Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Mehrschichtbauelement, insbesondere einen Vielschichtaktor oder einen Biegewandler, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Piezoelektrische Mehrschichtbauelemente oder Multilayerbauelemente, wie beispielsweise Vielschichtaktoren oder Biegewandler, zeigen während des Betriebs bei hoher Luftfeuchtigkeit eine geringere Lebensdauer verglichen mit dem Betrieb bei durchschnittlicher Luftfeuchtigkeit in europäischen Breiten. Bevorstehendes Versagen oder das Versagen selbst des Mehrschichtbauelements ist an zunehmenden Leckströmen oder elektrischen Überschlägen erkennbar.

Ein Beispiel für den inneren Aufbau eines Biegeelements ist schematisch in 1 dargestellt. Diese Biegeelemente bestehen aus zumindest einer piezoelektrischen Keramikschicht 10 und einer so genannten vergrabenen Innenelektrode 30. Die Innenelektrode 30 erstreckt sich nicht über die gesamte Oberfläche 20 der piezoelektrischen Schicht 10, so dass sie umfänglich fast überall vom Rand der piezoelektrischen Schicht 10 beabstandet ist. Ein Bereich 32 der Innenelektrode 30 verläuft bis an den Rand der piezoelektrischen Schicht 10, um die Elektrode 30 von außen elektrisch kontaktieren zu können.

Aufgrund eines im Bereich der Innenelektrode 30 wirkenden elektrischen Feldes ist die piezoelektrische Schicht 10 in diesem Bereich piezoelektrisch aktiv. Im Gegensatz dazu ist die piezoelektrische Schicht 10 in ihrem Randbereich, wo keine Innenelektrode 30 vorhanden ist, piezoelektrisch inaktiv. Man unterscheidet daher einen piezoelektrisch aktiven Bereich 70 und einen piezoelektrisch inaktiven Bereich 80 (vgl. 1). Die oben genannten Leckströme LS treten gerade an den Ecken und Kanten der vergrabenen Innenelektrode 30 auf, wie es in 1 angedeutet ist. Dies ist der Übergangsbereich zwischen dem piezoelektrisch aktiven Bereich 70 und dem piezoelektrisch inaktiven Bereich 80.

Im oben genannten Übergangsbereich kommt es auf der Seite des inaktiven Bereichs 80 zu Zugspannungen in Stapelrichtung, das heißt senkrecht zur Fläche der Innenelektrode 30, bedingt durch die piezoelektrische Dehnung des angrenzenden aktiven Bereichs 70. Auf der Seite des aktiven Bereichs 70 kommt es wiederum zu lateralen Zugspannungen. Diese entstehen einerseits beim Abkühlen des Biegewandlers nach der Sinterung aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der piezoelektrischen Keramikschicht 10 und der metallischen Innenelektrode 30. Andererseits entstehen diese lateralen Zugspannungen durch die laterale Verkürzung des piezoelektrisch aktiven Bereichs 70, die auch als Quereffekt bezeichnet wird, während des Betriebs des Biegewandlers. Die genannten Zugkräfte führen zu Mikrorissen und Mikrorissnetzwerken bis hin zur äußeren Oberfläche des inaktiven Bereichs 80 und der piezoelektrischen Schicht 10. In Folge des Eindringens von Luftfeuchtigkeit in die Mikrorisse und Mikrorissnetzwerke wird die Bildung von Leckstrompfaden unterstützt, die zum Versagen des Mehrschichtbauelements führen.

Um dem oben beschriebenen Versagen der Mehrschichtbauelemente entgegen zu wirken, werden diese isoliert. Die Isolierschicht muss einen hohen Isolationswiderstand, eine geringe Wasserdurchlässigkeit und eine hohe Dauerfestigkeit während des Betriebs des Mehrschichtbauelements aufweisen. Bei freiliegenden Innenelektroden, das heißt bei Innenelektroden, die bis an den äußeren Rand der piezoelektrischen Schicht reichen, werden verschiedene Materialien, wie beispielsweise Parlene, Wachse, Lacke, eingesetzt. Eine weitere Art der Isolation der Innenelektroden besteht in dem oben beschriebenen „Vergraben" der Innenelektroden 30. Aber auch bei dieser Anordnung kommt es zu Ausfällen bei einer relativen Luftfeuchtigkeit > 50%.

Daher müssen die Mehrschichtbauelemente in Einzeltests auf ihre Tauglichkeit überprüft werden.

Im Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, die Bildung von Mikrorissen zu reduzieren. Eine Möglichkeit besteht darin, Elektrodenpasten mit gleichem Ausdehnungskoeffizient wie die piezoelektrische Keramik, beispielsweise Metallpaste mit Keramik- oder Glasanteil, einzusetzen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die geringe Stromtragfähigkeit der Innenelektrode und/oder eine Reduzierung der piezoelektrischen Kennwerte. Eine weitere Möglichkeit besteht im Bedrucken des Isolationsbereichs oder inaktiven Bereichs mit nicht leitenden Pasten. Diese nicht leitenden Pasten müssen einen angepassten Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der die Zugspannungen bei der Bauelementherstellung reduziert. Der Nachteil dieser Möglichkeit besteht darin, dass die piezoelektrische Keramikschicht sowohl mit der Innenelektrode als auch mit der nicht leitenden Paste bedruckt werden muss. Diese zwei Bedruckungsvorgänge stellen einen erhöhten Verfahrensaufwand dar und müssen zudem genau aufeinander abgestimmt sein.

Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, ein Mehrschichtbauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, mit dem die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können.

Die obige Aufgabe wird durch ein piezoelektrisches Mehrschichtbauelement gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden Ansprüchen hervor.

Das piezoelektrische Mehrschichtbauelement ist vorzugsweise ein Biegewandler oder ein Vielschichtaktor. Es umfasst die folgenden Merkmale: mindestens eine piezoelektrische Schicht mit einer Oberseite und einer Unterseite, jeweils eine Elektrodenfläche auf der Oberseite und der Unterseite der piezoelektrischen Schicht, die sich gegenüberliegend angeordnet sind, während mindestens eine der Elektrodenflächen eine geschlossene Innenfläche und eine durchbrochene, die Innenfläche zumindest teilweise umgebende Randfläche umfasst, so dass ein Übergangsbereich zwischen einem piezoelektrisch aktiven und einem piezoelektrisch inaktiven Bereich in der piezoelektrischen Schicht einstellbar ist.

Im Gegensatz zu bekannten piezoelektrischen Mehrschichtbauelementen mit vergrabenen Innenelektroden (s. oben) offenbart die vorliegende Erfindung die Gestaltung einer Innenelektrode, die im Vergleich zum Stand der Technik einen weniger abrupten Übergang zwischen dem piezoelektrisch aktiven und dem piezoelektrisch inaktiven Bereich des Mehrschichtbauelements realisiert. Mit Hilfe der Innenelektrode bestehend aus der geschlossenen Innenfläche und der durchbrochenen, die Innenfläche zumindest teilweise umgebenden Randfläche ist ein Abfall der elektrischen Feldstärke innerhalb der piezoelektrischen Schicht ausgehend von der Innenfläche in Richtung des äußeren Rands der piezoelektrischen Schicht gezielt einstellbar. Die Abnahme der elektrischen Feldstärke im Übergangsbereich zwischen piezoelektrisch aktivem Bereich und piezoelektrisch inaktivem Bereich bestimmt die durchbrochene Randfläche. Sie wird durch eine nicht durchgehende sondern durchbrochene Elektrodenfläche bereitgestellt, so dass sich mit Zunahme der durchbrochenen Bereiche die in der piezoelektrischen Schicht wirkende elektrische Feldstärke verringert. Mit Hilfe dieser Elektrodenkonstruktion ist der Übergang zwischen dem piezoelektrisch aktiven und dem piezoelektrisch inaktiven Bereich sowohl im Hinblick auf die elektrischen Lasten als auch im Hinblick auf die mechanischen Belastungen innerhalb der piezoelektrischen Schicht weniger scharf verglichen zum Stand der Technik. Dadurch werden die Materialbelastungen reduziert und die Versagenswahrscheinlichkeit des piezoelektrischen Mehrschichtbauelements verringert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Randfläche durch eine netzartige Struktur bestehend aus Elektrodenbereichen und durchbrochenen Bereichen gebildet. Es ist zudem bevorzugt, dass die Dichte der durchbrochenen Bereiche innerhalb der Randfläche mit zunehmender Entfernung von der Innenfläche zunimmt.

Mit Hilfe der oben zusammengefassten Konstruktion der Innenelektrode sind sowohl Vielschichtaktoren als auch Biegewandler herstellbar. Das vorgeschlagene Elektrodendesign reduziert die Bildung von Mikrorissen und Mikrorissnetzwerken an vergrabenen Innenelektroden, so dass die Lebensdauer piezoelektrischer Mehrschichtbauelemente erhöht wird.

Des Weiteren offenbart die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für die oben beschriebenen piezoelektrischen Mehrschichtbauelemente. Dieses Herstellungsverfahren umfasst die folgenden Schritte: Herstellen mindestens einer piezoelektrischen Folie, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, Aufbringen einer Elektrodenfläche zumindest auf die Ober- oder Unterseite der piezoelektrischen Schicht derart, dass die Elektrodenfläche eine geschlossene Innenfläche und eine durchbrochene, die Innenfläche zumindest teilweise umgebende Randfläche aufweist, Stapeln der piezoelektrischen Folie mit Elektrodenfläche auf eine Schicht mit einer Elektrode, so dass die piezoelektrische Folie an der Elektrode anliegt, und Sintern der Struktur aus dem vorhergehenden Schritt zu einem piezoelektrischen Mehrschichtbauelement.

Um die Randfläche der Elektrodenfläche zu realisieren, wird gemäß einer Ausführungsform eine netzartige Struktur in der Randfläche bestehend aus Elektrodenbereichen und durchbrochenen Bereichen erzeugt.

Zur Herstellung des obigen piezoelektrischen Mehrschichtbauelements sind sämtliche geeignete Herstellungsverfahren anwendbar, die eine verlässliche Herstellung des obigen Innenelektrodendesigns gewährleisten. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Elektrodenflächen des Mehrschichtbauelements mittels Siebdruck erzeugt. Um die unterschiedlichen Strukturen der Innenfläche und der Randfläche zu erzielen, werden bevorzugt unterschiedliche Siebstrukturen bei einem Siebdruck der jeweiligen Fläche eingesetzt.

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 den Aufbau einer Innenelektrode gemäß dem Stand der Technik,

2 eine Ausführungsform der Innenelektrodengestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,

3 eine Ausschnittsvergrößerung aus 2 und

4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Die vorliegende Erfindung offenbart ein piezoelektrisches Mehrschichtbauelement 1. Zu diesen piezoelektrischen Mehrschichtbauelementen 1 zählen beispielsweise piezoelektrische Vielschichtaktoren und Biegewandler, deren vielfältige Anwendung bekannt ist.

Um die Lebensdauer bekannter Mehrschichtbauelemente 1 zu erhöhen, wird eine Innenelektrodengestaltung eingesetzt, die schematisch in 2 dargestellt ist. 2 zeigt den Querschnitt eines Mehrschichtbauelements 1. Das Mehrschichtbauelement 1 besteht aus mindestens einer piezoelektrischen Schicht 10 mit einer Oberseite 20 und einer Unterseite. Die piezoelektrische Schicht 10 ist aus ferroelektrischer oder allgemein piezoelektrischer Keramik aufgebaut.

Auf die Oberseite 20 der piezoelektrischen Schicht 10 ist eine Elektrodenfläche 30 aufgebracht. Die Elektrodenfläche 30 ist in ihrer Größe derart angepasst, dass sie nicht die gesamte Oberseite 20 der piezoelektrischen Schicht 10 bedeckt.

Durch die Größenunterschiede zwischen der Elektrodenfläche 30 und der piezoelektrischen Schicht 10 entstehen im inneren Volumen des Mehrschichtbauelements 1 ein piezoelektrisch aktiver Bereich 70 und ein piezoelektrisch inaktiver Bereich 80.

Die Elektrodenfläche 10 weist eine geschlossene Innenfläche 30 und eine Randfläche 60 auf (vgl. 2), die aus geeignetem Elektrodenmaterial bestehen. Die Randfläche 60 umgibt die Innenfläche 30 zumindest teilweise, während beispielsweise ein Elektrodensteg 32 vorgesehen ist, der eine elektrische Kontaktierung der Elektrodenfläche 10 von außen ermöglicht. Während die Innenfläche 30 eine geschlossene Elektrodenfläche darstellt, wird die Randfläche 60 durch eine durchbrochene, nicht geschlossene Elektrodenfläche gebildet.

Die Randfläche 60 wird vorzugsweise mittels einer netzartigen Struktur realisiert, wie sie in 3 beispielgebend dargestellt ist. 3 zeigt eine Vergrößerung des eingekreisten Bereichs aus 2. Diese netzartige Struktur der 3 setzt sich aus Elektrodenbereichen 92 und durchbrochenen Bereichen 94 zusammen. Gemäß einer Alternative bestehen die Elektrodenbereiche 92 aus dem gleichen Elektrodenmaterial wie die Innenfläche 40. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Elektrodenfläche 30 bestehend aus Innenfläche 40 und Randfläche 50 in einem Arbeitsschritt herzustellen. Es ist ebenfalls denkbar, die Innenfläche 40 und die Randfläche 50 aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien und/oder in getrennten Verfahrensschritten zu erzeugen.

Die Anwendung der Innenfläche 40 in Kombination mit der Randfläche 50 dient dazu, einen weniger scharfen Übergang zwischen dem piezoelektrisch aktiven Bereich 70 und dem piezoelektrisch inaktiven Bereich 80 zu gewährleisten. Auf diese Weise sind die mechanischen und elektrischen Belastungen in diesem Übergangsbereich reduzierbar, was zu einer verringerten Mikrorissbildung und zu einer höheren Lebensdauer des Mehrschichtbauelements 1 führt. Des Weiteren können basierend auf dieser Konstruktion kostenintensive äußere Beschichtungen des Mehrschichtbauelements 1 beispielsweise zu Isolationszwecken eingespart werden.

Um den Übergang zwischen piezoelektrisch aktivem Bereich 70 und piezoelektrisch inaktivem Bereich 80 einzustellen, wird eine Dichte der durchbrochenen Bereiche 94 innerhalb der Randfläche 50 gezielt variiert. Gemäß einer Ausführungsform nimmt die Dichte der durchbrochenen Bereich 94 innerhalb der Randfläche 50 mit zunehmender Entfernung von der Innenfläche 40 zu. Diese Dichtezunahme kann sowohl stetig als auch stufenweise ausgeführt sein. Es ist ebenfalls denkbar, nach einer Dichtezunahme der durchbrochenen Bereiche 94 mit zunehmender Entfernung von der Innenfläche 40 wieder eine Dichteabnahme gefolgt von einer weiteren Dichtezunahme dieser Bereiche zu realisieren. Diese Gestaltung ist beispielsweise in Abhängigkeit von den konstruktiven Besonderheiten oder geometrischen Gestaltungen des Mehrschichtbauelements 1 variierbar.

Es ist des Weiteren bevorzugt, die Elektrode 30 ausgehend von und mit zunehmender Entfernung von der Innenfläche 40 innerhalb der Randfläche 50 immer dünner werden zu lassen, bis keine durchgehende Bedruckungsfläche oder Elektrodenfläche in der Randfläche 50 mehr vorhanden ist. Diese und die obigen Strukturen führen zur Verringerung der Zugspannungen im Übergangsbereich zwischen piezoelektrisch aktivem Bereich 70 und piezoelektrisch inaktivem Bereich 80, die als Auslöser von Mikrorissen erkannt worden sind. Im Hinblick auf die unterschiedlichen beschriebenen Strukturen können grundsätzlich mit dem gängigen Herstellungsverfahren für Siebdrucksiebe alle möglichen Strukturen in der Randfläche 50 hergestellt werden. Ergänzend dazu werden zweckmäßigerweise zudem die Elektrodendicke und die Abkühlkurven bei der Sinterung zur Minimierung der mechanischen Spannungen im Mehrschichtbauelement 1 optimiert.

In Abhängigkeit von Anzahl, Gestalt und Ansteuerung der übereinander gestapelten piezoelektrischen Schichten mit Innenelektrode 30, 40, 50 lassen sich somit sowohl Vielschichtaktoren als auch Biegeelemente aufbauen.

In 4 ist eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für ein Mehrschichtbauelement 1 in Form eines Flussdiagramms zusammenfassend dargestellt. Zunächst wird eine piezoelektrische Folie 10 mit einer Ober- 20 und einer Unterseite hergestellt (S1). Nachfolgend wird im Schritt S2 die Elektrodenfläche 30 bestehend aus Innenfläche 40 und Randfläche 50 mittels Siebdruck aufgebracht. Zur Realisierung der unterschiedlichen Gestaltung von Innenfläche 40 und Randfläche 50 werden unterschiedliche Siebstrukturen eingesetzt. Es ist ebenfalls denkbar, andere Verfahren als den Siebdruck einzusetzen, sofern damit die oben beschriebenen Elektrodengestaltungen realisierbar sind. Im Schritt S4 wird die piezoelektrische Folie 10 mit Elektrodenfläche 30, 40, 50 auf mindestens eine weitere Schicht mit Elektrode gestapelt, so dass die piezoelektrische Folie 10 an Ober- und Unterseite sich gegenüberliegende Elektroden aufweist. Es ist ebenfalls denkbar, gleichartig ausgebildete piezoelektrische Folien 10 übereinander zu stapeln, so dass zwischen jeweils zwei Elektrodenflächen 30, 40, 50 eine piezoelektrische Folie 10 angeordnet ist. Abschließend werden im Schritt S5 die gestapelten Schichten gesintert, so dass beispielsweise ein Vielschichtaktor oder ein Biegeelement entsteht.

• S1 Herstellen mindestens einer piezoelektrischen Folie 10
• S2 Aufbringen einer Elektrodenfläche 30 mit Siebdruck
• S3 Anwenden unterschiedlicher Siebstrukturen für die Innenfläche 40 und die Randfläche 50 der Elektrodenfläche 30
• S4 Stapeln der piezoelektrischen Folie 10 mit Elektrodenfläche 30 auf mindestens eine weitere Schicht mit Elektrode, so dass die piezoelektrische Folie 10 an Ober- und Unterseite Elektroden aufweist
• S5 Sintern der gestapelten Schichten