WO2013098168A1 - Piezostack mit passivierung und verfahren zur passivierung eines piezostacks - Google Patents

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WO2013098168A1
WO2013098168A1 PCT/EP2012/076228 EP2012076228W WO2013098168A1 WO 2013098168 A1 WO2013098168 A1 WO 2013098168A1 EP 2012076228 W EP2012076228 W EP 2012076228W WO 2013098168 A1 WO2013098168 A1 WO 2013098168A1
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passivation layer
piezo stack
passivation
piezo
stack
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PCT/EP2012/076228
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Thomas Richter
Harald Johannes Kastl
Claus Zumstrull
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a piezo stack with passivation and a method for passivating a piezo stack.
  • Piezoelectric components can, for example, in the form of piezo actuators as multilayer components with a number of piezoelectric arranged alternately
  • Ceramic layers and electrode layers may be formed, and gain in modern electrical engineering more and more important.
  • piezoelectric actuators are used as actuators, in conjunction with valves and the like.
  • Piezo actuators are also used in the injection of fuel into a combustion chamber.
  • the requirements increase in accordance with the increased requirements in terms of emission and consumption.
  • Higher pressures and temperatures, as well as multiple injections require a higher temperature resistance of the actuator and a high durability.
  • a known piezoelectric actuator is described for example in DE 196 46 676 C1.
  • the effect is exploited that they under a mechanical pressure, or train, charge and on the other hand expand when an electrical voltage along the main axis of the ceramic layer.
  • monolithic multilayer actuators are used, which consist of a sintered stack of thin foils of piezoceramics (for example
  • Electrode layers are alternately led out of the stack and electrically connected in parallel via outer metallizations.
  • the electrode layers cover the entire cross section of the actuator.
  • This type of actuator is also known by the term fully active piezo stack. This means that electrode layers of alternating polarity are exposed at the lateral surfaces of the multilayer ceramic.
  • a passivation is generally a non-metallic protective layer, insulating layer or the like, by means of which electrical arcing and short circuits between adjacent electrode layers can be avoided.
  • a passivation such flashovers and shorts could be caused by, for example, mechanical damage to the surface or contamination with contaminants (e.g., grinding dust, fingerprints, and the like), moisture or supplies (e.g., diesel, rapeseed methyl ester, and the like). Such damage and / or contamination can be carried out in particular during the operation of the actuator, but also during the production process.
  • this insulating layer is the application of a lacquer layer, which may comprise as a material a polyimide.
  • a lacquer layer which may comprise as a material a polyimide.
  • the family of polyimides have been found to be most suitable for this application because of their properties in terms of glass transition temperature, temperature resistance and insulating properties.
  • polyimide varnish during the passivation with polyimide varnish during the application and curing tereaes to Schichtdickeninhomogenticianen, and at the edges to partially insufficient coverage (Kantenfroll) come. As a result, electrical flashovers may occur during operation.
  • a common approach is to make an all-pass passivation of a piezostack, wherein each of the four sides is coated separately and cured. Piezostacks that have poorly covered edges are then discarded.
  • Resins or polyimides provided. From US 2007 024 7025 AI is also known to use glass as Passivitationsmaterial.
  • the object of the present invention is to provide a piezo stack with an improved passivation, as well as to provide a method for passivating the piezo stack.
  • the piezo stack according to the invention comprises
  • the first passivation layer forms a rectangle in cross-section and with the first side surface of the Piezostack adjoins adjacent side surfaces of the piezo stack flush.
  • the piezo stack is preferably a fully active stack.
  • a piezo stack according to the invention is preferably guadernary and is limited by two rectangular surfaces perpendicular to the stacking direction (axial direction) and by four rectangular side surfaces which extend parallel to the axial direction. The side surfaces each have a length or width (perpendicular to the axis) and a height (in the axial direction).
  • a first side surface of the piezostack has a passivation layer whose cross section is substantially rectangular in section perpendicular to the axis.
  • the passivation layer advantageously extends over the entire length or width of the first side surface with a uniform layer thickness. This means that no edges escape occurs at the edges.
  • the passivation layer preferably has a uniform layer thickness over the entire first side surface.
  • the surface of the passivation layer is plane-parallel to the first side surface of the piezo stack.
  • the piezo stack comprises
  • the second passivation layer forms a rectangle in cross-section and flush with the adjacent to the second side surface of the piezo stack side surfaces of the piezo stack.
  • the second passivation layer may be formed like the first passivation layer and may in particular all of the above for having the first passivation layer described features.
  • a second passivation layer which also terminates flush with the side surfaces of the piezo stack, has the advantage that the piezo stack can be reliably electrically contacted from two opposite sides. The possibility of opposing contacting is advantageous for applying a desired voltage to ceramics to be expanded.
  • the contacting of the piezo stack preferably takes place via the first and / or second passivation layer.
  • the first and / or second passivation layer is patterned, for example, with the formation of trenches, so that every second internal electrode is exposed through a trench.
  • the first and / or second passivation layer comprises plastic.
  • Plastic is an electrically insulating material that ensures that there is no voltage flashover between adjacent electrodes during operation of the piezo stack.
  • the first and / or second passivation layer comprises a polyimide. This is particularly suitable for structuring the formation of the trenches, for example with the aid of a laser.
  • the piezo stack according to the invention also has a third and / or fourth passivation layer on the third and / or fourth side surfaces. These may consist of the same material as the first and second passivation layers. But you can also have a different material, such as ceramic, glass or a temperature-resistant silicone.
  • the third and / or fourth passivation layer is preferably formed after the first and / or second passivation layer. carry so that they extend in their extension perpendicular to the stacking direction of the piezo stack over the piezo stack also beyond the thickness of the first and second passivation layers.
  • These third and fourth passivation layers can each have an edge alignment toward their edges adjacent to the first and second passivation layers, ie their layer thicknesses can decrease towards these edges without the function of the piezo stack according to the invention being impaired. If the third and fourth passivation layer also extends beyond the piezo stack beyond the thickness of the first and second passivation layer, the layer thickness over the edges of the piezo stack is sufficiently large, even with an edge escape, to prevent flashovers and short circuits.
  • the inventive method for passivation of at least one side surface with a first length of a piezo stack has the following method steps:
  • the piezoelectric bar consists of an arrangement of alternately stacked piezoceramic layers and electrode layers.
  • the piezoelectric bar has a height in the stacking direction and a width and a second length perpendicular to the stacking direction.
  • the second length is greater than the first length, preferably greater than a multiple of the first length of the piezostack to be obtained.
  • the electrode layers are preferably formed continuously, so that at least one fully active piezo stack is obtained by the method.
  • a first passivation layer is applied according to the invention.
  • the first passivation layer is preferably thin. This is then cured. After curing, the piezo brick is mechanically divided into one or more individual piezostacks of the first length, wherein the edge regions are preferably discarded,
  • an edge alignment may occur due to surface tension towards the ends of the piezoelectric mirror.
  • the ends of the piezoelectric mirror i. the marginal regions, at which the thickness of the coating decreases due to the edge offset, are separated and discarded, it is ensured that in the edge region of each individual piezostack with the first length is a complete passivation, without edge offset.
  • the passivation layer of the individual piezostack with the first length thus forms a rectangle in cross-section perpendicular to the stacking direction and has a uniform layer thickness.
  • the layer thickness of the passivation layer is preferably constant over the entire side surface of the first length of the individual piezo stack.
  • a second passivation layer is applied to a second side surface of the piezoelectric mirror before the mechanical division.
  • This second side surface is arranged on an opposite side to the at least first side surface and also has the second length.
  • the application of the first and / or second passivation layer takes place by dispensing, stencil printing or screen printing. These are common processes for passivation of surfaces which are effective and guarantee reliable results.
  • the second passivation layer is cured before the mechanical division of the piezoelectric mirror.
  • the curing of the second passivation layer on the piezo bar has the advantage that the curing must be carried out only once. If the curing took place after the mechanical division, curing would have to be carried out individually for each piezo stack. Here, too, process steps are saved.
  • the mechanical division of the piezoelectric mirror takes place along separation axes, each perpendicular to the first and second side surfaces run. This ensures that the surfaces of the piezo stack are arranged at right angles to each other. Thus, the surface on which the piezo stack is separated, aligned parallel to the stroke direction during operation. This in turn allows the stroke of the piezo stack to be distributed evenly over the surface.
  • a third and / or fourth passivation layer are applied to the cut edges of the individual piezostacks produced by the division. These can be applied, for example, by conventional methods for passivation, such as the above-mentioned methods.
  • the third and / or fourth passivation layer is preferably applied not only over the entire width of the individual piezostack but also across the thickness of the first and / or second passivation layer, i. over the entire cutting edge created during the division.
  • the third and / or fourth passivation layer may have a decreasing layer thickness (edge alignment) towards the edges adjoining the first and / or second passivation layer, without adversely affecting the operation of the piezo stack.
  • FIG. 1 shows a piezo stack according to the prior art with four-sided passivation
  • Figure 2 is a piezo bar with two-sided passivation
  • FIG. 3 shows a piezo brick with two-sided passivation and separation axes
  • FIG. 4 shows a piezo stack according to the invention with two-sided passivation
  • Figure 5 shows a piezo stack with two-sided passivation and electrical contact
  • FIG. 6 shows a piezo stack according to the invention according to another preferred embodiment with four-sided passivation in a sectional view.
  • Figure 1 shows a piezoelectric stack 10 according to the prior art in the top looks with several side surfaces 1, 2, 3, 4; a first 1, second 2, third 3, and fourth 4 side surfaces, which typically include a square or rectangle.
  • the multiple side surfaces 1, 2, 3, 4 each have a passivation layer 1a, 2a, 3a, 4a, which may comprise plastic.
  • the piezoelectric stack 10 further comprises electrical contacts 13, 14, which are formed on two opposite side surfaces 1, 2.
  • passivated with plastic e.g. Polyimide or polyimide varnish may show layer thickness inhomogeneities during the application and curing process, and at the edges, sometimes insufficient coverage by the passivation. This can be seen in Figure 1 at the not fully passivated corners. This can lead to electrical flashovers during operation, since these areas are not sufficiently passivated and therefore insulated.
  • FIG. 2 shows a piezoelectric bar 20 in a side view.
  • the piezoelectric bar 20 has a second length L2 and a width B.
  • the piezoelectric bar 20 has side surfaces 1, 2 of length L2.
  • the first 1 and second 2 side surface are shown in a sectional view.
  • each passivation layer la, 2a is applied.
  • the passivation layer comprises, for example, plastic.
  • a suitable plastic is preferably temperature resistant, has a good adhesion to ceramic and electrically isolated.
  • polyimide or polyimide varnish is used as the plastic.
  • Piezo mirror 20 applied.
  • This first passivation layer 1a is then cured.
  • a second passivation layer 2a is applied to a second side surface 2 of the piezoelectric mirror, which is arranged opposite to the first side surface 1.
  • This second passivation layer 2a is also cured.
  • first and second passivation layers 1 a, 2 a are applied successively but are subsequently cured at the same time. This procedure would also save at least one process step.
  • the application of thin layers, which leads to passivation layers, can be carried out by conventional methods such as dispensing, stencil printing or screen printing.
  • the first and / or second passivation layer 1a, 2a may comprise plastic such as polyimide or polyimide varnish.
  • the first and second passivation layers 1a, 2a can also have different materials.
  • FIG. 3 shows a piezoelectric bar 20 as shown in FIG.
  • 3 separating axes 6 are marked in Figure 3, along which the mechanical division of the piezoelectric mirror 20 in
  • Piezostacks 10 takes place.
  • the piezo stacks 10 resulting from the mechanical division accordingly each have a first length Li.
  • the separation axes 6 are perpendicular to the second length L2.
  • the side surfaces 3, 4 of the individual piezostacks 10 produced by the separation at the cut edges each have the width B
  • FIG. 4 shows two piezo stacks (10), through which a separation axis 6 extends symbolically.
  • the piezoelectric stack 10 has a first side surface 1 with a first passivation layer 1a.
  • the piezoelectric stack 10 has a second side surface 2, which is arranged opposite to the first side surface 1. On the second side surface 2, a second passivation layer 2a is applied.
  • a third side surface 3 with the width B is shown, on which, for example, ceramic can be applied.
  • the mechanical division of the piezoelectric mirror 20 along the separation axis 6 ensures that the first passivation layer 1a and the second passivation layer 2a are only small
  • FIG. 5 shows a piezo stack 10 as shown in FIG.
  • a first contact 13 and a second contact 14 are shown on the piezo stack 10.
  • the first contact 13 is attached to the first passivation layer 1a and the second electrical contact 14 is attached to the second passivation layer 2a.
  • the piezoelectric stack 10 is embedded in a casting 15, which ensures the passivation of the non-contacted surfaces.
  • piezoelectric bars 20 makes it possible to apply passivation layers over the entire length L2 of the piezoelectric mirror 20, which run very evenly on the side surface and the edge of the stack on the later divided piezoelectric stack. Furthermore, the number of required process Steps (coating each side surface 1, 2, 3, 4) reduced.
  • FIG. 6 shows a piezo stack according to the invention according to a preferred development with four-sided passivation in a sectional view.
  • the piezo stack has four side surfaces 1, 2, 3 and 4.
  • the piezo stack has a first and second Pas siv réelles layer la, 2a with a rectangular cross section.
  • the first and second passivation layers 1 a, 2 a are flush with the third and fourth side surfaces 3, 4 of the piezo stack 10.
  • the surfaces 11 and 12 of the first and second passivation layers are formed parallel to the first and second side surfaces of the piezo stack 1 and 2.
  • this is provided with a third and fourth passivation layer 3a, 4a.
  • the third and fourth passivation layers 3a, 4a have a decreasing layer thickness 16 (edge alignment). This affects the
  • Piezostacks 10 with two-sided passivation and the method for two-sided passivation of piezoelectric bars and the subsequent mechanical division into individual piezostacks can be used particularly advantageously for piezo-stacks for diesel injectors for motor vehicles.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezostack (10) umfassend mehrere Seitenflächen (1, 2, 3, 4), eine erste Passivierungsschicht (1a, 2a, 3a, 4a), welche auf einer ersten Seitenfläche (1, 2, 3, 4) aufgebracht ist, wobei die erste Passivierungsschicht (1a, 2a, 3a, 4a) mit zu den zur ersten Seitenfläche (1, 2, 3, 4) angrenzenden Seitenflächen (1, 2, 3, 4) bündig abschließt; sowie ein Verfahren zur Passivierung eines Piezostacks.

Description

Beschreibung
Piezostack mit Passivierung und Verfahren zur Passivierung eines Piezostacks
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezostack mit Passivierung und ein Verfahren zur Passivierung eines Piezostacks.
Piezoelektrische Bauteile können beispielsweise in Form von Piezoaktoren als Vielschichtbauelemente mit einer Anzahl von jeweils alternierend angeordneten piezoelektrischen
Keramikschichten und Elektrodenschichten ausgebildet sein, und gewinnen in der modernen Elektrotechnik immer mehr an Bedeutung. Beispielsweise werden Piezoaktoren als Stellantriebe, in Verbindung mit Ventilen und dergleichen, eingesetzt.
Piezoaktoren werden auch bei der Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum verwendet. Hierbei steigen die Anforderungen entsprechend den gesteigerten Anforderungen hinsichtlich Emission und Verbrauch. Höhere Drücke und Temperaturen, sowie mehrfach-Einspritzungen erfordern eine höhere Temperaturbeständigkeit des Aktors sowie eine hohe Dauerhaltbarkeit.
Ein bekannter Piezoaktor ist beispielsweise in der DE 196 46 676 Cl beschrieben. Bei den verwendeten Piezokeramiken wird der Effekt ausgenutzt, dass diese sich unter einem mechanischen Druck, beziehungsweise Zug, aufladen und andererseits bei Anlegen einer elektrischen Spannung entlang der Hauptachse der Keramikschicht ausdehnen. Zur Vervielfachung der nutzbaren Längenausdehnung werden beispielsweise monolithische Viel- schichtaktoren verwendet, die aus einem gesinterten Stapel dünner Folien aus Piezokeramik (beispielsweise
Bleizirkonattitanat ) mit eingelagerten metallischen Elektrodenschichten bestehen. Die Elektrodenschichten sind wechselseitig aus dem Stapel herausgeführt und über Außenmetalli- sierungen elektrisch parallel geschaltet. Auf den beiden
Kontaktseiten des Stapels ist hierzu jeweils eine streifen- oder bandförmige, durchgehende Außenmetallisierung aufgebracht, die mit allen Elektrodenschichten gleicher Polarität verbunden ist. Wird eine elektrische Spannung an die Außenkontaktierung angelegt, so dehnen sich die Piezofolien in Feldrichtung aus. Durch die mechanische Serienschaltung der einzelnen Piezofolien wird die Nenndehnung des gesamten Stapels schon bei relativ niedrigen elektrischen Spannungen erreicht.
Zur Erzielung einer optimalen Auslenkung des piezokeramischen Vielschichtaktors bei gleichzeitig minimalem Platzbedarf ist es günstig, wenn die Elektrodenschichten den gesamten Querschnitt des Aktors umfassen. Diese Art von Aktor ist auch unter dem Begriff vollaktiver Piezostack bekannt. Das bedeutet, dass Elektrodenschichten alternierender Polarität an den seitlichen Oberflächen der Vielschichtkeramik freiliegen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, diese freiliegenden Elektrodenschichten mit einer geeigneten Passivierung zu versehen. Bei einer Passivierung handelt es sich im allgemeinen um eine nicht-metallische Schutzschicht, Isolationsschicht oder dergleichen, mittels derer elektrische Überschläge und Kurzschlüsse zwischen benachbarten Elektrodenschichten vermieden werden können. Ohne eine Passivierung könnten solche Überschläge und Kurzschlüsse, beispielsweise durch mechanische Beschädigung der Oberfläche oder durch Kontaminierung mit Verunreinigungen (beispielsweise Schleifstaub, Fingerabdrücke und dergleichen), Feuchtigkeit oder Betriebsstoffen (beispielsweise Diesel, Rapsmethylester und dergleichen), hervorgerufen werden. Derartige Beschädigungen und/oder Kontaminierungen können insbesondere im Betrieb des Aktors, aber auch während des Her- Stellungsprozesses erfolgen.
Eine Möglichkeit dieser isolierenden Schicht ist das Auftragen einer Lackschicht, welche als Material ein Polyimid umfassen kann. Die Familie der Polyimide haben sich für diese Anwendung aufgrund ihrer Eigenschaften hinsichtlich Glastemperatur, Temperaturbeständigkeit und Isolationseigenschaften als am besten geeignet dargestellt. Allerdings kann es bei der Passivierung mit Polyimidlack während des Auftrag- und Aushär- teprozesses zu Schichtdickeninhomogenitäten, und an den Kanten zu teilweise nicht ausreichender Bedeckung (Kantenflucht) kommen. In Folge können elektrische Spannungsüberschläge im Betrieb auftreten.
Ein gängiger Ansatz ist, eine allseitige Passivierung eines Piezostacks vorzunehmen, wobei jede der vier Seiten separat beschichtet und ausgehärtet wird. Piezostacks, bei denen schlecht bedeckte Kanten vorliegen, werden anschließend ver- worfen.
Die Passivierung von Piezostacks auf allen vier Seiten ist sehr aufwendig. Dieser Aufwand wird zusätzlich durch den Materi- alausschuss aufgrund von mängelbehafteten Piezostacks erhöht.
Aus der WO 2002/089225 ist bekannt, ein Passivierungsmaterial für ein piezoelektrisches Bauteil in Vielschichtbauweise bereitzustellen, das eine Reißfestigkeit aufweist, die kleiner ist als die Haftfestigkeit des Passivierungsmaterials auf dem elekt- rischen Bauteil. Dabei sind u.a. Kunststoffe, Polyurethane,
Harze oder Polyimide vorgesehen. Aus der US 2007 024 7025 AI ist zudem bekannt, als Passivierungsmaterial Glas zu verwenden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezostack mit einer verbesserten Passivierung bereit zu stellen, sowie ein Verfahren zur Passivierung des Piezostacks anzugeben .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Piezostack mit Passivierung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zur Passivierung eines Piezostacks gemäß Anspruch 6 gelöst.
Der erfindungsgemäße Piezostack umfasst
- mehrere Seitenflächen,
- eine erste Passivierungsschicht, welche auf einer ersten
Seitenfläche aufgebracht ist, und
- wobei die erste Passivierungsschicht im Querschnitt ein Rechteck ausbildet und mit den an die erste Seitenfläche des Piezostacks angrenzenden Seitenflächen des Piezostacks bündig abschließt.
Der Piezostack ist vorzugsweise ein vollaktiver Stack. Ein erfindungsgemäßer Piezostack ist vorzugsweise guaderförmig und wird begrenzt durch zwei zur Stapelrichtung (Achsrichtung) senkrechte, rechteckige Oberflächen sowie durch vier rechteckige Seitenflächen, welche sich parallel zur Achsrichtung erstrecken . Die Seitenflächen weisen jeweils eine Länge, bzw. Breite (senkrecht zur Achse) und eine Höhe (in Achsrichtung) auf.
Erfindungsgemäß weist eine erste Seitenfläche des Piezostacks eine Passivierungsschicht auf, deren Querschnitt im Schnitt senkrecht zur Achse im Wesentlichen rechteckig ist. Dabei erstreckt sich die Passivierungsschicht vorteilhaft über die gesamte Länge bzw. Breite der ersten Seitenfläche mit einer einheitlichen Schichtdicke. Dies bedeutet, dass an den Rändern keine Kantenflucht auftritt. Vorzugsweise weist die Passivierungsschicht über die gesamte erste Seitenfläche hinweg eine einheitliche Schichtdicke auf. Somit ist die Oberfläche der Passivierungsschicht planparallel zu der ersten Seitenoberfläche des Piezostacks. Dadurch können im Randbereich des Piezeostacks elektrische Überschläge zwischen benachbarten Elektroden vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Piezostack
- eine zweite Passivierungsschicht, welche auf einer zweiten Seitenfläche aufgebracht ist,
- wobei die zweite Seitenfläche gegenüberliegend zur ersten
Seitenfläche angeordnet ist, und
- wobei die zweite Passivierungsschicht im Querschnitt ein Rechteck ausbildet und mit den an die zweite Seitenfläche des Piezostacks angrenzenden Seitenflächen des Piezostacks bündig abschließt.
Die zweite Passivierungsschicht kann wie die erste Passivierungsschicht ausgebildet sein und kann insbesondere alle oben für die erste Passivierungsschicht beschriebenen Merkmale aufweisen. Eine zweite Passivierungsschicht, die ebenfalls bündig mit den Seitenflächen des Piezostacks abschließt, hat den Vorteil dass der Piezostack von zwei gegenüberliegenden Seiten zu- verlässig elektrisch kontaktiert werden kann. Die Möglichkeit der gegenüberliegenden Kontaktierung ist für das Anlegen einer gewünschten Spannung an sich auszudehnende Keramiken vorteilhaft . Die Kontaktierung des Piezostacks erfolgt vorzugsweise über die erste und/oder zweite Passivierungsschicht. Für eine zuverlässige Kontaktierung der Innenelektroden des vorzugsweise vollaktiven Piezostacks wird die erste und/oder zweite Passivierungsschicht bespielsweise unter Ausbildung von Gräben strukturiert, so dass jede zweite Innenelektrode durch einen Graben freigelegt wird. In den Gräben kann dann eine Kontaktierung der freigelegten Innenelektroden mit einer Außenelektrode, z.B. mit einem Leitkleber erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste und/oder zweite Passivierungsschicht Kunststoff. Kunststoff ist ein elektrisch isolierendes Material, das sicherstellt, dass es im Betrieb des Piezostacks zu keinen Spannungsüberschlägen zwischen benachbarten Elektroden kommt. Besonders bevorzugt weist die erste und/oder zweite Passivierungsschicht ein Polyimid auf. Dieses eignet sich besonders für eine Strukturierung zur Bildung der Gräben, z.B. mit Hilfe eines Lasers.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Piezostack auch an den dritten und/oder vierten Seitenflächen eine dritte und/oder vierte Passivierungsschicht auf. Diese können aus demselben Material bestehen wie die erste und zweite Passivierungsschicht. Sie können aber auch ein anderes Material, beispielsweise Keramik, Glas oder ein temperaturbeständiges Silikon aufweisen.
Die dritte und/oder vierte Passivierungsschicht ist vorzugsweise nach der ersten und/oder zweiten Passivierungsschicht aufge- tragen, so dass sie sich in ihrer Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung des Piezostacks über den Piezostack hinaus auch über die Dicke der ersten und zweiten Passivierungsschichten erstrecken. Diese dritten und vierten Passivierungsschichten können zu ihren an die erste und zweite Pas sivierungs Schicht angrenzenden Kanten hin jeweils eine Kantenflucht aufweisen, d.h. ihre Schichtdicken können zu diesen Kanten hin abnehmen ohne dass die Funktion des erfindungsgemäßen Piezostacks beeinträchtigt wird. Wenn sich die dritte und vierte Passivie- rungsschicht über den Piezostack hinaus auch über die Dicke der ersten und zweiten Passivierungsschicht erstreckt, ist die Schichtdicke über den Kanten des Piezostacks auch bei einer Kantenflucht ausreichend groß um Spannungsüberschläge und Kurzschlüsse zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Passivierung von wenigstens einer Seitenfläche mit einer ersten Länge eines Piezostacks weist folgende Verfahrensschritte auf:
- Bereitstellung eines Piezoriegels mit Seitenflächen mit einer zweiten Länge, wobei die zweite Länge (L2) größer ist als die erste Länge,
- Aufbringung einer ersten Passivierungsschicht auf wenigstens einer ersten Seitenfläche des Piezoriegels mit der zweiten Länge,
- Aushärtung der ersten Passivierungsschicht, und
- mechanische Teilung des Piezoriegels, so dass wenigstens ein Piezostack mit der ersten Länge erhalten wird.
Der Piezoriegel besteht aus einer Anordnung von abwechselnd gestapelten Piezokeramikschichten und Elektrodenschichten. Der Piezoriegel weist in Stapelrichtung eine Höhe und senkrecht zur Stapelrichtung eine Breite und eine zweite Länge auf. Die zweite Länge ist größer als die erste Länge, vorzugsweise größer als ein Mehrfaches der ersten Länge des zu erhaltenden Piezostacks. Die Elektrodenschichten sind vorzugsweise durchgehend ausgebildet, so dass mit dem Verfahren wenigstens ein vollaktiver Piezostack erhalten wird. Auf einer ersten Seitenfläche des Piezoriegels mit der zweiten Länge wird erfindungsgemäß eine erste Passivierungsschicht aufgebracht. Die erste Passivierungsschicht ist vorzugsweise dünn. Diese wird anschließend ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird der Piezoriegel mechanisch in einen oder mehrere einzelne Piezostacks mit der ersten Länge geteilt, wobei die Randbereiche vorzugsweise verworfen werden,
Bei der Aufbringung der ersten Passivierungsschicht kann aufgrund von Oberflächenspannung eine Kantenflucht zu den Enden des Piezoriegels hin auftreten. Da jedoch vorzugsweise die Enden des Piezoriegels, d.h. die Randbereiche, an welchen die Dicke der Beschichtung aufgrund der Kantenflucht nachlässt, abgetrennt und verworfen werden, wird sichergestellt, dass im Randbereich jedes einzelnen Piezostacks mit der ersten Länge eine vollständige Passivierung, ohne Kantenflucht, vorliegt.
Die Passivierungsschicht des einzelnen Piezostacks mit der ersten Länge bildet somit im Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung ein Rechteck aus und weist eine einheitliche Schichtdicke auf. Die Schichtdicke der Passivierungsschicht ist vorzugsweise über die gesamte Seitenfläche der ersten Länge des einzelnen Piezostacks konstant. Durch die mechanische Teilung des Piezoriegels in einen oder mehrere einzelne Piezostacks der ersten Länge, nachdem die erste Passivierungsschicht aufgetragen wurde, schließt außerdem die ebenfalls durchteilte Passivierungsschicht an den Teilungskanten mit den angrenzenden Seitenflächen der einzelnen Piezostacks bündig ab. Dadurch werden im Betrieb des Piezostacks, also bei anliegender Spannung an den Elektroden, elektrische Überschläge vermieden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor der mechanischen Teilung eine zweite Passivierungsschicht auf einer zweiten Seitenfläche des Piezoriegels aufgebracht. Diese zweite Seitenfläche ist auf einer gegenüberliegenden Seite zur wenigstens ersten Seitenfläche angeordnet und weist ebenfalls die zweite Länge auf. Dadurch entsteht ein Piezoriegel mit einer ersten und zweiten Passivierungsschicht, welche auf gegen- überliegenden Seitenflächen angeordnet ist. An diesen beiden Seitenflächen mit den Passivierungsschichten erfolgt auch die spätere elektrische Kontaktierung der einzelnen Piezostacks.
Durch die Herstellung von Piezoriegeln mit zwei gegenüberliegenden Pas sivierungs Schichtungen auf den Elektrodenseiten können einzelne Piezostacks abgetrennt werden, welche direkt kontaktiert werden können. Dies reduziert die Anzahl der Prozessschritte im Vergleich zur Passivierung von vier Seitenflächen. Ferner wird vermieden, dass an den Rändern der beiden Seitenflächen der einzelnen Piezostacks eine verringerte Kantenbenetzung der Passivierung auftritt (Kantenflucht), welche zu einer verminderten elektrischen Isolierung der Elektrode führen kann. Zudem können Schichtdickeninhomogenitäten der Passivierung vermieden werden, welche bei der Passivierung von einzelnen Piezostacks auftreten können, da die Passivierung zur Flächenmitte hin stärker abgeschieden sein kann als an den Rändern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Aufbringung der ersten und/oder zweiten Passi- vierungs Schicht durch Dispensen, Schablonendruck oder Siebdruck. Dies sind gängige Verfahren zur Passivierung von Oberflächen welche effektiv erfolgen und zuverlässige Ergebnisse garantieren .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die zweite Passivierungsschicht vor der mechanischen Teilung des Piezoriegels ausgehärtet. Die Aushärtung der zweiten Passivierungsschicht am Piezoriegel hat den Vorteil, dass die Aushärtung nur einmal durchgeführt werden muss. Würde die Aushärtung nach der mechanischen Teilung erfolgen, so müsste bei jedem Piezostack einzeln die Aushärtung durchgeführt werden. Auch hier werden Prozessschritte eingespart.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die mechanische Teilung des Piezoriegels entlang von Trennachsen, die jeweils senkrecht zu den ersten und zweiten Seitenflächen verlaufen. Dadurch wird erreicht, dass die Flächen des Piezostacks in rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Damit wird die Fläche, an welcher der Piezostack abgetrennt wird, parallel zur Hubrichtung im Betrieb ausgerichtet. Dies wiederum ermöglicht, dass sich der Hub des Piezostacks gleichmäßig über die Fläche verteilt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden an den durch die Teilung entstandenen Schnittkanten der einzelnen Piezostacks eine dritte und/oder vierte Passivierungsschicht aufgetragen. Diese können beispielsweise durch gängige Verfahren zur Passivierung wie die oben genannten Verfahren aufgetragen werden. Dabei wird die dritte und/oder vierte Passivierungsschicht vorzugsweise nicht nur über die gesamte Breite des einzelnen Piezostacks aufgetragen sondern auch über die Dicke der ersten und/oder zweiten Passivierungsschicht, d.h. über die gesamte bei der Teilung entstandene Schnittkante. Dabei kann die dritte und/oder vierte Passivierungsschicht zu den an die erste und/oder zweite Passivierungsschicht angrenzenden Kanten hin eine abnehmende Schichtdicke (Kantenflucht) aufweisen, ohne dass die Funktionsweise des Piezostacks beeinträchtigt würde.
Weiter Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Darin zeigen schematisch:
Figur 1 einen Piezostack gemäß dem Stand der Technik mit vierseitiger Passivierung;
Figur 2 einen Piezoriegel mit zweiseitiger Passivierung;
Figur 3 einen Piezoriegel mit zweiseitiger Passivierung und Trennachsen;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Piezostack mit zweiseitiger Passivierung; Figur 5 einen Piezostack mit zweiseitiger Passivierung und elektrischer Kontaktierung; und
Figur 6 einen erfindungsgemäßen Piezostack gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform mit vierseitiger Passivierung in Schnittansicht.
Bei der nachfolgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt einen Piezostack 10 gemäß dem Stand der Technik in der Draufsieht mit mehreren Seitenflächen 1, 2, 3, 4; einer ersten 1, zweiten 2, dritten 3 und vierten 4 Seitenfläche, die üb- licherweise ein Quadrat oder Rechteck einschließen. Die mehreren Seitenflächen 1, 2, 3, 4 weisen jeweils eine Passivierungsschicht la, 2a, 3a, 4a auf, welche Kunststoff umfassen kann. Der Piezostack 10 umfasst ferner elektrische Kontaktierungen 13, 14, welche an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 1, 2 ausgebildet sind. Bei der Passivierung mit Kunststoff wie z.B. Polyimid bzw. Polyimidlack kann es während des Auftrag- und Aushärteprozesses zu Schichtdickeninhomogenitäten kommen, und an den Kanten zu teilweise nicht ausreichender Bedeckung durch die Passivierung. Dies ist in der Figur 1 an den nicht vollständig passivierten Ecken zu sehen. Dies kann im Betrieb zu elektrischen Überschlägen führen, da diese Bereiche nicht ausreichend passiviert und damit isoliert sind.
Figur 2 zeigt einen Piezoriegel 20 in der Seitenansicht. Der Piezoriegel 20 weist eine zweite Länge L2 und eine Breite B auf. Der Piezoriegel 20 weist Seitenflächen 1, 2 der Länge L2 auf. In der Figur 2 sind die erste 1 und zweite 2 Seitenfläche in einer Schnittdarstellung gezeigt. An diesen Seitenflächen 1, 2 ist jeweils eine Passivierungsschicht la, 2a aufgebracht. Die Passivierungsschicht umfasst beispielsweise Kunststoff. Ein geeigneter Kunststoff ist vorzugsweise temperaturbeständig, weist eine gute Haftung zu Keramik auf und isoliert elektrisch. Bevorzugt wird als Kunststoff Polyimid oder Polyimidlack eingesetzt .
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine erste Pas- sivierungsschicht la auf der ersten Seitenfläche 1 des
Piezoriegels 20 aufgebracht. Diese erste Passivierungsschicht la wird anschließend ausgehärtet. Anschließend wird eine zweite Passivierungsschicht 2a auf einer zweiten Seitenfläche 2 des Piezoriegels aufgebracht, die gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche 1 angeordnet ist. Diese zweite Passivierungsschicht 2a wird ebenfalls ausgehärtet. Es ist allerdings auch möglich, dass die erste- und zweite Passivierungsschicht la, 2a gleichzeitig aufgebracht werden und im Anschluss gleichzeitig ausgehärtet werden. Dies würde zusätzliche Prozessschritte einsparen .
Weiterhin ist denkbar, dass die erste- und zweite Passivierungsschicht la, 2a nacheinander aufgebracht werden aber anschließend gleichzeitig ausgehärtet werden. Auch diese Vorgehensweise würde wenigstens einen Prozessschritt ersparen.
Die Aufbringung von dünnen Schichten, welche zu Passivie- rungsschichten führt, kann mit gängigen Verfahren wie Dispensen, Schablonendruck oder Siebdruck erfolgen. Die erste und/oder zweite Passivierungsschicht la, 2a kann Kunststoff wie Polyimid oder Polyimidlack umfassen. Die erste- und zweite Passivierungsschicht la, 2a können auch unterschiedliche Materialien aufweisen .
In Figur 3 ist ein Piezoriegel 20 wie in Figur 2 dargestellt. Zusätzlich sind in Figur 3 Trennachsen 6 markiert, an welchen entlang die mechanische Teilung des Piezoriegels 20 in
Piezostacks 10 erfolgt. Die durch die mechanische Teilung entstehenden Piezostacks 10 weisen entsprechend jeweils erste Länge Li auf. Die Trennachsen 6 verlaufen senkrecht zur zweiten Länge L2. Die durch die Trennung an den Schnittkanten entstehenden Seitenflächen 3, 4 der einzelne Piezostacks 10 weisen jeweils die Breite B auf In Figur 4 sind zwei Piezostacks (10) dargestellt, durch welche symbolhaft eine Trennachse 6 verläuft. Der Piezostack 10 weist eine erste Seitenfläche 1 mit einer ersten Passivierungsschicht la auf. Ferner weist der Piezostack 10 eine zweite Seitenfläche 2 auf, welche gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche 1 angeordnet ist. An der zweiten Seitenfläche 2 ist eine zweite Passivierungsschicht 2a aufgebracht. Senkrecht zu der ersten Seitenfläche 1 und der zweiten Seitenfläche 2 ist eine dritte Seitenfläche 3 mit der Breite B dargestellt, auf der bei- spielsweise Keramik aufgebracht sein kann. Durch die mechanische Teilung des Piezoriegels 20 entlang der Trennachse 6 ist sichergestellt, dass die erste Passivierungsschicht la und zweite Passivierungsschicht 2a nur geringe
Schichtdickeninhomogenitäten aufweisen, so dass die Passi- vierungs schichten la, 2a im Querschnitt jeweils ein Rechteck ausbilden. Dies betrifft insbesondere den Randbereich, bei dem beim Aufbringen der Passivierungsschicht üblicherweise eine Kantenflucht auftritt, wie in Figur 1 dargestellt. Diese Kantenflucht, bei der die Dicke der Passivierungsschicht la, 2a im Randbereich verringert ist, kann so bei den einzelnen
Piezostacks vermieden werden, da deren Randbereiche erst nach der Passivierung beziehungsweise nach der mechanischen Teilung entsteht . In Figur 5 ist ein Piezostack 10 wie in Figur 4 dargestellt. Zusätzlich sind an dem Piezostack 10 eine erste Kontaktierung 13 und eine zweite Kontaktierung 14 dargestellt. Die erste Kontaktierung 13 ist an der ersten Passivierungsschicht la angebracht und die zweite elektrische Kontaktierung 14 an der zweiten Passivierungsschicht 2a. Weiterhin ist der Piezostack 10 in einem Verguß 15 eingebettet, welcher die Passivierung der nicht kontaktierten Flächen sicherstellt.
Die Verarbeitung von Piezoriegeln 20 ermöglicht das Aufbringen von Passivierungsschichten über die gesamte Länge L2 des Piezoriegels 20, die auf dem später daraus geteilten Piezostack sehr gleichmäßig auf der Seitenfläche und der Kante des Stacks verlaufen. Desweiteren wird die Zahl der benötigten Prozess- schritte (Beschichtung jeder einzelnen Seitenfläche 1, 2, 3 ,4) reduziert .
Figur 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Piezostack gemäß einer bevorzugten Weiterbildung mit vierseitiger Passivierung in Schnittansicht. Der Piezostack weist vier Seitenflächen 1, 2, 3 und 4 auf . An der ersten Seitenfläche 1 und der gegenüberliegenden Seitenfläche 2 weist der Piezostack eine erste und zweite Pas sivierungs Schicht la, 2a mit rechteckigem Querschnitt auf. Die erste und zweite Passivierungsschicht la, 2a schließen mit den dritten und vierten Seitenflächen 3, 4 des Piezostacks 10 bündig ab. Die Oberflächen 11 und 12 der ersten und zweiten Passivierungsschicht sind parallel zu den ersten und zweiten Seitenflächen des Piezostacks 1 und 2 ausgebildet. An den dritten und vierten Seitenflächen 3, 4 des Piezostacks 10 ist dieser mit einer dritten und vierten Passivierungssschicht 3a, 4a versehen. Diese erstrecken sich nicht nur über die Breite B der Seitenfläche 3 und 4 des Piezostacks sondern auch über die Dicke der ersten und zweiten Passivierungsschicht la, 2a. Zu den Kanten hin weisen die dritte und vierte Passivierungsschicht 3a, 4a eine abnehmende Schichtdicke 16 (Kantenflucht) auf. Dies beeinträchtigt die
Funktion des erfindungsgemäßen Piezostacks jedoch nicht, da an den Ecken 17 des Piezostacks eine ausreichende Schichtdicke zur Passivierung vorhanden ist. Piezostacks 10 mit zweiseitiger Passivierung und das Verfahren zur zweiseitigen Passivierung von Piezoriegeln und die anschließende mechanische Teilung in einzelne Piezostacks kann besonders vorteilhaft für Piezostacks für Dieselinjektoren für Kraftfahrzeuge verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Piezostack (10) umfassend
- mehrere Seitenflächen (1, 2, 3, 4),
- eine erste Passivierungsschicht (la), welche auf einer ersten Seitenfläche (1) aufgebracht ist,
- wobei die erste Passivierungsschicht (la) im Querschnitt im Wesentlichen ein Rechteck ausbildet und mit den an die erste Seitenfläche des Piezostacks (1) angrenzenden Seiten- flächen des Piezostacks ( 3, 4) bündig abschließt.
2. Piezostack (10) nach Anspruch 1,
- umfassend eine zweite Passivierungsschicht (2a),
- welche auf einer zweiten Seitenfläche (2) aufgebracht ist, - wobei die zweite Seitenfläche ( 2) gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche (1) angeordnet ist, und
- wobei die zweite Passivierungsschicht (2a) im Querschnitt im Wesentlichen ein Rechteck ausbildet und mit den an die zweite Seitenfläche des Piezostacks (2) angrenzenden Sei- tenflächen (3, 4) des Piezostacks bündig abschließt.
3. Piezostack nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste und/oder zweite Passivierungsschicht (la, 2a) Kunststoff um- fasst .
4. Piezostack nach Anspruch 3, wobei der Kunststoff ein Polyimid umfasst .
5. Piezostack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - umfassend eine dritte und/oder eine vierte Passivierungsschicht (3a, 4a), welche auf einer dritten und/oder vierten Seitenfläche (3, 4) des Piezostacks (10) aufgebracht ist,
- wobei sich die dritte und/oder vierte Passivierungsschicht (3a, 4a) in ihrer Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung über die Breite (B) der dritten und/oder vierten Seitenfläche (3, 4) des Piezostacks (10) und die Dicke (D) der ersten und zweiten Passivierungsschicht (la, 2a) erstreckt .
6. Verfahren zur Passivierung von wenigstens einer Seitenfläche (1) mit einer ersten Länge (Li) eines Piezostacks (10) mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellung eines Piezoriegels (20) mit Seitenflächen (1, 2) mit einer zweiten Länge (L2), wobei die zweite Länge (L2) größer ist als die erste Länge (Li),
- Aufbringung einer ersten Passivierungsschicht (la) auf wenigstens einer ersten Seitenfläche (1) des Piezoriegels (20) ,
- Aushärtung der ersten Passivierungsschicht (la),
- mechanische Teilung des Piezoriegels (20), so dass we- nigstens ein Piezostack (10) mit der ersten Länge (Li) erhalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei vor der mechanischen Teilung eine zweite Passivierungsschicht (2a) auf einer zweiten Sei- tenfläche (2) des Piezoriegels (20) aufgebracht wird, welche auf einer gegenüberliegenden Seite zur wenigstens ersten Seitenfläche (1) angeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Aufbringung der ersten und/oder zweiten Passivierungsschicht (la, 2a) durch Dispensen,
Schablonendruck oder Siebdruck erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die zweite Passivierungsschicht (2a) vor der mechanischen Teilung des Piezoriegels 20 ausgehärtet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die mechanische Teilung des Piezoriegels (20) entlang einer oder mehrerer Trennachsen (6) erfolgt, die jeweils senkrecht zu den ersten und zweiten Seitenflächen (1, 2) verlaufen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit folgenden zusätzlichen Verfahrens schritten : - Auftragen einer dritten und/oder vierten Passivierungsschicht (3a, 4a) auf eine dritte und/oder vierte Seitenfläche (3, 4) des wenigstens einen Piezostacks (10),
- wobei sich die dritte und/oder vierte Passivierungsschicht (3a, 4a) in ihrer Ausdehnung senkrecht zur Stapelrichtung über die Breite (B) der dritten und/oder vierten Seitenfläche (3, 4) des Piezostacks (10) und die Dicke (D) der ersten und zweiten Passivierungsschicht (la, 2a) erstreckt .
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