专利名称：压电元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有一电绝缘基体的压电元件，在其电绝缘基体上被敷有一压电驻极体，本发明还涉及制造这种压电元件的方法。本发明要解决的问题就是要保证具有绝缘基体的压电元件尤其在高机械负荷作用下的可靠电接通。
上述形式的压电元件优先用于充分利用间接或交互的压电效应，即电能向机械能的转换。这种形式的压电元件仍然适合于将机械能转换为电能，此时直接利用压电效应。
压电元件如上所述在技术上有很多应用。例如作为喷墨打印机的压电打印头，作为麦克风或扩音器的录音头或音频发生器，作为加速度或压力测量传感器，作为气量表的测量数据记录器，作为产生或探测超声波的超声波换能器，例如用于医疗诊断或远距离测量，作为激光技术中微米级高精度调节行程的调整元件和作为拐弯传感器，如作为盲人读书器中的盲文行的位置元件，以及应用于纺织机械，气动阀，记录测量仪和非接触表面测量仪等设备上。
按照EP-0455342 B1和EP-0468796 A1，这样一种压电元件是以层状结构设计的。一种具有压电和/或电致伸缩效应并在下面被称作压电驻极体的压电有效材料，在此为改善元件的机械稳定性或为了更好地将电能转换成机械能或者相反将机械能转换成电能，被覆在一载体或基体上。为了电接触，在压电驻极体的两面具有由导电材料构成的平面涂层形式的电极。
视不同应用，在基体的单侧或双侧可设有所述层结构。按照DE-3434726C2，压电驻极体包括电极的多层相互间上下叠放。按照压电有效层的数量称作单层，双层，三层或通常称多层压电元件。
在DE-4337265 C1和DE-4025436 A1中记载了带有不导电或者说绝缘基体的压电元件。通过采用绝缘基体，在一个双层结构的压电元件上，压电驻极体面向基体的各个侧面或者处于其上的内部电极位于不同的电位。因此这种形式的压电元件的控制当外侧面或外部电极位于零电位或接地的时候，仅仅通过位于内部的、通过基体而相互绝缘的压电驻极体的各个侧面，或者内部电极就能实现。通过上述接地措施，这种压电元件是防触电的。非导电材料由于其有别于电绝缘材料的其它特殊特性而更适合作为基体材料，例如由于其具有与压电驻极体相适应的温度膨胀系数可用于避免热应力。
然而非导电材料由于其属性会导致压电驻极体面向基体的侧面或内侧面上的电接触困难。由DE-4025436 A1已知，压电驻极体的内侧具有一金属化内电极，金属覆层由压电驻板体边缘引出并在那里通过焊接点实现接通。
然而对于由电绝缘材料构成基体的压电元件来说，压电驻极体内侧的电接触仅仅通过一内部电极材料来保证。由于内部电极断裂，因而将使压电元件的一部分与用于内部电极的供电源断开，压电元件将不再能工作。因内部电极容易断裂，带有绝缘基体的压电元件的使用寿命将不能与带有导电基体的压电元件的使用寿命竞争。
本发明的目的在于，提供一种由电绝缘材料构成基体的压电元件，该元件即便在内部电极材料疲劳时也能完全保证功能。此外本发明的目的还在于提供制造这种压电元件的方法。
本发明有关由电绝缘材料构成基体的压电元件的目的是这样实现的基体上被敷有一导电层，该导电层与被覆在基体上的压电驻极体的一内部电极在一些位置上实现电连接。
本发明在此基于这样一种认知，带有基体的压电元件在工作期间由于材料疲劳，如持续的机械应力，使位于基体与压电驻极体之间的内部电极出现断裂或裂缝。这种内部电极的材料疲劳经常出现，因为在压电驻极体与基体之间的临界面上的压应力和热应力附加在内部电极材料上。如果基体由导电材料组成，这种断裂就不会导致压电元件的功能丧失，因为电接触可以继续由基体来保证。对此仅要求基体在足够多的位置处与内部电极电接通。由此内部电极的这种材料疲劳在导电的基体上根本不会再被感觉到。
然而如果对于由电绝缘材料构成基体的压电元件，在基体与压电驻极体内部电极之间插入一导电层，该导电层在数个位置上与内部电极导通连接，就可以通过这种导电层来进一步保证内部电极的电接触。当内部电极材料疲劳时压电元件仍能保证其功能。当导电层由于强机械应力断裂或撕裂时，压电元件也仍能工作，因为内部电极和导电层的断裂不太可能出现在同一位置。
内部电极和导电层的电接通最好通过一适合于焊接的金属箔来实现。在这里特别适合的是铜箔，铜箔具有良好的导电接触性而且可以在市场上获得各种不同厚度的铜箔。用于电接通的金属箔部分可以方便地插进压电驻极体和基体之间。用于连接外部电源的焊接点位于伸露出的金属箔上。金属箔是插于压电驻极体与导电层之间，或是导电层与内部电极之间，还是内部电极与压电驻极体之间，这一点对于压电元件的功能性来说并不重要。在此最有利的结构取决于压电元件的制造过程。
然而金属箔的插入会导致金属箔的覆层折弯，由此在机械负荷作用下通过附加压应力或拉应力确定出一个预定断裂点。该预定断裂点可能导致功能失效。如果在这种插入金属箔的位置处去掉导电层，则可以避免这种预定断裂点。在这种情况下，导电层与金属箔的电接触通过内部电极来实现。为了避免因导电层与所插入金属箔之间的内部电极的断裂而出现压电元件失效，金属箔插入端可设计成V形结构，导电层与金属箔插入部分相连的一端也同样设计成V形结构。由此进一步保证内部电极在产生横向裂纹时的电接触。
所谓的预定断裂处也可以通过选择一足够薄的金属箔来避免。对于一般的压电元件适宜的金属箔厚度小于10微米。
最为有利的是，基体比压电驻极体长，且导电层在基体的露出部分上延伸并与金属箔电接通。在此电接触例如可以由此来实现，即，使在基体露出部分上延伸的导电层简便地与薄片状的金属箔粘接，并将焊接点设置在小薄片上。当导电层采用合适材料时，钎焊接点也可直接设置在伸出的导电层上。
具有优点的是导电层由可塑的，即柔韧的和可变形的薄膜构成。在此可变形性通过适合的材料，如柔韧塑料，或通过很小的薄膜厚度来实现。作为可塑薄膜，例如金属箔，其适宜的厚度为小于100微米。通过可塑性来排除导电层在机械负荷，如弯曲应力作用下而断裂的可能性。箔片可以通过粘贴，熔接或其它连接技术涂覆在基体上或压电驻极体的内部电极上。基体可以与压电驻极体粘接，焊接或以其它方式连接成压电元件。箔片与内部电极的电接通可以通过导电粘合剂来实现，或者通过涂覆一薄的不导电粘合剂层，使箔片和内部电极仅以显微式的粗糙表面粘接并透过粘合剂仍能保证箔片与内部电极之间的直接导通。
当采用网格作为导电层时，可使压电驻极体通过导电层与基体的连接得以显著简化。对于网格可以理解为具有孔洞的两维物体。这种两维物体可以是纤维织物或穿孔薄膜。内部电极可以通过在网格中的孔洞直接与基体粘接或作其它连接。网格在连接前可以是松散地铺置的。通过一个网格也可以在足够多位置处与内部电极电导通。此外通过节省材料也可降低生产成本。
若压电元件用来作为运动或调节元件，则元件在一给定方向上重复偏转通常会带来机械应力。从而使内部电极的断裂在很大概率上出现在垂直于偏转方向的方向上。对于这种元件，网格优选以平行条带的形式构成。在此条带优选垂直于压电元件的偏转方向而设置。尤其是在个别情况下，唯一一根条带就足以在内部电极断裂时保证压电元件的功能性。条带可以通过粘接，焊接或熔接涂覆在基体上。也可设想，条带在基体与压电驻极体连接成压电元件之前是散放的。不仅网格而且相互平行的条带都可以借助印刷工艺，例如借助丝网印刷工艺，以膏糊状或流体状涂覆。
金属或导电的塑料在原则上适合作为导电层的材料。作为塑料尤其可采用一种碳聚合物或一种具有加强金属纤维的环氧树脂。对于碳聚合物可以理解为一种以石墨作为色素的热硬树脂。碳聚合物在硬化前例如可以膏糊状经丝网印刷涂覆。具有加强金属纤维或金属布的环氧树脂特别适合于所谓的预浸带形式(没有热硬的，软的，用树脂预浸渍的坯料)。通过将导电层以预浸带的形式散放在基体与内部电极之间，然后通过压力将基体与压电驻极体压合，并在加热处理中通过预浸带的热硬而粘接，使基体可以通过导电层与压电驻极体内部电极持久地连接。
压电驻极体的内部电极首选由金属化层构成。该金属化层可以通过真空阴极喷镀，金属蒸镀或丝网印刷工艺涂覆在压电驻极体表面。薄的金属表面涂膜形式的金属层尤其适合在压电驻极体上产生一均匀的电场，因而适合产生最好的能量转换。然而由于与压电驻极体直接接触和在一定厚度下金属化层特别容易断裂和产生裂纹。
适宜的方法是，该压电驻极体在背对基体的另一侧面上具有一外部电极。这个电极与内部电极一样由金属层构成。为了防止功能丧失，外部电极也可以用导电的可塑的膜覆盖。对此碳聚合物尤其适合，因为其不仅具有高的粘附强度，同时具有好的柔韧性。也可设想，外部电极本身由导电的可塑的压电驻极体层构成。
由非导电材料作为基体的压电元件具有很好的防触电性。当外部电极位于零电位时，通过加上一电压的控制只能在内部电极上进行。带电压的内部电极优选对外完全绝缘，其中由电绝缘材料构成的基体在边缘区域，即在露出的侧面上与导电层和内部电极搭接。作为另一选择方案，导电层和内部电极上露出的带电压的部位涂上一电绝缘漆。
当基体为一小平面并在两面具有导电层和压电驻极体时，可以特别好地将电能转换成机械能。这种压电元件尤其适合作为拐弯传感器或促动器。这种拐弯传感器在纺织工业中用于编织和针织机械的控制，尤其是用于借助Jacquard技术制造图案。另外这种促动器可用在盲文读书器上以用于操纵各键元件以及用在气动阀和视听仪器上。
原则上所有具有压电或电致伸缩效应的材料都适合作为压电驻极体。特别具有优点的是某种氧化物陶瓷，如铅-锆酸盐-钛，通过其化学组分能够满足各种不同的需求。为了使这种陶瓷或压电陶瓷具有压电效应，需要使之在均匀电场中极化。用这种方式在压电陶瓷中产生一极化轴，这对于压电效应的出现是必需的。当为压电元件所设置的压电陶瓷在两侧具有金属化层形式的电极时，这种极化可特别简单地进行。在此所需的均匀电场通过加上一足够高的电压来形成。
压电陶瓷的极化要么在与基体连接之前要么在与基体连接之后进行。为此通常必需一个几个KV/mm的电场。由于在压电陶瓷内的每一次拉压应力都会导致退极化，并因此导致压电效应的衰弱，因而基体与压电陶瓷的热膨胀系数要相互匹配。当基体由玻璃纤维强化环氧树脂来代替碳素纤维强化环氧树脂，压电陶瓷由所谓的铅-锆酸盐-钛-陶瓷来制作时，就能够满足上述要求。
本发明有关制造由电绝缘材料构成基体的压电元件的方法的目的是这样来实现的，即，基体通过在中间设置一导电中间层与压电驻极体连接，并使导电层在一些位置处与压电驻极体的内部电极电接通。
具有优点的是采用热固塑料预浸带，优选采用玻璃纤维强化环氧树脂预浸带作为基体。在这种情况下既不需要导电层与基体连接用的粘接剂也不需要导电层与内部电极连接。导电层首先以网格形散放在预浸带或内部电极上或通过压制法涂覆上。为了连接，随后将基体，导电层和压电驻极体松散地置成一相应的形状。预浸带通过轻压围绕网格流动，网格通过松散放置直接与内部电极连接，并透过网格使基体与压电驻极体内部电极粘接起来。或者也可设想，对于导电层本身可采用一预浸带，如铜网预浸带。通过最后进行热处理，预浸带经不可逆硬化，形成热固塑料，由此使压电元件获得一耐用坚固的连接。
下面借助附图对本发明所述实施例作进一步的详细说明，附图中
图1为带有箔片式基体导电层的压电元件的透视图；图2为带有编织式基体导电层的压电元件的透视图；图3为带有一些平行条带式基体导电层的压电元件的透视图；图4为带有一些镶嵌进基体的平行条带式基体导电层的压电元件的透视图；图5为带有基体双面覆层的压电元件的透视图；图6为压电元件通过插入金属箔与电接通的截面图；图7为压电元件通过部分插入金属箔与电接通的截面图；图8示出作为编织和针织机械织针控制用拐弯传感器的压电元件，其带有网格式基体导电层；图9示出作为编织和针织机械织针控制用拐弯传感器的压电元件，其带有一些平行条带式基体导电层。
图1透视图中示出了由绝缘材料构成基体10的压电元件的层结构。在基体10上覆盖有导电层，在此该导电层构成了平面式覆盖基体10的箔膜20。在导电箔膜20上装有一具有内部电极30和外部电极50的压电驻极体40。两个电极30和50均以薄金属层的形式被覆在压电驻极体40上。导电箔膜20与基体10以及内部电极30粘接或熔接，然而在内部电极30与导电箔膜20之间要有连接。在两个电极30和50上的电压施加会导致压电驻极体40的压扁或膨胀。如果采用压电陶瓷作为压电驻极体40，电压施加将导致压电元件的弯曲，因为压电陶瓷显示出一横向压电效应。压扁或膨胀的产生垂直于所加电场方向。
因弯曲产生的压电元件的高机械负荷很容易导致压电驻极体40横向于弯曲方向产生裂纹。这种裂纹可能会导致内部电极30的开裂，因此使压电元件功能丧失。在这种情况下电绝缘基体10的附加嵌入导电膜20可使压电元件重新恢复功能，因为内部电极30始终通过导电层20产生电接通。外部电极50的断裂通常很少引起关注，因为此处不会产生因压电驻极体40与基体10粘接而引起的拉应力或压应力。这一点不适用于拐弯传感器。在此外部电极50在强负荷作用下也可能撕裂或断裂。由于外部电极50断裂所引起的这种压电元件的功能丧失也可以通过在外部电极50上覆盖一导电层90来避免。
基体10的导电层在图2中是由网格21构成的。用这种方式可以节省材料，且尽管如此也能在内部电极30断裂时使压电元件保持完整的功能。作为编织物市场上所能提供的铜编织网是适合的。在图2中压电驻极体40没有外部电极50。压电驻极体40背向基体10的一侧只有在安装进一相应的仪器时才与一位于零电位上的部分接通。为了实现控制，内部电极30或导电层，在此以网格21形式设置在一相对于零电位(即地电位)的适宜电位上。
在图3中示出了导电层的另一结构。导电层在此简化为一些平行的条带22。这些条带优选垂直于预计将产生的压电元件的弯曲方向。在这种情况下，条带22横向垂直于预计将产生的内部电极30的裂纹。图3所示压电元件因而在垂直于各覆层弯曲时仍可保持其功能。这些运动方向通过箭头来表示。
如果对于基体10以预浸带为材料时，技术上很耗费的导电层与基体10以及与内部电极30的粘接都可以取消。在图4中示出了由热固性材料构成基体的压电元件的层状结构。在此该导电层以平行条带22的形式嵌入基体10中。基体10例如由玻璃纤维强化环氧树脂组成。导电条带22的材料为碳-聚合物。在制造方法中一种所谓的预浸带，即一种还没有完全硬化的玻璃纤维强化塑料被用作为基体10。碳-聚合物作为导电层通过丝网印刷方法以一些平行条带22的形式涂覆在预浸带上。接着带有内部电极30和外部电极50的压电驻极体40被覆在带有条带22的基体10上并成形。通过加压使起初还没有完全硬化的塑料环绕导电条带22流动并与内部电极30粘接。同时导电条带22与内部电极30之间仍保持电连接。通过采用加热处理手段，预浸带被硬化，由此实现基体与内部电极之间的持久连接。
在图4中基体10在边缘处搭接内部电极30和导电条带22。由此形成的边沿11用来实现压电元件的防触电性。
在图5中示出了由绝缘材料构成基体40的压电元件，在此，基体40具有两面涂层。在基体40的两侧以所给出的顺序设置有条带形22的导电层，一内部电极30及31，一压电驻极体40及41以及一外部电极50及51。这种所谓的双晶结构尤其适合于以压电陶瓷作为压电驻极体40及41。压电陶瓷不允许遭受与其极化方向对立的电场。这种电场将可能导致退极化并因此导致压电效应损失。
为了控制图5所示压电元件，两个外部电极50,51置于地电位上。两个内部电极30和31交替地置于0和200伏，其中200伏是一对于压电陶瓷的常用工作电压。如果内部电极31置于0伏，则内部电极30置于+200伏，反之亦然。如果两个压电陶瓷40,41的极化方向指向离开基体10(即所设置的电场方向)，则可使防触电性的优点与一种简单的安装相结合。采用这种安装，压电元件在两个对立的空间方向上的偏转是可能的。其中，两个压电驻极体40和41中只有一个遭受电场，亦即只有一个有效。
在图5中所示的压电元件的防触电性通过在裸露的带电压的边缘上涂覆电绝缘漆来保证。如同在图4中已示出那样，可对基体作同样构造，即，使基体搭接被敷在两侧的导电层，此处为条带22以及两面的内部电极30和31。
为了使由绝缘材料构成基体10的压电元件电接通，按照图6，基体10与导电层20,21,22一起只部分地配备有压电驻极体40。在基体1O的露出部分上，一金属箔60粘接在导电层20,21,22上。在金属箔60上通过一钎焊点61固定一连接电缆62。
另一种电接通结构的可能性如图7所示。其中，在内部电极30和导电层20,21,22之间插入一金属箔60。为了更好地接通和更好地固定金属箔60，基体10和导电层20,21,22没有完全被压电驻极体40覆盖。在金属箔60的空出部位上通过一钎焊点61固定一连接电缆62。由于紧邻于插入金属箔60的覆层弯曲，可能会产生预定断裂点。然而其生产方法在技术上比图6所示元件的生产方法要简单。为避免预定断裂点出现，可将金属箔60处的导电膜20,21,22去掉。
图8和图9分别示出了作为编织和针织机械针控拐弯传感器100,200的按照本发明设计制造的压电元件。由绝缘材料构成的基体10以倒圆角形式逐渐变窄，该基体具有一孔80。这种结构用来容纳编织和针织机械的平针。拐弯传感器100及200的电接通在另一端通过连接电缆62，钎焊点61及9微米厚的铜箔70来实现。两个拐弯传感器100和200在两侧都具有所示出的层。仅仅出于简化起见，只示出每个拐弯传感器的一侧。
图8所示拐弯传感器100具有一带有网格21状导电层的基体10。作为网格21是一厚度为50微米的铜网。基体10以及铜网由一具有一内部电极30和一外部电极50的压电驻极体40如图示那样部分地覆盖。导电网格21的铜网在拐弯传感器100上与孔80相对的另一端可以很容易地接触到。在那儿在铜网上粘上一薄铜箔70，用于通过一钎焊点61与接头线62电连接。在外部电极50上涂覆上一未示出的具有耐磨强度的碳-聚合物稠胶膏，拐弯传感器100的所有侧边均涂有电绝缘漆。
图9中所示拐弯传感器200具有与图8中的拐弯传感器100相同的层结构。只不过导电层在此由一些平行条带22构成。另外为了拐弯传感器200的电接通，在内电极30和导电层之间(如图7所示)插入一已提及的层厚为9μm的铜箔70。该导电条带21由大约10微米厚的碳-聚合物构成。条带22不能太厚，否则将因此产生预定断裂点。
两个拐弯传感器100和200的基体均由玻璃纤维强化环氧树脂组成。在制造过程中采用这种预浸带形式的环氧树脂，以便使基体10如图4所示那样在导电层流动状态下直接与压电驻极体40的内部电极30粘接。
权利要求
1．一种带有由电绝缘材料组成的基体(10)的压电元件，在其基体上被敷有一压电驻极体(40,41)，其特征在于，在基体(10)与朝向基体(10)的压电驻极体(40,41)的内部电极(30,31)之间插入一导电层(如20)，该导电层与内部电极(30,31)在一些位置处电接通。
2．按照权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述内部电极(30,31)通过一金属箔(60)，优选一铜箔(70)来电接通，该铜箔适合于安设钎焊点(61)。
3．按照权利要求2所述的压电元件，其特征在于，金属箔(60)的一部分插入压电驻极体(40,41)与基体(10)之间。
4．按照权利要求2所述的压电元件，其特征在于，基体(10)比压电驻极体(40,41)长，并且所述导电层在基体(10)的露出部分上延伸并与金属箔(60)电接通。
5．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述导电层为可塑薄膜(20)。
6．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述导电层为一网格(21)。
7．按照权利要求6所述的压电元件，其特征在于，所述网格(21)由平行条带(22)构成。
8．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述导电层由金属组成。
9．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述导电层由导电塑料组成。
10．按照权利要求9所述的压电元件，其特征在于，所述塑料为一种碳-聚合物。
11．按照权利要求9所述的压电元件，其特征在于，所述塑料为一种金属纤维强化环氧树脂。
12．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述内部电极(30,31)为一金属化层。
13．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述压电驻极体(40,41)在背向基体的一侧上具有一外部电极(50,51)。
14．按照权利要求13所述的压电元件，其特征在于，所述外部电极(50,51)由一导电的可塑层覆盖。
15．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述基体(10)在边缘处搭接导电层和内部电极(30,31)。
16．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述导电层和内部电极(30,31)空出的部分涂有电绝缘漆。
17．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述基体(10)为一平坦薄片并在两侧具有导电层和压电驻极体(40,41)。
18．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其构成了拐弯传感器(100,200)。
19．按照上述任一项权利要求所述的压电元件，其特征在于，所述压电驻极体(40,41)为一压电陶瓷。
20．一种制造由电绝缘材料构成基体(10)的压电元件的方法，其特征在于，所述基体(10)通过一中间导电层与压电驻极体(40,41)连接，其中，导电层与压电驻极体(40,41)的一内部电极(30,31)在一些位置上电接通。
21．按照权利要求20所述的方法，其特征在于，导电层以网格(21)形式被敷在作为基体(10)的热固塑料预浸带上，所述预浸带包括导电层借助于加热处理与压电驻极体(40,41)连接。
22．按照权利要求20所述的方法，其特征在于，所述导电层以金属网预浸带，优选铜网预浸带的形式被覆在基体(10)上，所述金属网预浸带借助于加热处理与压电驻极体(40,41)连接。
全文摘要
本发明涉及一种由电绝缘材料构成基体(10)的压电元件,在其基体上载有压电驻极体(40,41),本发明还涉及制造这种压电元件的方法。为了有很高的功能可靠性,按照本发明,在基体(10)与压电驻极体(40,41)的内部电极(30,31)之间插入一导电层,该导电层与内部电极(30,31)在一些位置上电接触。这种压电元件尤其适合作为纺织工业编织、针织机械控制用拐弯传感器(100,200)。
文档编号H01L41/047GK1223742SQ97195965
公开日1999年7月21日 申请日期1997年5月14日 优先权日1997年5月14日
发明者迈克尔·里德尔, 汉斯－于尔根·塞斯塔克 申请人:西门子公司