专利名称：固态致动器，尤其是压电陶瓷致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态致动器，尤其是一种压电陶瓷致动器，其具有一基片，所述基片上涂覆有至少一个致动器层，所述致动器层特别为一压电陶瓷层，其中，所述致动器层布置在复数个接触电极之间。
背景技术：
已知的最简单的固态致动器，尤其是压电陶瓷致动器，由一致动器材料与一基片构成，或由例如两个以上附着在一起的圆片构成，所述圆片是由压电陶瓷材料制成的。通过在一个或复数个致动器层的两侧沉积接触电极并在所述接触电极上施加一电压，可在所述接触电极之间形成一电场，从而使压电陶瓷材料受到电场的作用，其结果是，所述压电陶瓷材料会发生长度变化。
固态致动器例如可建构为压电弯曲模式变换器。在最简单情况下，在被称为“双压电晶片”的复合体中，压电陶瓷致动器层布置在一非压电基片，或者更确切地说，一未受驱动的压电基片上，其中，致动器层通常用PZT陶瓷制成，即掺有杂质的锆钛酸铅。弯曲模式变换器通常是一端夹紧，其中，产生在固态致动器自由端上的力或偏移被用作致动特性。如果借助一电场在厚度方向上对弯曲模式变换器进行驱动，变换器就会在其横向上缩短，其顶端就会因此而在致动器层方向上发生偏移。
此外还有其他的已知压电弯曲模式变换器，这些压电弯曲模式变换器在设计、构造方式、承载体材料选择和其他标准方面互不相同。被称为三形体(Trimorph)的固态致动器，典型地由两个压电致动器层以及夹置在这两个层之间的基片构成，这两个电致动器层例如交替驱动。除此之外，现有技术中还具有不设有基片、而只由多个压电陶瓷致动器层构成的多层弯曲模式变换器。这些多层弯曲模式变换器中只有一半受到电驱动，从而产生一偏斜。
上述弯曲模式变换器的共同之处在于，借助接触电极对这些弯曲模式变换器进行快速电驱动后，其会随时间推移而产生视谐振频率而定的即时致动器响应，但随后又会额外出现显著的蠕变行为，从而使得偏移或力在一段很长的时间内继续上升。随后的蠕变在量上最高可能会达到弯曲模式变换器总偏移的20％。取决于所应用的驱动情况，这种蠕变可能会持续多个小时，甚至多天。在实践中由此而产生的缺点是，必须将在接触电极上施加或断开电压时出现的蠕变作为附加公差考虑在内。因而，一般只将没有额外蠕变的简短的即时致动器行程用作有用的偏移行程或动力行程。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种不具有上述缺点或至少只在较小程度上具有上述缺点的固态致动器。
这个目的通过具有权利要求1、2或3所述特征的固态致动器而达成。从属权利要求说明的是优选的设计方案。
根据本发明的一个方案，通过使构成致动器层的材料具有比通常所用的材料，例如锆钛酸铅(PZT)，更高的电导率，也就是更低的电阻率，可显著减少蠕变现象。根据本发明，这种特别建构为压电陶瓷层的致动器层的电阻率的数量级为1·108Ωm至1·1010Ωm。因此，本发明的致动器层的电阻率比典型压电陶瓷层的电阻率低10的几次方倍，例如，软PZT的电阻率约为1·1012Ωm。
通过提高电导率所能取得的优点是，可在显著短的时间内实现一传统固态致动器可达到的行程或偏移，其中包括通过蠕变过程而可实现的偏移。换句话说就是，与迄今为止所用的固态致动器相比，借助本发明的固态致动器可在更短的时间内实现相同的偏移，从而使得固态致动器可以以更高的时钟频率工作。这一方面使得不仅可将没有发生额外蠕变过程的短行程用作有用的偏移行程或动力行程，还可将固态致动器发生的物理上可能的行程用作有用的偏移行程或动力行程。由此可简化对固态致动器的驱动，因为在此情况下，就无需再将施加和断开电压时发生的蠕变作为附加公差考虑在内。
借助本发明的固态致动器的第二方案可获得同样的优点，其中，设置一致动器驱动装置，该致动器驱动装置用于在接触电极上施加一驱动电压，所选择的最高驱动电压使得固态致动器中的最大机械应力(mechanischeSpannung)小于矫顽电压(Koerzitivspannung)。通常所用的压电陶瓷材料的机械应力在所谓的矫顽电压值范围之内，在此范围内在机械应力的影响下会发生最大的畴转变。这被称为所谓的“铁弹性行为”。所述第二方案基于这样一种惊人的认识，即，畴转变或铁弹性过程(ferroelastischer Prozess)发生于弯曲机中机械应力达到矫顽电压水平的区域内，而蠕变则至少部分是由所述的畴转变或铁弹性过程引起的。众所周知，机械应力沿致动器层的厚度发生变化，而其在致动器层的纵向上则保持恒定。畴转变过程是晶核形成和生长过程，其特征在于需要一定的时间。通过避免铁弹性畴转变可使固态致动器的动作，即弯曲，不会发生延迟。
上文所述的本发明的优点也可通过本发明的固态致动器而实现，这种固态致动器结合有所述第一和第二方案的特征。据此，所述本发明的固态致动器的第三方案的特征在于，致动器层的电阻率的数量级为1·108Ωm至1·1010Ωm，设置一用于在接触电极上施加一驱动电压的致动器驱动装置，选择的最高驱动电压使得固态致动器中的最大机械应力小于矫顽电压。
根据一优选设计方案，一具有上述特征的固态致动器构成这样一种压电弯曲模式变换器，其一端布置在一紧固件上或在一紧固件中，从而使得只有另一端能发生偏移。
本发明的另一设计方案是通过计算得出驱动电压和固态致动器中的机械应力之间的关系，或者将该关系存储在一列表中，例如存储于致动器驱动装置内。
根据本发明的一个设计方案，通过在致动器材料中掺入一价、二价或三价阳离子可提高致动器层的材料的电导率。锆钛酸铅是优选的致动器原材料。根据一个设计方案，通过钙钛矿晶胞(Perkoswit-Zelle)A位上的一价阳离子可形成受体掺杂。根据另一设计方案，通过钙钛矿晶胞B位上的二价或三价阳离子也可形成受体掺杂。还有一种可以想象到的方式就是将所述的两种特定的实现受体掺杂的可能方案结合起来。
根据另一设计方案，固态致动器建构为所谓的三形体，其中，基片布置在两个致动器层之间。
根据另一优选的设计方案，基片建构为致动器层，特别建构为压电陶瓷层，从而使得固态致动器构成一包括至少两个致动器层的多层致动器。
根据另一设计方案，固态致动器可具有两个以上可构成多层致动器的致动器层，其中，布置在层堆叠内部的接触电极同样在驱动装置的驱动下构成等位面。导电性良好的、布置在层堆叠内部的电极优选地由银或银合金构成，并起到等位面的作用，因此，这些电极通过相应的电荷可补偿很大一部分电场分布。此外，构成电极的银扩散到相邻的压电陶瓷致动器层中，使得陶瓷中出现其他的自由电荷载流子，从而使得电导率优选地得到进一步提高。这种效果由于大量电极的存在而特别明显。与现有技术中迄今为止所用的固态致动器相比，采取这种建构方案的多层致动器同样具有如本文背景技术部分所述的优点。尤其是可观察到显著的蠕变减少。
根据一个设计方案，多层致动器的致动器层的厚度在10μm至30μm的范围内，特别为20μm。具有上述特定致动器层层厚的多层致动器的总厚度相对于已知的多层致动器而言是不变的。换句话说就是，本发明的多层致动器具有相应更多的致动器层，因为传统致动器层的厚度在80μm以上的范围内。
下面借助附图对本发明的固态致动器的其他特征作进一步说明，其中图1为本发明的一建构为双压电晶片弯曲模式变换器(bimorpherBiegewandler)的固态致动器示意图；图2为显示图1所示的固态致动器的各层沿z轴的长度变化的图；图3为显示图1所示的固态致动器沿z轴的机械应力的图；图4为显示在固态致动器的致动器层的电导率不同的情况下固态致动器响应一驱动信号而发生的偏移的图；图5为显示根据本发明对一固态致动器的驱动的图；以及图6为一本发明的多层致动器与一现有技术中已知的多层致动器的对比图。
具体实施例方式
图1显示的是本发明的固态致动器1的横截面。这个固态致动器包括一由一电绝缘材料构成的基片2，与一涂覆在所述基片上的压电陶瓷材料构成的致动器层3，所述压电陶瓷材料例如为锆钛酸铅。致动器层3的两侧布置有接触电极4、5，所述接触电极上可施加一电压，从而在接触电极4、5之间形成一电场。本发明的固态致动器1的机械构造基本与已知的固态致动器无异。为避免在施加或断开电压时发生明显的蠕变行为，所述压电陶瓷材料相对于已知的布置已有所改变，同时，作为可选或补充性方案，在对固态致动器1的驱动方面也进行了修改。
通过在接触电极4、5上施加一电压，致动器层3会沿其z轴膨胀，而在x方向上会出现收缩，从而使得固态致动器向上弯曲。基片和致动器层3内部发生的长度变化Δl/l0由图2图示。基片2在到达所谓的中性相位7之前会一直膨胀，而致动器层3则会被压缩。由于基片2的材料特性与致动器层3不同，因此在通过零交叉点时，机械应力会发生步进变化。
根据图3所示的方程式，σ=Y·Δll0]]>基片2的大部分区域上会受到张力的作用，而致动器层3的内部会受到压缩。由于杨氏模量y2和y3不同，因此基片2和致动器层3之间的过渡上会出现压缩负载的不连续性，这种不连续性还会以变化的斜率体现出来。
z轴上因而会出现一非均匀机械应力，其会导致致动器层3内出现一非均匀电场分布。因此在接触电极4、5上施加一电压时，致动器层3的内部产生的并非是一恒定的均匀电场，而是一与抛物线形电位分布具有相关性的线性电场。因此，为达到一平衡状态的目的，致动器层内部必须有电荷流动。其中可以看到，通过用一具有更高但确定的电导率的陶瓷来代替现有技术中具最大绝缘性的压电陶瓷，可以减少由于电荷平衡而产生的部分蠕变。根据进一步研究得出的结果是，当致动器层3的电阻率的数量级为1·108Ωm至1·1010Ωm时，可实现足够快的电位均衡，从而可实质上消除图1所示的弯曲模式变换器1的蠕变。通过已知方式在致动器层材料中进行少量的受体掺杂，可将致动器层的电导率提高10的几个次方，且不会在此过程中破坏其余的压电特性。此外，在钙钛矿晶胞A位上掺有一价阳离子(例如钠、铜或银)，或者作为可选或补充性方案，在钙钛矿晶胞B位上掺有二价或三价阳离子(铬、铁、锰)的锆钛酸铅适合用作致动器层的原材料。
图4显示的是致动器层的不同电导率的效应。在一时间点t0上，在固态致动器1的接触电极4、5上施加一电压。受这一电压的影响，弯曲模式变换器发生偏移。其中，低电导率致动器层(陶瓷)产生最小的偏移。像现有技术中的压电陶瓷那样的低电导率陶瓷在时间点t1上达到一行程H1，并以渐进方式接近一终值H3。其中，超过值H1的偏移增加被称为“蠕变行为”。在时间点t3上达到偏移H2。只有在驱动信号保持其附图所示的值的情况下才能实现可能的最大偏移H3。作为对比，本发明的一高电导率陶瓷在时间点t1上就已发生偏移H2。H2和H3之间的其他可能的偏移对实践而言无关紧要。
图示内容表明，一弯曲模式变换器在相同的时间内可实现大得多的偏移，或者，可以在较少时间内实现一要求的偏移。
借助致动器层内额外的自由电荷载流子可减小该固态致动器的蠕变效应。但是蠕变也会受到另一种被称为“畴转变”的效应的影响。引起畴转变，即元偶极子方向改变的原因既可能与电有关，也可能是机械因素。其中，传统压电陶瓷层的可能的最大机械应力Tmax在所谓的矫顽电压值范围之内，在该范围内在机械应力的影响下会发生最大的畴转变。这被称为“铁弹性行为”。因此，为避免畴转变效应，驱动电压被限制为，在一受控固态致动器内，最大机械应力永远小于矫顽电压(图5)。相应信息可通过计算或借助在一致动器驱动装置内存储的数值来获得。也可以使用其他的压电陶瓷，其材料特性已展现出较大的矫顽电压。其中，适用的材料为矫顽电压大于25MPa的材料。
在固态致动器被实施为多层致动器的情况下，由于改变了物理构造，蠕变行为已经实现。图6a显示的是一现有技术中已知的多层致动器(由三个层3构成)。其中，每个致动器层3均具有约为80μm以上的层厚。致动器驱动装置同样向布置在层堆叠中的电极施加驱动信号。
与此不同，图6b显示的是一本发明的多层致动器，其中，各致动器层3的层厚均在10μm至30μm范围内，优选为20μm。位于层堆叠内部的电极受致动器驱动装置驱动，并与多层致动器外侧上的接触电极4、5之间具有一连接。布置在多层致动器内部的、优选由银或银合金构成的电极借此构成多个等位面，这些等位面可通过相应的电荷补偿绝大部分的电场分布。此外，构成电极的银扩散到相邻的压电陶瓷致动器层中，使得陶瓷中出现其他的自由电荷载流子，从而使得电导率有利地得到进一步提高。这种效果由于大量电极的存在而特别明显。通过这种方法可确保蠕变行为得到改善。结合上文所述的各项改善措施，可进一步优化蠕变行为。
示例下面以一典型的弯曲模式变换器为例对本发明的想法进行再次清楚说明。一弯曲模式变换器由一绝缘基片以及涂覆在该绝缘基片两侧上的两个压电陶瓷层(44×7.2×0.26mm3)构成。若对其中一个致动器层施加200V的电压，当电阻率为软PZT通常所具有的1·1012Ωm时，就会产生0.24nA的电流。内部电荷反转(Umladungsprozesse)过程的时间常数在1至1000秒的范围内。通过适当的掺杂将陶瓷材料的电阻率降低10的三次方时，与蠕变相关的时间常数就会减小到毫秒或秒的数量级内。与此同时，弯曲模式变换器的稳态电流仍会保持低于1μA的极限值。
权利要求
1.一种固态致动器(1)，尤其是一种压电陶瓷致动器，其具有一基片(2)，在所述基片上施加至少一个特别为压电陶瓷层的致动器层(3)，所述致动器层(3)布置在复数个接触电极(4，5)之间，其特征在于，所述致动器层(3)的电阻率的数量级为1·108Ωm至1·1010Ωm。
2.一种固态致动器，尤其是一种压电陶瓷致动器，其具有一基片(2)，在所述基片上施加至少一个特别为压电陶瓷层的致动器层(3)，所述致动器层(3)布置在复数个接触电极(4，5)之间，其特征在于，设置有一致动器驱动装置(6)，该致动器驱动装置(6)用于在所述接触电极(4，5)上施加一驱动电压，其所选择的最高驱动电压使得所述固态致动器中的最大机械应力小于矫顽电压。
3.一种固态致动器，尤其是一种压电陶瓷致动器，其具有一基片(2)，在所述基片上施加有至少一个特别为压电陶瓷层的致动器层(3)，所述致动器层(3)布置在接触电极(4，5)之间，其特征在于，所述致动器层(3)的电阻率的数量级为1·108Ωm至1·1010Ωm，以及设置有一致动器驱动装置(6)，该致动器驱动装置(6)用于在所述接触电极(4，5)上施加一驱动电压，其所选择的最高驱动电压使得所述固态致动器中的最大机械应力小于矫顽电压。
4.根据权利要求2或3中任一项权利要求所述的固态致动器，其特征在于，所述驱动电压和所述固态致动器(1)中的机械应力之间的关系存储在一列表内或通过计算得出。
5.根据权利要求1或3中任一项权利要求所述的固态致动器，其特征在于，所述致动器层(3)由锆钛酸铅(PZT)构成，并额外掺有一价、二价或三价阳离子。
6.根据权利要求5或6所述的固态致动器，其特征在于，所述一价阳离子注入在钙钛矿晶胞的A位上，并形成一受体掺杂。
7.根据权利要求5所述的固态致动器，其特征在于，所述二价或三价阳离子注入在钙钛矿晶胞的B位上，并形成一受体掺杂。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的固态致动器，其特征在于，所述基片(2)布置在两个致动器层之间。
9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的固态致动器，其特征在于，所述基片(2)建构为致动器层(3)，所述基片(2)特别建构为压电陶瓷层。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的固态致动器，其特征在于，所述固态致动器具有两个以上致动器层(3)，用于构成一多层致动器，布置在层堆叠内部的接触电极(8)由所述致动器驱动装置(6)驱动而构成等位面。
11.根据权利要求10所述的固态致动器，其特征在于，所述多层致动器的致动器层(3)的厚度在10μm至30μm的范围内，特别为20μm。
12.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的固态致动器，其特征在于，所述固态致动器构成一压电弯曲模式变换器。
全文摘要
本发明涉及一种固态致动器(1)，尤其是一种压电陶瓷致动器，其具有一基片(2)，所述基片上涂覆有至少一个特别为压电陶瓷层的致动器层(3)，所述致动器层(3)布置在接触电极(4，5)之间。为避免所述固态致动器发生蠕变行为，将所述致动器层(3)的电阻率定在1·10
文档编号H01L41/18GK101053088SQ200580033178
公开日2007年10月10日 申请日期2005年8月2日 优先权日2004年9月30日
发明者卡尔·卢比茨, 索斯藤·斯坦科普夫 申请人:西门子公司