind, die üblicherweise bei der Herstellung piezoelektrischer Bauelemente zum Einsatz kommt. Dadurch ist die Herstellung eines solchen Bauelements nach dem vorgeschlagenen Prinzip aufwendig und kostenintensiv .
Folglich besteht das Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Bauelement, das unter Anwendung der Vielschichttechnologie hergestellt werden kann und das wirksam die Anregung von pa¬ rasitären Schwingungsmoden unterdrückt.
Dazu wird gemäß einer bevorzugten Aus führungs form ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement vorgeschlagen, das einen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist, umfasst, wobei der Ausgangsbereich oder der Eingangsbereich zumindest zwei benachbarte Lagen aufweist, die antiparallel zueinander polarisiert sind und zumindest zwei benachbarte Lagen auf¬ weist, die parallel zueinander polarisiert sind.
Der Begriff „Lagen" bezeichnet vorliegend Abschnitte des Vielschichtbauelements . Vorzugsweise ist eine Lage ein Ab¬ schnitt, der zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordnet ist. Vorzugsweise weisen die Lagen ein piezoelektrisches Ma¬ terial auf. Vorzugsweise weist das piezoelektrische Material in der Lage eine einheitliche Polarisationsrichtung auf. Eine Lage im Eingangsbereich wird im folgenden auch als „Schicht" bezeichnet. Eine Lage im Ausgangsbereich wird im folgenden auch als „Teilschicht" bezeichnet.
Der Begriff „Schicht" wird vorliegend vorzugsweise für ein¬ zelne Abschnitte des Vielschichtbauelements verwendet, die alle die gleiche Dicke aufweisen, die vorzugsweise eine halbe Wellenlänge einer Oberschwingung des Grundkörpers beträgt. Eine Schicht kann mehrere „Teilschichten" aufweisen. Weist eine Schicht mehrere Teilschichten auf, so ist jede der Teil¬ schichten dünner als die Schicht.
Durch die spezielle Art der Polarisierung der Lagen, insbesondere von Teilschichten des Ausgangsbereichs, wird die An¬ regung von parasitären Schwingungsmoden wirksam gedämpft. Das piezoelektrische Bauelement kann nach der bewährten Viel- Schichttechnologie und damit kostengünstig hergestellt wer¬ den. Die Dämpfung der parasitären Schwingungsmoden führt zu einem erhöhten Wirkungsgrad des piezoelektrischen Bauelements. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Aus führungs form umfasst der Eingangsbereich zumindest zwei übereinander liegende Lagen, die eine entgegen ge¬ richtete Polarisierung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers aufweisen.
In einer Aus führungs form weisen die Lagen im Ausgangsbereich eine geringere Dicke auf als die Lagen im Eingangsbereich.
In einer Aus führungs form weist das piezoelektrische Viel- schichtbauelement eine erste primäre Elektrode, die oberhalb des Eingangsbereichs parallel zu einer Oberseite des Grund¬ körpers angeordnet ist, eine zweite primäre Elektrode, die unterhalb des Eingangsbereichs parallel zu der ersten primä¬ ren Elektrode ausgebildet ist, und erste und zweite sekundäre Elektroden, die zumindest teilweise im Inneren des Ausgangs¬ bereichs des Grundkörpers parallel zu der ersten primären Elektrode angeordnet sind, auf.
Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nutzt sowohl den direkten als auch den inversen piezoelektrischen Effekt.
Es wird unter dem inversen piezoelektrischen Effekt verstanden, dass die piezoelektrische Keramik bei Anlegen eines e- lektrischen Feldes parallel oder antiparallel oder auch in einem Winkel zur Polarisierungsrichtung eine Verformung erfährt . Unter dem direkten piezoelektrischen Effekt wird verstanden, dass in dem Grundkörper bei Auftreten von Verformungen eine Spannung abfällt.
Der Eingangsbereich und der Ausgangsbereich des piezoelektrischen Bauelements sind mechanisch über die verschiedenen Schichten des piezoelektrischen Grundkörpers miteinander gekoppelt. Ein elektrisches Eingangssignal wird im Eingangsbe¬ reich des piezoelektrischen Vielschichtbauelements vorzugs¬ weise in mechanische Dickenschwingungen des Grundkörpers um¬ gewandelt. Aufgrund der mechanischen Kopplung des Eingangsbe¬ reichs und des Ausgangsbereichs sind beide Teile von der me¬ chanischen Dickenschwingung betroffen. Die Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Energie erfolgt auf¬ grund des inversen piezoelektrischen Effekts. Im Ausgangsbe¬ reich werden die mechanischen Dickenschwingungen vorzugsweise aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts zurück in ein elektrisches Signal verwandelt.
Durch Anlegen einer Spannung an die erste und zweite primäre Elektrode wird eine mechanische Verformung des Grundkörpers hervorgerufen. An den ersten und zweiten sekundären Elektroden kann dann als Resultat der Verformung des Grundkörpers eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
Beim Anlegen einer Wechselspannung an die erste und zweite primäre Elektrode kann eine periodisch wiederkehrende Defor¬ mation des Grundkörpers erzeugt werden. Diese periodisch wie¬ derkehrende Deformation des Grundkörpers kann wiederum in den ersten und zweiten sekundären Elektroden eine sich periodisch ändernde Spannung hervorrufen. Durch geeignete Anordnung der ersten und zweiten primären Elektroden und der ersten und zweiten sekundären Elektroden kann erreicht werden, dass die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung verschieden ist. In diesem Fall erhält man einen Transformator mit einem dem Verhältnis der Spannungen entsprechenden Übersetzungsverhältnis.
Eine Auslenkung des Grundkörpers erfolgt, wenn an den Ein¬ gangsbereich des piezoelektrischen Vielschichtbauelements eine Spannung angelegt wird. Unter der Auslenkung versteht man eine Kontraktion oder Dilatation des Grundkörpers. Im Prinzip können dabei Dickenschwingungen, horizontale Schwingungen und Biegeschwingungen auftreten. Bei Dickenschwingungen tritt eine vertikale Auslenkung des Grundkörpers auf.
Das piezoelektrische Vielschichtbauelement ist vorzugsweise für Hochfrequenzanwendungen ausgelegt. Da vorzugsweise die Dicke der Schichten wesentlich kleiner ist als deren Länge, ist die Frequenz der Grundschwingung bei Dickenschwingungen höher als diejenige der Grundschwingung bei horizontalen Schwingungen. Eine höhere Harmonische der horizontalen Grundschwingung kann annähernd bei der Frequenz der nützlichen Dickenschwingung liegen. Diese Harmonische der horizontalen Grundschwingung stellt eine parasitäre Schwingungsmode dar, die durch die angegebene Polarisierung der verschiedenen Schichten im Eingangs- und Ausgangsbereich gedämpft werden kann .
In einer Aus führungs form umfasst das piezoelektrische Viel¬ schichtbauelement einen Grundkörper, der als piezoelektrisches Material eine PZT-Keramik (PZT = Blei-Zirkonat-Titanat ) aufweist. Insbesondere können auch bleifreie Materialien ver¬ wendet werden.
In einer Weiterbildung weist der Ausgangsbereich zumindest zwei übereinander liegende Schichten auf, die jeweils zumindest zwei übereinander liegende Teilschichten umfassen, wobei die zumindest zwei Teilschichten einer Schicht vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers polarisiert sind und wobei die zumindest zwei Teilschichten der jeweiligen Schicht vorzugsweise antiparallel zueinander polarisiert sind.
In dieser Weiterbildung können benachbarte Teilschichten von benachbarten Schichten jeweils parallel zueinander polarisiert sein. Durch die alternierende Folge von parallel und antiparallel polarisierten Teilschichten können parasitäre Schwingungsmoden wirksam gedämpft werden.
In einer weiteren Aus führungs form umfasst das piezoelektrische Vielschichtbauelement außerdem einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt. Der erste elektrische Kontakt ist mit den ersten sekundären Elektroden und der zweite e- lektrische Kontakt mit den zweiten sekundären Elektroden e- lektrisch gekoppelt. Mit Hilfe dieser spezifischen Kopplung der sekundären Elektroden im Ausgangsbereich können eventuell noch vorhandene parasitäre Schwingungsmoden, die durch die spezifische Polarisierung der Teilschichten nicht komplett unterdrückt wurden, zusätzlich elektrisch kompensiert werden. In einer Aus führungs form sind einige der ersten und zweiten sekundären Elektroden abwechselnd zwischen den einzelnen Teilschichten angeordnet. Ein Teil der ersten und zweiten sekundären Elektroden kann auch oberhalb oder unterhalb des Ausgangsbereichs angeordnet sein.
Eine Dicke einer Schicht im Eingangsbereich und/oder im Ausgangsbereich kann eine halbe Wellenlänge einer Oberschwingung des Grundkörpers betragen.
Die Teilschichten der zumindest zwei übereinander liegenden Schichten im Ausgangsbereich können eine einheitliche Dicke aufweisen . In einem Ausführungsbeispiel bilden die zweiten primären Elektroden und eine der ersten sekundären Elektroden eine gemeinsame Elektrode. Die gemeinsame Elektrode ist zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich parallel zu der ersten primären Elektrode angeordnet und koppelt damit auch me¬ chanisch die beiden Bereiche. Eine Eingangsspannung wird in diesem Ausführungsbeispiel an die erste primäre Elektrode und an die gemeinsame Elektrode angelegt. Die durch die Eingangs¬ spannung verursachten Dickenschwingungen werden mechanisch in den Ausgangsbereich übertragen und erzeugen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts einen Spannungsabfall zwischen der gemeinsamen Elektrode und dem zweiten elektrischen Kontakt .
In einer alternativen Aus führungs form ist zwischen dem Eingangsbereich und dem Ausgangsbereich eine Isolationsschicht angeordnet. Diese Isolationsschicht erstreckt sich parallel zu der Oberseite des Grundkörpers und kann insbesondere orga¬ nisches oder anorganisches Material umfassen. Der Eingangsbe¬ reich und der Ausgangsbereich sind durch die Isolationsschicht mechanisch miteinander verbunden und galvanisch voneinander getrennt.
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form umfasst ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement , insbesondere ein Trans¬ formator :
- einen Grundkörper aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweist, wobei der Eingangsbereich oberhalb des Ausgangsbereichs angeordnet ist,
- eine erste primäre Elektrode, die oberhalb des Eingangsbe¬ reichs parallel zu einer Oberseite des Grundkörpers angeord¬ net ist, - eine zweite primäre Elektrode, die unterhalb des Eingangs¬ bereichs parallel zu der ersten primären Elektrode ausgebil¬ det ist,
- erste und zweite sekundäre Elektroden, die zumindest teil¬ weise im Inneren des Ausgangsbereichs des Grundkörpers paral¬ lel zu der ersten primären Elektrode angeordnet sind, wobei der Eingangsbereich zumindest zwei übereinander liegende Schichten umfasst, die eine entgegen gerichtete Polarisie¬ rung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers aufweisen,
wobei der Ausgangsbereich zumindest zwei übereinander liegende Schichten aufweist, die jeweils zumindest zwei übereinan¬ der liegende Teilschichten umfassen,
wobei die zumindest zwei Teilschichten einer Schicht im We¬ sentlichen senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers pola¬ risiert sind,
wobei die zumindest zwei Teilschichten der jeweiligen Schicht antiparallel zueinander polarisiert sind.
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form umfasst ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement einen Grundkörper aus pie¬ zoelektrischem Material, eine erste und eine zweite primäre Elektrode und erste und zweite sekundäre Elektroden. Der Grundkörper weist einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich auf, wobei der Eingangsbereich oberhalb des Ausgangsbe¬ reichs angeordnet ist. Der Eingangsbereich umfasst zumindest zwei übereinander liegende Schichten, die entgegen gerichtet und im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberseite des Grund¬ körpers polarisiert sind. Der Ausgangsbereich weist zumindest zwei übereinander liegende Schichten auf, die jeweils zumindest zwei übereinander liegende Teilschichten umfassen. Die zumindest zwei Teilschichten der jeweiligen Schicht sind antiparallel zueinander und im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers polarisiert. Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements nach wenigstens einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Dieses Verfahren umfasst den Betrieb des piezoelektrischen Vielschichtbauelements auf einer Frequenz, die einer harmoni¬ schen Oberschwingung, insbesondere einer vierten harmonischen Oberschwingung, der Grundschwingung des Grundkörpers entspricht. In Verbindung mit den oben beschriebenen spezifischen Dimensionen der Schichten und Teilschichten des Grundkörpers wird das piezoelektrische Vielschichtbauelement damit auf einer Frequenz betrieben, bei der sich eine stehende Welle einer Dickenschwingung ausbildet. Durch die in den oberen Ausführungsbeispielen beschriebene antiparallele und paralle¬ le Polarisierung der Schichten bzw. Teilschichten und durch die beschriebene Kopplung der ersten und zweiten sekundären Elektroden können auftretende parasitäre Schwingungsmoden, insbesondere horizontale Schwingungen und Biegeschwingungen, wirksam gedämpft werden. Der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Vielschichtbauelements wird dadurch vergrößert.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Figur 1 näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine Aus führungs form der piezoelektrischen Vielschichtbauelements .
Das Ausführungsbeispiel ist in der Figur 1 schematisch darge¬ stellt, wobei einzelne Elemente aus Übersichtsgründen wegge¬ lassen sind. Es versteht sich, dass ein Fachmann einzelne As¬ pekte ergänzen kann. In der Figur 1 ist ein mit Dickenschwingungen arbeitendes piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit einem Grundkörper 1 in einem Querschnitt gezeigt.
Der Grundkörper 1 aus piezoelektrischem Material umfasst einen Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3, der unterhalb des Eingangsbereichs 2 angeordnet ist. Eine erste primä¬ re Elektrode 4 ist oberhalb des Eingangsbereichs 2 parallel zu einer Oberseite 6 des Grundkörpers 1 aufgebracht. Unter¬ halb des Eingangsbereichs 2 befindet sich eine zweite primäre Elektrode 5, die parallel zu der ersten primären Elektrode 4 ausgebildet ist. Desweiteren umfasst das piezoelektrische Vielschichtbauelement erste und sekundäre Elektroden 7, die zumindest teilweise im Inneren des Ausgangsbereichs 3 des Grundkörpers 1 parallel zu der ersten primären Elektrode 4 angeordnet sind. Eine der ersten sekundären Elektroden 7 ist in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit der zwei¬ ten primären Elektrode 5 elektrisch gekoppelt und bildet eine gemeinsame Elektrode 11.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die zwei¬ te primäre Elektrode 5 und eine der ersten sekundären Elekt¬ roden 7 separat, d.h. ohne elektrische Kopplung, ausgelegt sein. Zwischen dem Eingangsbereich 2 und dem Ausgangsbereich 3 kann in diesem Ausführungsbeispiel eine Isolationsschicht, insbesondere aus organischem oder anorganischem Material, angeordnet sein. Die Isolationsschicht kann eine Passivierungs- schicht aus einem beliebigen dielektrischen Material wie zum Beispiel Glas, Siliziumdioxid, organische Beschichtung oder Keramik sein. Durch die Isolationsschicht wird der Eingangs¬ bereich 2 galvanisch von dem Ausgangsbereich 3 getrennt.
Das Ausführungsbeispiel aus Figur 1 weist weiterhin zweite sekundäre Elektroden 8 auf, die sich im Inneren des Ausgangs- bereichs 3 des Grundkörpers 1 parallel zu der ersten primären Elektrode 4 befinden.
Der Eingangsbereich 2 des piezoelektrischen Vielschichtbaue- lements ist aus zwei übereinander liegenden Schichten 21, 22 aufgebaut, die eine entgegen gerichtete Polarisierung P im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite 6 des Grundkörpers 1 aufweisen. Die Schichten 21, 22 des Eingangsbereichs werden auch als Lagen bezeichnet. Zwischen den Schichten 21, 22 kann eine sogenannte „floating" Elektrode angeordnet sein.
Der Ausgangsbereich 3 umfasst zwei übereinander liegende Schichten 31, 32. Die Schicht 31 im Ausgangsbereich 3 ist aus zwei übereinander liegenden Teilschichten 31a, 31b aufgebaut. Die Teilschichten 31a, 31b des Ausgangsbereichs werden auch als Lagen bezeichnet. Die Schicht 32 umfasst die zwei über¬ einander liegenden Teilschichten 32a, 32b. Die Teilschichten 32a, 32b des Ausgangsbereichs werden auch als Lagen bezeich¬ net. Alle Teilschichten sind senkrecht zu der Oberseite 6 des Grundkörpers 1 polarisiert. Erfindungsgemäß sind die zwei Teilschichten 31a und 31b der Schicht 31 antiparallel zuein¬ ander polarisiert. Das Gleiche gilt für die Teilschichten 32a und 32b der Schicht 32. Des weiteren weisen die benachbarten Teilschichten 31b und 32a der benachbarten Schichten 31 und 32 eine parallele Polarisierung auf.
Die ersten und zweiten sekundären Elektroden 7, 8 sind abwechselnd im Ausgangsbereich 3 des piezoelektrischen Viel- schichtbauelements , teilweise zwischen den einzelnen Teil¬ schichten 31a, 31b, 32a, 32b angeordnet. Ein erster elektri¬ scher Kontakt 9 ist mit den ersten sekundären Elektroden und mit der gemeinsamen Elektrode 11 bzw. der zweiten primären Elektrode 5 elektrisch gekoppelt. Ein zweiter elektrischer Kontakt 10 verbindet elektrisch die zweiten sekundären Elektroden 8.
Beim Anlegen einer Eingangsspannung an die erste primäre E- lektrode 4 und die gemeinsame Elektrode 9, die in diesem Aus¬ führungsbeispiel als Masse wirkt, bildet sich in dem piezo¬ elektrischen Grundkörper 1 eine vierte harmonische Oberschwingung der Grundschwingung des Grundkörpers 1 aus. Als Resultat kann dann infolge des direkten piezoelektrischen Effekts zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 9 und dem zweiten elektrischen Kontakt 10 eine Ausgangsspannung abgegriffen werden.
In der Figur 1 ist mit der gestrichelten Linie V die Verteilung von Wellenknoten und -bäuchen für die vierte Harmonische der Grundschwingung angedeutet, wobei als erste Harmonische die Grundschwingung bezeichnet wird. Die Anzahl der Halbwel¬ lenlängen innerhalb des Grundkörpers 1 entsprechen der Ord¬ nung der Harmonischen.
Der Figur 1 ist zu entnehmen, dass die Dicke einer Schicht 21, 22, 31, 32 im Eingangsbereich 2 oder Ausgangsbereich 3 jeweils eine halbe Wellenlänge der vierten harmonischen Ober¬ schwingung des Grundkörpers 1 beträgt. Durch die einheitliche Dicke der Teilschichten 31a, 31b, 32a, 32b befinden sich die zweiten sekundären Elektroden 8 genau im Bereich der Wellenbäuche der vierten harmonischen Oberschwingung.
Die Ausbreitung von parasitären Schwingungsmoden wird zum ei- nen gedämpft durch die entgegen gerichtete Polarisierung der Schichten 21, 22 im Eingangsbereich 2. Beim Anlegen einer Eingangsspannung an die erste primäre Elektrode 4 und die ge- meinsame Elektrode 11 werden die Schichten 21 und 22 aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarisierung entgegengesetzt defor- miert. Dies wiederum führt zu einer Dämpfung der parasitären Schwingungsmoden. Das Gleiche gilt für die Schichten 31 und 32 im Ausgangsbereich 3 des piezoelektrischen Vielschichtbau- elements .
Zum anderen werden parasitäre Schwingungsmoden im Ausgangsbereich 3 zusätzlich durch die oben geschilderte Verschaltung der ersten und zweiten sekundären Elektroden 7, 8 elektrisch kompensiert .
Die in dem Ausführungsbeispiel geschilderte Polarisierung der Schichten bzw. Teilschichten und die geschilderte elektrische Kopplung der ersten und zweiten sekundären Elektroden dämpft wirksam die Ausbreitung von parasitären Schwingungsmoden, insbesondere von horizontalen Schwingungen und Biegeschwingungen. Der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Vielschicht- bauelements wird damit erhöht. Die Herstellung des Bauele¬ ments ist durch den Einsatz der Vielschichttechnologie kos¬ tengünstig.
Die Polarisierung des piezoelektrischen Vielschichtbauele- ments ist nicht auf die in Figur 1 gezeigten Polarisierungen der Schichten bzw. Teilschichten begrenzt. Insbesondere können verschiedene Polarisierungen im Eingangsbereich 2 mit beliebigen Polarisierungen im Ausgangsbereich 3 kombiniert werden. So kann zum Beispiel die Polarisierung der Schichten 21 und 22 gedreht werden und mit den gezeigten Polarisierungen aus dem Ausgangsbereich 3 kombiniert werden. Ebenfalls kann die Polarisierung der Teilschicht 31a zur Oberseite und die Polarisierung der Teilschicht 31b zur Unterseite des piezo¬ elektrischen Vielschichtbauelements gerichtet sein. Dem Fach¬ mann erschließen sich aus den obigen Schilderungen die geeigneten Variationen der Polarisierung der Schichten bzw. der Teilschichten . Gemäß dem angegebenen Verfahren wird das piezoelektrische Vielschichtbauelement auf einer Frequenz betrieben, die einer vierten harmonischen Oberschwingung der Grundschwingung des Grundkörpers entspricht.
Durch Ändern der Struktur des piezoelektrischen Vielschicht- bauelements, insbesondere durch das Anordnen zusätzlicher Schichten im Eingangsbereich 2 bzw. im Ausgangsbereich 3 kann das Bauelement auch mit anderen beliebigen harmonischen Oberschwingungen betrieben werden. Alternativ kann auch die Dicke der Schichten variiert werden, um das Bauelement mit anderen Harmonischen bzw. anderen Frequenzen zu betreiben. Im Allgemeinen entspricht die Dicke einer Schicht der halben Wellenlänge der angeregten Dickenschwingung.
Bezugs zeichenliste
1 Grundkörper
2 Eingangsbereich
3 Ausgangsbereich
4 erste primäre Elektrode
5 zweite primäre Elektrode
6 Oberseite des Grundkörpers
7, 8 erste und zweite sekundäre Elektroden
9 erster elektrischer Kontakt
10 zweiter elektrischer Kontakt
11 gemeinsame Elektrode
21, 22 zwei übereinander liegende Schichten im
Eingangsbereich
31, 32 zwei übereinander liegende Schichten im
Ausgangsbereich
31a, 31b zwei übereinander liegende Teilschichten im
Ausgangsbereich
32a, 32b zwei übereinander liegende Teilschichten im
Ausgangsbereich
P Polarisierung
V Verteilung von Wellenknoten und -bäuchen

Claims

Patentansprüche
1. Ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement, insbesondere ein Transformator, umfassend:
- einen Grundkörper (1) aus piezoelektrischem Material, der einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) aufweist,
wobei der Ausgangsbereich (3) oder der Eingangsbereich
(2) zumindest zwei benachbarte Lagen (21, 22; 31a, 31b; 32a, 32b) , die antiparallel zueinander polarisiert sind, und zumindest zwei benachbarte Lagen (31b, 32a), die pa¬ rallel zueinander polarisiert sind, aufweist.
2. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach Anspruch 1,
wobei der Eingangsbereich (2) zumindest zwei übereinander liegende Lagen (21, 22) umfasst, die eine entgegen ge¬ richtete Polarisierung (P) im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite (6) des Grundkörpers (1) aufweisen.
3. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Lagen (31a, 31b; 32a, 32b) im Ausgangsbereich
(3) eine geringere Dicke aufweisen als die Lagen (21, 22) im Eingangsbereich (2) .
4. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche,
aufweisend
- eine erste primäre Elektrode (4), die oberhalb des Ein¬ gangsbereichs (2) parallel zu einer Oberseite (6) des Grundkörpers (1) angeordnet ist, - eine zweite primäre Elektrode (5), die unterhalb des Eingangsbereichs (2) parallel zu der ersten primären Elektrode ausgebildet (4) ist,
- erste und zweite sekundäre Elektroden (7, 8), die zu¬ mindest teilweise im Inneren des Ausgangsbereichs (3) des Grundkörpers (1) parallel zu der ersten primären Elektro¬ de (4) angeordnet sind.
5. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend :
- einen ersten elektrischen Kontakt (9), der mit den ersten sekundären Elektroden (7) elektrisch gekoppelt ist, und
- einen zweiten elektrischen Kontakt (10), der mit den zweiten sekundären Elektroden (8) elektrisch gekoppelt ist .
6. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem einige der ersten und zweiten sekundären Elektroden (7, 8) abwechselnd zwischen den einzelnen Lagen (31a, 31b, 32a, 32b) angeordnet sind.
7. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine Dicke einer Lage (21, 22) im Eingangsbereich (2) eine halbe Wellenlänge einer Oberschwingung des
Grundkörpers (1) beträgt.
8. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke einer Lage (31, 32) im Ausgangsbereich (3) eine viertel Wellenlänge einer Oberschwingung des Grundkörpers (1) beträgt.
9. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Lagen (31a, 31b, 32a, 32b) im Ausgangsbereich (3) eine einheitliche Dicke aufweisen.
10. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach wenigs¬ tens einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die zweite primäre Elektrode (5) und eine der ersten sekundären Elektroden (7) eine gemeinsame Elektrode (11) bilden, die zwischen dem Eingangsbereich (2) und dem Ausgangsbereich (3) parallel zu der ersten primären Elektrode (4) ausgebildet ist.
11. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem zwischen dem Eingangsbereich (2) und dem Ausgangsbereich (3) eine Isolationsschicht, insbesondere aus organischem oder anorganischem Material, angeordnet ist.
12. Ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Viel- schichtbauelements nach wenigstens einem der vorhergehen¬ den Ansprüche,
bei dem das piezoelektrische Vielschichtbauelement auf einer Frequenz betrieben wird, die einer harmonischen Oberschwingung, insbesondere einer 4. harmonischen Oberschwingung, der Grundschwingung des Grundkörpers (1) entspricht .
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