专利名称：压电执行器以及制造压电执行器的方法
技术领域：
本发明涉及一种全活性(vollaktwe)压电执行器和一种制造全活性压电执 行器的方法。
背景技术：
压电元件主要用于定位元件、超声换能器、传感器以及在喷墨打印机中使 用。压电元件的功能基于压电陶瓷材料—列如铅-锆酸盐-钛酸盐1电场作用 产生的变形。如果将电压施加在该压电元件上，该压电元件就会在垂直于所产 生的电场的方向上伸展(逆压电效应)。
DE198 02 302A1公开了一禾中多层执行器结构。这种多层执行器由若干压 电陶瓷层以及用来产生电场的内电极组成。由于许多压电陶瓷层和内电极相互 叠置在一起，因此也将这种执行器称^"堆"。
内电极接触两个敷设在压电堆夕卜侧上的外电极，所述内电极仅仅交替地接 触两个外电极的其中一个外电极。为了能够做至哒一点，内电极在其不应接触
相关外电极的区域内并不延伸到压电堆的外侧。这些区域被称作非活性区，因 为当电压施加在外电极上时，内电极的电场并不完全贯穿非活性区中的压电层， 因lt隨些压电层也不会伸展，或者与压电堆的其余区嫩目比伸展很少。这会在 压电堆之内导致损害压电堆的机械应力。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种由压电堆构成的压电执行器以及制造由压电 堆构成的压电执行器的方法，在该压电执行器中可明显减小压电执行器工作过 程中的机械应力。
本发明的任务通过一种制造全活性压电执行器的方法解决，该方法具有下 述方法步骤
-提供全活性压电堆，该压电堆具有交替叠置的压电层和一直贯通至压电堆 外侧的内电极，所述内电极分别具有难以或无法附着涂层的第一区域以及易于 附着涂层的第二区域，设置内电极，使得内电极以其第一区域交替接触压电执行器的第一外电极和第二外电极，
-至少在对应于压电执行器的外电极的区域内用涂层完全涂覆全活性陶瓷压电堆的外侧，
-在紧邻内电极的第一区域的区域中去除涂层，并且
-将两个外电极敷设到该涂层上，使得外电极接触内电极的第一区域，否则将该涂层布置在内电极和外电极之间。
通过下述压电执行器也可解决本发明的任务，这种压电执行器具有第一和第二外电极、全活性压电堆，所述压电堆具有交替叠置的压电层和一直贯通至压电堆夕卜侦啲内电极，这些内电极分别具有难以或无法附着涂层的第一区域以及易于附着涂层的第二区域，且内电极以其第一区域交替接触第一外电极和第二外电极；并且具有布置在压电堆外侧的涂层，在该涂层上敷设有外电极，并且在外电极接触内电极的区域中去除该涂层，使得外电极接触内电极的第一区域，否则就将该涂层布置在内电极和外电极之间。
用于本发明所述方法以及本发明所述压电执行器的是一种全活性压电堆。全活性压电堆的内电极是贯穿的，也就是说内电极延伸到压电堆的，横截面之外。M这种实施型式使得旨内电极延伸至压电堆的夕卜侧，因llffi种压电堆没有非活性区。这样就可在工作过程中减小压电堆之内的机械应力。
例如通过交替叠置至少两个子堆的方式制造所提供的压电堆，且每一个子堆均具有压电层和布置在压电层上的内电极。在此，尤其是例如通过用丝网印刷法将金属浆料印刷所谓的绿色陶瓷膜，来制3t^f提供的压电堆。所脸属桨料具有例如AgPd或Cu颗粒、翻诉B其它添加剂。然后典型地将具有该浆料的大约300 600张绿色陶瓷膜相互叠置在一起，再经过压制加工成所谓的绿块。从尺寸例如约为36mm x 105mm x 105mm的绿块中可以分割成大约100个尺寸约为36mmx9mmx9mm的全活性压电堆。经过去除结合(Entbindem)和烧结之后，这些绿色陶瓷膜就会形成压电层，浆料则形成内电丰及。
在使用全活性压电堆时的难点在于要使得内电极与外电极可靠地交替接触，因为所有内电极均延伸至压电堆的外侧，且每隔一个内电极去除涂层的工艺很复杂，且成本非常高。
按照本发明所述，至少在对应于外电极的区域内完全涂覆外侧。该涂层尤其可以比较薄，例如在0.1 5^im范围内。为了使内电极可靠地交替接触两个外电极，涂层按照本发明在特定区域内并不附着或者至少附着性较差。这些区域就是随后应被接触的内电极的第一区域。
相反在内电极的第二区域中则涂层附着性很好。这样就能比较容易去除内
电极第一区域的涂层，或者该涂层自行录u落。此外还可以吹刷、氧化或者冲洗剥落的涂层的残留物。
通过优选的让相关区域内的涂层自行剥落，使得在该相关区域内导电的内电极从涂层附着性较差或者无附着性的材料中暴露出来，然后可以与外电极接触。
例如ilil涂覆一种金属浆料，例如采用丝网印刷法敷设外电极。
也可考虑釆用其它方法。从而也可以将外电极敷设到涂层上，方法^3131气相沉积过程获得导电的外金属膜，其中与大量制造微电子器件的方式一样，将覆盖的掩膜用于压电堆的不应设置外金属膜的区域。
本发明所述方法的这种变型方案的特征在于能够以低廉成本可靠制造本发明所述的压电执行器。
如果按照本发明所述方法或者本发明所述的压电执行器的一种实施型式，将两个外电极布置在压电堆的两个相对的外侧上，就能以简单方式制造本发明所述的压电执行器，方法是将交替叠置的内电极的第一区域和第二区域分别相对旋转匿。
涂层例如具有无定形结构，并且尤其是DLC层。所谓的DLC层("Diamond-like carixm"，类金刚石碳)是基于碳的层，例如可利用PVD或CVD法将该层沉积到压电堆的外侧。DLC层存在具有在纳米范围内的有序状态的无定形结构，也称作a-C ("amorphous carbon"，无定，)层。DLC层除了含有碳以外，还可以含有氢，由此也称作a-C:H ("amorphous carbon hydrogen",无定形碳氢)层。
DLC层是层厚小于10 nm、通常大约在0.1 jam禾n 5 Mm之间的薄层。为了形成该无定形结构，例如将实施为DLC层的涂层置于较高的冷却速率之下，并且用高能粒子进行轰击。fflil粒子ffl 产生内部压应力，并且以这种方^生DLC层因此而得名的由sp3杂化碳-碳键组成的幾刚石键成分。此外，sp3杂化碳-碳键还可能以各种不同的形式出现，例如一种无定形sp3杂化碳-碳矩阵中不同大小的环状或链状结构。如果DLC层还含有氢，则该涂层也具有
Sp2/Sp3杂化碳-氢成分，这些成分在大于一定的氢含量之后就会形成密度较小的
较软的DLC层。
DLC层的一个优点在于由于含有类金刚石sp3杂化碳-M， DLC层具有比较高的耐磨性。
短程有序范围内含有较少或者甚至没有sp2杂化碳-碳-碳团族的无定形层具有较高的绝缘电阻。这类DLC层属于陶瓷或玻璃材料。由于该涂层一方面应将内电极与外电极电隔离，因此必须适当选择DLC层的结构。尤其可以M拉曼光谱分析法(适用于大量生产的非破坏性检查方法)检查DLC层。
基于碳的层肖,良好附着在碳化物形成剂(KarbKlbildner)上，因为这种层与碳之间有很高的亲合性。因此按照本发明所述方法或者本发明所述压电执行器的一种变形方式，内电极在其第二区域中具有一种实施为碳化物形成齐啲材料。适合作为碳化物形成齐啲元素例如有钛和硅，这些元素通常也用作在难以涂层的衬底上的附着剂。
一隨化物形成剂的材料较难或者甚至无法进行涂层。例如使用PE-CVD直流放电法无法牢固地对铜衬底涂层。因此内电极可以在其第一区域内是基于铜的内电极。
按照本发明所述方法的一种实施型式，通过为压电层涂覆至少两种不同电极浆料来制造内电极，第一种电极浆料对应于第一区域，并且提供^或者没有涂层附着性，第二种电极浆料则对应于第二区域，且提供良好的涂层附着性。
本发明所述的方法能够以成本低廉的方式，用全活性压电堆来制造压电执行器。由于将全活性压电堆用于本发明所述的压电执行器，与具有常规的、存在非活性区的压电堆的常规压电执行器相比，本发明所述压电执行器在工作过程中所产生的机械应力较小。由此给出本发明所述压电执行器^ffl寿命明显更长的，^{牛。
在附图中示例性示出本发明的一种实施例。相关附图如下图1 全活性压电堆的透视侧视图，图2 制造压电堆及对其进行进一步加工的流程图，图3 压电堆内电极的俯视图，图4 压电堆的侧剖面，图5、 6制造压电堆时的中间步骤，图7 具有涂层的压电堆的部分侧剖面，图8 具有涂层的压电堆经过处理后的部分侧剖面，图9 具有附加外电极的全活性压电堆，以及图10 具有外电极的压电堆的部州则剖面。
具体实施例方式
图1示出在所示实施例中实施为立方体形状的全活性压电堆1，应当将该压电堆1进一步加工成图9所示的压电执行器90;图2示出制造压电堆1以^t其进一步加工的流程图。
压电堆1具有多个压电层2，在这些压电层之间分别布置有内电极3、 4。内电极3、 4实施为贯通型式，并且一直延伸到压电堆1的外侧。图3所示为内电极3的俯视图，图4所示为压电堆1的侧剖面。内电极4的构造与内电极3基本上一样，但在本实施例中相对于内电极3旋转了 180°。
在本实施例中，每一个内电极3、 4分别具有第一和第二区域31、 32，所述第一区域31由一种被所描述的涂层较差附着或者根本不能附着的材料构成，第二区域32则具有一种被该涂层附着较好的材料。
在本实施例中，全活性压电堆1的制造方法如下
首先在图5所示的例如横截面积为105mm x 105mm的所谓绿色陶瓷膜50上例如采用丝网印刷法呈条形地先后涂麟一种和第二种浆料51、 52 ，并且中间插入一道干燥步骤，这些即图2所示流程图的步骤A，从而产生子绿土央53。
在本实施例中，第一种浆料51具有铜颗粒，第二种浆料52除了具有导电颗粒"^f列如铜颗粒^之外，还具有碳化物形成剂，例如微观精细分布粒子或者亚f[H精细分布前体(Vorstufen)形式的钛或者硅。此外，浆料51、 52被敷设在绿色陶瓷膜50上，使得用第一种浆料51封闭其中的一面，用第二种浆料52封闭与该面相对的一面。由浆料51、 52在压电堆1的制造过程中形成内电极3、 4，其中第一种浆料51对应于内电极3、 4的第一区域31，第二种浆料52对应于内电极3、 4的第二区域32。
然后将多1^^列如300 600 ^^女设有浆料51、 52的陶瓷膜50 (子绿块53)相互叠置在一起并进行压制，由此形成图6中仅部分表示的绿块60，即流程图的步骤B。图6中部分表示的绿块60具有两个上下叠置的子绿土央53,在本实施例中各个子绿块53相对于下一个子绿块53分别交替旋转了180。。
接着从绿块60中分割出多个全活性绿堆，通过去除结合和烧结由这些绿堆形成全活性压电堆1，也就是绿膜50形成压电层2，乡突料51、 52形成内电极3、 4，即流程图的步骤C。
因此，这样形成的压电堆1在两个相对的夕卜侧5、 6上分别具有交替的内电极3、 4，其中内电极31、 32的附着性,或没有附着性的第一区域31以及附着性良好的第二区域32交替地邻接外侧。
接着至少在外侧5、 6的区域中将图7所示的完整涂层70涂覆在压电堆1上，在下一道下面还将描述的制造步骤中将外电极涂覆在该涂层70上，即流程图的步骤D。
在本实施例中，涂层70是无定形层或者纳米晶体层或结晶层，或尤其是基于碳的薄层，例如M51 PB"CVD直流等离子体分解法用前体C2H2或者CH4产生并且厚度尤其为0.1 5 Mm的DLC层。
3!31用具有碳化物形成剂的浆料52形成内电极3、 4的第二区域32，使徵余层70良好附着在外侧5、 6的对应于内电极3、 4的第二区域32的区域之中。而在外侧5、 6的对应于内电极3、 4的第一区域31的区域中，涂层70的附着性较差或者根本没有附着性，从而使得这些区域中的涂层70剥落，即流程图的步骤E。可以吹刷、冲洗或氧化剥落的涂层70的残留物，或者吹刷或冲洗方法可以有助于更好的剥落。由此就会形成图8中以部分侧视图所示的具有经过处理的涂层80的压电堆1， 一方面电极3、 4在两个夕卜侧5、 6中每一个外侧的涂层80区域中交替暴露出内电极3， 4或者内电极被涂层80交WS盖，另一方面对特定的一个内电极3、 4来说，该内电极在外侧5、 6之一的涂层80区域中暴露出来，并且在相对的外侧5、 6上被涂层80所覆盖。
接着例如采用丝网印刷法给涂层80很好地涂覆一种导电浆料，该导电浆料是外电极10、 11 ，即流程图的步骤F。由于存在涂层80，外电极10、 11仅仅接触每第二个内电极3、 4，而且是在因为附着性差而去除了涂层70的第一区域31中进行接触。由此形成图9和图10所示的压电执行器90，该压电执行器90具有压电 堆1以及涂覆在压电堆外侧5、 6上的涂层80，其中所述涂层80 应于内 电极3、 4的第一区域31的区域中没有附着性，使得敷设在涂层80上的外电 极10、 11交替地接角虫内电极3、 4。
权利要求
1.一种用于制造压电执行器的方法，包括下列方法步骤-提供全活性压电堆(1)，该全活性压电堆具有交替叠置的压电层(2)和一直贯通到压电堆(1)的外侧(5，6)的内电极(3，4)，所述内电极分别具有难以或者无法附着涂层(70)的第一区域(31)和易于附着涂层(80)的第二区域(32)，设置所述内电极(3，4)，使得压电执行器(9)的第一外电极(10)和第二外电极(11)交替接触内电极(3，4)的第一区域(31)，-至少在对应于压电执行器(9)的外电极(10，11)的区域中用所述涂层(70)完全涂覆全活性压电堆(1)的外侧(5，6)，-在紧邻内电极(3，4)的第一区域(31)的区域中去除该涂层(70)，并且-将两个外电极(10，11)敷设到涂层(80)上，使得外电极(10，11)接触内电极(3，4)的第一区域(31)，否则将涂层(80)布置在内电极(3，4)和外电极(10，11)之间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，ilil交Wfi置至少两个子堆的方式来制造所提供的压电堆(1)，每一个子堆均具有压电层(2)和布置在压电层上的内电极(3， 4)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吹刷、氧化和/或冲洗从压电堆(1)去除的涂层(70)的涂层残留物。
4. 根据权利要求1 3中任一项所述的方法，其特征在于，交替叠置的内电极(3， 4)的第一和第二区域(31， 32)分别相对旋转180。。
5. 根据权利要求1 4中任一项所述的方法，其特征在于，内电极(3，4)在其第二区域(32)中具有实施为碳化物形成齐啲材料。
6. 根据权利要求1 5中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用至少两种不同的电极浆料(51， 52)涂覆压电层(2)来制造内电极(3， 4)，第一种电极浆料(51)对应于第一区域(31)并且提供对凃层(70)的较差附着性或者不能附着于涂层(70)，第二种电极浆料(52)则对应于第二区域(32)并且提供对凃层(70， 80)的良好附着性。
7. 根据禾又利要求1 6中任一项所述的方法，其特征在于，内电极(3，4)具有铜。
8. 根据权利要求1 7中任一项所述的方法，其特征在于，涂层(70，80)具有无定形结构，并且尤其是DLC层或者基于碳的层。
9. 根据权利要求1 8中任一项所述的方法，其特征在于，夕卜电极(10，11)布置在压电堆(1)的两个相对的夕卜侧(5， 6)上。
10. —种压电执行器，具有-第一和第二外电极(10， 11)，-全活性压电堆(1)，具有交替叠置的压电层(2)和一直贯通到压电堆(1)的外侧(5， 6)的内电极(3， 4)，所述内电极分别具有难以或者无法附着涂层(70)的第一区域(31)和易于附着涂层(80)的第二区域(32)，所述内电极(3， 4)以其第一区域(31)交替接触第一和第二外电极(10， 11)。陽布置在压电堆(1)的外侧(5， 6)上的涂层(80)，在该涂层(80)上敷设外电极(10， 11)，并且在外电极(10， 11)接触内电极(3， 4)的区域中去除该涂层(80)，使得外电极(10， 11)接触内电极(3， 4)的第一区域(31) ，否则将涂层(80)布置在内电极(3， 4)和外电极(10， 11)之间。
11. 根据权利要求10所述的压电执行器，其特征在于，交替叠置的内电极(3， 4)的第一和第二区域(31， 32)分别相对旋转180°。
12. 根据权利要求10或11所述的压电执行器，其特征在于，内电极(3，4)在其第二区域(32)中具有实施为碳化物形成齐啲材料。
13. 根据权利要求10 12中任一项所述的压电执行器，其特征在于，内电极(3， 4)实施为涂覆在压电层(2)上的至少两种不同的电极桨料(51， 52)，第一种电极浆料(51)对应于第一区域(31)并且提供对凃层(70)的较差附着性或者不能附着于该涂层(70)，第二种电极浆料(52)则对应于第二区域(32) 并且提供Xt凃层(70， 80)的良好附着性。
14. 根据权利要求10 13中任一项所述的压电执行器，其特征在于，内电极(3， 4)具有铜。
15. 根据权利要求10 14中任一项所述的压电执行器，其特征在于，涂层(70， 80)是薄层或者厚层，并17或者具有无定形的、纳米晶体的或者晶体的结构，并_@7或者尤其是一种无定形的、纳米晶体的DLC层或者基于碳的层。
16. 根据权利要求10 15中任一项所述的压电执行器，其特征在于，外电极(10， 11)布置在压电堆(1)的两个相对的外侧(5， 6)上。
全文摘要
本发明涉及一种全活性压电执行器(90)和一种制造全活性压电执行器(90)的方法。首先提供全活性压电堆(1)，具有交替叠置的压电层(2)和一直贯通到压电堆(1)外侧(5，6)的内电极，所述内电极分别具有难以或者无法附着涂层的第一区域(31)和易于附着涂层的第二区域(32)。设置内电极，使得压电执行器(90)的第一外电极(10)和第二外电极(11)交替接触内电极的第一区域(31)。至少在对应于压电执行器(9)的外电极(10，11)的区域中用涂层涂覆全活性压电堆(1)的外侧(5，6)。接着在紧邻内电极(3，4)的第一区域(31)的区域中去除该涂层(70)，并且将两个外电极(10，11)敷设到剩余的涂层(80)上，使得外电极(10，11)接触内电极的第一区域(31)，否则将涂层(80)布置在内电极和外电极(10，11)之间。
文档编号H01L41/293GK101647131SQ200880005535
公开日2010年2月10日 申请日期2008年2月19日 优先权日2007年2月20日
发明者A·多纳-赖塞尔 申请人:欧陆汽车有限责任公司