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Dokumentenidentifikation DE102006019489A1 31.10.2007
Titel Piezoaktor mit Mehrschicht-Verkapselung und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bayer, Heiner, Dr., 82140 Olching, DE;
Ganster, Axel, 81739 München, DE;
Freudenberg, Hellmut, 93080 Pentling, DE;
Hamann, Christoph, Dr., 93107 Thalmassing, DE;
Hennig, Oliver, 81667 München, DE;
Jensen, Jens Dahl, Dr., 14050 Berlin, DE;
Lugert, Günter, Dr., 93055 Regensburg, DE;
Mock, Randolf, 85662 Hohenbrunn, DE;
Schuh, Carsten, Dr., 85598 Baldham, DE;
Zapf, Jörg, 85598 Baldham, DE
DE-Anmeldedatum 26.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019489
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20060426, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 41/053(2006.01)A, L, I, 20060426, B, H, DE   H01L 41/16(2006.01)A, L, I, 20060426, B, H, DE   H02N 2/04(2006.01)A, L, I, 20060426, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung offenbart ein Herstellungsverfahren einer Mehrschicht-Verkapselung 1 eines piezoaktors 5, so dass der Piezoaktor 5 ohne zusätzliche gehäuseartige umhüllende Struktur nach außen geschützt ist. Zur Realisierung der Mehrschicht-Verkapselung 1 wird zunächst eine elektrisch isolierende elastische Schicht 10 auf die Oberfläche des Piezoaktors 5 aufgebracht. Nachfolgend wird eine metallische Schicht 40 auf die elektrisch isolierende elastische Schicht 10 aufgebracht, so dass sie diese flächig bedeckt.

Beschreibung[de]
1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Mehrschicht-Verkapselung eines Piezoaktors sowie einen Piezoaktor mit Mehrschicht-Verkapselung.

2. Hintergrund der Erfindung

In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach piezokeramischen Aktoren oder kurz Piezoaktoren auf Grund ihrer zunehmenden Nutzung, beispielsweise in den neuesten Diesel-Einspritzsystemen der Automobilindustrie, enorm zugenommen. Diese Nachfrage unterstützt ebenfalls die Entwicklung von Piezoaktoren. In mehreren neuen Einspritz- bzw. Injektorkonstruktionen sollen die Piezoaktoren komplett von Dieselkraftstoff umgeben sein. Diese Art der Konstruktion der Einspritzanlagen bezeichnet man auch als „wet design".

Da die Piezoaktoren bei einem direkten Kontakt mit verunreinigtem oder durch Additive modifiziertem Dieselkraftstoff chemisch und elektrisch angegriffen werden, muss eine entsprechende Schutzhülle für den Piezoaktor bereitgestellt werden. Diese Schutzhülle sollte sowohl eine elektrische Isolation gegen einen möglichen Kurzschluss durch den elektrisch leitenden Kraftstoff als auch eine chemische Isolation gegen den Angriff des umgebenden Kraftstoffs auf die Bestandteile des Piezoaktors bereitstellen.

Im Stand der Technik sind Metallgehäuse unterschiedlicher Konstruktion bekannt, die den Piezoaktor umgeben. Ein Beispiel für ein derartiges Metallgehäuse ist ein Wellrohr. Die Metallgehäuse sind mit geeigneten Füllmaterialien gefüllt, um eine Übertragung des durch den Kraftstoff aufgebrachten Drucks auf den innen liegenden Piezoaktor zu realisieren. Diese konstruktive Lösung hat jedoch die Nachtteile, dass sie aufwendig in ihrer Herstellung und platzintensiv ist.

Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, einen Schutz für einen Piezoaktor bereitzustellen, der eine verlässliche elektrische und chemische Isolation des Piezoaktors gegen äußere Einflüsse gewährleistet.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Das obige Problem wird durch ein Herstellungsverfahren einer Mehrschicht-Verkapselung eines Piezoaktors gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch einen Piezoaktor mit Mehrschicht-Verkapselung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst. Weiterentwicklungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, der Zeichnung und den anhängenden Patentansprüchen hervor.

Das obige Herstellungsverfahren der Mehrschicht-Verkapselung eines Piezoaktors, so dass der Piezoaktor ohne zusätzliche gehäuseartige umhüllende Struktur nach außen geschützt ist, umfasst die folgenden Schritte: a) Aufbringen einer elastischen Schicht auf eine Oberfläche des Piezoaktors, die parallel zu seiner Längs- oder Stapelrichtung verläuft, und b) Aufbringen einer metallischen Schicht auf die elastische Schicht, so dass diese die elastische Schicht flächig bedeckt.

Eine aufwendige feste gehäuseartige umhüllende Struktur des Piezoaktors wird dadurch ersetzt, dass der Piezoaktor zumindest an seinen Seitenflächen mit einer Multilayer-Struktur beschichtet wird. Diese Multilayer-Struktur besteht aus mindestens einer elastischen Schicht mit elastischen Materialeigenschaften und einer metallischen Schicht, die auf dieser elastischen Schicht aufgebracht ist. Die obige Multilayer-Struktur oder Mehrschicht-Verkapselung schließt den Piezoaktor vollständig ein oder ist auf dessen Seitenflächen parallel zu seiner Stapelrichtung beschränkt. Die Kombination aus elastischer und metallischer Schicht gewährleistet, dass der Piezoaktor beispielsweise in einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffreservoir mit ausreichender Mediendichtheit ausgestattet ist. Daher ist der chemisch aggressive Kraftstoff nicht in der Lage, den Piezoaktor anzugreifen. Des Weiteren gewährleistet die Mehrschicht-Verkapselung, dass der Piezoaktor trotz des umgebenden Kraftstoff-Hochdrucks in der Mehrschicht-Verkapselung ausreichend beweglich ist, um Stellvorgänge, von beispielsweise Kraftstoffventilen, vorzunehmen.

Gemäß einer Ausführungsform besteht die elastische Schicht vorzugsweise aus Silikonelastomer, Polyurethan, Polyimid oder Epoxid. Diese elastische Schicht wird gemäß einer weiteren Alternative des vorliegenden Herstellungsverfahrens durch geeignete Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise Tauchen, Sprühen, Spritzen, Siebdruck oder Laminieren von Folien, aufgebracht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die metallische Schicht als eine diffusionsdichte Metallschicht auf der elastischen Schicht erzeugt. Die metallische Schicht ist in ihrer Werkstoffwahl und Dimension an das umgebende Medium angepasst, so dass sie eine chemische Isolation gegen dieses Medium bereitstellt.

Um die metallische Schicht zu erzeugen, werden geeignete Beschichtungsverfahren zur Abscheidung von Metallen auf elektrisch nicht leitenden Oberflächen genutzt. Eine Alternative ist beispielsweise die Corona-Entladungsaktivierung mit aktivem Sauerstoff. Eine weitere Alternative besteht in der Erzeugung der metallischen Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung oder kurz ein PVD-Verfahren (physical vapor deposition). Gemäß einer weiteren Alternative ist es ebenfalls denkbar, zunächst eine für einen chemischen Schutz zu dünne metallische Schicht zu erzeugen, um diese in einem nachfolgenden Schritt durch ein galvanisches Beschichtungsverfahren zu verstärken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des obigen Herstellungsverfahrens wird der bereits existierende Verbund aus elastischer und metallischer Schicht durch das Aufbringen einer weiteren elastischen Schicht auf die metallische Schicht und einer weiteren metallischen Schicht auf die elastische Schicht verstärkt. Neben der Verstärkung sind auf diese Weise ebenfalls die mechanischen Eigenschaften der Mehrschicht-Verkapselung des Piezoaktors gestaltbar, um einen optimalen Betrieb des Piezoaktors in dem jeweiligen umgebenden Medium zu gewährleisten. Daher werden die weitere elastische Schicht und die weitere metallische Schicht in Materialauswahl und Dicke derart angepasst, dass ein gradueller Eigenschaftsübergang vom Piezoaktor bis zur äußersten metallischen Schicht generierbar ist, der ein kompatibles Materialverhalten von Verkapselung und Piezoaktor gewährleistet. Gemäß einer weiteren Alternative erfolgt eine Abstimmung aller auf den Piezoaktor aufgebrachten Schichten der Mehrschicht-Verkapselung im Hinblick auf Materialeigenschaften und Dimension, um die Mehrschicht-Verkapselung im Hinblick auf ihre schützenden Eigenschaften und die Unterstützung des Betriebs des Piezoaktors zu optimieren. Es ist des Weiteren denkbar, mehr als die bereits oben genannten vier Schichten aufzubringen.

Die vorliegende Erfindung offenbart des Weiteren einen Piezoaktor mit Mehrschicht-Verkapselung, so dass der Piezoaktor ohne zusätzliche gehäuseartige umhüllende Struktur nach außen geschützt ist. Der Piezoaktor mit Mehrschicht-Verkapselung weist eine elastische Schicht auf einer Oberfläche des Piezoaktors auf, die parallel zu seiner Längs- oder Stapelrichtung verläuft, sowie eine metallische Schicht auf der elastischen Schicht, die die elastische Schicht vollflächig bedeckt.

4. Kurze Beschreibung der begleitenden Zeichnung

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Piezoaktors im Schnitt, der eine bevorzugte Ausführungsform einer Mehrschicht-Verkapselung an einer seiner Seitenflächen aufweist.

5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Um die hohen Anforderungen an eine Schutzhülle eines Piezoaktors 5 unter Kraftstoff-Hochdruck oder aufgrund der Belastung durch ein anderes umgebendes Medium zu gewährleisten, wird der Piezoaktor 5 mit einer Mehrschicht-Verkapselung 1 ausgestattet. Diese Mehrschicht-Verkapselung 1 lässt sich mit dem im Folgenden beschriebenen Herstellungsverfahren aufbringen, so dass man einen Piezoaktor 5 mit Mehrschicht-Verkapselung 1 erhält.

Die obigen Anforderungen an die Mehrschicht-Verkapselung 1 schließen eine Mediendichtheit sowie eine chemische und elektrische Isolation des Piezoaktors 5 nach außen ein. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Angriff des umgebenden Mediums den Piezoaktor 5 beschädigt, zerstört oder seine Lebensdauer verringert. Als eine weitere Anforderung wird durch die Mehrschicht-Verkapselung 1 eine hohe Elastizität an der Grenzfläche zwischen Piezoaktor 5 und Mehrschicht-Verkapselung 1 bereitgestellt. Durch die hohe Elastizität an dieser Grenzfläche schränkt die Mehrschicht-Verkapselung 1 den Betrieb des Piezoaktors 5 nicht ein, so dass annähernd der vollständige Stellweg des Piezoaktors 5 für beliebige Stellvorgänge zur Verfügung steht.

Um die obigen Anforderungen zu erfüllen, wird die Mehrschicht-Verkapselung 1 in Form einer Multilayer-Struktur auf den Piezoaktor 5 aufgebracht. Gemäß einer ersten Alternative wird die Mehrschicht-Verkapselung auf die gesamte äußere Oberfläche des Piezoaktors 5 aufgebracht. Gemäß einer weiteren Alternative bedeckt die Mehrschicht-Verkapselung 1 nur die parallel zur Stapelrichtung 30 verlaufenden seitlichen Oberflächen des Piezoaktors 5. In letzterem Fall sind die Stirnseiten des Piezoaktors 5 senkrecht zur Stapelrichtung 30 ausreichend durch ihre eigene Materialbeschaffenheit oder durch andere Strukturen/Konstruktionen geschützt.

Die Mehrschicht-Verkapselung 1 weist zunächst eine elektrisch isolierende elastische Schicht 10 auf. Diese Schicht 10 wird direkt auf die Oberfläche des Piezoaktors 5 aufgebracht und besteht beispielsweise aus Kunststoff. Diese elektrisch isolierende elastische Schicht 10 hat die Aufgabe, die mechanische Dehnung des Piezoaktors 5 nach außen hin abzubauen. Dadurch soll im Speziellen verhindert werden, dass sich die mechanischen Dehnungen des Piezoaktors 5, insbesondere auch im Bereich von möglichen Polungsrissen, derart auf die unten beschriebene metallische Schicht 40 übertragen, dass diese beschädigt wird. Daher gewährleistet die elektrisch isolierende elastische Schicht 10, dass auch im dynamischen Dauerbetrieb des Piezoaktors 5 die metallische Schicht 40 ohne Beschädigungen erhalten bleibt.

Eine weitere Aufgabe der elektrisch isolierenden elastischen Schicht 10 besteht in einer Isolation der Oberfläche des Piezoaktors 5. Diese Isolation erfolgt gegen sämtliche äußere Medien, so dass weder das Material der elastischen Schicht 10 noch irgendein anderes Medium in Poren, Oberflächen-, Polungsrisse oder mögliche Delaminationen zwischen Innenelektroden 25 und piezoelektrischer Schicht 20 eindringen kann.

Die elektrisch isolierende elastische Schicht 10 besteht gemäß verschiedener Ausführungsformen aus Silikonelastomer, Polyurethan, Polyimid oder Epoxid.

Die elastische Schicht 10 wird durch geeignete Beschichtungsverfahren auf dem Piezoaktor 5 aufgebracht, mit denen sich elektrisch isolierende elastische Schichten 10 ausreichender Dicke auf Oberflächen erzeugen lassen. Verschiedene Alternativen eines derartigen Beschichtungsverfahrens sind Tauchen, Sprühen, Spritzen, Siebdruck oder Laminieren von Folien.

Die Mehrschicht-Verkapselung 1 weist des Weiteren eine metallische Schicht 40 auf, die auf die elastische Schicht 10 aufgebracht worden ist. Die metallische Schicht wird vorzugsweise als diffusionsdichte Metallschicht erzeugt. Als mögliche Materialien dienen übliche Metalle, die durch Beschichtungsverfahren verarbeitbar sind. Dies sind beispielsweise Kupfer oder Nickel.

Die metallische Schicht 40 hat die Funktion, nach außen hin eine chemische Isolation des Piezoaktors 5 mit Mehrschicht-Verkapselung 1 bereitzustellen. Diese chemische Isolation verhindert vor allem den chemischen Angriff eines umgebenden aggressiven Mediums, wie beispielsweise Dieselkraftstoff.

Die metallische Schicht 40 kann durch alle geeigneten Verfahren aufgebracht werden, mit denen Metallschichten auf elektrisch nicht leitenden Oberflächen generierbar sind. Gemäß einer ersten Alternative wird die Metallschicht 40 durch eine chemische Direktmetallisierung erzeugt, wie sie in der WO 2005/087979 beschrieben ist. Hier erfolgt durch eine hoch aktive Corona-Entladungsaktivierung mit aktiven Sauerstoff-Ionen die Erzeugung einer Metallschicht auf Silikonelastomeren.

Gemäß einer weiteren Alternative wird auf der elastischen Schicht 10 zunächst nur eine metallische Dünnschicht mittels physikalischer Gasphasenabscheidung bzw. PVD-Verfahren aufgebracht. Nachfolgend wird diese metallische Dünnschicht durch bekannte galvanische Verfahren verstärkt, so dass sie eine ausreichende chemische Isolation bereitstellt. Bei den oben genannten PVD-Verfahren liegt das als metallische Schicht 40 abzuscheidende Material in fester Form in einer Beschichtungskammer vor. Mit Hilfe von Verdampfen, Ionenbeschuss, Elektronenbeschuss, Strom- oder Laserbeschuss wird das spätere Schichtmaterial auf die zu beschichtenden Teile aufgebracht und bildet dort die gewünschte metallische Schicht 40. Bei den oben genannten galvanischen Beschichtungsverfahren werden metallische Ionen aus einer Elektrolytlösung als metallische Schicht bzw. Verstärkung auf der bereits existierenden metallischen Dünnschicht abgeschieden.

Um die bestmögliche Mediendichtheit, chemische und elektrische Isolation sowie Dehnungsfähigkeit der Mehrschicht-Verkapselung 1 zu realisieren und dadurch einen optimalen Betrieb des Piezoaktors 5 zu gewährleisten, werden alternativ jeweils eine weitere elastische Schicht 50 und eine weitere metallische Schicht 60 auf die bereits existierenden Schichten 10, 40 aufgebracht. Es ist des Weiteren bevorzugt, eine Mehrzahl von weiteren elastischen und weiteren metallischen Schichten 50, 60 in abwechselnder Anordnung auf die bereits existierende Mehrschicht-Verkapselung 1 aufzubringen. Die Mehrschicht-Verkapselung 1 bestehend aus elastischer Schicht 10 und metallischer Schicht 40 oder bestehend aus mehreren elastischen Schichten 10, 50 und mehreren metallischen Schichten 40, 60 gewährleisten einen graduellen Eigenschaftsübergang vom Piezoaktor 5 bis zur äußersten metallischen Schicht 60 der Mehrschicht-Verkapselung 1. Auf diese Weise wird die äußerste metallische Schicht der Mehrschicht-Verkapselung 1 nicht durch das Dehnungsverhalten des Piezoaktors 5 beschädigt oder zerstört. Des Weiteren ist aber auch sichergestellt, dass der Piezoaktor 5 von außen beispielsweise nicht durch zu hohe Temperaturen belastet wird.

Für einen dauerhaften Betrieb von Piezoaktor 5 mit Mehrschicht-Verkapselung 1 ist es des Weiteren erforderlich, dass die verwendeten Materialien eine ausreichende Temperatur- und Langzeitstabilität aufweisen. Ein beispielgebender Temperaturbereich für den Piezoaktor 5 mit Mehrschicht-Verkapselung 1 liegt zwischen –40°C und 180°C. Des Weiteren müssen die verwendeten Materialien so dauerhaft sein, dass sie für die Lebensdauer des Piezoaktors 5 erhalten bleiben. Ein Beispiel für diese Lebensdauer wären ca. 10 Jahre. Es ist zudem zu beachten, dass einige Metalle, wie beispielsweise Kupfer, von Kraftstoffen oder anderen Medien angegriffen werden. Diese sollten daher nur als eine metallische Zwischenschicht 40 eingesetzt werden.

Im Vergleich zu bisher genutzten Verkapselungsmethoden für Piezoaktoren 5 bietet die oben beschriebene Konstruktion eine kompaktere Bauweise, eine minimale Dämpfung des Piezoaktors 5 während seines Betriebs sowie ein einfacheres Design ohne Bedarf eines Druckübertragungsmediums zwischen Piezoaktor 5 und der äußeren metallischen Schicht der Mehrschicht-Verkapselung 1. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Mehrschicht-Verkapselung 1 als eine Komplettlösung innerhalb eines Beschichtungsverfahrens realisierbar ist, so dass Arbeitsaufwand und Kosten für dieses Herstellungsverfahren geringer ausfallen im Vergleich zum Stand der Technik.


Anspruch[de]
Herstellungsverfahren einer Mehrschicht-Verkapselung (1) eines Piezoaktors (5), so dass der Piezoaktor (5) ohne zusätzliche feste gehäuseartige umhüllende Struktur nach außen geschützt ist, das die folgenden Schritte aufweist:

a. Aufbringen einer elektrisch isolierenden elastischen Schicht (10) auf eine Oberfläche (20) des Piezoaktors (5), die parallel zu seiner Längs- oder Stapelrichtung (30) verläuft, und

b. Aufbringen einer metallischen Schicht (40) auf die elastische Schicht (10), so dass diese die elektrisch isolierende elastische Schicht (10) flächig bedeckt.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, in dem die elektrisch isolierende elastische Schicht (10) eine Kunststoffschicht, vorzugsweise Polymerschicht, ist. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die elektrisch isolierende elastische Schicht (10) aus Silikonelastomer, Polyurethan, Polyimid oder Epoxid besteht. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt:

Aufbringen der elektrisch isolierenden elastischen Schicht (10) durch geeignete Beschichtungsverfahren, vorzugsweise mittels Tauchen, Sprühen, Spritzen, Siebdruck oder Laminieren von Folien.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt:

Erzeugen der metallischen Schicht (40) als diffusionsdichte Metallschicht.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt:

Herstellen der metallischen Schicht (40) mit geeigneten Beschichtungsverfahren zur Abscheidung von Metallen auf elektrisch nicht leitenden Oberflächen.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die metallische Schicht mittels chemischer Direktmetallisierung hergestellt wird. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, in dem die metallische Schicht (40) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren) hergestellt wird. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8, mit dem weiteren Schritt:

Verstärken der metallischen Schicht (40) durch ein galvanisches Beschichtungsverfahren.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt:

Aufbringen einer weiteren elektrisch isolierenden elastischen Schicht (50) auf die metallische Schicht (40) und einer weiteren metallischen Schicht (60) auf die weitere elektrisch isolierende elastische Schicht (50).
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, mit dem weiteren Schritt:

Anpassen der weiteren elektrisch isolierenden elastischen Schicht (50) und der weiteren metallischen Schicht (60) in Materialauswahl und Dicke, so dass ein gradueller Eigenschaftsübergang vom Piezoaktor (5) zur weiteren metallischen Schicht (60) generierbar ist, der ein kompatibles Materialverhalten von Verkapselung (1) und Piezoaktor (5) gewährleistet.
Piezoaktor (5) mit Mehrschicht-Verkapselung (1), insbesondere ein Vielschichtaktor, so dass der Piezoaktor (5) ohne zusätzliche feste gehäuseartige umhüllende Struktur nach außen geschützt ist, der die folgenden Merkmale aufweist:

a. einen Piezoaktor (5),

b. eine elektrisch isolierende elastische Schicht (10) auf einer Oberfläche (20) des Piezoaktors (5), die parallel zu seiner Längs- oder Stapelrichtung (30) verläuft, und

c. eine metallische Schicht (40) auf der elektrisch isolierenden elastischen Schicht (10), die die elektrisch isolierende elastische Schicht (10) flächig bedeckt.






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