WO2020074329A1 - 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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WO2020074329A1
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ceramic
ceramic material
base body
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Denis OROSEL
Yongli Wang
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Tdk Electronics Ag
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    • H10N30/8542—Alkali metal based oxides, e.g. lithium, sodium or potassium niobates

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric
  • Multi-layer component comprising a ceramic
  • Base body that contains a ceramic material as the main component.
  • the invention further relates to a method for producing a piezoelectric multilayer component.
  • Piezoelectric multilayer components are widely used components for a large number of technical applications. Piezoelectric multilayer components are used, for example, as actuators, resonators, sensors and transformers. In particular, piezoelectric
  • Multi-layer components a ceramic base body, which contains a lead-containing, piezoelectric ceramic material.
  • a piezoelectric multilayer component which has a ceramic
  • the object of the present invention is therefore that
  • Providing a piezoelectric multilayer component which comprises a ceramic base body, wherein a Ceramic material contained in the ceramic base body has less negative effects on the environment and human health. It is also the task of
  • Multilayer component according to claim 1 and method for
  • Multi-layer components can be found in further claims.
  • a piezoelectric multilayer component that comprises a ceramic base body is provided.
  • the ceramic base body contains a ceramic material,
  • the main component of the ceramic material has the general empirical formula (K x Na ] __ x) Nb03, and the following applies:
  • the ceramic material contains at least two additives, which are selected from an amount of
  • the ceramic material contains as
  • the ceramic material contains at least two further compounds as additives.
  • Additives are added, each contain one or several metals made up of a lot of metals
  • Amounts of additives that are added to the main component relate to 100 mol% of the main component for the respective additive.
  • a method for producing a piezoelectric multilayer component which comprises a ceramic base body which contains a ceramic material, the method comprising a first calcining step and a second calcining step.
  • ceramic base body which contains a ceramic material, specified, starting materials for the production of the ceramic material are processed in water.
  • raw materials includes raw materials and
  • Raw materials are substances that are required to manufacture a main component of the ceramic material.
  • Dispersing agents instead of organic solvents, such as ethanol, can be used to manufacture the ceramic material in an environmentally friendly and cost-saving manner.
  • Integrate multilayer components can include the following steps:
  • the above-mentioned methods are particularly suitable for the production of piezoelectric multilayer components which comprise a ceramic base body, the ceramic base body containing a lead-free, piezoelectric ceramic material.
  • Metal oxides can preferably be used as additives. Metal-containing ones are particularly preferred
  • the ceramic base body of the piezoelectric multilayer component can have a multiplicity of internal electrodes.
  • the inner electrodes can consist of a material which is selected from an amount which contains at least Ag, Pd, Pt, Cu, Ni and any alloys of at least two of the metals mentioned.
  • the internal electrodes are preferably made of Cu, since this has a high conductivity and is considerable
  • the second calcination step can be carried out at a maximum temperature
  • the first calcination step can preferably be carried out at a
  • Maximum temperature can be carried out, which is selected from a range of 700 ° C to 800 ° C.
  • Calcination step can preferably be carried out at a
  • Maximum temperature can be carried out, which is selected from a range of 800 ° C to 900 ° C.
  • the first calcination step can particularly preferably be carried out at 750 ° C. and the second calcination step at 880 ° C.
  • Mass production is an advantage.
  • the second calcining step can be carried out with a holding time which is equal to the holding time of the first calcination step.
  • the holding time at which the first and second calcining steps are carried out can be selected from a range from two hours to six hours.
  • the holding time can preferably be selected from a range from three hours to five hours.
  • the first and second calcining steps can be carried out with a holding time of four hours each.
  • a holding time is to be understood as a time during a thermal process in which a
  • a thermal process can be, for example
  • Calcination steps for the first calcination step, for example a maximum temperature of 750 ° C and for the second calcination step, for example one
  • the raw materials are calcined at 750 ° C or 880 ° C for a period of four hours.
  • the ceramic green sheets can be any ceramic green sheets. Furthermore, the ceramic green sheets can be any ceramic green sheets.
  • the ceramic green sheets can be stored at a certain atmospheric humidity.
  • Maximum temperature that is selected from a range from 1000 ° C to 1080 ° C.
  • a maximum temperature of 1050 ° C. can preferably be used for the sintering step
  • a maximum temperature of 1050 ° C. is particularly preferred for inner electrodes made of copper, since this maximum temperature is high enough to sinter the green body without melting the inner electrodes.
  • the holding time of the sintering step can be selected from a range from 30 minutes to 120 minutes.
  • the holding time can preferably be selected from a range of 30 minutes to 60 minutes.
  • a holding time of 30 minutes can be selected particularly preferably.
  • the sintering step can be carried out in an inert atmosphere
  • the sintering step can preferably be carried out in a nitrogen atmosphere or in a forming gas atmosphere.
  • Sintering step in an inert atmosphere is particularly when using copper as a material for the
  • a tempering step can take place after the sintering step.
  • the tempering step can preferably be carried out at a
  • Maximum temperature can be carried out, which is selected from a range of 800 ° C to 900 ° C.
  • the tempering step can particularly preferably be carried out at a maximum temperature which is selected from a range from 800 ° C. to 850 ° C.
  • a tempering step is to be understood here and in the following as a thermal process after a sintering step he follows.
  • the maximum temperature for the tempering step is selected such that it is lower than a maximum temperature that is selected for the sintering step.
  • a holding time can be selected for the tempering step, which is in a range of one hour to two hours.
  • a holding time of two hours can preferably be selected for the tempering step.
  • the tempering step can be carried out in air or an atmosphere with an oxygen partial pressure of 2x10! up to 2xl0- ⁇ bar.
  • Sintering step was carried out in an inert atmosphere.
  • Atmosphere become oxygen vacancies in the
  • the annealing step is carried out in an oxygen-containing atmosphere
  • the aforementioned ranges for the maximum temperature and holding time of the tempering step are selected such that a high mobility of the atoms and ions contained in the ceramic material is achieved without the multilayer component being significantly deformed and / or the internal electrodes oxidizing.
  • Piezoelectric multilayer component in addition to the smaller negative impact on the environment and human Health, further process engineering advantages compared to lead-containing, piezoelectric multilayer components
  • the ceramic layers of the ceramic base body do not significantly deform during the performance of a thermal process. This applies
  • the piezoelectric multilayer component can have a coating for protection against negative environmental influences.
  • This coating can contain a material which is selected from an amount comprising at least parylenes and silicones.
  • the piezoelectric multilayer component is for one
  • An atmospheric pressure plasma generator is a plasma generator that operates under pressure conditions that are usually based on the
  • a cold plasma is to be understood as a plasma which has a temperature of 50 ° C. or less.
  • Figure 1 shows a ceramic base body
  • Figure 2 shows a top view of a ceramic green sheet.
  • FIG. 3a shows a longitudinal section of a piezoelectric multilayer component.
  • FIG. 3b shows a cross section of a piezoelectric multilayer component.
  • Figure 1 shows a ceramic base body 1 of a
  • the ceramic piezoelectric multilayer component.
  • Base body 1 has a long side x which is longer than a first transverse side y and a second transverse side z. Furthermore, the first transverse side y is longer than the second transverse side z.
  • the ceramic base body 1 contains a ceramic material, which is a main component with the general empirical formula
  • raw materials such as K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 and Nb 2 0 5 are mixed and
  • the raw materials are then calcined in a first calcining step at 750 ° C and a holding time of four hours.
  • the first calcining step is followed by a second calcining step which is carried out at 880 ° C. and a holding time of four hours. Subsequently the main component, based on 100 mol%
  • ceramic green foils are produced from the ceramic material and printed with internal electrodes made of copper (not shown).
  • a large number of printed ceramic green foils are then stacked on top of one another and pressed to form one
  • a sintering step is carried out with the green body at 1050 ° C. and a holding time which is selected from a range from 30 min to 120 min in order to obtain a ceramic base body 1.
  • the sintering step takes place in an inert atmosphere, for example a nitrogen atmosphere.
  • a tempering step is carried out with the ceramic base body 1.
  • the annealing step is carried out in air at a maximum temperature between 800 ° C and 900 ° C and a holding time between one hour and two hours.
  • external contacts for example made of Ag, are applied to the ceramic base body 1 in order to contact the internal electrodes (not shown).
  • FIG. 2 shows a top view of a ceramic green sheet 1 '.
  • the ceramic green sheet 1 "is partially with a
  • Printed inside electrode 2 made of copper. The one pictured
  • FIG. 3a shows a longitudinal section of a piezoelectric multilayer component.
  • the piezoelectric multilayer component comprises a ceramic base body 1, similar to that described in FIG. 1.
  • the longitudinal section runs in one plane through the ceramic base body 1, which is parallel to a surface which is spanned by the long side x and the second transverse side z.
  • the piezoelectric multilayer component has an area with internal electrodes 2 and an area without internal electrodes 2.
  • the area which has the internal electrodes 2 is referred to as input side A and the area which has no internal electrodes 2 is referred to as the output side B.
  • piezoelectric multilayer component is as one
  • Figure 3b shows a cross section through a
  • Multi-layer component similar to that as in Figure 3a
  • the ceramic base body 1 in a plane that is parallel to a surface that is spanned by the first transverse side y and by the second transverse side z.
  • the cross section runs through the input side A of the multilayer component, which has the internal electrodes 2.
  • the inner electrodes 2 can be divided into first inner electrodes 2a and second
  • the first internal electrodes 2a are contacted with a first external contact 2a "and the second internal electrodes 2b are connected with a second
  • External contact 2a "and the second external contact 2b" have opposite polarities.
  • External contact 2a "and to the second external contact 2b" is an alternating change in length in the
  • Body 1 starts to vibrate. This oscillation is from the input side A of the ceramic base body 1 to the output side B of the ceramic base body 1
  • This alternating voltage can be connected to the outside by means of third external contacts (not shown)
  • Output side B of the ceramic base body 1 can be tapped.
  • Base body 1 can be the AC voltage applied to the
  • Output side B is tapped to be many times higher than the voltage that is applied to the input side A.
  • the voltages that can be generated on the output side B of the ceramic base body 1 can be so great that spontaneous electrical discharges are generated. For this reason, the component described here is particularly suitable for use in an atmospheric pressure plasma generator.

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Abstract

Es wird ein piezoelektrisches Vielschichtbauteil bereitgestellt, das einen keramischen Grundkörper umfasst (1), der ein Keramikmaterial enthält, wobei - die Hauptkomponente des Keramikmaterials die allgemeine Summenformel (KxNa1-x)NbO3 aufweist und es gilt: 0 ≤ x ≤ 1, - und das Keramikmaterial mindestens zwei Zusatzstoffe enthält, die ausgewählt sind aus einer Menge von Verbindungen, die jeweils wenigstens ein Metall enthalten, das ausgewählt ist aus einer Menge von Metallen, die wenigstens K, Nb, Cu, Mn, Ta enthält.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Vielschichtbauelement und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches
Vielschichtbauelement, umfassend einen keramischen
Grundkörper, der als Hauptbestandteil ein Keramikmaterial enthält. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements.
Piezoelektrische Vielschichtbauelemente sind weit verbreitete Bauteile für eine Vielzahl von technischen Anwendungen. So werden piezoelektrische Vielschichtbauteile beispielsweise als Aktoren, Resonatoren, Sensoren und Transformatoren eingesetzt. Insbesondere können piezoelektrische
Transformatoren in Atmosphärendruck-Plasmageneratoren
eingesetzt werden.
Herkömmlicherweise umfassen piezoelektrische
Vielschichtbauteile einen keramischen Grundkörper, der ein bleihaltiges, piezoelektrisches Keramikmaterial enthält. So ist aus der DE 10 2006 057 691 Al ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement bekannt, das einen keramischen
Grundkörper umfasst, der ein Keramikmaterial auf Blei- Zirkonat-Titanat-Basis enthält. Aufgrund des Bleigehalts des bleihaltigen, piezoelektrischen Keramikmaterials ergeben sich negative Einflüsse auf die Umwelt und die menschliche
Gesundheit .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das
Bereitstellen eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements, das einen keramischen Grundkörper umfasst, wobei ein Keramikmaterial, das in dem keramischen Grundkörper enthalten ist, geringere negative Einflüsse auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit hat. Ferner ist es Aufgabe der
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Vielschichtbauelements anzugeben .
Diese Aufgaben werden durch ein piezoelektrisches
Vielschichtbauelement nach Anspruch 1 und Verfahren zur
Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements nach den Ansprüchen 5 und 10 gelöst. Weitere Ausführungs formen des piezoelektrischen Vielschichtbauelements und der Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Vielschichtbauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement, das einen keramischen Grundkörper umfasst, bereitgestellt. Der keramische Grundkörper enthält ein Keramikmaterial,
wobei
- die Hauptkomponente des Keramikmaterials die allgemeine Summenformel (KxNa]__x) Nb03 aufweist, und es gilt:
0 < x < 1,
- und das Keramikmaterial mindestens zwei Zusatzstoffe enthält, die ausgewählt sind aus einer Menge von
Verbindungen, die jeweils wenigstens ein Metall enthalten, das ausgewählt ist aus einer Menge von Metallen, die
wenigstens K, Nb, Cu, Mn, Ta enthält.
Mit anderen Worten, das Keramikmaterial enthält als
Hauptkomponente (KxNa]__x) Nb03, wobei gilt: 0 d c < 1.
Zusätzlich zu der Hauptkomponente enthält das Keramikmaterial mindestens zwei weitere Verbindungen als Zusatzstoffe. Die einzelnen Verbindungen, die der Hauptkomponente als
Zusatzstoffe zugegeben werden, enthalten dabei jeweils ein oder mehrere Metalle, die aus einer Menge an Metallen
ausgewählt sind, die wenigstens K, Nb, Cu, Mn, Ta enthält. Mengen an Zusatzstoffen, die der Hauptkomponente zugegeben werden, beziehen sich für den jeweiligen Zusatzsoff auf 100 mol% der Hauptkomponente .
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements angegeben, das einen keramischen Grundkörper umfasst, der ein Keramikmaterial enthält, wobei das Verfahren einen ersten Kalzinierungs schritt und einen zweiten Kalzinierungsschritt umfasst.
Ferner wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements, das einen
keramischen Grundkörper umfasst, der ein Keramikmaterial enthält, angegeben, wobei Ausgangsmaterialien zur Herstellung des Keramikmaterials in Wasser prozessiert werden.
Der Begriff Ausgangsmaterialien umfasst Rohstoffe und
Zusatzstoffe, die zur Herstellung des Keramikmaterials benötigt werden. Rohstoffe sind Stoffe, die zur Herstellung einer Hauptkomponente des Keramikmaterials benötigt werden. Durch die Verwendung von Wasser als Lösungs- und
Dispersionsmittel anstatt organischer Lösungsmittel, wie Ethanol, lässt sich die Herstellung des Keramikmaterials umweltschonend und kostensparend realisieren.
Die obengenannten Verfahren lassen sich in herkömmliche
Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen
Vielschichtbauelementen integrieren. Ein solches Verfahren kann folgende Schritte umfassen:
- Bereitstellen von Rohstoffen zur Herstellung einer
Hauptkomponente eines Keramikmaterials, - Bereitstellen von Zusatzstoffen,
- Mischen, Mahlen und Kalzinieren der Rohstoffe, um die
Hauptkomponente des Keramikmaterials zu erhalten,
- Zugabe der Zusatzstoffe zu der Hauptkomponente, um das Keramikmaterial zu erhalten,
- Verarbeiten des Keramikmaterials zu einer keramischen
Grünfolie,
- Bedrucken der keramischen Grünfolie mit Innenelektroden,
- Stapeln einer Vielzahl von bedruckten keramischen
Grünfolien, um einen Folienstapel zu bilden,
- Pressen des Folienstapels, um einen Grünkörper zu bilden,
- Durchführen eines Sinterschritts mit dem Grünkörper, um einen keramischen Grundkörper zu erhalten,
- Durchführen eines Temperschritts mit dem keramischen
Grundkörper,
- Aufbringen von Außenkontaktierungen auf den getemperten keramischen Grundkörper.
Die obengenannten Verfahren sind besonders geeignet für die Herstellung von piezoelektrischen Vielschichtbauteilen, die einen keramischen Grundkörper umfassen, wobei der keramische Grundkörper ein bleifreies, piezoelektrisches Keramikmaterial enthält .
Bevorzugt können Metalloxide als Zusatzstoffe verwendet werden. Besonders bevorzugt können metallhaltige
Verbindungen, die sich in Metalloxide umwandeln können, als Zusatzstoffe verwendet werden. Diese metallhaltigen
Verbindungen wandeln sich während des Sinterschritts in die entsprechenden Metalloxide um. Die metallhaltigen
Verbindungen können ausgewählt sein aus einer Menge,
umfassend wenigstens Metallcarbonate und Metallacetate und Mischungen daraus. Des Weiteren kann der keramische Grundkörper des piezoelektrischen Vielschichtbauelements eine Vielzahl von Innenelektroden aufweisen. Die Innenelektroden können aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus einer Menge, die wenigstens Ag, Pd, Pt, Cu, Ni und jegliche Legierungen aus mindestens zwei der genannten Metalle enthält.
Vorzugsweise bestehen die Innenelektroden aus Cu, da dieses eine hohe Leitfähigkeit aufweist und erheblich
kostengünstiger ist als, beispielsweise Ag oder Pt.
Ferner kann in dem Verfahren zur Herstellung eines
piezoelektrischen Bauelements der zweite Kalzinierungsschritt bei einer Maximaltemperatur durchgeführt werden, die
verschieden ist von einer Maximaltemperatur, bei der der erste Kalzinierungsschritt durchgeführt wird. Vorzugsweise kann der erste Kalzinierungsschritt bei einer
Maximaltemperatur durchgeführt werden, die aus einem Bereich von 700 °C bis 800 °C ausgewählt ist. Der zweite
Kalzinierungsschritt kann bevorzugt bei einer
Maximaltemperatur durchgeführt werden, die aus einem Bereich von 800 °C bis 900 °C ausgewählt ist. Besonders bevorzugt kann der erste Kalzinierungsschritt bei 750 °C und der zweite Kalzinierungsschritt bei 880 °C durchgeführt werden.
Durch die Durchführung des ersten und des zweiten
Kalzinierungsschritts bei unterschiedlichen
Maximaltemperaturen lässt sich die Hauptkomponente des
Keramikmaterials reproduzierbar mit hoher Phasenreinheit hersteilen. Dies ist insbesondere in der industriellen
Massenfertigung von Vorteil.
Weiterhin kann der zweite Kalzinierungsschritt bei einer Haltezeit durchgeführt werden, die gleich der Haltezeit des ersten Kalzinierungsschritts ist. Die Haltezeit, bei dem der erste und der zweite Kalzinierungsschritt durchgeführt werden, kann aus einem Bereich von zwei Stunden bis sechs Stunden ausgewählt sein. Bevorzugt kann die Haltezeit aus einem Bereich von drei Stunden bis fünf Stunden ausgewählt sein. Besonders bevorzugt können der erste und der zweite Kalzinierungsschritt mit einer Haltezeit von jeweils vier Stunden durchgeführt werden.
Unter Haltezeit ist hier und im Folgenden eine Zeit während eines thermischen Prozesses zu verstehen, bei dem ein
Material, das diesem Prozess ausgesetzt ist, der für den thermischen Prozess vorgesehenen Maximaltemperatur ausgesetzt ist. Ein thermischer Prozess kann beispielsweise ein
Kalzinierungsschritt, ein Sinterschritt oder ein
Temperschritt sein.
Mit anderen Worten, ist, bezogen auf die obengenannten
Kalzinierungsschritte, für den ersten Kalzinierungsschritt, beispielweise eine Maximaltemperatur von 750 °C und für den zweiten Kalzinierungsschritt, beispielsweise eine
Maximaltemperatur von 880 °C vorgesehen und beträgt die
Haltezeit vier Stunden, so werden die Rohstoffe jeweils für die Dauer von vier Stunden bei 750 °C bzw. 880 °C kalziniert.
Weiterhin können die keramischen Grünfolien bei
unterschiedlichen Lagerbedingungen gelagert werden, um
Einfluss auf die Güte des gesinterten Bauteils zu nehmen. Insbesondere können die keramischen Grünfolien bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit gelagert werden.
Des Weiteren kann der Sinterschritt bei einer
Maximaltemperatur durchgeführt werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1000 °C bis 1080 °C. Vorzugsweise kann für den Sinterschritt eine Maximaltemperatur von 1050 °C
ausgewählt sein. Eine Maximaltemperatur von 1050 °C ist insbesondere bei Innenelektroden aus Kupfer bevorzugt, da diese Maximaltemperatur hoch genug ist um den Grünkörper zu sintern ohne dabei die Innenelektroden zu schmelzen.
Weiterhin kann die Haltezeit des Sinterschritts aus einem Bereich von 30 Minuten bis 120 Minuten ausgewählt sein.
Bevorzugt kann die Haltezeit aus einem Bereich von 30 Minuten bis 60 Minuten ausgewählt sein. Besonders bevorzugt kann eine Haltezeit von 30 Minuten ausgewählt sein.
Der Sinterschritt kann in einer inerten Atmosphäre
durchgeführt werden. Bevorzugt kann der Sinterschritt in einer Stickstoffatmosphäre oder in einer Formiergas- Atmosphäre durchgeführt werden. Die Durchführung des
Sinterschritts in einer inerten Atmosphäre ist insbesondere bei der Verwendung von Kupfer, als Material für die
Innenelektroden, von Vorteil. Durch die inerte Atmosphäre wird eine Oxidation des Kupfers vermieden und die
elektrischen Eigenschaften des Kupfers bleiben erhalten.
Weiterhin kann nach dem Sinterschritt ein Temperschritt erfolgen. Bevorzugt kann der Temperschritt bei einer
Maximaltemperatur durchgeführt werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 800 °C bis 900 °C. Besonders bevorzugt kann der Temperschritt bei einer Maximaltemperatur durchgeführt werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 800 °C bis 850 °C.
Unter einem Temperschritt ist hier und im Folgenden ein thermischer Prozess zu verstehen der nach einem Sinterschritt erfolgt. Außerdem ist die Maximaltemperatur für den Temperschritt derart ausgewählt, dass diese geringer ist als eine Maximaltemperatur, die für den Sinterschritt ausgewählt ist .
Ferner kann für den Temperschritt eine Haltezeit ausgewählt sein, die in einem Bereich von einer Stunde bis zwei Stunden liegt. Bevorzugt kann für den Temperschritt eine Haltezeit von zwei Stunden ausgewählt sein. Der Temperschritt kann in Luft oder einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 2x10 ! bis 2xl0-^ bar erfolgen.
Der Temperschritt ist insbesondere von Vorteil wenn der
Sinterschritt in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wurde. Durch das Sintern des Keramikmaterials in einer inerten
Atmosphäre werden Sauerstofffehlstellen in das
Keramikmaterial induziert. Diese Sauerstofffehlstellen haben einen negativen Einfluss auf die Eigenschaften des
Keramikmaterials und somit auf das ganze piezoelektrische Vielschichtbauelement. Um die Sauerstofffehlstellen zu entfernen und damit negative Einflüsse auf das
piezoelektrische Vielschichtbauelement zu vermeiden, wird der Temperschritt in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre
durchgeführt. Dabei sind die vorhergenannten Bereiche für die Maximaltemperatur und Haltezeit des Temperschritts derart gewählt, dass eine hohe Mobilität der in dem Keramikmaterial enthaltenen Atome und Ionen erreicht wird ohne, dass sich dabei das Vielschichtbauelement signifikant deformiert und/oder die Innenelektroden oxidieren.
Weiterhin wird angemerkt, dass das beschriebene
piezoelektrische Vielschichtbauelement neben dem geringeren negativen Einfluss auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit, weitere, prozesstechnische Vorteile gegenüber bleihaltigen, piezoelektrischen Vielschichtbauteilen
aufweist. So bleibt die Geometrie des keramischen
Grundkörpers des beschriebenen Vielschichtbauelements auch nach der Durchführung der thermischen Prozesse erhalten.
Mit anderen Worten, die keramischen Schichten des keramischen Grundkörpers verformen sich nicht nennenswert während der Durchführung eines thermischen Prozesses. Dies gilt
unabhängig von einer gewählten Atmosphäre. Dadurch entfallen eventuelle Nachbearbeitungsschritte, wodurch die Herstellung des beschriebenen piezoelektrischen Vielschichtbauelements kostengünstig und einfach realisiert werden kann.
Ferner kann das piezoelektrische Vielschichtbauelement zum Schutz gegen negative Umwelteinflüsse eine Beschichtung aufweisen. Diese Beschichtung kann ein Material enthalten das ausgewählt ist aus einer Menge, umfassend mindestens Parylene und Silikone.
Das piezoelektrische Vielschichtbauteil ist für eine
Anwendung in einem Atmosphärendruck-Plasmagenerator geeignet. Ein Atmosphärendruck-Plasmagenerator ist ein Plasmagenerator, der unter Druckverhältnissen, die üblicherweise auf der
Erdoberfläche herrschen, ein kaltes Plasma erzeugt. Unter einem kalten Plasma ist ein Plasma zu verstehen, das eine Temperatur von 50 °C oder weniger aufweist.
Im Folgenden werden ein keramischer Grundkörper, eine
keramische Grünfolie und ein piezoelektrisches
Vielschichtbauteil anhand von schematischen Zeichnungen beschrieben . Figur 1 zeigt einen keramischen Grundkörper
Figur 2 zeigt in einer Draufsicht eine keramische Grünfolie.
Figur 3a zeigt einen Längsschnitt eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements .
Figur 3b zeigt einen Querschnitt eines piezoelektrischen Vielschichtbauelements .
Gleiche Elemente, ähnliche oder augenscheinlich gleiche
Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den
Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
Figur 1 zeigt einen keramischen Grundkörper 1 eines
piezoelektrischen Vielschichtbauteils. Der keramische
Grundkörper 1 weist eine Längsseite x auf, die länger ist als eine erste Querseite y und eine zweite Querseite z. Weiterhin ist die erste Querseite y länger als die zweite Querseite z. Der keramische Grundkörper 1 enthält ein Keramikmaterial, das eine Hauptkomponente mit der allgemeinen Summenformel
(Nag 5K0 5 ) Nb03 enthält. Zusätzlich wurden der
Hauptkomponente K5 ^ 4Cu2 ^ 3Ta2 QNb29 und MnC03 als Zusatzstoffe zugegeben .
Für die Herstellung der Hauptkomponente werden Rohstoffe, wie beispielsweise K2C03, Na2C03 und Nb205 vermischt und
gemahlen. Anschließend werden die Rohstoffe in einem ersten Kalzinierungsschritt bei 750 °C und einer Haltezeit von vier Stunden kalziniert. Auf den ersten Kalzinierungsschritt folgt ein zweiter Kalzinierungsschritt der bei 880 °C und einer Haltezeit von vier Stunden durchgeführt wird. Anschließend werden der Hauptkomponente, bezogen auf 100 mol%
(Nag r 5K0 r 5 ) Nb03 r 0,38 mol%
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und 0,25 mol% MnCOg hinzugegeben um das Keramikmaterial zu erhalten.
Für die Herstellung des keramischen Grundkörpers 1 werden aus dem Keramikmaterial keramische Grünfolien hergestellt und mit Innenelektroden aus Kupfer (nicht dargestellt) bedruckt.
Anschließend wird eine Vielzahl von bedruckten keramischen Grünfolien aufeinander gestapelt und gepresst, um einen
Grünkörper zu bilden. Mit dem Grünkörper wird, in einem nächsten Schritt, bei 1050 °C und einer Haltezeit, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 30 min bis 120 min, ein Sinterschritt durchgeführt, um einen keramischen Grundkörper 1 zu erhalten. Der Sinterschritt erfolgt dabei in einer inerten Atmosphäre, beispielweise einer Sticksoff-Atmosphäre . Nach dem Sinterschritt wird mit dem keramischen Grundkörper 1 ein Temperschritt durchgeführt. Der Temperschritt wird an Luft bei einer Maximaltemperatur zwischen 800 °C und 900 °C und einer Haltezeit zwischen einer Stunde und zwei Stunden durchgeführt .
Nach dem Temperschritt werden auf dem keramischen Grundkörper 1 Außenkontaktierungen (nicht dargestellt) , beispielweise aus Ag aufgebracht, um die Innenelektroden (nicht dargestellt) zu kontaktieren .
Figur 2 zeigt in einer Draufsicht eine keramische Grünfolie 1' . Die keramische Grünfolie 1" ist teilweise mit einer
Innenelektrode 2 aus Kupfer bedruckt. Die abgebildete
Grünfolie 1" kann dazu verwendet werden einen keramischen Grundkörper, ähnlich dem wie er in Figur 1 beschrieben ist, aufzubauen . Figur 3a zeigt einen Längsschnitt eines piezoelektrischen Vielschichtbauteils. Das piezoelektrische Vielschichtbauteil umfasst einen keramischen Grundkörper 1, ähnlich dem wie er in Figur 1 beschrieben ist. Der Längsschnitt verläuft in einer Ebene durch den keramischen Grundkörper 1, die parallel zu einer Fläche ist, die durch die Längsseite x und die zweite Querseite z aufgespannt wird. Das piezoelektrische Vielschichtbauelement weist einen Bereich mit Innenelektroden 2 und einen Bereich ohne Innenelektroden 2 auf. Der Bereich, der die Innenelektroden 2 aufweist wird als Eingangsseite A bezeichnet und der Bereich, der keine Innenelektroden 2 aufweist wird als Ausgangsseite B bezeichnet. Das
piezoelektrische Vielschichtbauteil ist als ein
Piezotransformator ausgebildet.
Figur 3b zeigt einen Querschnitt durch ein
Vielschichtbauelement, ähnlich dem wie es in Figur 3a
beschrieben ist. Der Querschnitt verläuft durch den
keramischen Grundkörper 1 in einer Ebene, die parallel zu einer Fläche ist, die durch die erste Querseite y und durch die zweite Querseite z aufgespannt wird. Der Querschnitt verläuft durch die Eingangsseite A des Vielschichtbauteils, die die Innenelektroden 2 aufweist. Die Innenelektroden 2 lassen sich in erste Innenelektroden 2a und zweite
Innenelektroden 2b aufteilen. Die ersten Innenelektroden 2a sind mit einer ersten Außenkontaktierung 2a" kontaktiert und die zweiten Innenelektroden 2b sind mit einer zweiten
Außenkontaktierung 2b" kontaktiert. Die erste
Außenkontaktierung 2a" und die zweite Außenkontaktierung 2b" weisen eine gegensätzliche Polarität auf.
Durch das Anlegen einer Spannung an die erste
Außenkontaktierung 2a" und an die zweite Außenkontaktierung 2b" wird, mittels der ersten Innenelektroden 2a und der zweiten Innenelektroden 2b, ein elektromagnetisches Feld in die Eingangsseite A des keramischen Grundkörpers 1 induziert. Dadurch kommt es, aufgrund eines inversen piezoelektrischen Effekts, zu einer Längenänderung der Eingangsseite A des keramischen Grundkörpers 1 entlang des induzierten
elektromagnetischen Feldes. Mögliche Richtungen von
Längenänderungen sind in Figur 3b anhand der Pfeile
dargestellt .
Durch Anlegen einer Wechselspannung an die erste
Außenkontaktierung 2a" und an die zweite Außenkontaktierung 2b" wird eine alternierende Längenänderung in der
Eingangsseite A des keramischen Grundkörpers 1 erzeugt.
Mit anderen Worten, die Eingangsseite A des keramischen
Grundkörpers 1 fängt an zu schwingen. Dieses Schwingen wird von der Eingangsseite A des keramischen Grundkörpers 1 auf die Ausgangsseite B des keramischen Grundkörpers 1
übertragen .
Durch die alternierende Längenänderung der Ausgangsseite B wird, aufgrund eines piezoelektrischen Effekts, eine
Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung kann mittels dritten Außenkontaktierungen (nicht dargestellt) an der
Ausgangseite B des keramischen Grundkörpers 1 abgegriffen werden. Je nach Position der dritten Außenelektroden (nicht dargestellt) an der Ausgangsseite B des keramischen
Grundkörper 1 kann die Wechselspannung, die an der
Ausgangsseite B abgegriffen wird, um ein Vielfaches höher sein als die Spannung, die an der Eingangsseite A angelegt wird . Die Spannungen, die an der Ausgangsseite B des keramischen Grundkörpers 1 erzeugt werden können, können so groß sein, dass spontane elektrische Entladungen erzeugt werden. Aus diesem Grund ist das hier beschriebene Bauteil besonders geeignet für eine Verwendung in einem Atmosphärendruck- Plasmagenerator .
Obwohl die Figuren ausschließlich einen piezoelektrischen Transformator beschreiben ist die vorliegende Erfindung nicht auf Selbigem beschränkt. Beispielsweise sind auch
Ausgestaltungen als Sensor oder Resonator möglich.
Bezugszeichenliste
1 keramischer Grundkörper
1 ' keramische Grünfolie
2 Innenelektrode
2a erste Innenelektrode 2b zweite Innenelektrode 2a' erste Außenkontaktierung 2b' zweite Außenkontaktierung A Eingangsseite
B Ausgangsseite
x Längsseite
y erste Querseite
z zweite Querseite

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisches Vielschichtbauteil, umfassend einen keramischen Grundkörper (1), der ein Keramikmaterial enthält, wobei
- die Hauptkomponente des Keramikmaterials die allgemeine Summenformel (KxNa]__x) NbC>3 aufweist und es gilt:
0 < x < 1,
- und das Keramikmaterial mindestens zwei Zusatzstoffe enthält, die ausgewählt sind aus einer Menge von
Verbindungen, die jeweils wenigstens ein Metall enthalten, das ausgewählt ist aus einer Menge von Metallen, die
wenigstens K, Nb, Cu, Mn, Ta enthält.
2. Piezoelektrisches Vielschichtbauteil nach Anspruch 1, wobei das Vielschichtbauteil für eine Anwendung in einem Atmosphärendruck-Plasmagenerator geeignet ist.
3. Piezoelektrisches Vielschichtbauteil nach einem der
Ansprüche 1 oder 2,
wobei der keramische Grundkörper (1) eine Vielzahl von
Innenelektroden (2) aufweist.
4. Piezoelektrisches Vielschichtbauteil nach Anspruch 3, wobei die Innenelektroden (2) aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus einer Menge, die wenigstens Ag, Pd,
Pt, Cu, Ni und jegliche Legierungen aus mindestens zwei der genannten Metalle enthält.
5. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Vielschichtbauelements, das einen keramischen Grundkörper (1) umfasst, der ein Keramikmaterial enthält, wobei das Verfahren einen ersten Kalzinierungsschritt und einen zweiten
Kalzinierungsschritt umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
wobei der zweite Kalzinierungsschritt bei einer
Maximaltemperatur durchgeführt wird, die verschieden ist von einer Maximaltemperatur bei der der erste
Kalzinierungsschritt durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei der erste Kalzinierungsschritt bei einer
Maximaltemperatur durchgeführt wird, die aus einen Bereich von 700 °C bis 800 °C ausgewählt ist und der zweite
Kalzinierungsschritt bei einer Maximaltemperatur durchgeführt wird, die aus einem Bereich von 800 °C bis 900 °C ausgewählt ist .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei für den zweiten Kalzinierungsschritt eine Haltezeit ausgewählt wird, die gleich der Haltezeit des ersten
Kalzinierungsschritts ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste und der zweite Kalzinierungsschritt jeweils bei einer Haltezeit durchgeführt werden, die aus einem Bereich von zwei Stunden bis sechs Stunden ausgewählt ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Vielschichtbauelements, das einen keramischen Grundkörper (1) umfasst, der ein Keramikmaterial enthält,
wobei Ausgangsmaterialien für die Herstellung des
Keramikmaterials in Wasser prozessiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei ein Sinterschritt durchgeführt wird, für den eine
Maximaltemperatur zwischen 1000 °C und 1080 °C und eine
Haltezeit zwischen 30 Minuten und 120 Minuten ausgewählt ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
wobei ein Sinterschritt in einer inerten Atmosphäre
durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
wobei nach einem Sinterschritt ein Temperschritt durchgeführt wird .
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei für den Temperschritt eine Maximaltemperatur zwischen 800 °C und 900 °C und eine Haltezeit zwischen einer und zwei Stunden ausgewählt ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
wobei als Atmosphäre während des Temperschritts Luft oder eine Atmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von 2x10 ! bis 2X10- bar ausgewählt wird.
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