DE10315425A1

DE10315425A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit einer piezoelektrischen Komponente, nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauelement sowie Sensor oder Aktor mit einem derartigen Bauelement

Info

Publication number: DE10315425A1
Application number: DE10315425A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schönecker; Siegfried Dr. Brüdgam; Knut Schmidt; Anja Naake
Original assignee: Volkswagen AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Volkswagen AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-10-14

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes mit einer piezoelektrischen Komponente, umfassend ein Piezoelement (1) mit mindestens einer Elektrode (2) und eine dieses zumindest teilweise umgebende elektrisch isolierende Umhüllung (4), wobei das Piezoelement (1) zusammen mit der Umhüllung (4) in eine metallische Matrix (5) eingebettet wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein nach einem derartigen Verfahren hergestelltes Bauelement sowie einen Sensor oder Aktor mit einem derartigen Bauelement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit einer piezoelektrischen Komponente, umfassend ein Piezoelement mit mindestens einer Elektrode und eine dieses zumindest teilweise umgebende elektrisch isolierende Umhüllung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bauelement sowie einen Sensor oder Aktor mit einem derartigen Bauelement.
Bauelemente der eingangs genannten Art können sowohl in Sensoren als auch in Aktoren verwendet werden. In der Regel werden aus dem Stand der Technik bekannte Bauelemente als mit Kunststoff umhüllte piezokeramische Folien ausgebildet. Derartige mit Kunststoff umhüllte piezokeramische Folien können nur peripher mit einer metallischen Struktur eines Bauteils verbunden oder in Faseverbundwerkstoffe integriert werden. Als weiterer Nachteil derartiger mit Kunststoff umhüllten piezokeramischen Folien ist der Temperatureinsatzbereich anzusehen, der aufgrund der Kunststoffummantelung beschränkt ist.
Ein Verfahren, ein Bauelement sowie ein Aktor oder Sensor der eingangs Art sind aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 32 31 117 A1 bekannt. Das darin beschriebene Bauelement besteht aus zwei Piezokeramiken, die als Elektroden Silberbeschichtungen aufweisen. Die einzelnen Piezokeramiken werden durch eine Kunststofffolie voneinander getrennt, die mit den Piezokeramiken durch einen Kleber auf Epoxidhartbasis verbunden sind. Das gesamte Bauelement ist von einer Umhüllung aus Kunstharzlack umgeben. Auch dieses Bauelement weist die vorgenannten Nachteile der schlechten Verbindbarkeit mit metallischen Bauteilen sowie des begrenzten Temperatureinsatzgebietes auf.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem sich ein Bauteil der eingangs genannten Art herstellen lässt, das einfacher mit metallischen Bauteilen verbindbar ist und/oder einen größeren Temperatureinsatzbereich aufweist. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Sensors oder Aktors mit einem derartigen Bauelement zugrunde.
Diese Probleme werden hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Bauelements durch die Merkmale des Anspruchs 5 sowie hinsichtlich des Sensors oder Aktors durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das Piezoelement zusammen mit der Umhüllung in eine metallische Matrix eingebettet wird. Durch die Einbettung in eine metallische Matrix ergibt sich eine leichtere Verbindbarkeit des Bauelements mit einem metallischen Bauteil, weil eine Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Bauteil beispielsweise durch Anschrauben, Anschweißen oder Anlöten realisiert werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die metallische Matrix direkt in das Bauteil integriert ist bzw. dass die metallische Matrix durch das Bauteil gegeben ist, so dass das Piezoelement zusammen mit der Umhüllung direkt in das Bauteil eingebettet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das, insbesondere elektrodierte, kontaktierte und isolierte, Piezoelement in einem schmelzmetallurgischen Verfahren in die metallische Matrix eingebettet, insbesondere wird das Piezoelement von dem geschmolzenen Material der metallischen Matrix umgossen. Ein derartiges Verfahren lässt sich vergleichsweise einfach realisieren.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das, insbesondere elektrodierte, kontaktierte und isolierte, Piezoelement in einem pulvermetallurgischen Verfahren in die metallische Matrix eingebettet. Hierbei wird insbesondere das Piezoelement zusammen mit der Umhüllung sowie zusammen mit einem Metallpulver, insbesondere mit Aluminiumpulver gesintert. Auch dieses Verfahren lässt sich vergleichsweise einfach durchführen.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass nach Erhitzung des Piezoelementes während der Herstellung des Bauelementes über die Curietemperatur des Piezoelementes hinaus das Piezoelement während des Abkühlvorgangs des Bauelementes oder nach dem Abkühlvorgang des Bauelementes erneut polarisiert wird.
Das gemäß Anspruch 5 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauelement kann eine metallische Matrix aufweisen, die insbesondere aus einem Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung besteht oder ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung umfasst. Leichtmetalle weisen vergleichsweise niedrige Schmelzpunkte auf, so dass das Piezoelement während der Herstellung des Bauelementes nicht übermäßig erhitzt wird.
Die metallische Matrix kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung bestehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die elektrisch isolierende Umhüllung aus einem Metalloxid und/oder einem Email und/oder einem Glas und/oder einer Keramik. Derartige Materialien sind im Gegensatz zu Kunststoff vergleichsweise temperaturbeständig, so dass sie gut geeignet sind für eine Einbettung zusammen mit dem Piezoelement in die metallische Matrix beispielsweise durch ein schmelzmetallurgisches Verfahren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigt
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Bauelement umfasst ein Piezoelement 1, das beispielsweise als Piezokeramik ausgeführt sein kann. Das Piezoelement 1 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel als langgestreckter Quader ausgeführt und weist auf seiner in 1 oberen und unteren Seite jeweils eine Elektrode 2 auf, die mit Anschlussleitungen 3 verbunden sind.
Das Piezoelement 1 und die Elektroden 2 sind von einer elektrisch isolierenden Umhüllung 4 umgeben. Die elektrisch isolierende Umhüllung 4 kann beispielsweise aus Metalloxid und/oder Email und/oder Glas und/oder aus Keramik bestehen. Das Piezoelement 1 ist zusammen mit den Elektroden 2 und der Umhüllung 4 in eine metallische Matrix 5 eingebettet. Die metallische Matrix 5 kann aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium oder einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung bestehen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein derartiges Bauelement dadurch hergestellt, dass zuerst auf das als beispielsweise Piezokeramik ausgeführte Piezoelement 1 eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise aus Platin, Titan, Silber, Kupfer oder Aluminium aufgebracht wird, die als Elektroden 2 dienen kann. Diese Elektroden werden mit den Anschlussleitungen 3 versehen. Daran anschließend wird das gesamte Piezoelement 1 zusammen mit den Elektroden 2 rundum mit einer Umhüllung 4 versehen, um es elektrisch gegenüber der metallischen Matrix 5 zu isolieren. Diese Umhüllung 4 kann durch ein Email oder ein Glas oder ein Metalloxid oder eine Keramik realisiert sein.
Daran anschließend erfolgt die Einbringung des Piezoelementes 1 mit der Umhüllung 4 in die metallische Matrix 5. Dies kann beispielsweise schmelzmetallurgisch geschehen, das heißt, das Piezoelement 1 kann zusammen mit der Umhüllung 4 von der Schmelze eines Metalls, insbesondere eines niedrig schmelzenden Leichtmetalls umgossen werden. Eine alternative Einbringung in die metallische Matrix 5 kann pulvermetallurgisch geschehen, indem das Piezoelement mit der Umhüllung 4 mit einem Leichtmetallpulver, beispielsweise mit einem Aluminiumpulver gesintert wird.
Insbesondere bei der schmelzmetallurgischen Einbettung des Piezoelements in die metallische Matrix 5 werden Temperaturen erreicht, die in der Regel über der Curietemperatur des beispielsweise als Piezokeramik ausgeführten Piezoelementes 1 liegen. Aus diesem Grunde kann beispielsweise schon während der Abkühlphase des Bauelements dieses mit elektrischen Feldern beaufschlagt werden, um das Piezoelement 1 erneut zu polarisieren.
Weiterhin weisen in der Regel Leichtmetalle einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als Piezokeramiken. Aus diesem Grund wird das beispielsweise als Piezokeramik ausgebildete Piezoelement 1 während der Abkühlphase des Bauelements durch die sich schneller abkühlende metallische Matrix 5 mit Druck beaufschlagt. Dies ist für eine Funktion des fertigen Bauelements als Aktor durchaus ein positiver Nebeneffekt, weil ein Piezoelement sinnvollerweise einer Druckvorspannung ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß können dabei das Volumen der metallischen Matrix 5 und des Piezoelementes 1 derart aneinander angepasst werden, dass eine optimale Druckbeaufschlagung des Piezoelementes 1 während der Abkühlphase des Bauelementes erzielt wird.
Das fertige Bauelement kann als Sensor oder als Aktor verwendet werden. Insbesondere kann das fertige Bauelement mit einem Bauteil verbunden werden, dessen Schwingungen gemessen werden sollen oder dessen Schwingungen durch ein als Aktor dienendes fertiges Bauelement teilweise kompensiert werden sollen. Bei dem Bauteil, mit dem das fertige erfindungsgemäße Bauelement verbunden werden soll, kann es sich insbesondere um ein metallisches Bauteil handeln. Aufgrund der Tatsache, dass das erfindungsgemäße Bauelement auf seiner Außenseite die metallische Matrix 5 aufweist, kann das Bauelement mit dem Bauteil durch einfache Mittel verbunden werden, wie beispielsweise durch Anschrauben, Anschweißen oder Anlöten. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die metallische Matrix 5 in das Bauteil integriert ist bzw. dass die metallische Matrix 5 durch das Bauteil gegeben ist. Beispielsweise kann somit bei der Fertigstellung des Bauteils das Piezoelement 1 mit der Umhüllung 4 beispielsweise schmelzmetallurgisch in das Bauteil integriert werden. Bei diesem Bauteil könnte es sich beispielsweise um ein Bauteil in einem Kraftfahrzeug handeln.

1: Piezoelement
2: Elektrode
3: Anschlussleitungen
4: elektrisch isolierende Umhüllung
5: metallische Matrix

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes mit einer piezoelektrischen Komponente, umfassend ein Piezoelement (1) mit mindestens einer Elektrode (2) und eine dieses zumindest teilweise umgebende elektrisch isolierende Umhüllung (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1) zusammen mit der Umhüllung (4) in eine metallische Matrix (5) eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1) in einem schmelzmetallurgischen Verfahren in die metallische Matrix (5) eingebettet wird, insbesondere von dem geschmolzenen Material der metallischen Matrix (5) umgossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1) in einem pulvermetallurgischen Verfahren in die metallische Matrix (5) eingebettet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erhitzung des Piezoelementes (1) während der Herstellung des Bauelementes über die Curietemperatur des Piezoelementes (1) hinaus das Piezoelement (1) während des Abkühlvorgangs des Bauelementes oder nach dem Abkühlvorgang des Bauelementes erneut polarisiert wird.
Bauelement mit einer piezoelektrischen Komponente, umfassend ein Piezoelement (1) mit mindestens einer Elektrode (2) und eine dieses zumindest teilweise umgebende elektrisch isolierende Umhüllung (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.
Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) aus einem Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung besteht oder ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung umfasst.
Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Umhüllung (4) aus einem Metalloxid und/oder einem Email und/oder einem Glas und/oder einer Keramik besteht.
Sensor oder Aktor umfassend ein Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
Sensor oder Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Piezoelement (1), zwei Elektroden (2), eine das Piezoelement (1) und die Elektroden (2) umgebende elektrisch isolierende Umhüllung (4) sowie eine metallische Matrix (5) umfasst, in die das Piezoelement (1), die Elektroden (2) und die Umhüllung (4) eingebettet sind, wobei weiterhin vorzugsweise Anschlussleitungen (3) vorgesehen sind, die mit den Elektroden (2) verbunden sind.