专利名称：带有作为金属的、多孔的、可拉伸的导电层的外电极的多层执行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单片多层执行器，所述单片多层执行器由压电陶瓷所构成的薄膜的烧结过的堆叠构成，所述单片多层执行器具有被插入的金属内电极，其中一个极性的所有内电极通过涂敷在堆叠上的基本金属化部(Grimdmetallisierimg)而电并联，并且为了进行电接触，外电极与基本金属化部导电连接。
背景技术：
压电陶瓷的多层执行器(参见图1、2和3)由压电活性材料2(例如铅-锆酸盐-钛酸盐(PZT))的所堆叠的薄层构成，所述压电陶瓷的多层执行器具有布置在其间的导电的内电极7，这些内电极7交替地被引向执行器表面。基本金属化部3、4连接这些内电极7。由此，内电极电并联并且组合成表示执行器的两个连接极的两个组。如果在连接极施加电压， 则该电压并行地被传输到所有内电极，并且在所有活性材料层中引起电场，该活性材料由此以机械方式变形。所有这些机械变形之和在执行器的端面上可用作可用的拉伸和/或力 20。根据现有技术，压电陶瓷的多层执行器被实施为单片，也就是说，活性材料2作为所谓的绿膜在烧结之前通过丝网印刷方法被配备有内电极，被挤压成执行器堆叠，被热解并且然后被烧结，由此形成单片的执行器。在被引出的内电极7的区域中，例如通过电流(galvanisch)方法或者金属浆料 (Paste)的丝网印刷将基本金属化部3、4涂敷到执行器堆叠1上。基本金属化部3、4通过如下方式来加固例如通过焊接结构化的板或者金属丝网对于每个由金属材料构成的基本金属化部涂敷外电极5。电连接线6被焊接到该外电极5上。这样的多层执行器和外电极的结构和制造例如在WO 98/2072UUS 5 281 885,US 4 845 399、US 5 406 164 和 JP 07-226541 A 中予以详细描述。这样构造的执行器具有如下缺点在工作期间，强的拉应力作用于位于基本金属化部3、4之下的绝缘区域11 (参见图3)。因为该绝缘区域11与基本金属化部3、4 一起形成均质(homogen)单元，所以该均质单元在超过最弱的元件的抗拉强度时失灵，形成裂纹。 裂纹在最大拉应力的区域9中开始并且朝向基本金属化部3、4延伸。在图3中示出了多个这些典型的裂纹13、14。为了使这些裂纹不切断承载电流的层或外电极5 (这会导致部件故障)，例如通过相对应地结构化地来实施该层，必须使得该层是可拉伸的。该行为方式在EP 0 844 678 Al 或者WO 98/20721中予以详细描述。这些行为方式的基础分别是作为外电极的复杂结构化的金属部分(板、线、织品) 这些金属部分通过焊接或者胶粘导电地被涂敷到基本金属化部上。不利的是，金属部分必须高成本地来制造并且必须通过昂贵的而且在技术上要求极高的且易发生故障的工艺被安置在基本金属化部上。
发明内容
本发明基于以下任务改进根据权利要求1的前序部分所述的单片多层执行器， 使得外电极可以利用简单且成本低廉的手段被涂敷到基本金属化部上，并且该外电极是可拉伸的来使得该外电极在在此不被切断的情况下减小在执行器中形成的裂纹的开裂能量。 此外，说明了一种用于制造这样的多层执行器的方法。根据本发明，该任务在多层执行器方面通过权利要求1的特征来解决。通过外电极为金属的、多孔的、可拉伸的导电层，所述导电层由烧结在一起的金属颗粒构成并且被涂敷到基本金属化部上，从执行器本体出来通过基本金属化部而延伸到导电层中的裂纹并不切断外电极，因为裂纹尖端上的开裂能量在导电层的多孔构造中被减小。在优选的实施形式中，金属颗粒球形地和/或线形地被构造。线形的金属颗粒在烧结时得到毡状的结构，该毡状的结构是极其可拉伸的，因为机械应力被转换为旋转运动。必须恰当选择基本金属化部，该基本金属化部负责在陶瓷本体上的附着强度并且同时是导电层的支承体。优选地，基本金属化部的金属部分由银或者银合金构成，并且给基本金属化部混合有一种或多种形成玻璃的物质。在优选的实施形式中，形成玻璃的物质是I3KKBiO2或者 SiO2,因为这些物质在PZT陶瓷中不引起特性变化。导电层的金属颗粒优选地由银、铜、银合金或者铜合金构成，其中以下材料是特别优选的Ag、Pd的比例直至30%的AgPd、Cu、Ni的比例直至50%的CuNi。CuNi合金比纯金属更耐氧化并且可以以更简单且更成本低廉的方法来烧结。导电层的球形的金属颗粒优选地具有1 μ m至100 μ m的直径，其中10 μ m至50 μ m 的范围是特别优选的。由此，多孔性足以减小开裂能量。为了进行加固，可以将直径为5μπι至20μπι以及长度为0. Imm至0. 5mm的线形
金属颗粒包含到导电层中，其中线形颗粒的比例为导电层的1%至100%。为了进行加固，可以将金属丝织品嵌入到导电层中，其中金属丝织品优选地由与导电层的金属颗粒相同的金属构成。在优选的实施形式中，导电层具有0. Olmm至Imm的厚度，其中0. Imm至0. 3mm的范围是特别优选的。在这些厚度的情况下出现最少的执行器故障。一种用于制造单片多层执行器、尤其用于制造根据本发明的多层执行器的方法， 其中所述单片多层执行器由压电陶瓷所构成的薄膜的烧结过的堆叠构成，所述单片多层执行器具有被插入的金属内电极，其中一个极性的所有内电极通过涂敷在堆叠上的基本金属化部而电并联，并且为了进行电接触，外电极与基本金属化部导电连接，根据本发明，该方法的特征在于，将尤其是带有球形和/或线形的金属颗粒的浆料涂敷到基本金属化部上作为外电极并且培烧该浆料，其中浆料在如下温度下被培烧该温度足以引起将金属颗粒烧结在一起，然而低到足以避免将金属颗粒压实为固体，使得在培烧过程中，浆料转变为金属的、多孔的、可拉伸的导电层，所述导电层由烧结在一起的金属颗粒构成。优选地，浆料借助模版印刷技术(Schablonendrucktechnik)被涂敷到基本金属化部上。利用该涂层技术可以毫无问题地产生优选的为0. Imm至0.3mm的层厚。所涂覆的浆料接着被干燥并且在较高的温度下烧结在一起，以便所述浆料形成金属的、多孔的、可拉伸的并且有足够的载流能力的导电层。在优选的实施形式中，由金属颗粒与有机粘结剂和溶剂构成的混合物被用作浆料，其中针对所述浆料不使用玻璃形成物(Glasbildner)，因为玻璃形成物将使所烧结的导电层脆化并且减小该导电层的载流能力。优选地，针对浆料使用直径为1 μ m至100 μ m、优选地为10 μ m至50 μ m的球形金
属颗粒，因为这样的金属颗粒特别适于减小开裂能量。在一个实施形式中，为了进行加固而将直径为5μπι至20μπι以及长度为0. Imm 至0. 5mm的线形金属颗粒嵌入到浆料中，其中线形金属颗粒共计浆料的金属部分的1%至
100% ο在另一实施形式中，为了进行加固而将至少一个金属丝织品嵌入到浆料中，其中金属丝织品优选地由与浆料的金属颗粒相同的金属构成。在本发明的改进方案中，导电层的稍后为了进行电接触而要焊接馈电线的位置至少表面地被压实。在具有这样实施的外电极的执行器上，可以通过焊接将电接触部安置在外电极的任意位置上，而这并不影响执行器的使用寿命或者其他特性。仅仅必须阻止所使用的焊料穿透或者渗透导电层。这通过将导电层表面地压实在焊接位置上并且将焊接时间限制为数秒来实现。通过优选地将钢工具在表面上侧向移动，导电层在所希望的焊接位置上被压实。 在该位置上利用合适的焊料(Sn合金)安置焊点，稍后在该焊点上焊接馈电线。其他的连接技术、诸如线接合或者熔焊也是可考虑的。导电层的厚度可以容易地通过印花筛网来调节。最小厚度取决于执行器类型、执行器的特定拉伸以及由此裂纹在导电层中的间距(大约50μπι)。而最大厚度通过执行器的电流需求来确定并且可以为直至0. 5mm以上。下面进一步描述该方法
例如根据DE 198 40 488的低烧结的压电陶瓷利用有机的粘结剂系统被制备为 125 μ m厚的膜。由重量比为70/30的银钯粉末和合适的粘结剂系统构成的内电极浆料借助丝网印刷被涂敷到该膜上。多个这样的膜被堆叠并且被挤压为层压物(Laminat)。该层压物被拆开为单个杆状的执行器，这些执行器在大约500°C下被热解并且在大约1000°C下被烧结。紧接着，执行器基体在所有侧以机械方式予以加工。例如由合适的银或者银钯端浆(Terminierimgspaste)构成的基本金属化部借助丝网印刷工艺被涂敷到接触侧上并且被培烧。在此，在浆料中存在的玻璃形成物熔融，并且将浆料的烧结在一起的金属部分与陶瓷基体附着牢固地(haftfest)连接。现在例如借助模版印刷将较厚层的浆料(例如0. 2mm厚)涂敷到基本金属化部上， 该浆料由相对粗颗粒的金属颗粒(例如80%直径为20 μ m的球形银颗粒和20%直径为20 μ m 以及长度为0. 3mm的线形银颗粒)、有机粘结剂和溶剂构成。该层不包含玻璃形成物，因为玻璃形成物会使导电层脆化并且会降低导电层的载流能力。现在，浆料在如下温度下被培烧该温度足以引起将金属颗粒烧结在一起，然而低到足以避免将颗粒压实为固体(与所使用的粒度有关地，在银的情况下例如为700°C)。
通过将钢工具在表面上侧向移动，导电层现在在所希望的焊接位置上被压实。借助合适的焊料(Sn合金)将焊点安置到该位置上，稍后在该焊点上焊接馈电线。任何时候也可考虑其他的连接技术、诸如线接合或者熔焊。也可能的是，在上漆之后才安置接触部，其中接着通常必须保持焊接区域或者熔焊区域无漆。紧接着，执行器通过漆层被保护。现在，执行器可以被极化并且被电测量。
图1示意性地示出了单片多层执行器的结构。图2示出了根据现有技术的带有其他细节的执行器。图3示出了带有典型的在大约IO5个应力周期之后出现的裂纹的执行器的断面。(图1至3示出了现有技术)。图4示出了根据本发明的带有基本金属化部和导电层的执行器。图5示出了带有在导电层中的金属颗粒的图示的根据本发明的执行器的示意性放大图(截面)。
具体实施例方式在图1至3中示出了根据现有技术的多层执行器。在说明书开始部分进一步阐述了这些附图。图4和5示出了根据本发明的带有被插入的金属内电极7的多层执行器，所述多层执行器由压电陶瓷所构成的薄膜的烧结过的堆叠构成。一个极性的内电极7通过涂敷在堆叠上的基本金属化部3、4而电并联。为了进行电接触，外电极5与基本金属化部3、4导电连接。根据本发明，该外电极5是金属的、多孔的、可拉伸的导电层10，该导电层10由烧结在一起的球形的和/或线形的金属颗粒12构成。图5示意性地将该导电层10示为单个圆，这些单个圆应象征单个的金属颗粒12。在这种情况下重要的是，浆料或位于浆料中的金属颗粒12在如下温度下被培烧该温度足以引起将金属颗粒12烧结在一起，然而低到足以避免将金属颗粒12压实为固体，使得在培烧过程中，金属颗粒转变为金属的、多孔的、可拉伸的导电层10。此处，固体被理解为没有内部空腔并且带有封闭的表面的本体。该本体会不是多孔的并且不是可拉伸的。可以将该导电层10设想为具有内部空腔并且具有开孔的表面的海绵或者毡。因而，导电层10仅仅通过部分的接触位置与基本金属化部3、4连接并且在这些接触位置之间离开基本金属化部3、4。由此，导电层10在这些接触位置之间是可拉伸的并且可以吸收在执行器中形成的开裂能量，而不发生电连接的断开并且由此不发生执行器故障。该导电层10由如下浆料制造该浆料为由球形的和/或线形的金属颗粒12与有机粘结剂和溶剂构成的混合物。该浆料借助丝网印刷技术或者模版印刷技术被涂敷到基本金属化部3、4上并且通过有针对性的能量馈送来培烧。在上面进一步详细描述了该方法。
权利要求
1.一种单片多层执行器(15)，所述单片多层执行器(15)由压电陶瓷所构成的薄膜的烧结过的堆叠构成，所述单片多层执行器(15)具有被插入的金属内电极(7)，其中一个极性的所有内电极通过涂敷在堆叠上的基本金属化部(3，4)而电并联，并且为了进行电接触， 外电极(5)与基本金属化部(3，4)导电连接，其特征在于，外电极(5)是金属的、多孔的、可拉伸的导电层(10)，所述导电层(10)由烧结在一起的金属颗粒(12)构成并且被涂敷到基本金属化部(3，4)上。
2.根据权利要求1所述的多层执行器，其特征在于，金属颗粒球形地和/或线形地被构造。
3.根据权利要求1或2所述的多层执行器，其特征在于，基本金属化部(3，4)的金属部分由银或者银合金构成，并且给基本金属化部(3，4)混合有一种或多种形成玻璃的物质。
4.根据权利要求3所述的多层执行器，其特征在于，形成玻璃的物质是I^bO、BiO2或者 SiO20
5.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，其特征在于，导电层(5)的金属颗粒 (12)由银、铜、银合金或者铜合金构成，其中以下材料是特别优选的Ag、Pd的比例直至30% 的AgPd, Cu、Ni的比例直至50%的CuNi。
6.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，其特征在于，导电层(10)的球形金属颗粒(12)具有Iym至IOOym的直径，其中10 μ m至50 μ m的范围是特别优选的。
7.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，其特征在于，导电层(10)包含直径为 5 μ m至20 μ m以及长度为0. Imm至0. 5mm的短纤维的金属线，其中导电层上的金属线的比例为1%至100%。
8.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，其特征在于，金属丝织品被嵌入到导电层(10)中，其中金属丝织品优选地由与导电层(10)的金属颗粒(12)相同的金属构成。
9.根据上述权利要求之一所述的多层执行器，其特征在于，导电层(10)具有0.Olmm至 Imm的厚度，其中0. Imm至0. 3mm的范围是特别优选的。
10.一种用于制造单片多层执行器(15)、尤其是用于制造根据权利要求1至9之一所述的多层执行器(15)的方法，所述单片多层执行器(15)由压电陶瓷所构成的薄膜的烧结过的堆叠构成，所述单片多层执行器(15)具有被插入的金属内电极(7)，其中一个极性的所有内电极(7)通过涂敷在堆叠上的基本金属化部(3，4)而电并联，并且为了进行电接触， 外电极(5)与基本金属化部(3，4)导电连接，其特征在于，作为外电极(5)，尤其是具有球形的和/或线形的金属颗粒(12)的浆料被涂敷到基本金属化部(3，4)上并且被培烧，其中浆料在如下温度下被培烧该温度足以引起将金属颗粒(12)烧结在一起，然而低到足以避免将金属颗粒(12)压实为固体，使得在培烧过程中，浆料转变为金属的、多孔的、可拉伸的导电层(10)，所述导电层(10)由烧结在一起的金属颗粒(12)构成。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，浆料借助模版印刷技术被涂敷到基本金属化部(3，4)上。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，由球形的和/或线形的金属颗粒(12)与有机粘结剂和溶剂构成的混合物被用作浆料，其中针对所述浆料不使用玻璃形成物。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，针对浆料使用直径为1μ m至·100 μ m、优选地为ΙΟμ 至50μπι的球形金属颗粒(12)。
14.根据权利要求10至13之一所述的方法，其特征在于，浆料包含直径为5μ m至 20μπι以及长度为0. Imm至0. 5mm的线形金属颗粒，其中金属线的比例为浆料的金属部分的 1% 至 100%。
15.根据权利要求10至14之一所述的方法，其特征在于，至少一个金属丝织品被嵌入到浆料中，其中金属丝织品优选地由与浆料的金属颗粒(12)相同的金属构成。
16.根据权利要求10至15之一所述的方法，其特征在于，导电层(10)上的稍后为了进行电接触而要焊接馈电线(6)的位置至少表面地被压实。
全文摘要
本发明涉及一种单片多层执行器(15)，所述单片多层执行器(15)由压电陶瓷所构成的薄膜的烧结过的堆叠构成，所述单片多层执行器(15)具有被插入的金属内电极(7)，其中一个极性的所有内电极通过涂敷在堆叠上的基本金属化部(3，4)而电并联，并且为了电接触，外电极(5)与基本金属化部(3，4)导电连接。为了使外电极可以利用简单且成本低廉的手段被涂敷到基本金属化部上，并且为了外电极是可拉伸的来使得该外电极在在此不被切断的情况下减小在执行器中形成的裂缝的开裂能量，建议外电极(5)是金属的、多孔的、可拉伸的导电层(10)，所述导电层(10)由烧结在一起的金属颗粒(12)构成并且被涂敷到基本金属化部(3，4)上。
文档编号H01L41/047GK102388474SQ200980154814
公开日2012年3月21日 申请日期2009年11月19日 优先权日2008年11月20日
发明者宾迪希 R. 申请人:陶瓷技术有限责任公司