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Dokumentenidentifikation DE102005015112B4 24.05.2007
Titel Monolithisches piezoelektrisches Bauteil mit mechanischer Entkopplungsschicht, Verfahren zum Herstellen des Bauteils und Verwendung des Bauteils
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Schuh, Carsten, Dr., 85598 Baldham, DE
DE-Anmeldedatum 01.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005015112
Offenlegungstag 05.10.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/047(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 41/083(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 41/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F02M 51/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02N 2/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16K 31/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem monolithischen Piezoelement, aufweisend eine Elektrodenschicht, mindestens eine weitere Elektrodenschicht und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils und eine Verwendung des Bauteils angegeben.

Im Zusammenhang mit piezokeramischen Bauteilen ist aus DE 34 35 807 A1 eine haft- und bondfähige Metallisierung auf einer Piezokeramik bekannt. Die Metallisierung besteht aus zwei Schichten, nämlich einer Goldschicht und einer Nickelschicht. Die Nickelschicht ist direkt auf der Piezokeramik aufgebracht. An die Goldschicht ist ein elektrisches Anschlusselement in Form eines Bonddrahtes angebracht. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit ist zwischen der Goldschicht und der Nickelschicht eine Haftvermittlungsschicht angeordnet. Durch die Haftvermittlungsschicht ist gewährleistet, dass bei einer Bewegung des Bauteils (z.B. Schwingung) der elektrische Kontakt erhalten bleibt.

Das piezoelektrische Bauteil ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor (Piezoaktor) mit einem monolithischen Aktorkörper aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten monolithischen Piezoelementen. Die Elektrodenschichten, die als Innenelektroden bezeichnet werden, und die Piezokeramikschichten sind abwechselnd übereinander gestapelt und gemeinsam zu dem monolithischen Aktorkörper gesintert.

Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist beispielsweise aus US 6 230 378 B1 bekannt. Die Piezokeramikschichten bestehen aus einem Bleizirkonattitanat (Pb(Ti, Zr)O3, PZT). Die Elektrodenschichten bestehen aus einer Silber-Palladium-Legierung. Die Piezokeramikschichten und die Elektrodenschichten sind derart miteinander verbunden, dass durch eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten ein elektrisches Feld in jede der Piezokeramikschichten eingekoppelt wird. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes kommt es zur Auslenkung der jeweiligen Piezokeramikschicht und damit zur Auslenkung des jeweiligen Piezoelements bzw. zur Auslenkung des gesamten piezoelektrischen Aktors.

Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten sind in Stapelrichtung benachbarte Elektrodenschichten abwechselnd an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt. An diesen Oberflächenabschnitten weist der Aktorkörper jeweils eine streifenförmige Metallisierung auf.

Im Bereich der beschriebenen Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers ist jedes der Piezoelemente piezoelektrisch inaktiv. Aufgrund der abwechselnden Führung der Elektrodenschichten an die Oberflächenabschnitte wird in einen piezoelektrisch inaktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht ein elektrisches Feld eingekoppelt, das sich deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, das in einen piezoelektrisch aktiven Bereich der Piezokeramikschicht eingekoppelt wird. Der piezoelektrisch aktive Bereich der Piezokeramikschicht befindet sich im Gegensatz zum piezoelektrisch inaktiven Bereich direkt zwischen den Elektrodenschichten des Piezoelements.

Bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten, also beim Polarisieren der Piezokeramik und/oder im Betrieb des Piezoaktors, kommt es aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder zu unterschiedlichen Auslenkungen der Piezokeramikschicht im piezoelektrisch aktiven Bereich und im piezoelektrisch inaktiven Bereich. Als Folge davon treten mechanische Spannungen im Piezoelement auf, die zu einem so genannten Polungsriss quer zur Stapelrichtung oder zu einem Risswachstum eines bereits vorhandenen Polungsrisses führen können. Ein derartiger Polungsriss tritt insbesondere an einer Grenzfläche zwischen einer Elektrodenschicht und einer angrenzenden Piezokeramikschicht auf. Dabei kann sich der Polungsriss bis in die an dem jeweiligen Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers angebrachte Metallisierung fortsetzen. Dies führt zu einer Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung zumindest eines Teils der Elektrodenschichten des Aktorkörpers.

Bei dem aus US 6 230 378 B1 bekannten piezoelektrischen Aktor ist dafür gesorgt, dass ein möglichst inniger und fester Kontakt zwischen den Elektrodenschichten und den Piezokeramikschichten besteht. Es besteht eine hohe mechanische Verbundfestigkeit zwischen den Elektrodenschichten und den angrenzenden Piezokeramikschichten. Dies wird u. a. durch die Auswahl des Elektrodenmaterials und der Piezokeramik erzielt. Beim Sintern des entsprechenden Grünkörpers diffundiert Silber der Silber-Palladium-Legierung des Elektrodenmaterials in die Piezokeramikschicht ein.

Der resultierende feste Kontakt kann aber Rissbildung und Risswachstum während des Polarisierens des piezoelektrischen Bauteils oder während des Betriebs des piezoelektrischen Bauteils nicht unterbinden. Im Gegenteil: Im dynamischen Betrieb des beschriebenen piezoelektrischen Aktors kann es zu einer Ablenkung eines vorhandenen Polungsrisses kommen. Der Polungsriss wächst unkontrolliert. Beispielsweise wächst der Polungsriss nicht quer zur Stapelrichtung sondern parallel oder annähernd parallel zur Stapelrichtung. Es bildet sich ein Längsriss im Aktorkörper. Das unkontrollierte Wachstum eines Polungsrisses kann auf ungünstigen intrinsischen und/oder extrinsischen Einflussgrößen beruhen. Intrinsische Einflussgrößen betreffen beispielsweise eine Gefügestruktur einer Piezokeramikschicht und/oder einer Elektrodenschicht. Die Gefügestruktur kann innerhalb der jeweiligen Schicht zu einem anisotropen Risswiderstand führen. Der Risswiderstand ist innerhalb der Schicht in unterschiedlichen Richtungen verschieden. Extrinsische Einflussgrößen basieren beispielsweise auf einer elektrischen Anstiegsflanke im dynamischen Betrieb oder auf einer unzureichenden Klemmung des Aktorkörpers. Als Folge des unkontrollierten Wachstums eines Polungsrisses kann es zum Ausfall des piezoelektrischen Aktors kommen. Eine Zuverlässigkeit des Aktors ist nicht gewährleistet.

Aus der DE 102 34 787 C1 und der DE 103 07 825 A1 ist jeweils eine Lösung zum Verhindern des unkontrollierten Wachstums von Rissen in einem Aktorkörper bekannt. Dabei werden so genannte Sollbruchstellen in Form von keramischen Sicherheitsschichten eingebracht. Diese keramischen Sicherheitsschichten zeichnen sich durch Mikrostörungen aus. Wenn im Aktorkörper mechanische Spannungen auftreten, findet Rissbildung und Risswachstum bevorzugt in den keramischen Sicherheitsschichten mit den Mikrostörungen statt. Rissbildung und Risswachstum ist auf die keramischen Sicherheitsschichten beschränkt.

Mikrostörungen in den Sicherheitsschichten werden beispielsweise durch Erhöhung einer Porosität der Sicherheitsschichten im Vergleich zu den Piezokeramikschichten im Aktorkörper erzielt. Mit der Erhöhung der Porosität in den Sicherheitsschichten verringert sich aber das piezoelektrisch aktive Volumen des Aktorkörpers im Vergleich zu einem Aktorkörper ohne Sicherheitsschichten. Zur Erzielung eines bestimmten Hubs muss der Aktorkörper mit einer höheren elektrischen Spannung angesteuert werden als ein vergleichbarer Aktorkörper ohne Sicherheitsschichten. Alternativ dazu muss der Aktorkörper mit Sicherheitsschichten eine größere Höhe aufweisen, um ein nahezu gleiches piezoelektrisch aktives Volumen zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Piezoaktor mit Aktorkörper zur Verfügung zu stellen, der eine mit dem Stand der Technik vergleichbare Zuverlässigkeit, aber ein im Vergleich zum Stand der Technik höheres piezoelektrisch aktives Volumen aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem monolithischen Piezoelement angegeben, aufweisend eine Elektrodenschicht, mindestens eine weitere Elektrodenschicht und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht. Das piezoelektrische Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen einer der Elektrodenschichten und der Piezokeramikschicht eine mit zumindest einer der Schichten in direktem Kontakt stehende Entkopplungsschicht zur Verringerung einer Haftfestigkeit der Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht aneinander angeordnet ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils angegeben. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

  • a) Bereitstellen eines schichtförmigen Grünkörpers mit mindestens einer keramischen Grünfolie mit piezokeramischem Material, mindestens einem Elektrodenfilm mit Elektrodenmaterial und mindestens einem zwischen der Grünfolie und dem Elektrodenfilm angeordneten Entkopplungsfilm mit Entkopplungsmaterial und
  • b) Sintern des Grünkörpers, wobei aus der Grünfolie die Piezokeramikschicht, aus dem Entkopplungsfilm die Entkopplungsschicht und aus dem Elektrodenfilm die Elektrodenschicht gebildet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem durchgängig festen und innigen Kontakt zwischen den Elektrodenschichten und den Piezokeramikschichten eines Aktors zu unkontrolliertem Risswachstum kommen kann. Daher wird dafür gesorgt, dass der Kontakt zwischen einer Elektrodenschicht und der angrenzenden Piezokeramikschicht geschwächt wird. Dies gelingt mit Hilfe der Entkopplungsschicht. Es resultiert eine geschwächte Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht. An der geschwächten Grenzfläche treten im Vergleich zu bekannten monolithischen Piezoelementen kleinere mechanische Spannungen auf. Eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Risses und eine Wahrscheinlichkeit für das unkontrollierte Wachsen eines Risses sind erniedrigt. Gleichzeitig ist ein relativ hohes piezoelektrisch aktives Volumen vorhanden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Entkopplungsschicht eine Teilschicht der Elektrodenschicht und/oder eine Teilschicht der Piezokeramikschicht. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Entkopplungsschicht aus elektrisch leitendem Material ist. Die Entkopplungsschicht ist Bestandteil der Innenelektrode. Beispielsweise ist das elektrisch leitende Material Titan, Nickel oder Platin. Mit Hilfe der Entkopplungsschicht aus diesen Metallen wird das für die Auslenkung des Piezoelements notwendige elektrische Feld in die Piezokeramikschicht eingekoppelt. Die genannten Materialien können auch an der jeweiligen Oberfläche oxidiert sein, so dass nicht die Metalle direkt, sondern Titandioxid (TiO2), Nickeloxid (NiO) und Platinoxid (PtO) mit der Piezokeramikschicht in Kontakt stehen. Denkbar ist auch, dass die Entkopplungsschicht eine Teilschicht der Piezokeramikschicht ist. Dazu ist der Entkopplungswerkstoff, aus dem die Entkopplungsschicht besteht, ein piezokeramischer Werkstoff. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass die Entkopplungsschicht selbst nicht piezoelektrisch aktiv ist. Die Entkopplungsschicht besteht aus einem beliebigen keramischen Werkstoff. Vorteilhaft verfügt dieser keramische Werkstoff über eine hohe Dielektrizitätskonstante. Dadurch kann das mit Hilfe der Elektrodenschicht erzeugte elektrische Feld mittelbar über die Entkopplungsschicht effizient in die angrenzende Piezokeramikschicht eingekoppelt werden.

In einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Piezoelementen zu einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet. Die Riezoelemente sind übereinander zu dem Aktorkörper gestapelt. Dabei kann der Aktorkörper nur aus Piezoelementen mit jeweils mindestens einer Entkopplungsschicht aufgebaut sein. In einer besonderen Ausgestaltung sind das Piezoelement und zumindest ein weiteres Piezoelement zu einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper mit einer Stapelrichtung angeordnet, wobei das weitere Piezoelement mindestens zwei weitere Elektrodenschichten und mindestens eine zwischen den weiteren Elektrodenschichten angeordnete weitere Piezokeramikschicht aufweist. Die weitere Piezokeramikschicht kann aus einem anderen piezokeramischen Material bestehen als die Piezokeramikschicht des Piezoelements mit der Entkopplungsschicht. Vorzugsweise weisen aber das Piezoelement und das weitere Piezoelement das gleiche piezokeramische Material auf. Beispielsweise werden mehr weitere Piezoelemente ohne Entkopplungsschicht als Piezoelemente mit Entkopplungsschicht übereinander angeordnet. Es resultiert ein Aktorkörper, bei dem einige wenige Entkopplungsschichten vorhanden sind. Diese Entkopplungsschichten sind entlang der Stapelrichtung über den Aktorkörper verteilt.

In einer weiteren Ausgestaltung sind eine Vielzahl der Piezoelemente und eine Vielzahl der weiteren Piezoelemente derart zu dem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper angeordnet, dass benachbarte Piezoelemente jeweils mindestens eine gemeinsame Elektrodenschicht aufweisen und die gemeinsamen Elektrodenschichten in Stapelrichtung des Aktorkörpers abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte des Aktorkörpers geführt sind. Ein seitlicher Oberflächenabschnitt des Aktorkörpers wird beispielsweise von einer Seitenfläche oder von einer Kante des Aktorkörpers gebildet, auf der eine Metallisierungsbahn aufgebracht ist. Es liegt ein Aktorkörper mit einer Mehrschichtkondensatorstruktur vor. Innerhalb dieser Mehrschichtkondensatorstruktur sind die Elektrodenschichten abwechselnd an voneinander elektrisch isolierte Oberflächenabschnitte geführt.

Bezüglich des Herstellverfahrens werden vorzugsweise zum Bereitstellen des Grünkörpers folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: c) Bereitstellen der keramischen Grünfolie, d) Anordnen des Entkopplungsfilms auf der Grünfolie und e) Anordnen des Elektrodenfilms auf dem Entkopplungsfilm.

Insbesondere werden zum Anordnen des Entkopplungsfilms Entkopplungsmaterial und zum Anordnen des Elektrodenfilms Elektrodenmaterial ein Aufschleuderverfahren, ein Siebdruckverfahren und/oder ein Dampfabscheideverfahren durchgeführt. Die Filme werden übereinander in entsprechenden Schichtdicken aufgetragen. Nach dem Auftragen erfolgt ein Laminieren, Entbindern und gemeinsames Sintern. Während des Sinterns kann die Entkopplungsschicht bereits ihre Wirkung erzielen. Beispielsweise fungiert die Entkopplungsschicht als Diffusionsbarriere. Dies bedeutet, dass Bestandteile der Elektrodenschicht und/oder Bestandteile der Piezokeramikschicht nicht durch die Entkopplungsschicht hindurch diffundieren können. Es resultiert eine geringere Haftfestigkeit zwischen der Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht. Besonders eignet sich dazu eine Entkopplungsschicht aus Titan oder Wolfram. Eine Entkopplungsschicht aus diesen Metallen fungiert als effiziente Diffusionsbarriere für Silber oder Kupfer.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung entsteht während des Sinterns eine Entkopplungsschicht, die ein Schwindungsverhalten aufweist, das sich vom Schwindungsverhalten der sich beim Sintern bildenden Elektrodenschicht und/oder vom Schwindungsverhalten der sich beim Sintern bildenden Piezokeramikschicht unterscheidet, und eine Haftung zwischen den sich bildenden Schichten so gering ist, dass die Entkopplung hervorgerufen wird. Wenn dafür gesorgt ist, dass die Haftung zwischen den benachbarten Schichten relativ gering ist, findet während des Verdichtens ein aneinander Abgleiten der Schichten statt. Es resultiert eine geringere Haftfestigkeit der Schichten aneinander.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist die Entkopplungsschicht bei einer bestimmten Temperatur eine thermische Ausdehnung auf, die sich von einer thermischen Ausdehnung der Elektrodenschicht und/oder von einer thermischen Ausdehnung der Piezokeramikschicht um mindestens 10% unterscheidet. So kann beispielsweise beim Abkühlvorgang nach dem Sintern das aneinander Abgleiten der benachbarten Schichten stattfinden.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

  • – Durch die gezielte Schwächung der Grenzfläche zwischen Elektrodenschicht und Piezokeramikschicht treten im Vergleich zum Stand der Technik geringere mechanische Spannungen auf.
  • – Die geringeren mechanischen Spannungen führen zu einem piezoelektrischen Bauteil mit einer mit dem Stand der Technik vergleichbaren Zuverlässigkeit.
  • – Das piezoelektrisch aktive Volumen des Aktorkörpers des Bauteils ist bei annähernd gleicher Zuverlässigkeit im Vergleich zum Stand der Technik größer.
  • – Zum Herstellen des Aktorkörpers kann auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

1 zeigt ein Piezoelement mit Entkopplungsschicht im seitlichen Querschnitt.

2 zeigt ein weiteres Piezoelement ohne Entkopplungsschicht im seitlichen Querschnitt.

3 und 4 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines piezoelektrischen Bauteils in Form eines Piezoaktors in monolithischer Vielschichtbauweise in einem seitlichen Querschnitt.

Das piezoelektrische Bauteil 1 ist ein piezoelektrischer Aktor mit einem Aktorkörper 20 in monolithischer Vielschichtbauweise (3 und 4). Eine Grundfläche des Aktorkörpers 20 ist quadratisch.

Der Aktorkörper 20 besteht aus übereinander gestapelten Piezoelementen 10 mit Entkopplungsschicht 100 (1) und weiteren Piezoelementen 11 ohne Entkopplungsschicht (2). Die Piezoelemente 10 und die weiteren Piezoelemente 11 sind derart übereinander gestapelt, dass benachbarte Piezoelemente gemeinsame Elektrodenschichten aufweisen.

Ein Piezoelement 10 weist eine Elektrodenschicht 101, mindestens eine weitere Elektrodenschicht 102 und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten 101 und 102 angeordnete Piezokeramikschicht 103 auf. Die Piezokeramikschicht 113 besteht aus einem Bleizirkonattitanat. Die Elektrodenschichten 101 und 102 bestehen aus einer Silber-Palladium-Legierung. Die Elektrodenschichten 101 und 102 sind derart an den Hauptflächen der Piezokeramikschicht 103 angeordnet, dass durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 101 und 102 ein elektrisches Feld in die Piezokeramikschicht 103 eingekoppelt wird, so dass es zur Auslenkung der Piezokeramikschicht 103 und damit zur Auslenkung des Piezoelements 10 kommt

Zur elektrischen Kontaktierung sind die Elektrodenschichten 101 und 102 an zwei elektrisch voneinander isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte 104 und 105 des Piezoelements 10 geführt. An diesen Oberflächenabschnitten 104 und 105 sind die beiden Elektrodenschichten 101 und 102 jeweils mit einem (in 1 nicht dargestellten) elektrischen Anschlusselement elektrisch kontaktiert. Durch die Führung der Elektrodenschichten 101 und 102 an die voneinander getrennten Oberflächenabschnitte 104 und 105 verfügt das Piezoelement 10 über einen piezoelektrisch aktiven Bereich 106 und mindestens über zwei piezoelektrisch inaktive Bereiche 107.

Zumindest zwischen einer der Elektrodenschichten 101 und 102 und der Piezokeramikschicht 103 des Piezoelements 10 ist eine zumindest mit einer der Schichten 101, 102 und 103 in direktem Kontakt stehende Entkopplungsschicht 100 zur mechanischen Entkopplung der Elektrodenschicht 101, 102 und der Piezokeramikschicht 103 angeordnet. Mit jeder Entkopplungsschicht 100 resultieren eine Grenzfläche 108 zwischen der Kopplungsschicht und der angrenzende Elektrodenschicht 101 und/oder 102 und eine Grenzfläche 109 zwischen der Entkopplungsschicht 100 und der angrenzenden Piezokeramikschicht 103. Durch die Entkopplungsschicht 100 ist dafür gesorgt, dass zwischen der Elektrodenschicht 101 oder 102 und der Piezokeramikschicht 103 die Haftfestigkeit relativ niedrig ist. Die verringerte Haftfestigkeit führt dazu, dass die Entkopplungsschicht 100 bzw. eine der resultierenden Grenzflächen 108 oder 109 als Sollbruchstelle fungieren kann. Bei einer mechanischen Überlastung des piezoelektrischen Bauteils kommt es zur Rissbildung an zumindest einer der Grenzflächen 108 oder 109.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Vielzahl der Piezoelemente 10 übereinander zu einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper 20 angeordnet (4). Benachbarte Piezoelemente 10 verfügen über gemeinsame Elektrodenschichten. Die gemeinsamen Elektrodenschichten sind zur elektrischen Kontaktierung abwechselnd an zwei voneinander getrennte Oberflächenabschnitte 23 des Aktorkörpers 20 geführt. Dort ist jeweils eine Metallisierungsbahn 22 zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten aufgebracht Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind eine Vielzahl von Piezoelementen 10 und eine Vielzahl von weiteren Piezoelemente 11 übereinander zu einem stapelförmigen Aktorkörper 20 angeordnet (3). Benachbarte Piezoelemente 10 und weitere Piezoelemente 11 verfügen über gemeinsame Elektrodenschichten, die abwechselnd an von einander getrennte Oberflächenabschnitte 23 des Aktorkörpers 20 geführt sind. Auch hier ist jeweils eine Metallisierungsbahn 22 zur elektrischen Kontaktierung der entsprechenden Elektrodenschichten angebracht.

Die weiteren Piezoelemente 11 sind prinzipiell genauso aufgebaut wie ein Piezoelement 10. Ein weiteres Piezoelement 11 weist eine weitere Elektrodenschicht 111, mindestens eine weitere Elektrodenschicht 112 und mindestens eine weitere, zwischen den weiteren Elektrodenschichten 111 und 112 angeordnete weitere Piezokeramikschicht 113 auf. Die weitere Piezokeramikschicht 113 besteht aus dem gleichen Bleizirkonattitanat wie die Piezokeramikschicht 103 des Piezoelements 10. Die weiteren Elektrodenschichten 111 und 112 bestehen ebenfalls aus einer Silber-Palladium-Legierung. Die weiteren Elektrodenschichten 111 und 112 sind an die seitlichen Oberflächenabschnitte 114 und 115 des weiteren Piezoelements 11 geführt und dort elektrisch kontaktiert. Durch die elektrische Ansteuerung der weiteren Elektrodenschichten 111 und 112 kommt es zur Auslenkung des weiteren Piezoelements 11. Die weiteren Elektrodenschichten 111 und 112 und die weitere Piezokeramikschicht 113 des weiteren Piezoelements 11 sind derart ausgestaltet und aneinander angeordnet, dass ein weiterer piezoelektrisch aktiver Bereich 116 und piezoelektrisch inaktive Bereiche 117 des weiteren Piezoelements 11 resultieren.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Entkopplungsschicht 100 eine Teilschicht der Elektrodenschicht 101 oder der Elektrodenschicht 102. Dies bedeutet, dass die entsprechende Elektrodenschicht mehrschichtig ist. Die Entkopplungsschicht 100 weist als Entkopplungswerkstoff ein Metall auf. Das Metall ist Titan. In einer dazu alternaiven Ausführungsform weist die Elektrodenschicht eine elektrisch leitfähige Keramik auf. Dieses Material ist Chromoxid.

Zum Herstellen des piezoelektrischen Bauteils werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Bereitstellen einer keramischen Grünfolie, Anordnen eines Entkopplungsfilms mit Entkopplungswerkstoffen auf der Grünfolie, Anordnen eines Elektrodenfilms mit Elektrodenmaterial auf dem Entkopplungsfilm, und Übereinanderstapeln derartiger Teilstapel. Nachfolgend wird der erhaltene Gesamtstapel laminiert, entbindert und gesintert. Beim Sintern entstehen aus der keramischen Grünfolie die Piezokeramikschicht, aus dem Entkopplungsfilm die Entkopplungsschicht und aus dem Elektrodenfilm die Elektrodenschicht. Zum Anordnen des Entkopplungsfilms und zum Anordnen des Elektrodenfilms wird in einer ersten Ausführungsform ein Dampfabscheideverfahren durchgeführt. Alternativ dazu wird ein Spritzverfahren und ein Aufschleuderverfahren durchgeführt.

Folgende Schichtdicken werden dabei verwendet: Für die Grünfolien werden Schichtdicken aus dem Bereich von 20 &mgr;m bis 120 &mgr;m verwendet. Für die Elektrodenschichten werden derartige Elektrodenfilme aufgetragen, die zu Schichtdicken im Bereich von unter 10 &mgr;m führen. Die Entkopplungsfilme sind so gewählt, dass beim Sintern Entkopplungsschichten mit Schichtdicken im Bereich von unter 5 &mgr;m gebildet werden.

Um die mechanische Entkopplung mit Hilfe der Entkopplungsschichten zu erzielen, kann die Entkopplungsschicht ausgezeichnete Eigenschaften während des Sinterns aufweisen. So kann die sich beim Sintern bildende Entkopplungsschicht als Diffusionsbarriere für Bestandteile der Elektrodenschicht und/oder Bestandteile der Piezokeramikschicht fungieren. Die Elektrodenschicht besteht aus einer Silber-Palladium-Legierung, die Piezokeramikschicht aus einem Bleizirkonattitanat. Wie eingangs geschildert, kommt es beim Sintern zu Diffusionsprozessen von der Elektrode in Richtung der Piezokeramik. Silber wird in die Piezokeramik eingebaut. Dies führt zu einem besonders festen und innigen Kontakt zwischen der Elektrode und der Piezokeramik. Dadurch, dass die Entkopplungsschicht als Diffusionsbarriere fungiert, findet eine Migration von Silber in Richtung der Piezokeramik nicht statt. Silber wird nicht in die Piezokeramik eingebaut. Es entsteht eine deutlich geringere mechanische Haftfestigkeit zwischen der Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht.

Alternativ dazu besteht die Entkopplungsschicht aus einer Keramik. Während des Sinterns findet eine Verdichtung der Keramik statt. Um eine mechanische Entkopplung der Elektrodenschicht und der Piezokeramikschicht zu erzielen, zeichnet sich das keramische Entkopplungsmaterial durch ein Schwindungsverhalten aus, das sich vom Schwingungsverhalten der Piezokeramik unterscheidet. Dabei ist dafür gesorgt, dass die Piezokeramikschicht und die Entkopplungsschicht aneinander abgleiten. Es resultiert ebenfalls ein relativ geringer mechanischer Kontakt zwischen den Schichten.


Anspruch[de]
Piezoelektrisches Bauteil (1) mit mindestens einem monolithischen Piezoelement (10), aufweisend

– eine Elektrodenschicht (101, 102),

– mindestens eine weitere Elektrodenschicht (102, 101) und

– mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (101, 102) angeordnete Piezokeramikschicht (103),

dadurch gekennzeichnet, dass

– zumindest zwischen einer der Elektrodenschichten (101, 102) und der Piezokeramikschicht (103) eine mit zumindest einer der Schichten (101, 102, 103) in direktem Kontakt stehende Entkopplungsschicht (100) zur Verringerung einer Haftfestigkeit der Elektrodenschicht (101, 102) und der Piezokeramikschicht (103) aneinander angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Entkopplungsschicht (100) eine Teilschicht der Elektrodenschicht und/oder eine Teilschicht der Piezokeramikschicht ist. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entkopplungsschicht (100) einen aus der Gruppe Metall und/oder Keramik ausgewählten Entkopplungswerkstoff aufweist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Entkopplungsschicht (100) als Diffusionssperrschicht für mindestens einen Bestandteil der Piezokeramikschicht und/oder für mindestens einen Bestandteil der Elektrodenschicht fungiert. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Entkopplungsschicht bei einer bestimmten Temperatur eine thermische Ausdehnung aufweist, die sich von einer thermischen Ausdehnung der Elektrodenschicht und/oder von einer thermischen Ausdehnung der Piezokeramikschicht um mindestens 10% unterscheidet. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Vielzahl von Piezoelementen (10) zu einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper (20) mit einer Stapelrichtung (21) angeordnet ist. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Piezoelement (10) und mindestens ein weiteres Piezoelement (11) zu einem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper (20) mit einer Stapelrichtung (21) angeordnet sind, wobei das weitere Piezoelement (11) mindestens zwei weitere Elektrodenschichten (111, 112) und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (111, 112) angeordnete weitere Piezokeramikschicht (113) aufweist. Bauteil nach Anspruch 7, wobei eine Vielzahl der Piezoelemente (10) und eine Vielzahl der weiteren Piezoelemente (11) derart zu dem monolithischen, stapelförmigen Aktorkörper (20) angeordnet sind, dass

– benachbarte Piezoelemente (200, 201) jeweils mindestens eine gemeinsame Elektrodenschicht (202, 203) aufweisen und

– die gemeinsamen Elektrodenschichten (202, 203) in Stapelrichtung (21) des Aktorkörpers (20) abwechselnd an mindestens zwei voneinander elektrisch isolierte, seitliche Oberflächenabschnitte (204, 205) des Aktorkörpers (20) geführt sind.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen eines schichtförmigen Grünkörpers mit mindestens einer keramischen Grünfolie mit piezokeramischem Material, mindestens einem Elektrodenfilm mit Elektrodenmaterial und mindestens einem zwischen der Grünfolie und dem Elektrodenfilm angeordneten Entkopplungsfilm mit Entkopplungsmaterial und

b) Sintern des Grünkörpers, wobei aus der Grünfolie die Piezokeramikschicht, aus dem Entkopplungsfilm die Entkopplungsschicht und aus dem Elektrodenfilm die Elektrodenschicht gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Bereitstellen des Grünkörpers folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden:

c) Bereitstellen der keramischen Grünfolie,

d) Anordnen des Entkopplungsfilms auf der Grünfolie und

e) Anordnen des Elektrodenfilms auf dem Entkopplungsfilm.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zum Anordnen des Entkopplungsfilms Entkopplungsmaterial und/oder zum Anordnen des Elektrodenfilms Elektrodenmaterial ein Aufschleuderverfahren, ein Siebdruckverfahren und/oder ein Dampfabscheideverfahren durchgeführt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei während des Sinterns eine Entkopplungsschicht entsteht, die ein Schwindungsverhalten aufweist, das sich vom Schwindungsverhalten der sich beim Sintern bildenden Elektrodenschicht und/oder vom Schwindungsverhalten der sich beim Sintern bildenden Piezokeramikschicht unterscheidet und eine Haftung zwischen den sich bildenden Schichten so gering ist, dass die Entkopplung hervorgerufen wird. Verwendung eines piezoelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Ansteuern eines Ventils und insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.






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