DE10021919C2 - Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren sowie monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren sowie einen solchen Aktor, wobei die Vielschicht-Stapelanordnung von einer grünen Keramikfolie umhüllt wird und im Anschluß an den Umhüllungsschritt ein an sich bekanntes Trennen und Sintern zur Bildung des polykristallinen keramischen Gefüges erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mono­ lithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren gemäß Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 sowie einen monolithischen piezo­ keramischen Vielschichtaktor mit gegenüberliegenden Außen­ elektroden gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Piezokeramiken dienen der Umwandlung von mechanischen Größen wie Kraft oder Deformation in elektrische Größen oder umgekehrt von elektrischen Größen in Kraft und/oder Weg oder bei zeit­ veränderlichen elektrischen Größen in Bewegungen. Die Funktion piezokeramischer Aktoren beruht auf der Tatsache, daß Deformationen im Mikrometerbereich erzeugt werden können, wobei dieses Verhalten entsprechende Anwendungsmöglichkeiten derartiger Wandler als Antriebe für z. B. hydraulische und pneumatische Ventile, aber auch Positioniersysteme und Mikro­ manipulatoren eröffnet.

Unter Piezoelektrizität wird die Eigenschaft von Kristallen verstanden, bei mechanischer Deformation infolge von Druck oder Zug elektrische Ladungen freizusetzen.

Bei der Umkehrung dieses Vorgangs wird durch elektrische Felder eine mechanische Deformation erzeugt, d. h. ein inverser Piezo­ effekt tritt auf. Keramiken, die einen Piezoeffekt zeigen, gehören zur Gruppe der Ferroelektrika, wobei konkret beim Stand der Technik Bleizirkonat-Titan-Basissysteme verwendet werden, d. h. Mischkristalle aus Bleizirkonat und Bleititanat Anwendung finden.

Piezokeramische Bauelemente sind demnach polykristalline Gebilde, die aus einer Vielzahl von Kristalliten aufgebaut sind, die wiederum aus einer Vielzahl von Elementarzellen bestehen.

Unmittelbar nach dem Sinterprozeß keramischer Körper zeigen die Domainen, d. h. Bereiche mit Kristalliten einheitlicher Dipol­ richtung eine willkürliche Orientierung mit statistischer Verteilung, so daß der so gegebene Körper isotrop ist und in diesem Zustand kein piezoelektrischer Effekt auftritt.

Um die piezoelektrischen Eigenschaften hervorzurufen, muß eine Polarisation durchgeführt werden. Hierfür wird auf den Einfluß eines elektrischen Gleichfelds zurückgegriffen, indem die elektrischen Dipole in Feldrichtung ausgerichtet werden. Diese Orientierung bleibt auch nach dem Abschalten des elektrischen Gleichfelds zum großen Teil erhalten, d. h. es tritt remanente Polarisation ein.

Eine Depolarisation kann aufgrund thermischer Einflüsse ein­ treten. Aus diesem Grund soll die Betriebstemperatur bei Anwendungsfällen die Hälfte der angegebenen Curietemperatur nicht überschreiten. Auch ist eine Depolarisation möglich, wenn eine elektrische Ansteuerung gegen die ursprüngliche Polarisa­ tionsrichtung vorgenommen wird. Eine mechanische Polarisation tritt dann ein, wenn eine hohe Druckbelastung, insbesondere bei kurzgeschlossenen Elektroden gegeben ist.

Monolithische piezokeramische Vielschichtaktoren finden Anwen­ dung z. B. bei der Justierung von Lichtleitfasern, aber auch für Präzisionsverstelleinrichtungen. Bei solchen Aktoren wird von einer Stapelanordnung ausgegangen, die Keramik und parallel verlaufende Elektrodenschichten umfaßt.

Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die Elektrodenschichten bis zum Rand der später geschnittenen Keramik, d. h. zum stabförmigen Aktor reichen, die Gefahr besteht, daß im Laufe der Einsatzzeit Wasserdampfmoleküle eindiffundieren oder eindringen, so daß die Funktion des Aktors nachteilig beeinflußt wird.

Insbesondere sinkt der ohmsche Widerstand und es verschlechtert sich damit das elektrische, aber auch das elastische Verhalten des Aktors bis hin zum Totalausfall.

Bisher im Stand der Technik aufgebrachte Schutzbeschichtungen zum Abdecken der Aktor-Seitenflächen, z. B. in Form von Harz oder dergleichen Materialien, erwiesen sich nicht ausreichend langzeitstabil und brachten nicht die gewünschten Effekte, insbesondere bezüglich der Wasserdampfdurchlässigkeit.

Eine Methodik gemäß Produktbroschüre CeramTec AG "Piezoelektrische Bauteile", den Randbereich schützen, besteht darin, die Elektroden nicht bis zu den Seitenflächen zu führen, sondern in einem gewissen Abstand vom Rand enden zu lassen. Bei einem solchen Verfahren kann jedoch die im Randbereich verbliebene Keramik den Deformationen des aktiven Teiles des Aktors im Betriebsfall nicht oder nur unzureichend folgen, woraus Mikrorisse resultieren, die wiederum Kapillare für das Eindringen von Feuchtigkeit oder sonstigen Verunreinigungen bilden, was ebenfalls nachteilig ist.

Bei der bekannten Verfahrensweise, einen nicht metallisierten Randbereich am Aktor dadurch zu erzeugen, daß die Elektroden auf der Grünfolie mit Isolationsbereichen gedruckt und diese Lagen genau übereinander gestapelt werden, besteht der Nachteil, daß ein unregelmäßiger, von der Druck- und Stapelgenauigkeit abhängiger Randbereich entsteht, der neben der möglichen Rißbildung eine erhebliche Breite der Randzone aufweist, die sich einer Streufeldpolarisation widersetzt und somit mechanischen Zugspannungen ausgesetzt ist.

Aus der DE 196 15 695 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktors in monolithischer Vielschichtbauweise bekannt, bei dem auf die Grünfolien Elektrodenschichten aus einer silber- und palladiumhaltigen Paste aufgebracht werden. Nach einem entsprechenden Stapeln der so vorbereiteten Grünfolien und Laminieren, bildet sich im Stapel eine alternierende Abfolge von Folien- und Elektrodenschichten aus.

Zum Feuchteschutz eines Piezoaktors in Stapelanordnung wird gemäß JP 4-239783 A vorgeschlagen einen dünnen metallischen Film bevorzugt aus Aluminium aufzubringen. Die JP 2-94680 A hingegen offenbart eine Schutzbeschichtung eines Piezoaktors aus einem harzähnlichen Material.

Insgesamt muß festgestellt werden, daß bei Vielschichtaktoren keine zufriedenstellende, langzeitstabile Schutzschicht gefunden wurde, so daß herstellerseitig im Regelfall darauf aufmerksam gemacht wird, daß Luftfeuchtigkeiten über 70% rH und der Einfluß von Feuchtigkeit generell zu vermeiden sind.

Aus dem Vorstehenden ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren sowie derartige Aktoren anzugeben, welche über eine basismaterialverträgliche Schutzschicht verfügen und die aufgrund der zu schaffenden Schutzschicht auch für den Einsatz in feuchter Umgebung bzw. in Räumen hoher Luftfeuch­ tigkeit geeignet sind.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Ver­ fahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Viel­ schichtaktoren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor nach der Lehre des Patentanspruchs 6, wobei die Unteransprüche mindestens zweck­ mäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht demnach darin, eine noch nicht endgültig separierte, aber ansonsten bereits als Block­ anordnung vorliegende keramische Platte vollständig mit sogenannter grüner Keramikfolie mittels Pressens zu umwickeln. Das so umwickelte Produkt wird dann in keramiktechnologie­ typischer Weise weiterbehandelt und letztendlich gesintert.

Es verbleibt demnach eine sehr dünne keramische Schicht insbe­ sondere in den Randbereichen, die ein Eindringen von Molekülen oder Verunreinigungen aufgrund der außerordentlich geringen Porosität nach dem Sinterschritt sicher verhindert.

Die dünne Schicht liegt im wesentlichen im Bereich von 20 µm bis 100 µm, bevorzugt im Bereich von 40 µm bis 50 µm.

Die aufgebrachte dünne Schicht läßt sich ebenso polarisieren wie die übrige Keramik, d. h. das Keramik-Basismaterial und die Schicht folgen im späteren Betrieb den Schwingungsbewegungen des Aktors, d. h. es kommt nicht zu unerwünschten Mikrorissen.

Das Umhüllen, Vereinzeln und Sintern erfolgt in einer techno­ logisch angepaßten zweckmäßigen Folge, die sich in die vorhan­ dene Keramiktechnologie einfügt und keine Fremdmaterialien erfordert, die zu einer Kontamination führen können.

Bei dem Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokera­ mischer Vielschichtaktoren werden zunächst oxidische Rohstoffe in einem Pulverpräparationsprozeß aufbereitet, das konditio­ nierte Pulver plastifiziert und mindestens einem Formgebungs­ schritt zur Bildung einer Elektroden umfassenden Vielschicht- Stapelanordnung unterworfen. Wie bereits oben kurz umrissen, wird die vorgefertigte Vielschicht-Stapelanordnung von einer grünen Keramikfolie umhüllt, wobei im Anschluß an den Umhül­ lungsschritt ein an sich bekanntes Sintern zur Bildung des polykristallinen keramischen Gefüges erfolgt.

Für das Umhüllen wird die grüne Keramikfolie auf ein flexibles Hilfsträgermaterial, z. B. Kunststoff-Folie verbracht, an­ schließend werden die vorgefertigten Stapelanordnungen auf die Keramikfolie gelegt. Danach wird eine weitere Keramikfolie, die Stapelanordnung abdeckend, aufgelegt sowie ein Umschlagen der flächenmäßig überstehenden Hilfsfolie sowie ein Verbinden dieser an den offenen Rändern, z. B. durch Verschweißen unter Vakuum vorgenommen.

Das so erhaltene Paket wird einer isostatischen Druckbehandlung zum Anpressen der Keramikfolie an die Stapelanordnung ausge­ setzt. Die isostatische Druckbehandlung kann eine Behandlung in einem Wasserbad sein. Das Anpressen erfolgt geometrieunabhängig durch die sich an die Form der Stapel oder Platten anpassende Hilfsträgerfolie in Verbindung mit der hochflexiblen, dünnen keramischen grünen Folie.

Die so umhüllten Platten oder Stapel können dann nach Auftren­ nen der Hilfsfolie entnommen und einer weiteren Verarbeitung, insbesondere dem Trennen sowie Sintern mit nachfolgendem mechanischen Hartbearbeiten, Metallisieren und dem Polarisieren zugeführt werden.

Das fertige Bauelement mit entsprechender Außenkontaktierung ist dann sehr universell einsetzbar, d. h. es kann sowohl im Hochvakuum, bei Hoch- als auch bei Tieftemperaturen Anwendung finden. Da die Umhüllung selbst aus Keramik besteht, treten keine Dämpfe aus, wie dies z. B. bei Harzumhüllungen oder sonstigen Beschichtungen, z. B. aus Silikon der Fall ist.

Die keramische Umhüllung, die sich beim Sintern einstellt, ist äußerst dauerhaft und wasserdampfundurchlässig.

Erfolgreiche Tests wurden bis zu einer Luftfeuchtigkeit von 95% rH durchgeführt. Die dünne Schicht wird beim Sintern nahezu durchsichtig und ist optisch nicht auffallend. Bezüglich der minimalen Schichtdicke gilt es zu berücksichtigen, daß die Keramik eine gewisse Restporosität besitzt und daß beim Sintern ein Schrumpfprozeß um etwa 15% bis 20% eintritt.

Nach der elektrischen Außenkontakierung wird zum Erzeugen einer remanenten Polarisation ein elektrisches Gleichfeld angelegt, um hierdurch sowohl die Basiskeramik als auch die Umhüllungs­ schicht zu polen.

Der erfindungsgemäße monolithische piezokeramische Viel­ schichtaktor weist Außenelektroden auf, welche jeweils in elektrischem Kontakt zu in der Stapelanordnung des Aktors eingebetteten inneren Elektrodenflächen stehen. Diese Elektrodenflächen verlaufen im wesentlichen parallel nach Art einer Kammstruktur.

Mindestens die außenelektrodenfreien Flächen des Aktors sind mit einer keramischen Beschichtung umhüllt, welche aus einer im wesentlichen gleichen Werkstoffzusammensetzung wie das Keramik- Basismaterial besteht.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren Elektrodenflächen bis zur keramischen Beschichtung sich ertreckend ausgeführt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Zuhilfenahme eines Flußdiagramms sowie durch eine Figur näher erläutert werden.

Bei dem Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokerami­ scher Vielschichtaktoren wird zunächst ein Aufbereiten oxi­ discher Rohstoffe vorgenommen und ein Formgebungsschritt realisiert.

Im einzelnen wird nach dem Bereitstellen des Keramikwerkstoffs eine Schlickeraufbereitung und ein Foliengießschritt reali­ siert. Die Folien werden im Siebdruck zum Erhalt der später eingebetteten inneren Elektroden versehen. Die siebgedruckten Folien werden dann zu Platten beispielsweise in den Abmessungen von ca. 122 mm × 122 mm × 3 mm gestapelt.

Nach einem Vereinzeln der Platten zu Streifen, wobei die Streifen Abmessungen von im wesentlichen 112 mm × 6 mm × 3 mm aufweisen, werden die einzelnen Streifen zu sogenannten Riegeln gestapelt, wobei an der oberen und unteren Seite je ein unme­ tallisierter Deckstreifen zu liegen kommt. Nach dem Stapeln der Streifen liegt ein Riegelblock mit den Abmessungen von im wesentlichen 112 mm × 6 mm × 22 mm vor.

In einem nächsten Schritt wird ein Verpressen der Riegel zu kompakten Körpern, bevorzugt durch Pressen vorgenommen, wobei sich an diesen Verpreßschritt das Aufpressen der Umhüllungs­ schicht anschließt.

Die Riegel werden dann zu sogenannten Stacks, z. B. durch Cuttern, vereinzelt. Die Stacks weisen Abmessungen von 6 mm × 6 mm × 22 mm bei einem bevorzugten Beispiel auf.

Die Stacks werden in einem nächsten Schritt einer thermischen Behandlung zum Austreiben oder Ausheizen organischer Inhalts­ stoffe unterworfen, wobei dieser Prozeßschritt bei Temperaturen von mehreren 100°C geführt wird. Nach dem Austreiben uner­ wünschter organischer Inhaltsstoffe erfolgt das gemeinsame Sintern bei Temperaturen im Bereich ≦ 1200°C.

Die Maximaltemperatur beim Sintern hängt im wesentlichen von der Temperaturbeständigkeit der im Siebdruck aufgebrachten Masse für die inneren Elektrodenflächen ab.

Nach dem Sintern erfolgt in an sich bekannter Weise eine Kontaktierung, die Polarisation unter Einfluß eines elektri­ schen Gleichfelds zum Ausrichten der elektrischen Dipole in Feldrichtung sowie ein z. B. 24-Stunden Qualitätstest, der auch die Messung des Leckstroms, der Kapazität, die Bestimmung des Verlustfaktors sowie der Dehnung umfaßt.

Die Figur gemäß Ausführungsbeispiel zeigt eine Draufsicht eines monolithischen piezokeramischen Vielschichtaktors sowie Schnitte längs der Linie A-A und B-B.

Der Vielschichtaktor gemäß Figur besteht aus einer gestapelten Keramikanordnung 1 mit kammartig verzahnten inneren Elek­ troden 2.

Die versetzt ineinander greifenden Elektroden 2 verlaufen im wesentlichen parallel und sind an jeweils einer Seite in elektrischem Kontakt zu einer flächigen Außenelektrode 3 stehend. An den Außenelektroden 3 ist jeweils ein Anschluß­ leiter 4 befestigbar bzw. vorgesehen.

Wie aus dem Schnitt B-B zu erkennen, sind die inneren Elek­ troden 2 bis zum Randbereich der gestapelten Anordnung 1 geführt, so daß eine entsprechende remanente Polarisation über den gesamten Aktorquerschnitt insbesondere durch das elek­ trische Streufeld auch im elektrodenfreien Randbereich erfolgt und eine über den Aktorquerschnitt gleichmäßige Deformation gesichert ist.

Die als grüne Folie durch isostatisches Pressen aufgebrachte umhüllende Beschichtung 5 schließt die außenelektrodenfreien Flächen des Aktors respektive der gestapelten Keramikanordnung 1 ab, wobei die geringe, nach dem Sintern relevante Schicht­ dicke einerseits ein unerwünschtes Eindringen von Wasserdampf oder dergleichen Molekülen verhindert, andererseits aber auch die Deformation des Aktors selbst nicht nachteilig beein­ trächtigt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktoren, wobei zunächst oxidische Rohstoffe in einem Pulverpräparationsprozeß aufbereitet, das konditionierte Pulver plastifiziert und mindestens einem Formgebungsschritt zur Bildung einer Elektroden umfassenden Vielschicht-Stapelan­ ordnung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielschicht-Stapelanordnung von einer grünen Keramikfolie umhüllt wird, wobei im Anschluß an den Umhüllungsschritt ein an sich bekanntes Vereinzeln und Sintern, letzteres zur Bildung des polykristallinen keramischen Gefüges erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung und/oder Umhüllung mittels Pressen ausgeführt wird, wobei die Keramikfolie eine Schichtdicke im Bereich von im wesentlichen 20 µm bis 100 µm, bevorzugt 40 µm bis 50 µm auf­ weist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umhüllen die Keramikfolie auf ein flexibles Hilfsträger­ material verbracht, anschließend der oder die vorgefertigten Stapelanordnungen auf die Keramikfolie gelegt, danach eine weitere Keramikfolie die Stapelanordnung abdeckend aufgelegt wird sowie ein Umschlagen der flächenmäßig überstehenden Hilfsfolie des Hilfsträgers sowie verbindend diese an den offenen Rändern erfolgt und das so erhaltene Paket einer Druckbehandlung zum Anpressen der Keramikfolie an die Stapelanordnung ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperaturen im Bereich von im wesentlichen 1000°C bis ≦ 1200°C liegen.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach elektrischer Außenkontaktierung eine elektrische Polari­ sationsspannung zum Erzeugen einer remanenten Polarisation sowohl zwischen den Elektroden als auch im umhüllungsbedingten dünnen Randbereich durch das Streufeld angelegt wird.

6. Monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor mit gegenüberliegenden Außenelektroden, welche jeweils in elektrischem Kontakt zu in der Stapelanordnung des Aktors eingebetteten inneren, kammartig strukturierten Elektroden­ flächen stehen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die außenelektrodenfreien Flächen des Aktors mit einer keramischen Beschichtung umhüllt sind, welche aus einer im wesentlichen gleichen Werkstoffzusammensetzung wie das Keramik-Basismaterial besteht.

7. Monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Elektrodenflächen bis zur keramischen Beschichtung sich erstreckend ausgeführt sind.