专利名称：具有多层封装的压电执行元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及压电执行元件的多层封装的制造方法以及具有多层封 装的压电执行元件。
背景技术：
近年来，对压电陶资执行元件或简称压电执行元件的需求由于其 例如在汽车工业的最新柴油机喷油系统中越来越多的使用而急剧地增 长。该需求同样支持压电执行元件的开发。在多个新的喷油构造或喷 油器构造中，压电执行元件应完整地由柴油燃料所包围。喷油设备的
这种类型的构造也称为"湿式设计(wet design)"。
因为在与受污染的或通过添加剂所修改的柴油燃料的直接接触时 压电执行元件受到化学和电的侵蚀，所以必须为压电执行元件提供相 应的保护罩。该保护罩既应该提供电绝缘来防止由于导电燃料引起的 可能短路，也应该提供化学绝缘来防止包围的燃料对压电执行元件组 成部分的侵蚀。
在现有技术中公开了包围压电执行元件的不同构造的金属外壳。 这样的金属外壳的实例是波紋管。用合适的充填材料来充填金属外壳， 以便实现由燃料所施加的压力向位于内部的压电执行元件的传递。然 而该设计解决方案具有以下的缺点，该解决方案在其制造方面是昂贵 的和占据位置的。
因此本发明的问题是，为压电执行元件提供保护，该保护确保压 电执行元件相对外部影响的可靠的电和化学绝缘。
发明内容
通过一种根据独立权利要求1的压电执行元件的多层封装的制造 方法以及通过一种根据独立权利要求12的具有多层封装的压电执行元 件来解决以上的问题。从以下的说明、附图和从属权利要求中得出本 发明的改进方案和优点。
压电执行元件的多层封装的上述制造方法，使得压电执行元件在 没有附加的外壳式包封结构的情况下向外受到保护，包括以下步骤a) 将弹性层施加到压电执行元件的平行于其纵向或堆叠方向延伸的表面上，和b)将金属层施加到该弹性层上，使得该金属层平面地覆盖弹性 层。
通过至少在其侧面用多层结构来涂敷压电执行元件，代替压电执 行元件的昂贵的固定的外壳式包封结构。该多层结构由至少一个具有 弹性材料特性的弹性层和在该弹性层上所施加的金属层所组成。以上 的多层结构或多层封装完全地包围压电执行元件，或局限于该压电执 行元件的平行于其堆叠方向的侧面。由弹性层和金属层组成的组合确 保，例如在处于高压下的燃料储罐中，用足够的介质紧密性装备压电 执行元件。化学腐蚀性的燃料因此不能侵蚀压电执行元件。多层封装 还确保，尽管包围的燃料高压，压电执行元件在多层封装中仍然是足 够可活动的，以便进行例如燃料阀的调节过程。
根据一种实施形式，弹性层优选由硅弹性体、聚氨酯、聚酰亚胺 或环氧化物组成。根据本制造方法的另一替代方案，通过合适的涂层 方法，诸如浸渍、喷洒、喷射、丝网印刷或膜的层压来施加该弹性层。
根据另一实施形式，将金属层作为防扩散的金属层生成在弹性层 上。金属层在其材料选择和尺寸方面是与包图的介质相匹配的，使得 所述金属层提供对该介质的化学绝缘。
为了生成金属层，使用用于在不导电表面上沉积金属的适当的涂
层方法。替代方案例如是用活性氧的Corona放电激活 (Entladungsaktivierung )。另一替代方案在于，通过物理汽相沉积或 简称PVD法(物理汽相淀积(physical vapor deposition ))生成金属 层。根据另一替代方案同样可以设想，首先生成对于化学保护太薄的 金属层，以便在以下的步骤中通过电镀涂层法加强该金属层。
根据上述制造方法的另一实施形式，通过施加其它的弹性层到金 属层上和施加其它的金属层到弹性层上来加强已经存在的由弹性层和 金属层所组成的复合物。除了加强之外，以此方式同样可以构成压电 执行元件的多层封装的机械特性，以便在相应的包围介质中确保压电 执行元件的最佳运行。因此在材料选择和厚度方面如此匹配其它的弹 性层和其它的金属层，使得可以生成从压电执行元件到最外边的金属 层的逐渐的特性过渡，该特性过渡确保封装和压电执行元件的兼容的 材料性能。根据另一替代方案，从材料特性和尺寸来看，实现多层封 装的施加到压电执行元件上的所有层的协调，以便在保护其的特性和对压电执行元件运行的支持方面来优化多层封装。还可以设想施加多 于上面已经提及的四个层。
本发明还公开了一种具有多层封装的压电执行元件，使得在没有 附加的外壳式包封结构的情况下向外保护压电执行元件。具有多层封 装的压电执行元件具有在压电执行元件的平行于其纵向或堆叠方向延 伸的表面上的弹性层、以及在弹性层上的完全平面地覆盖弹性层的金 属层。
参照附图详细阐述本发明的优选实施形式。该附图以剖视图的方 式展示了压电执行元件的示意剖视图，该压电执行元件具有在其侧面 上的多层封装的优选实施形式。
具体实施例方式
为了在燃料高压之下或基于通过另一包围介质的负荷来确保对压
电执行元件5的保护罩的高要求，用多层封装1装备压电执行元件5。 可以利用以下所说明的制造方法来施加该多层封装1 ，使得获得具有多 层封装1的压电执行元件5。
对多层封装1的上述要求包括介质紧密性、以及压电执行元件5 向外的的化学和电绝缘。因此确保，包围介质的侵蚀不损害、破坏压 电执行元件5，或缩短其寿命。作为其它的要求，通过多层封装l提供 在压电执行元件5和多层封装1之间的界面上的高弹性。通过在该界 面上的高弹性，多层封装1不限制压电执行元件5的运行，使得几乎 压电执行元件5的完整的调整途径可供任意的调整过程使用。
为了满足以上的要求，将多层封装1以多层结构的形式施加到压 电执行元件5上。根据第一替代方案，将多层封装施加到压电执行元 件5的整个外表面上。根据一个其它的替代方案，多层封装l只覆盖 压电执行元件5的平行于堆叠方向30延伸的侧表面。在后者的情况下， 压电执行元件5的垂直于堆叠方向30的正侧面通过其自己的材料特性 或通过另外的结构/构造而受到足够保护。
多层封装1首先具有电绝缘的弹性层10。该层IO被直接施加到压 电执行元件5的表面上，并且例如由塑料制成。该电绝缘的弹性层IO 具有以下任务朝外部方向降低压电执行元件5的机械延伸。由此应 专门防止，尤其是也在可能的极性裂紋(Polungsrissen)的范围中，压电执行元件5的机械延伸传递到以下所述的金属层40上，以致于损伤 该金属层40。电绝缘的弹性层10因此确保了，也在压电执行元件5的 动态持久运行中维持金属层40无损伤。
电绝缘的弹性层10的另一任务在于压电执行元件5的表面的绝 缘。对整个外部介质实现该绝缘，使得弹性层IO的材料以及任何另外 的介质不能侵入在内电极25和压电层20之间的孔、表面裂紋、极性 裂紋或可能的分层中。
电绝缘的弹性层IO根据不同的实施形式由硅弹性体、聚氨酯、聚 酰亚胺或环氧化物组成。
通过合适的涂层方法将弹性层10施加在压电执行元件5上，利用 所述涂层方法可以在表面上生成足够厚度的电绝缘的弹性层10。这样 的涂层方法的不同的替代方案是浸渍、喷洒(Sprtihen)、喷射 (Spritzen)、丝网印刷或膜的层压。
多层封装1还具有已施加到弹性层IO上的金属层40。优选地将金 属层生成为防扩散的金属层。可以由涂层方法处理的通常的金属用作 为可能的材料。这例如是铜或镍。
金属层40具有向外部方向提供具有多层封装1的压电执行元件5 的化学绝缘的功能。该化学绝缘尤其防止包围的腐蚀介质(例如柴油 燃料)的化学侵蚀。
通过可以在不导电的表面上生成金属层的所有合适的方法，可以 施加金属层40。根据第一替代方案，通过化学直接金属化来生成金属 层40，正像在WO 2005/087979中所说明的那样。这里通过利用活性 氧离子的高活性Corona放电激活来实现在硅弹性体上金属层的生成。
根据一种其它的替代方案，借助物理汽相沉积或PVD法，在弹性 层10上首先只施加金属薄层。随后通过已知的电镀法加强该金属薄层， 使得该金属薄层提供足够的化学绝缘。在上述的PVD法中，要作为金 属层40沉积的材料以固定形式存在于涂层室中。借助蒸发、离子轰击、 电子轰击、电流或激光轰击，将稍后的层材料施加到要涂层的部分上， 并在那里形成所希望的金属层40。在上述的电镀涂层方法中，沉积来 自电解液的金属离子作为金属层或在已经存在的金属薄层上的加强。
为了实现多层封装1的最好的介质紧密性、化学的和电的绝缘以 及延伸能力，并因此确保压电执行元件5的最佳运行，可替代地分别将另外的弹性层50和另外的金属层60施加到已经存在的层10、40上。 此外优选的是，将多个另外的弹性层和另外的金属层50、 60以交替的 布置施加到已经存在的多层封装1上。由弹性层10和金属层40组成 的或由多个弹性层IO、 50和多个金属层40、 60组成的多层封装1，确 保从压电执行元件5到多层封装1的最外边的金属层60的逐渐的特性 过渡。通过这种方式，多层封装1的最外边的金属层不会由于压电执 行元件5的延伸性能而受到损伤或破坏。但是也还确保，压电执行元 件5例如从外部不会由于过高的温度而受负荷。
对于具有多层封装1的压电执行元件5的持久的运行，还要求所 采用的材料具有足够的温度和长时间稳定性。具有多层封装1的压电 执行元件5的示范性温度范围位于-40。C和180°C之间。所采用的材料 还必须是如此持久的，使得所采用的材料在压电执行元件5的寿命期 间保持。该寿命的实例约为10年。还应注意， 一些金属(例如铜)由 燃料或另外的介质侵蚀。因此只应将这些金属用作金属中间层40。
与迄今所使用的用于压电执行元件5的封装方法相比较，上述构 造提供更紧凑的结构形式、压电执行元件5在其运行期间的最小阻尼、 以及在压电执行元件5和多层封装1的外部金属层之间不需要压力传 递介质的较简单的设计。另一优点在于，多层封装1可以在涂层方法 内的作为完整解决方案来实现，使得与现有技术相比较，该制造方法 的工作耗费和成本较小。
权利要求
1. 压电执行元件(5)的多层封装(1)的制造方法，使得在没有附加的固定的外壳式包封结构的情况下向外保护所述压电执行元件(5)，该制造方法具有以下步骤a. 将电绝缘的弹性层(10)施加到所述压电执行元件(5)的平行于其纵向或堆叠方向(30)的表面(20)上，和b. 将金属层(40)施加到所述弹性层(10)上，使得该金属层(40)平面地覆盖所述电绝缘的弹性层(10)。
2. 根据权利要求1的制造方法，其中所述电绝缘的弹性层U0)是 塑料层，优选地是聚合物层。
3. 根据以上权利要求之一的制造方法，其中所述电绝缘的弹性层 (10)由硅弹性体、聚氨酯、聚跣亚胺或环氧化物组成。
4. 根据以上权利要求之一的制造方法，具有其它步骤 通过适当的涂层方法、优选地借助浸渍、喷洒、喷射、丝网印刷或膜的层压来施加所述电绝缘的弹性层(10)。
5. 根据以上权利要求之一的制造方法，具有其它步骤 生成金属层(40)作为防扩散的金属层。
6. 根据以上权利要求之一的制造方法，具有其它步骤 利用用于在不导电的表面上沉积金属的适当的涂层方法来制造所述金属层(40)。
7. 根据以上权利要求之一的制造方法，其中借助化学直接金属化来 制造所述金属层。
8. 根据以上权利要求1至6之一的制造方法，其中借助物理汽相沉 积(PVD法)来制造所述金属层(40)。
9. 根据权利要求8的制造方法，具有其它步骤 通过电镀涂层法加强所述金属层(40)。
10. 根据以上权利要求之一的制造方法，具有其它步骤 将另外的电绝缘的弹性层(50)施加到所述金属层(40)上和将另外的金属层(60)施加到所述另外的电绝缘的弹性层(50)上。
11. 根据权利要求IO的制造方法，具有其它步骤 在材料选择和厚度方面匹配所述另外的电绝缘的弹性层(50)和另外的金属层(60)，使得可以生成从压电执行元件(5)到另外的金属层(60)的逐渐的特性过渡，该特性过渡确保封装(1)和压电执行 元件(5)的兼容的材料性能。
12.具有多层封装(1)的压电执行元件(5)、尤其是多层执行元 件，使得在没有附加的固定的外壳式包封结构的情况下向外保护所述 压电执行元件(5)，该压电执行元件(5)具有以下特征a. 压电执行元件(5)，b. 在压电执行元件(5)的平行于其纵向或堆叠方向(30)的表面 (20)上的电绝缘的弹性层(10)，c. 在电绝缘的弹性层(10)上的金属层(40)，该金属层(40)平 面地覆盖所述电绝缘的弹性层(10)。
全文摘要
本发明公开了压电执行元件5的多层封装1的制造方法，使得在没有附加的外壳式包封结构的情况下向外保护压电执行元件5。为了实现多层封装1，首先将电绝缘的弹性层10施加到压电执行元件5的表面上。随后将金属层40施加到电绝缘的弹性层10上，使得所述金属层平面地覆盖该电绝缘的弹性层10。
文档编号H01L41/23GK101432901SQ200780014757
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年4月26日
发明者A·冈斯特, C·哈曼, C·舒, G·卢格特, H·弗鲁登伯格, H·拜尔, J·D·詹森, J·扎普夫, O·亨宁, R·莫克 申请人:西门子公司