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Die
Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Bauteil mit Außenkontaktierung,
die eine Gasphasen-Abscheidung aufweist. Daneben werden ein Verfahren
zum Herstellen des Bauteils und eine Verwendung des Bauteils vorgestellt.
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Piezoelektrische
Bauteile werden beispielsweise in der Automobiltechnik zur Ansteuerung
von Kraftstoffeinspritzventilen verwendet. Kern dieser Bauteile
ist ein Piezoelement, bei dem eine Elektrodenschicht und eine weitere
Elektrodenschicht übereinander
angeordnet sind. Zwischen den Elektrodenschichten befindet sich
eine Piezoelektrische Schicht. Die Piezoelektrische Schicht besteht
beispielsweise aus einer Piezokeramik wie Blei-Zirkonat-Titanat
(PZT). Durch eine Ansteuerung der Elektrodenschichten mit unterschiedlichen
elektrischen Potentialen wird ein elektrisches Feld in die Piezoelektrische
Schicht eingekoppelt. Aufgrund des eingekoppelten elektrischen Feldes
kommt es zu einer Auslenkung (Expansion beziehungsweise Kontraktion)
der piezoelektrischen Schicht und damit des Piezoelements.
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Um
eine möglicht
große
Auslenkung bei gleichzeitig möglichst
hoher Kraftübertragung
zu erzielen, sind die piezoelektrischen Bauteile in Vielschichtbauweise
ausgestaltet. Dabei ist eine Vielzahl von Piezoelementen übereinander
zu einem Piezoelement-Stapel angeordnet. Im Piezoelement-Stapel sind
abwechselnd Elektrodenschichten (Innenelektroden) und Piezoelektrische
Schichten übereinander angeordnet.
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Üblicherweise
ist zur Kontaktierung der Elektrodenschichten eine sogenannte Mehrlagenkondensator-Struktur
realisiert. Dabei sind die Elektrodenschichten abwechselnd an unterschiedliche
Seitenflächen
des Piezoelements und damit an unterschiedliche Seitenflächen des
Piezoelement-Stapels geführt
und dort elektrisch kontaktiert. Insbesondere im Fall von monolithischen
Piezoelement-Stapeln ist dabei problematisch, dass die Elektrodenschichten die
dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht nicht vollflächig begrenzen.
Die nicht vollflächige
Anordnung führt
zu piezoelektrisch aktiven und piezoelektrisch inaktiven Bereichen.
In diese Bereiche werden unterschiedliche elektrische Felder eingekoppelt.
Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder kommt es zu unterschiedlichen
Auslenkungen und damit zu mechanischen Spannungen. Diese mechanischen
Spannungen führen
in der Regel zu Rissen. Die Risse können an sich toleriert werden.
Sie führen
aber zu einem erheblichen Aufwand hinsichtlich einer an die Seitenfläche des
Piezoelement-Stapels angebrachten Außenelektrode zur elektrischen
Kontaktierung der Elektrodenschichten.
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Eine
dazu alternative Variante stellt der so genannte vollaktive Piezoaktor
dar. Bei diesem Piezoaktor begrenzen die Elektrodenschichten und
die weiteren Elektrodenschichten die dazwischen angeordneten piezoelektrischen
Schichten vollflächig.
Dadurch wird in die gesamte piezoelektrische Schicht ein im Wesentlichen
gleiches elektrisches Feld eingekoppelt. Dies führt dazu, dass mechanische
Spannungen und in Folge davon Risse kaum auftreten. Allerdings ist
es dafür
erforderlich, dass die Elektrodenschichten elektrisch individuell
ansteuerbar sind. Es muss dafür
gesorgt werden, dass die Elektrodenschichten unabhängig voneinander
mit den entsprechenden elektrischen Potentialen beaufschlagt werden
können.
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Es
wurde bereits vorgeschlagen, zur elektrischen Kontaktierung der
bis an die Seitenfläche
des Piezoelement-Stapels Elektrodenschichten zunächst eine Isolationsschicht
aufzutragen. Nachfolgend wird die Isolationsschicht selektiv geöffnet. Durch
die Öffnungen
hindurch wird eine Außenkontaktierung
mit metallischen Partikeln angebracht, die einen Partikeldurchmesser
von 5 μm
bis 20 μm
aufweisen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie die Elektrodenschichten
eines Piezoelements eines piezoelektrischen Bauteils elektrisch
unabhängig
voneinander und mit einer hohen Stromtragfähigkeit kontaktiert werden
können.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein piezoelektrisches Bauteil mit mindestens einem
stapelförmigen Piezoelement,
das in Stapelrichtung mindestens eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial,
mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit weiterem Elektrodenmaterial
und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete
piezoelektrische Schicht mit piezoelektrischem Material aufweist angegeben,
wobei sich die Elektrodenschicht bis an mindestens einen seitlichen
Oberflächenabschnitt des
Piezoelements erstreckt, auf den seitlichen Oberflächenabschnitt
eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, zur elektrischen
Kontaktierung der Elektrodenschicht in der Isolationsschicht mindestens
eine elektrische Durchkontaktierung vorhanden ist und die elektrische
Durchkontaktierung mindestens eine direkt auf die Elektrodenschicht
aufgebrachte elektrisch leitende Gasphasenabscheidungsschicht aufweist.
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Vorzugsweise
ist auch die weitere Elektrodenschicht bis an eine Seitenfläche des
Piezoelements geführt.
Die weitere Elektrodenschicht erstreckt sich bis an mindestens einen
weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt
des Piezoelements, wobei auf den weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt eine
weitere elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, zur elektrischen
Kontaktierung der weiteren Elektrodenschicht in der weiteren Isolationsschicht
mindestens eine weitere elektrische Durchkontaktierung vorhanden
ist und die weitere elektrische Durchkontaktierung mindestens eine
weitere, direkt auf die Elektrodenschicht aufgebrachte elektrisch
leitende Gasphasenabscheidungsschicht aufweist.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen
Bauteils mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:
- a) Bereitstellen mindestens eines stapelförmigen Piezoelements mit einer
Elektrodenschicht, mindestens einer weiteren Elektrodenschicht und mindestens
einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht,
wobei sich die Elektrodenschicht bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt
des Piezoelements erstreckt,
- b) Aufbringen mindestens einer elektrischen Isolationsschicht
am Oberflächenabschnitt
derart, dass die Elektrodenschicht frei zugänglich ist,
- c) Aufbringen einer elektrischen Durchkontaktierung mit mindestens
einer Gasphasenabscheidungsschicht auf der Elektrodenschicht mittels
eines Gasphasenabscheide-Verfahrens und
- d) Aufbringen einer Außenelektrode,
so dass die Außenelektrode
und die Elektrodenschicht mittelbar über die Durchkontaktierung
elektrisch kontaktiert und die Außenelektrode und die weitere Elektrodenschicht
elektrisch voneinander isoliert sind.
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Vorzugsweise
wird ein Piezoelement bereitgestellt, das mindestens eine weitere
Elektrodenschicht aufweist, die sich an einen weiteren Oberflächenabschnitt
des Piezoelements erstreckt. Es werden folgende weitere Verfahrensschritten
durchgeführt:
- b')
Aufbringen mindestens einer weiteren elektrischen Isolationsschicht
am weiteren Oberflächenabschnitt
derart, dass die weitere Elektrodenschicht frei zugänglich ist,
- c') Aufbringen
einer weiteren elektrischen Durchkontaktierung mit mindestens einer
weiteren Gasphasenabscheidungsschicht auf der weiteren Elektrodenschicht
mittels eines weiteren Gasphasenabscheide-Verfahrens und
- d') Aufbringen
einer weiteren Außenelektrode,
so dass die weitere Außenelektrode
und die weitere Elektrodenschicht mittelbar über die weitere Durchkontaktierung
elektrisch kontaktiert und die weitere Außenelektrode und die Elektrodenschicht
elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die
Gasphasenabscheidungsschicht ist metallisch. Mögliche Gasphasenabscheide-Verfahren zum
Herstellen der Gasphasenabscheidungsschicht sind PVD (physical vapour
deposition), also beispielsweise Sputtern oder Aufdampfen, oder MOCVD
(metal organic chemical vapour deposition).
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Die
Kontaktfläche
zwischen einer Außenkontaktierung
und der Elektrodenschicht ist relativ klein, da eine Elektrodenschicht
in der Regel nur eine Schichtdicke von 2 μm bis 4 μm aufweist. Im Gegensatz dazu
sind die metallischen Partikel der Außenkontaktierung mit 5 μm bis 20 μm relativ
groß,
sodass es in der Regel lediglich zu punktuellen Berührungen zwischen
der Außenkontaktierung
und der Elektrodenschicht kommt. Mit Hilfe der metallischen Gasphasenabscheidungsschicht
wird dafür
gesorgt, dass die freiliegenden Elektrodenschichten vollflächig kontaktiert
werden. Somit wird die Kontaktfläche
zwischen den sehr kleinen Metallpartikeln der Außenkontaktierung und der Elektrodenschichten
des Piezoelements vergrößert.
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Die
Isolationsschicht kann aus einem beliebigen Isolationswerkstoff
bestehen, beispielsweise Glas, Keramik und Kunststoff. Die Isolationsschicht kann
bereits vorstrukturiert aufgebracht werden. Beispielsweise ist die
Isolationsschicht eine strukturierte Folie. Ebenso kann eine Isolationsfolie
unstrukturiert auflaminiert und nachfolgend strukturiert werden.
Es werden Öffnungen
in der Isolationsfolie erzeugt. Das öffnen gelingt beispielsweise
durch Laserablation. Denkbar ist auch, dass eine photoempfindliche
Isolationsfolie verwendet wird. Die photoempfindliche Isolationsfolie
wird derart photo-strukturiert, dass die Elektrodenschichten an
den jeweiligen Oberflächenabschnitten
freigelegt werden. Die Isolationsschicht kann aber auch strukturiert
aufgebracht werden. Die gelingt beispielsweise mit Hilfe des Ink-Jet-Verfahrens.
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Vorzugsweise
sind am Oberflächenabschnitt eine
Außenelektrode
mit Kontaktierungsmaterial mittelbar über die Gasphasenabscheidungsschicht
mit der Elektrodenschicht und/oder am weiteren Oberflächenabschnitt
eine weitere Außenelektrode
mit weiterem Kontaktierungsmaterial mittelbar über die weitere Durchkontaktierung
mit der weiteren Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden
sind. Über
die Außenkontaktierungen
erfolgt die Spannungsversorgung der Elektrodenschichten.
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Das
piezoelektrische Bauteil kann ein einziges, oben beschriebenes Piezoelement
aufweisen. Vorzugsweise verfügt
das piezoelektrische Bauteil über
eine Mehrzahl von übereinander
gestapelten Piezoelementen auf. Das piezoelektrische Bauteil weist
eine Vielschichtbauweise mit übereinander
angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten.
Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung wird daher ein piezoelektrisches Bauteil
angegeben, wobei eine Mehrzahl von Piezoelementen übereinander
zu einem Piezoelement-Stapel derart angeordnet ist, dass die Oberflächenabschnitte
der Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt
bilden, die Isolationsschichten der Piezoelemente eine gemeinsame
Stapel-Isolationsschicht bilden, die Außenelektroden der Piezoelemente
eine gemeinsame Stapel-Außenelektrode (Sammel-Außenelektrode)
bilden, die derart auf der gemeinsamen Stapel-Isolationsschicht
aufgebracht ist, dass die gemeinsame Stapel-Außenelektrode und die Elektrodenschichten
der Piezoelemente mittelbar über
die Durchkontaktierungen der Piezoelemente elektrisch kontaktiert
und die gemeinsame Stapel-Außenelektrode
und die weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente elektrisch
voneinander isoliert sind.
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Vorzugsweise
wird die Mehrzahl von Piezoelementen derart zu dem Piezoelement-Stapel
angeordnet, dass die weiteren Oberflächenabschnitte der Piezoelemente
einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt bilden, die weiteren
Isolationsschichten der Piezoelemente eine gemeinsame weitere Stapel-Isolationsschicht
bilden, die weitere Außenelektroden
der Piezoelemente eine gemeinsame weitere Stapel-Außenelektrode
(Sammel-Außenelektrode)
bilden, die derart auf der gemeinsamen weiteren Stapel-Isolationsschicht
aufgebracht ist, dass die gemeinsame weitere Stapel-Außenelektrode
und die weitere Elektrodenschichten der Piezoelemente mittelbar über die
weitere Durchkontaktierungen der Piezoelemente elektrisch kontaktiert
und die gemeinsame weitere Stapel-Außenelektrode und die Elektrodenschichten
der Piezoelemente elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die
Gasphasenabscheidungsschicht und/oder die weitere Gasphasenabscheidungsschicht
weisen eine aus dem Bereich von 10 nm bis 5 μm und insbesondere eine aus
dem Bereich von 50 nm bis 2 μm
ausgewählte
Schichtdicke auf. Höhere oder
niedrigere Schichtdicken können
auch vorgesehen sein.
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Die
Gasphasenabscheidungsschichten können
jeweils eine einzige Schicht aus einer Metallabscheidung aufweisen.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Gasphasenabscheidungsschicht und/oder
die weitere Gasphasenabscheidungsschicht einen Mehrschichtaufbau
mit mehreren Teil-Gasphasenabscheidungsschichten auf. Beispielsweise
besteht die unterste Teil-Kontaktierungsschicht, die direkt auf
einem Oberflächenabschnitt aufgebracht
wird, aus einer gut haftenden Schicht aus Titan, aus Chrom oder
aus einer Chrom-Nickel-Legierung. Darüber wird eine Schicht zur Verbesserung
der elektrischen Leitfähigkeit
abgeschieden. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit kann die Durchkontaktierung
darüber
hinaus galvanisch verstärkt
sein. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher die Durchkontaktierung
eine auf der Gasphasenabscheidungsschicht aufgebrachte galvanische Verstärkung auf.
Die galvanische Verstärkung
ist beispielsweise eine elektrolytisch abgeschiedene Kupferschicht.
Eine Schichtdicke dieser Schicht beträgt mehrere μm, beispielsweise 10 μm und mehr.
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Die
genannten Metalle können
darüber
hinaus auch in den weiteren, elektrisch leitfähigen Komponenten des piezoelektrischen
Bauteils vorhanden sein. Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung weisen das Elektrodenmaterial, das weitere
Elektrodenmaterial, die Gasphasenabscheidung, die weitere Gasphasenabscheidung,
das Kontaktierungsmaterial und/oder das weitere Kontaktierungsmaterial
mindestens ein aus der Gruppe Chrom, Gold, Kupfer, Nickel, Palladium,
Platin, Titan und Silber ausgewähltes
Metall auf. Die genannten Metalle können einzeln oder zusammen
mit anderen Metallen als Legierung vorliegen.
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Mit
der vorgeschlagenen Einzelkontaktierung der Elektrodenschichten
und der weiteren Elektrodenschichten kann eine Mehrschichtkondensatorstruktur
realisiert sein: Die Elektrodenschichten und weiteren Elektrodenschichten
begrenzen die piezoelektrische Schicht nicht vollflächig. Vorzugsweise aber
begrenzen die Elektrodenschicht und die weitere Elektrodenschicht
die piezoelektrische Schicht vollflächig. Das piezoelektrische
Bauteil ist voll aktiv.
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Wegen
der Expansion und Kontraktion sind gemäß einer besonderen Ausgestaltung
die Isolationsschicht, die weitere Isolationsschicht, die Außenelektrode
und/oder die weitere Außenelektrode dehnbar
ausgestaltet. Dies bedeutet, dass die diese Bestandteile der Expansion
und Kontraktion des Piezoelements und damit des Piezoelement-Stapels
folgen können.
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Eine
dehnbare Ausgestaltung betrifft beispielsweise die verwendeten Materialien.
Als Isolationsmaterial eignet sich insbesondere ein Elastomer, beispielsweise
ein Silikon-Elastomer. Ähnliches
gilt für
die Außenelektroden.
In einer besonderen Ausgestaltung weisen daher die Außenelektrode
und/oder die weitere Außenelektrode
einen elektrischen Leitklebstoff auf. Bevorzugt weist der Leitklebstoff
ein Silikon-Elastomer auf. Denkbar ist aber auch, dass die Außenelektrode
ein flexibles Metallgeflecht aufeist.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung weisen die Isolationsschicht, die weitere
Isolationsschicht, die Außenelektrode
und/oder die weitere Außenelektrode
mindestens eine Längsstrukturierung und/oder
eine Querstrukturierung bezüglich
der Stapelrichtung auf. Diese Bestandteile sind längs oder quer
zur Stapelrichtung des Piezoelements bzw. zur Stapelrichtung des
Piezoelement-Stapels strukturiert. Die Strukturierungen sind derart
ausgestaltet, dass die aufgrund der Expansion und Kontraktion im Piezoelement
bzw. im Piezoelement-Stapel auftretenden mechanischen Zugspannungen
in den oben genannte Bestandteilen in Scherspannungen umgewandelt
werden. Eine Querstrukturierung führt zudem zu einer effizienten
mechanischen Entkopplung von der Expansion und Kontraktion des Piezoelements
bzw. des Piezoelement-Stapels. Eine Zugbelastung der Bestandteile
ist reduziert.
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Auch
die Form der Durchkontaktierung kann zum Abbau von Zugspannungen
genutzt werden. Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung weisen die Durchkontaktierung und/oder
die weitere Durchkontaktierung einen trapezförmigen Querschnitt auf. Die durch
die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten auftretenden
Dehnungen werden nicht in reine Zugspannungen, sonder überwiegend
in Biegespannungen innerhalb der Gasphasenabscheidungsschicht transformiert.
Biegespannungen, insbesondere unter Dauerschwingbelastungen, wie
sie bei piezoelektrischen Bauteilen auftreten können, sind für die meistens
metallischen Materialien der Gasphasenabscheidungsschicht leichter
zu ertragen als reine Zugspannungen. Damit wird die Zuverlässigkeit
der Gasphasenabscheidungsschicht und damit die der gesamten Kontaktierung
der Elektrodenschichten erhöht.
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Die
Gasphasenabscheidungsschichten können
auf die jeweils zu kontaktierende Elektrodenschicht beschränkt sein.
Dazu wird die Gasphasenabscheidung nur in der Öffnung der Isolationsschicht bzw.
der weiteren Isolationsschicht erzeugt. Dies gelingt dadurch, dass
die Bereiche abgedeckt werden, auf die keine Gasphasenabscheidung
aufgebracht werden soll. Eine Abdeckung beim Aufragen der weiteren
Bestandteile, z. B. der Isolationsschicht kann ebenfalles sinnvoll
sein. Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung wird daher zum Aufbringen der Isolationsschicht,
der weiteren Isolationsschicht, der Durchkontaktierung, der weiteren
Durchkontaktierung, der Außenelektrode
und/oder der weiteren Außenelektrode
eine Maske verwendet. Im Zusammenhang mit den Gasphasenabscheidungsschichten kann
die Maske derart ausgestaltet sein, dass die Gasphasenabscheidungen
lediglich in den Öffnungen
der Isolationsschicht entstehen. Denkbar ist aber insbesondere auch,
dass die Gasphasenabscheidungen auch auf der Isolationsschicht erzeugt
werden. Es resultiert ein piezoelektrisches Bauteil, bei dem sich
die Gasphasenabscheidungsschicht auf die Isolationsschicht und/oder
die weitere Durchkontaktierung auf die weitere Isolationsschicht
erstrecken.
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Zusammenfassend
ergeben sich mit der Erfindung folgende besonderen Vorteile:
- – Mit
Hilfe der strukturierten Isolationsschicht und der strukturierten
Außenelektrode
ist es möglich, ein
voll aktives piezoelektrisches Bauteil bereitzustellen, bei dem
die Elektrodenschichten der Piezoelemente einzeln kontaktiert werden.
- – Durch
die Verwendung der Isolationsschichten, der Gasphasenabscheidungsschicht
und der Außenelektrode
können
die Elektrodenschichten individuell und zuverlässig kontaktiert werden, wobei
gleichzeitig für
eine effiziente elektrische Isolierung zu den benachbarten Elektrodenschichten gesorgt
ist.
- – Aufgrund
der Strukturierung der verwendeten Isolationsschichten resultiert
eine flexible Außenkontaktierung,
die der Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Bauteils
folgen kann. Es resultiert ein Bauteil mit hoher Zuverlässigkeit.
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Anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
und der dazugehörigen
Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch
und stellen keine maßstabsgetreue
Abbildung dar.
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1 zeigt
ein stapelförmiges
Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt.
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2 zeigt
einen Piezoelement-Stapel von der Seite.
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3 zeigt
einen Ausschnitt des Piezoelement-Stapels von der Seite.
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4 zeigt
einen Ausschnitt eines weiteren Piezoelement-Stapels von der Seite.
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Kern
des piezoelektrischen Bauteils 1 ist ein stapelförmiges Piezoelement 10,
das aus einer Elektrodenschicht 12, einer weiteren Elektrodenschicht 13 und
einer in Stapelrichtung 11 zwischen den beiden Elektroden
angeordnete piezoelektrische Schicht 14 aufweist. Das Elektrodenmaterial
der Elektrodenschicht und das weitere Elektrodenmaterial der weiteren
Elektrodenschicht ist jeweils eine Silber-Palladium-Legierung. Das
piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht ist Blei-Zirkonat-Titanat,
also eine Piezokeramik. Das Piezoelement ist monolithisch.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen
liegt jeweils ein piezoelektrisches Bauteil in monolithischer Vielschichtbauweise
vor. Es ist eine Mehrzahl von Piezoelementen in der Stapelrichtung 101 übereinander
zu einem Piezoelement-Stapel 100 angeordnet. Den Abschluss
der Piezoelement-Stapel bildet jeweils eine Deckplatte 110.
Diese Deckplatten bestehen ebenfalls aus Blei-Zirkonat-Titanat.
Allerdings sind die Deckplatten piezoelektrisch inaktiv, da hier kein
elektrisches Feld eingekoppelt wird. Die Piezoelement-Stapel sind
monolithisch. Die monolithischen Piezoelement-Stapel werden dadurch
erzielt, dass keramische Grünfolien
mit Elektrodenmaterial und mit weiterem Elektrodenmaterial bedruckt
und übereinander
gestapelt werden. Es resultiert ein vielschichtiger, piezokeramischer
Grünkörper, der
einer Entbinderung und nachfolgender Sinterung unterzogen wird.
Durch das Sintern entsteht ein monolithischer Piezoelement-Stapel.
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Das
Bedrucken der keramischen Grünfolien erfolgt
derart, dass in den Piezoelementen des Piezoelement-Stapels die
Elektrodenschicht und/oder die weitere Elektrodenschicht die jeweils
angrenzende piezoelektrische Schicht vollflächig begrenzen.
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Die
Elektrodenschicht erstreckt sich bis an einen seitlichen Oberflächenabschnitt 15 des
Piezoelements. Die weitere Elektrodenschicht erstreckt sich bis
an einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt 16 des
Piezoelements. Am Oberflächenabschnitt 15 ist
eine Isolationsschicht 19 und am weiteren Oberflächenabschnitt
eine weitere Isolationsschicht 20 aufgebracht. Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
ist das Isolationsmaterial und das weitere Isolationsmaterial jeweils
ein Silikon-Elastomer. Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist das Isolationsmaterial jeweils ein Glas. In einer dritten Ausführungsform
ist das Isolationsmaterial Blei-Zirkonat-Titanat.
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Die
Isolationsschicht weist am Oberflächenabschnitt über der
Elektrodenschicht eine Öffnung auf.
In der Öffnung
ist die elektrische Durchkontaktierung 17 eingearbeitet,
wobei direkt auf die sich bis zum Oberflächenabschnitt erstreckende
Elektrodenschicht die Gasphasenabscheidungsschicht 170 aufgebracht
ist. Auf der Isolationsschicht und der Gasphasenabscheidungsschicht
ist eine Außenelektrode 21 derart
aufgebracht, dass die Außenelektrode
und die Elektrodenschicht mittelbar über die Durchkontaktierung
elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dagegen sind die
Außenelektrode
und die weitere Elektrodenschicht elektrisch voneinander isoliert.
Die Außenelektrode
besteht gemäß einer
ersten Ausführung
aus eine elektrisch leitfähigem
Silikon-Elastomer. In einer alternativen Ausführungsform ist die Außenelektrode
ein auf die Gasphasenabscheidungsschicht gelötetes Metallgeflecht. Die Durchkontaktierung
weist einen trapezförmigen Querschnitt 25 auf.
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Die
weitere Elektrodenschicht ist bis an einen weiteren seitlichen Oberflächenabschnitt 16 des Piezoelementes
geführt.
Zur elektrischen Kontaktierung bzw. Isolierung sind am weiteren
Oberflächenabschnitt
eine weitere Isolationsschicht 20, eine weitere Durchkontaktierung 18,
eine weiter Gasphasenabscheidungsschicht 180 und eine weiter
Außenelektrode 22 vorhanden.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel sind
die Gasphasenabscheidungsschicht bzw. die weitere Gasphasenabscheidungsschicht
einschichtig (3). Die Gasphasenabscheidungsschichten sind
mittels Sputtern erzeugte Titanschichten mit einer Schichtdicke 171 bzw.
einer weitern Schichtdicke 181 von 1 μm. Alternativ dazu bestehen
die Schichten aus einer Chrom-Nickel-Legierung mit Schichtdicken
von ebenfalls 1 μm.
Alternativ dazu ist die Gasphasenabscheidungsschicht mehrschichtig
(4). Sie besteht aus mehreren Teil-Gasphasenabscheidungsschichten.
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Im
Piezoelement-Stapel 100 sind die Piezoelemente derart übereinander
angeordnet, dass die Oberflächenabschnitte
der Piezoelemente einen gemeinsamen Stapel-Oberflächenabschnitt 102 bilden. Die
Isolationsschichten der Piezoelemente führen zu einer gemeinsamen Stapel-Isolationsschicht 104. Ebenso
sind die Außenelektroden
der Piezoelemente zu einer gemeinsamen Stapel-Außenelektrode 106 zusammengefasst.
Gleiches trifft für
die weiteren Elektrodenschichten zu: Die weiteren Oberflächenabschnitte
der Piezoelemente bilden einen gemeinsamen weiteren Stapel-Oberflächenabschnitt 103, die
weiteren Isolationsschichten der Piezoelemente, eine weitere gemeinsame
Stapel-Isolationsschicht 105 und die weiteren Außenelektroden
der Piezoelemente eine weitere Stapel-Außenelektrode 107.
Zur Spannungsversorgung der Stapel-Außenelektrode ist ein elektrisches
Anschlusselement 108 angebracht. Ein entsprechendes weiteres
elektrisches Anschlusselement 109 ist an die weitere Stapel-Außenelektrode
angebracht. Über
diese Anschlusselemente erfolgt die Spannungsversorgung der Elektrodenschichten
und der weiteren Elektrodenschichten. Auf Grund der Anordnung der
Elektrodenschichten und der weiteren Elektrodenschichten und aufgrund
ihrer elektrischen Kontaktierung bzw. Isolierung können diese
die Elektrodenschichten und die weiteren Elektrodenschichten mit
unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
sind der Oberflächenabschnitt
und der weitere Oberflächenabschnitt
an unterschiedlichen Seiten des Piezoelements angeordnet. Die Kontaktierung
der Elektrodenschichten und die Kontaktierung der weiteren Elektrodenschichten
erfolgt auf unterschiedlichen Seiten des Piezoelements und damit
des Piezoelement-Stapels.
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Alternativ
dazu sind in einer nicht dargestellten Ausführungsform der Oberflächenabschnitt
und der weitere Oberflächenabschnitt
an einer gleichen Seite des Piezoelements angeordnet. Die elektrische Kontaktierung
der Elektrodenschicht und der weiteren Elektrodenschicht erfolgt
von der gleichen Seite des Piezoelements und damit von der gleichen
Seite des Piezoelement-Stapels.
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Zum
Herstellen der Piezoelemente wird wie folgt vorgegangen: Es wird
ein gesinterter Piezoelement-Stapel mit einer entsprechenden Anzahl
von Piezoelementen bereitgestellt. Die Elektrodenschichten und die
weiteren Elektrodenschichten der Piezoelemente begrenzen die jeweiligen
piezoelektrischen Schichten vollflächig.
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Nachfolgend
werden die Isolationsschichten aufgebracht. Dazu wird auf die Stapel-Oberflächenabschnitte
des Piezoelement-Stapels eine Isolationsfolie auflaminiert. Die
Isolationsfolie wird mittel Laserablation an den Oberflächenabschnitten
geöffnet,
an dienen die Elektrodenschichten und die weiteren Elektrodenschichten
kontaktiert werden sollen. Anschließend werden die Gasphasenabscheidungsschichten
mittels Sputtern aufgebracht.
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Zum
Abschluss werden die Außenelektroden auf
den Gasphasenabscheidungsschichten aufgetragen.
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Verwendung
findet das Bauteil zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine.