专利名称：压电多层部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造压电多层部件的方法以及一种可由该方法生产的压电 多层部件，该压电多层部件具有机械稳定性较低的区域。
背景技术：
从DE 10 2006 031 085 Al 中公知一种具有脆弱层(Sollbruchschicht)的压电 多层部件。
发明内容
要解决的任务在于，说明一种压电多层部件，该压电多层部件可以在尽可能长的 时间段内稳定地运行。说明一种作为中间产品的压电多层部件，该压电多层部件具有上下相叠布置的未 烧结的压电陶瓷层的叠层，其中第一电极层施加在压电陶瓷层上并且包含第一金属。第二 电极层施加在另一压电陶瓷层上并且在叠层方向上与第一电极层相邻。与第一电极层相 比，第二电极层包含更高浓度的第一金属。在此，概念“浓度”表示相应电极层中金属的重 量份额。如果烧结该中间产品，则第二电极层中的第一金属部分地扩散到第一电极层并且 与此同时在第二电极层中留下空腔。在此，第一金属的浓度差被选择为使得第二电极层在 该多层部件运行时仍然可以充当电极层，直到该多层部件在特定机械负荷下在第二电极层 中破裂。因此，第二电极层还充当脆弱层。第一电极层中的第一金属的浓度少于100%。在此优选的是，在第一电极层中的第 一金属的浓度最多为80%。已经证实，作为第一金属，铜是特别有利的，因为铜在相对低的温度下变软，因此 可以实现压电多层部件的经济的烧结，在烧结时，铜与压电陶瓷层良好地结合。此外已经证 实，与诸如钯或者钼的其他金属相比，铜相对容易地扩散通过压电陶瓷。这有助于以下所述 的压电多层部件的制造，所述压电多层部件具有在机械上被削弱的区域，该区域具有空腔。替代铜，可以使用其他金属作为第一金属，例如银或者镍。根据一个实施方式，第一电极层包含额外的第二金属，该第二金属不同于第一金 jM ο优选的是，与第一金属相比，第二金属较差地扩散通过与第一电极层相邻的压电 陶瓷层。因此，金属扩散通过多层部件主要由第一金属实现，尤其是由铜实现。根据哪种金属作为第一金属用在第一电极层中，优选从钯、铍、铝、锰、锌、锡、铋、 镍、钴、铬、钼、铌、铷中选出第二金属。有利的是，与第二金属相比，在第一电极层中第一金属具有更高浓度。例如在第一 电极层中第一金属的浓度可以是70 %而第二金属的浓度可以是30 %。在此重要的是，第一 电极层中第一金属的浓度低于第二电极层中第一金属的浓度，从而可以发生从第二电极层至第一电极层的扩散。通过第一金属的扩散，第一电极层和第二电极层之间的第一金属浓 度差以自然的方式减小，即第二电极层中第一金属的浓度下降。根据一个实施方式，第二电极层作为金属仅仅包含第一金属。因此第二电极层例 如可以仅仅包含铜作为金属。但是，第二电极层也可以包含铜(作为第一金属)和例如镍 氧化物的混合物或者铜和镍的合金。在此，铜镍合金应理解为第一金属。为了优选在一个方向上发生扩散从而仅仅使一种电极层在材料方面遭受损失并 且由此在机械上被削弱，优选在第一电极层中和第二电极层中使用在压电陶瓷材料中具有 不同扩散率的金属。优选的是，将第一电极层和第二电极层之间的第一金属的浓度差调整为使得在加 热多层部件时第二电极层中的第一金属的扩散导致第二电极层的材料损失。在此，将浓度 差-即第一电极层中第一金属的浓度相对于第二电极层中第一金属的浓度-调整为使得在 第一金属的一部分迁移之后第二电极层在结构上保持完好。因此，第二电极层可以在多层 部件运行时充当电极层。相反，第二电极层的过高材料损失将导致，第二电极层连同压电陶瓷层和极性相 反的电极层一起不能再建立显著的电场，从而由此也不能实现与第二电极层相邻的压电陶 瓷的膨胀。因此，压电多层部件在运行时的性能将下降。尤其是，所述浓度差被调整为使得在第二电极层和可能施加在叠层的一侧上的外 部接触之间保持电连接。因此不应由于第一金属的扩散而中断在外部接触和第二电极层之 间的电连接。优选的是，压电多层部件的压电陶瓷层包含PZT(锆酸铅-钛酸盐)陶瓷。已经证 实，金属-尤其是铜-在对压电多层部件进行烧结期间可以以相对小的阻力扩散通过PZT 陶瓷。因此，可以有助于压电多层部件的两个区域之间的金属扩散过程，其中第一金属在这 两个区域中具有不同的浓度。根据一个实施方式，中间产品包括压电陶瓷和位于其间的电极层，其中第一电极 层包含作为主要组分的第一金属，该第一金属具有高于50%的重量份额。第一电极层包含 作为次要组分的不同于第一金属的第二金属，该第二金属具有低于50%的重量份额，其中 关于金属的扩散，第一金属在陶瓷材料中比第二金属具有更高的移动性。第二电极层优选 在叠层方向上与第一电极层相邻，其中第二电极层包含的作为主要组分的第一金属的重量 份额高于第一电极层中的相应的重量份额。此外，说明一种用于制造压电多层部件的方法，其中烧结这里所描述的中间产品， 其中第一金属部分地从第二电极层扩散到第一电极层中并且与此同时在第二电极层中留 下空腔，由此第二电极层在机械上被削弱。在压电多层部件运行时，在机械上被削弱的第二电极层可以充当脆弱层，通过该 脆弱层，例如在该多层部件的特定拉力负荷下可能出现平行于压电陶瓷层或者平行于电极 层延伸的受控制的裂缝。相邻的压电陶瓷层可以在烧结时在空腔之间的区域中连接。
根据以下实施例和图详细解释所述主题。在此
图1示出压电执行器的纵剖面图；图2a和2b示出压电执行器中的极化裂缝；图3示出压电执行器的一个区段的纵剖面图，其中第一电极层与第二电极层相 邻；图4示出压电执行器的一个区段的纵剖面图，该区段具有极性相反的第一电极 层；图5示出压电执行器的一个区段的纵剖面图，该区段具有极性相同的第一电极层。
具体实施例方式图1示出示意性示出的压电执行器的纵剖面图，该压电执行器具有压电陶瓷层2 和位于其间的电极层3的叠层1。在叠层1的两个纵侧上施加有外部金属化层形式的外部 接触4，外部接触4与延伸至纵侧的电极层3电接触。不同极性的相邻电极层在(平行于压 电执行器的叠层轴线的)正交投影中重叠。在称作活化区域的重叠区域中，电场导致存在 于电极层之间的压电陶瓷层2的偏转或者膨胀的产生。极性相反的相邻电极层3相互不重 叠的区域称为非活化区域。在此区域中，几乎不因为压电效应而产生偏转。图2a示出裂缝6如何连接压电执行器的多个电极层3、尤其是极性相反的电极层 3。发明人已经确定压电执行器的可靠性决定性地取决于对可能出现的裂缝的控 制。在热过程中，例如在800和1500°C之间的温度下烧结时、在金属化和焊接时以及在经 烧结的压电执行器的极化时，由于活化区域和非活化区域中不同的膨胀而产生机械应力， 该机械应力导致压电执行器的所谓的减压裂缝和/或极化裂缝。这些裂缝在非活化区域中 沿着电极层3延伸或者在电极层3中延伸。在到活化区域中的过渡时，这些裂缝可以弯折。 在此如果这些裂缝跨越至少两个电极层，则可能产生短路，所述短路可以导致压电执行器 的故障。相反地，平行于内部电极的裂缝几乎不危及压电执行器的使用寿命。图3b示出压电执行器的叠层1中裂缝6的无危害的走向。在此，裂缝基本上平行 于电极层3或者压电陶瓷层2地延伸，从而裂缝不连接极性相反的电极层并且因此也不造 成短路。避免根据图2a的有害裂缝的思想在于使用由不同材料制成的相邻金属层，以激 发由于这些金属层的不同组成而在烧结过程期间在更高温度时将发生的扩散过程。在扩散 过程期间一个金属层或者金属层的合金的一种组分与其他金属层或组分相比将失去更多 的材料。在此，在该金属层中形成空腔，这导致该层的机械削弱。因此，极化裂缝或者其他 裂缝优选在机械削弱的金属层中形成并且仅仅在该层内延伸。图3示出压电多层部件的叠层1的一个区段，其中在两个第二电极层3b之间在压 电陶瓷层2上施加有第一电极层3a，其中与相邻的第二电极层相比，第一电极层3a具有更 低浓度的第一金属。压电陶瓷层例如包含具有根据以下公式的组成的陶瓷(PbxNdy) ((Zr1^zTiz) ^aNia) O3其中0. 90 ≤ χ ≤ 1. 10 ；
0. 0001 ^ y ^ 0. 06 ；0. 35 彡 ζ 彡 0. 60 ；OSa <0.10。第二电极层3b例如仅仅包含铜。第一电极层3a例如包含具有组成(l-x)Cu/xPd 的材料，其中0 < χ < 1。该材料或者可以是铜粉和钯粉的混合物或者可以是这两种金属的 合金。可替代于此地也可以替代铜而使用其他的金属，例如银。第一电极层3a例如包含由 银和钯构成的混合物或合金。第二电极层3b例如仅仅包含银。第一电极层3a和第二电极层3b的组成方面的不同将在更高的温度时激发扩散过 程。已经显示出，铜在基于PZT的压电陶瓷中显示出比钯更高的移动性。这导致仅仅在一 个方向上发生扩散，即在从由纯铜构成的第二电极层3b到包含铜和钯的第一电极层3a的 方向上发生扩散。因此，包含铜和钯的第一电极层3a充当铜宿(Kupfersenke)的角色。在 与第一铜钯电极层3a紧邻的第二电极层3b中的材料损失导致在第二电极层3b中或者在 第二电极层3b与位于周围或者相邻的压电陶瓷层2之间的临界处形成空腔。因此，为受控 制的裂缝的形成和延伸创造了条件，这些裂缝基本上平行于压电陶瓷层2。第二电极层3b中空腔的份额可以由第一电极层的组成、第一和第二电极层的厚 度以及由电极层中金属颗粒的颗粒大小控制。在此，仅仅特定数量的电极层必须具有特殊的材料组成，以便激发扩散过程。这简 化了压电执行器的制造。第二电极层3b在压电执行器的烧结过程期间失去其材料的特定份额并且在机械 上被削弱。在此优选地，在经削弱的第二电极层中空腔的份额不会过大，从而所述第二电极 层在运行时保持电活性，也就是说，可被用于建立电场。由此优选的是，将两种电极层的组 成调整为使得在以下两个方面之间实现折中(a)空腔足够多，以实现对第二电极层的足 够削弱，(b)第二电极层中的空腔不过多，因此不发生压电执行器在运行时的性能损失。如 果实现该折中，则这导致所述压电执行器的另一优点压电执行器的整体可以保持电活性。压电执行器中的第二电极层3b还可以包含其他材料来代替铜，例如由铜和另一 金属构成的合金或者由铜粉与另一无机材料_例如金属或氧化物_构成的混合物。例如，第二电极层可以由铜和镍的混合物或合金组成或者由铜和镍氧化物的混合 物组成。以下更详细地描述第一电极层的优选组成。铜的重量份额为99. 9 %至70 %，尤其 优选份额为97%至75%。第一电极层的剩余部分包含钯作为金属。在此，或者使用由铜和 钯构成的合金或者使用由铜粉和钯粉构成的混合物。第一电极层3a中和/或第二电极层3b中的铜颗粒具有0. 1至10 μ m的直径，优 选0.4至1.5μπι的直径。第一电极层中的钯颗粒同样具有0. 1至10 μ m的直径，优选0. 4至1. 5 μ m的直径。 其他金属颗粒、例如金属合金中的颗粒同样可以具有所述大小。 优选地，第一电极层3a和第二电极层3b借助于丝网印刷、喷镀或者喷射施加在压 电陶瓷层上。 两种电极层3a、3b在压电执行器未烧结状态中的厚度优选在0. 1和20 μ m之间， 优选在1. 0至10 μ m之间。
优选的是，至少一个第一种电极层3a嵌入在压电执行器中。还可以将除一个电极 层外压电执行器的所有电极层3实现为第一电极层3a而将剩余的电极层实现为第二电极 层3b。因此，在烧结时产生至少一个脆弱电极层。但是优选地，第一电极层3a占压电执行 器中存在的电极层3的总数的5至20%。图4示出压电执行器的叠层1的一个区段的纵剖面图，其中第一电极层3a交替地 在叠层2的不同纵侧上延伸。因此，第一电极层3a的极性沿着叠层方向交替，因为第一电 极层3a交替地与两个不同的外部接触(未示出，但为此参见图1)接触。图5示出压电执行器的叠层1的一个区段的纵剖面图，其中沿着叠层方向第一电 极层3a始终在叠层的同一纵侧上延伸。因此，第一电极层3a可以理解为是同极性的，因为 这些第一电极3a接触同一外部接触(未示出，但为此参见图1)。附图标记列表1由压电陶瓷层和电极层构成的叠层
2压电陶瓷层
3电极层
3a第一电极层
3b第二电极层
4外部接触
5裂缝
权利要求
一种作为中间产品的压电多层部件，具有 上下相叠布置的未烧结的压电陶瓷层(2)的叠层(1)，其中， 第一电极层(3a)施加在压电陶瓷层(2)上并且包含第一金属，其中， 第二电极层(3b)施加在另一压电陶瓷层上并且在叠层方向上与所述第一电极层相邻，其中， 所述第二电极层(3b)与所述第一电极层相比包含更高浓度的第一金属。
2.根据权利要求1所述的压电多层部件，其中所述第一电极层(3)中的第一金属的浓度最多为80%。
3.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件， 其中所述第一金属包括铜。
4.根据权利要求1或2所述的压电多层部件， 其中所述第一金属包括银。
5.根据权利要求3所述的压电多层部件，其中所述第一金属的颗粒直径在0. 1和ΙΟμπι之间。
6.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件，其中所述第一电极层(3a)包含额外的第二金属，所述第二金属不同于所述第一金属。
7.根据权利要求6所述的压电多层部件，其中与所述第一金属相比，所述第二金属能较差地扩散通过与所述第一电极层(3a) 相邻的压电陶瓷层(2)。
8.根据权利要求6或者7所述的压电多层部件，其中所述第二金属选自钯、铍、铝、锰、锌、锡、铋、镍、钴、铬、钼、铌、铷。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的压电多层部件，其中与所述第二金属相比，在所述第一电极层(3)中存在更高浓度的第一金属。
10.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件， 其中所述第二电极层(3b)作为金属仅仅包含所述第一金属。
11.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件，其中将所述第一电极层(3a)与所述第二电极层(3b)之间的所述第一金属的浓度差调 整为使得在加热所述多层部件时所述第二电极层(3b)中的第一金属的扩散导致所述第二 电极层(3b)的材料损失，其中所述第二电极层(3b)在结构上保持完好，以便在所述多层部 件运行时能充当电极层。
12.根据以上权利要求中任一项所述的压电多层部件， 其中所述压电陶瓷层(2)包含PZT陶瓷。
13.一种用于制造压电多层部件的方法，其中烧结根据以上权利要求中任一项所述的 作为中间产品制造的压电多层部件，其中所述第一金属部分地从所述第二电极层(3b)扩 散到所述第一电极层(3a)中并且与此同时在所述第二电极层(3b)中留下空腔(7)，由此在 机械上削弱所述第二电极层(3b)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中相邻的压电陶瓷层(2)在烧结时在所述空腔(7)之间连接。
15.一种压电多层部件，其能直接根据以上权利要求所述的方法生产。
全文摘要
本发明涉及一种作为中间产品的压电多层部件，其具有上下相叠布置的未烧结的压电陶瓷层(2)的叠层(1)，其中第一电极层(3a)施加在压电陶瓷层(2)上并且包含第一金属。第二电极层(3b)施加在另一压电陶瓷层(2)上并且与所述第一电极层(3a)在叠层方向上相邻。所述第二电极层(3b)与所述第一电极层(3a)相比包含更高浓度的所述第一金属。此外，说明一种用于制造压电多层部件的方法，其中烧结中间产品并且第一金属从所述第二电极层(3b)扩散到所述第一电极层(3a)并且与此同时在机械上削弱所述第二电极层(3b)。
文档编号H01L41/083GK101978521SQ200980110397
公开日2011年2月16日 申请日期2009年1月22日 优先权日2008年1月23日
发明者A·格拉朱诺夫, O·德诺夫泽克 申请人:埃普科斯股份有限公司