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Dokumentenidentifikation DE102004030973A1 12.01.2006
Titel Piezoaktuator
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Roethlingshoefer, Walter, 72766 Reutlingen, DE
DE-Anmeldedatum 26.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004030973
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse H01L 41/083(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      H01L 41/047(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung beschreibt ein piezoelektrisches Bauelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements. Dabei ist vorgesehen, dass in einem der Verfahrensschritte eine Folie beispielsweise mittels eines Gießverfahrens aus einem Dielektrikum bzw. einer Keramik hergestellt wird. Auf diese Folien wird in einem der weiteren Verfahrensschritte auf der Vorderseite eine erste Elektrode und auf der Rückseite eine zweite Elektrode aufgebracht. Anschließend wird die so hergestellte Folie derart gefaltet, dass eine gestapelte Anordnung aus einer Vielzahl von (Folien-)Schichten entsteht. Durch eine derartige Faltung wird erreicht, dass zwischen den Schichten die erste und die zweite Elektrode abwechselnd angeordnet sind. Abschließend wird die gestapelte Anordnung gepresst und/oder gebrannt, sodass ein kompaktes piezoelektrisches Bauelement entsteht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Bauelements bzw. von einem piezoelektrischen Bauelement nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Piezoelektrische Aktoren, insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen, sind in vielfältigen Bauformen bekannt, beispielsweise aus der DE 195 00 706 A1 oder der DE 43 06 073 C1. Die piezoelektrischen Aktoren bestehen dabei aus mehreren übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten, die jeweils an einer Oberfläche mit einer Elektrode beschichtet sind. Typische Piezoaktoren bestehen dabei aus mehreren hundert übereinander geschichteter piezoelektrischer Schichten. Auf diese Weise kann durch eine Ansteuerung der Aktoren ein relativ großer Betätigungshub erreicht werden. In der DE 37 13 697 A1 wird beispielsweise näher dargestellt, wie die Elektroden der einzelnen piezoelektrischen Schichten alternierend mit einer Spannungsquelle verbunden werden, um in den einzelnen Schichten ein in gleicher Richtung ausgerichtetes elektrisches Feld und somit den Betätigungshub zu erzeugen. Dabei ist jede zweite Elektrode mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden, während die zwischen diesen Elektroden liegenden anderen Elektroden mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle verbunden sind.

Aus der DE 197 57 877 A1 ist ein piezoelektrischer Aktor bekannt, der aus mehreren dünnen Folien besteht, die aufeinander gestapelt sind. Dabei ist auf der Oberfläche jeder Folie eine Elektrode vorgesehen. Zur Kontaktierung der Elektroden sind Verbindungsöffnungen in den Folien und den Elektroden vorgesehen. In diese Verbindungsöffnungen wird eine elektrisch leitende Paste eingebracht, so dass die Elektroden entsprechend verbunden werden können. Anschließend wird die gestapelte Anordnung gebrannt und in die einzelnen Aktoren zerlegt. Die Innenelektroden sind bei dieser Herstellungsvariante von der Umgebung isoliert.

Demgegenüber zeigen einige Schriften die Ansteuerung der einzelnen Elektroden in den Schichten von außen, wie es beispielhaft in der DE 101 64 171 A1 dargestellt wird.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein piezoelektrisches Bauelement bzw. ein Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Bauelements. Dabei ist vorgesehen, dass in einem der Verfahrensschritte eine Folie beispielsweise mittels eines Gießverfahrens aus einem Dielektrikum bzw. einer Keramik hergestellt wird. Auf diese Folien wird in einem der weiteren Verfahrensschritte auf der Vorderseite eine erste Elektrode und auf der Rückseite eine zweite Elektrode aufgebracht. Anschließend wird die so hergestellte Folie derart gefaltet, dass eine gestapelte Anordnung aus einer Vielzahl von (Folien-)Schichten entsteht. Durch eine derartige Faltung wird erreicht, dass zwischen den Schichten die erste und die zweite Elektrode abwechselnd angeordnet sind. Abschließend wird die gestapelte Anordnung gepresst und/oder gebrannt, so dass ein kompaktes piezoelektrisches Bauelement entsteht.

Durch das erfindungsgemäße Herstellverfahren eines Piezoaktors können entsprechende Bauelemente mit erheblich kürzerer Herstellzeit und effizienteren Prozessabläufen erzeugt werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die erste und die zweite Elektrode durch eine wenigstens teilweise Beschichtung der Folie mit wenigstens einem Elektrodenmaterial erzeugt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert sind. Bei der Beschichtung der Folie kann für beide Elektroden das gleiche Elektrodenmaterial verwendet werden, wobei eine derartige Einschränkung nicht zwangsläufig sein muss. Im Gegenteil, es kann auch vorgesehen sein, dass sich das Elektrodenmaterial beider Elektroden teilweise oder auch komplett unterscheiden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass nach dem Falten der Folie zu der gestapelten Anordnung auf das Elektrodematerial an der Seite der gestapelte Anordnung eine isolierende Materialschicht aufgebracht wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die isolierende Materialschicht wahlweise vor oder nach dem Pressen bzw. Brennen der gestapelte Anordnung aufgebracht wird. Durch ein derartiges Aufbringen bspw. eines Glasurüberzugs können die Wandungen des Piezoaktors gegen Überschläge oder Nebenschlüsse geschützt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die gestapelte Anordnung in einzelne piezoelektrische Bauelemente bzw. Piezoaktoren zertrennt wird. Gängige Methoden, mit denen entsprechende Bauelemente geteilt werden können, sind das Wasserstrahlschneiden oder auch ein (konventionelle) Sägen.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass zur Kontaktierung der beiden Elektroden jeweils eine Kontaktfläche auf der Vorder- bzw. Rückseite der Folie vorgesehen ist. Bei der Herstellung der gestapelte Anordnung ist dabei in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Folie derart gefaltet wird, dass beide Kontaktflächen in räumlichen Nähe auf einer Seite der gestapelte Anordnung zu liegen kommen. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, die beiden Elektroden mit geringem Aufwand im gleichen Fertigungsschritt zu kontaktieren. Je nach Erfordernissen der Konstruktion können dabei beide Elektroden jeweils on Top oder on Bottom des Aktors kontaktiert werden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die beiden Seiten der dielektrischen Folie jeweils weitestgehend von einer Elektrode bedeckt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Folie bzw. die aus der Folie entstehenden Dielektrikumschichten auf beiden Seiten vollständig mit den Elektroden bzw. mit dem Elektrodenmaterial bedeckt ist. Somit können Schwachstellen wie Rissbildungen an den Elektroden vermieden werden. Durch eine vollständige Bedeckung wird jedoch auch die größtmögliche piezoelektrische Wirkung des Dielektrikums ausgenutzt. Darüber hinaus entstehen keine Inhomogenitäten bei der Ausdehnung des Dielektrikums, da das Dielektrikum nahezu vollständig dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden ausgesetzt ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen

Die 1a bis 1c zeigen beispielhaft ein gängiges Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines Piezoaktors bestehend aus mehreren einzeln hergestellten Stapeln von Dielektrikumschichten. Demgegenüber wird in den 2a bis 2c schematisch dargestellt, wie ein Piezoaktor mittels einer durchgängigen dielektrischen Folie mit zwei Elektroden hergestellt werden kann. In den 3a bis 3c ist eine besondere Stanzung der Folie dargestellt, wohingegen in den 4a und 4b eine Ausgestaltung der Folie mit Einkerbungen gezeigt wird, die die Faltung der Folie erleichtert.

Ausführungsbeispiel

Wie schon im Stand der Technik beschrieben, existieren verschiedene Herstellungsverfahren für Piezoaktoren. Ein typisches Herstellungsverfahren zeigen die 1a war 1c. Zunächst werden dabei Dielektrikumplatten hergestellt, die mittels einer geeigneten Siebdrucktechnik mit einem Elektrodematerial (z.B. AgPd, Ag oder Cu) bedeckt werden. Die so erhaltenen Dielektrikumplatten mit einseitiger Elektrodenbeschichtung werden zu Dielektrikumplättchen vereinzelt. Bei der Beschichtung mit dem Elektrodematerial kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Dielektrikumplättchen unterschiedliche Elektrodengeometrien aufweisen. So können wie in 1a dargestellt, Dielektrikumplättchen 100 mit einer Elektrode 110 und Dielektrikumplättchen 130 mit einer Elektrode 140 hergestellt werden.

Wie in der Darstellung in 1a zu erkennen ist, werden die Elektroden derart auf die Dielektrikumplättchen aufgebracht, dass sie, wenn sie abwechselnd aufeinander gestapelt sind, wie in 1b dargestellt, keinen Kontakt zum Rand der gestarteten Anordnung 160 aufweisen. Zur Durchkontaktierung der Elektroden 110 und 140 sind in den Dielektrikumplättchen 100 bzw. 130 Kontaktierungslöcher 120 bzw. 150 vorgesehen, die in einem weiteren Herstellungsschritt mittels eines leitfähigen Materials elektrisch miteinander verbunden werden. Somit können die Elektroden 110 bzw. 140, die sich abwechselnd in der gestapelten Anordnung 160 befinden, mittels dieser Durchkontaktierung 120 bzw. 150 gezielt angesteuert werden. Bevor der Piezoaktor jedoch verwendet werden kann muss die gestapelte Anordnung 170 ggf. gebrannt werden, damit die Anordnung ihre Form behält.

Werden die beiden Elektroden 110 und 140 des hergestellten Piezoaktors mit den Polen einer Spannungsquelle verbunden, so dehnt sich die gesamte gestapelte Anordnung 160 in Richtung der zwischen den Elektroden befindlichen Feldlinien aus. Erhöht man die Anzahl der Schichten, wie es beispielsweise in 1c anhand der gestapelten Anordnung 170 dargestellt ist, so kann man die absolute Ausdehnung des Piezoaktors steigern. Typischerweise werden dabei zwischen 200 und 300 Schichten zur Bildung eines Piezoaktors aufeinander gelegt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik werden im vorliegenden erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren eines Piezoaktors keine einzelnen Dielektrikumplättchen, sondern eine durchgehende Dielektrikumfolie verwendet. Dazu wird zunächst eine wenigstens teilweise flexible Folie 200 aus einem Dielektrikum hergestellt. Typischerweise wird dazu ein Keramikmaterial (z.B. PbZr-Titanat) verwendet, welches zu einer Folie verarbeitet wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Keramikmaterial in einem Gießverfahren auf einen Kunststoffträger gebracht wird, der in einem späteren Verfahrensschritt wieder entfernt wird. Auf die so entstandene dielektrische Folie wird dann auf der Vorderseite 230 eine erste Elektrode 210 und auf der Rückseite 235 eine zweite Elektrode 220 aufgebracht, wie es in 2a dargestellt wird. Als Elektrodenmaterial haben sich dabei beispielsweise AgPd, AgPt, AgPdPt, Ag, Pt, Pd, Cu oder deren Legierungen als besonders wirksam erwiesen. Üblicherweise werden beide Elektroden aus dem selben Material hergestellt, wobei auch eine bewusste Variation im Elektrodenmaterial beide Elektroden vorgesehen sein kann.

Nach der Herstellung des beidseitig metallisierten "Endlostapes" wird die beschichtete Folie wechselseitig gefaltet. Durch diese Faltung, wie dies beispielhaft in 2b dargestellt ist, wird eine gestapelte Anordnung aus mehreren Schichten der Folie (z.B. 201 bis 208) erzeugt, wobei jede Schicht auf einer Seite von der ersten Elektrode 210 und auf der anderen Seite von der (weitestgehend parallel zur ersten Elektrode 210 liegenden) zweiten Elektrode 220 eingerahmt wird. Die elektrische Verbindung der einzelnen Elektroden untereinander bleiben auch nach der Faltung bestehen, da am Rand 280 der Schichten das Dielektrikum der Folie 200 weiterhin eine beidseitige Metallisierung aufweist.

Zur Vervollständigung und Fixierung des Piezoaktors wird die gestapelte Anordnung aus 2b laminiert und verpresst. Dabei erfolgt das Laminieren bei erhöhten Temperaturen von ca. 100 Grad Celsius und erhöhten Drücken in Richtung 260 von ca. 100 bar in einer Laminierpresse. Zum Schutz vor Überschlägen oder Nebenschlüssen können die Wandungen des Aktors, die aus den Rändern 280 des Dielektrikums bestehen, mit einem Glasurüberzug 270 geschützt werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, die elektrische Kontaktierung der beiden Elektroden 210 und 220 von einer Seite der gestapelten Anordnung durchzuführen. Dazu wird wahlweise am Boden oder auf der obersten Schicht der gestapelten Anordnung die Folie derart gestapelt, dass beide Elektroden zugänglich sind, wie es beispielhaft in 2c dargestellt ist. Somit können die elektrischen Anschlüsse zum Betrieb des Piezoaktors von einer Seite der Anordnung mit den Elektroden 210 und 220 bzw. mit speziell dafür vorgesehenen Kontaktflächen 240 und 250 verbunden werden. Verbindet man nun die beiden Elektroden bzw. die beiden Kontaktflächen mit den beiden Polen einer Spannungsquelle, so dehnt sich der Piezoaktor senkrecht zu den parallelen Elektroden aus.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Elektrodenmaterial nicht die komplette Oberfläche der Folie 200 bedeckt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel stanzt aus der beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichteten Folie 300 die vorgesehene Form der Piezoaktoren aus. So können beispielweise, wie in 3b gezeigt, runde Formen 320 vorgefertigt werden, die über einen Steg 330 miteinander verbunden sind. Das überschüssige Material 310 in der Folie 300 wird dabei entfernt. Die runden Formen 320 werden dann, wie bereits beschrieben, in Schichten übereinander gelegt (3c). In der Aufsicht auf den so entstandenen Schichtstapel gemäß 3d erkannt man dann den runden Piezoaktor mit den Scheiben 320, die aus der Folie 300 herausgestanzt werden. In 3d sind ebenfalls die Stege 330 an der Seite des runden Piezoaktors zu erkennen, die als Elektrodenanschlüsse verwendet werden können.

Selbstverständlich kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt zunächst die Folie gestanzt wird und erst in einem zweiten Schritt beide Seiten mit dem Elektrodenmaterial versehen werden.

Optional besteht auch die Möglichkeit, die Folie 400 wechselseitig mit Einkerbungen 410 zu versehen. Durch diese Einkerbungen wird die Faltung der Folie unterstützt, wie in 4b näher dargestellt ist. Die Abstände der Einkerbungen definieren dabei die Breite der einzelnen Schichten im Piezoaktor.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung wenigstens eines piezoelektrischen Bauelements, wobei das Herstellungsverfahren wenigstens die Verfahrensschritte

    – Herstellen einer Folie (200) aus einem Dielektrikum,

    – Erzeugung einer ersten Elektrode (210) auf der Vorderseite (230) der Folie und

    – Erzeugung einer zweiten Elektrode (220) auf der Rückseite (235) der Folie

    – Falten der Folie (200) zu einer gestapelten Anordnung,

    wobei

    – die gestapelte Anordnung eine Vielzahl von Schichten (201 bis 208) aufweist und

    – die erste und die zweite Elektrode abwechselnd zwischen den Schichten angeordnet sind und

    – Pressen und/oder Brennen der gestapelten Anordnung

    aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Elektrode durch eine wenigstens teilweise Beschichtung der Folie mit wenigstens einem Elektrodenmaterial erzeugt werden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Elektroden voneinander elektrisch isoliert sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Falten der Folie (200) auf das Elektrodenmaterial an der Seite der gestapelten Anordnung eine isolierende Materialschicht (270) aufgebracht wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die isolierende Materialschicht (270) vor oder nach dem Pressen und/oder Brennen der gestapelten Anordnung aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zertrennt bzw. geteilt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Zerteilung der gestapelten Anordnung in einzelne piezoelektrische Bauelemente bzw. Aktoren mittels Sägen oder Wasserstrahlschneiden erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung der beiden Elektroden jeweils eine Kontaktfläche (240, 250) auf der Vorderseite bzw. Rückseite der Folie vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Folie derart gefaltet wird, dass die beiden Kontaktflächen (240, 250) in enger räumlicher Nähe auf einer Seite der gestapelten Anordnung zu liegen kommen.
  6. Piezoelektrisches Bauelement, wobei

    – das Bauelement

    – eine Anordnung aus einer Vielzahl von gestapelten Schichten (201 bis 208) aus einem Dielektrikum, und

    – wenigstens eine erste (210) und eine zweite (220) Elektrode aufweist, und

    – die Schichten abwechselnd die erste oder die zweite Elektrode aufweisen,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    das Dielektrikum einer Schicht eine Verbindung zu dem Dielektrikum der beiden unmittelbar angrenzenden Schichten aufweist.
  7. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gestapelte dielektrische Schicht (201 bis 208) eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei jeweils eine der beiden Seiten der dielektrischen Schicht weitestgehend von der ersten Elektrode (210) und die andere der beiden Seiten der dielektrischen Schicht weitestgehend von der zweiten Elektrode (220) bedeckt ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass beide Seiten vollständig mit der jeweiligen Elektrode bedeckt ist.
  8. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Elektrode in den Schichten (201 bis 208) jeweils an einer Seite der gestapelten Anordnung elektrisch miteinander verbunden sind, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass diese Verbindung mit einem isolierenden Material bedeckt ist.
  9. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement für jede Elektrode eine Kontaktfläche (240, 250) bzw. eine Kontaktstelle zur Kontaktierung aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die beiden Kontaktflächen (240, 250) bzw. Kontaktstellen auf den Schichten derart angeordnet sind, dass beide Elektroden (210, 220) von einer Seite der Anordnung kontaktiert werden können.
  10. Piezoelektrisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Anlegung einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode das Bauelement senkrecht zur Stapelanordung ausdehnt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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