專利名稱：壓電多層部件的制作方法
技術領域：
說明一種具有在機械方面穩定性更低的區域的壓電多層部件。
背景技術：
從文獻DE 10 2006 031 085 Al 中公知一種具有易斷層(Sollbruchschicht)的 壓電多層部件。
發明內容
要解決的任務在于，說明一種長時間穩定的壓電多層部件。說明一種壓電多層部件，該壓電多層部件具有由上下疊加布置的壓電陶瓷層和位 于該壓電陶瓷層之間的電極層構成的疊層。該疊層具有第一區域和第二區域，其中第二區 域包含干擾材料，通過該干擾材料降低第二區域相對于第一區域的機械穩定性。第一區域和第二區域在疊層內優選分別在橫向上_即垂直于疊層方向-延伸。第 一區域以及第二區域的走向基本上平行于疊層的層并且優選在疊層的整個橫剖面的跨度 上延伸。兩個區域中的每個可以包括該疊層的一個或多個壓電陶瓷層，或者只包括壓電陶 瓷層的一部分。優選地，第一區域和第二區域相互鄰接。所述壓電多層部件所具有的優點是，通過特定機械負荷在疊層中引起的機械應力 可以通過在機械穩定性減小的區域_即在第二區域_中的受控裂縫形成來消除。尤其是可 以避免兩個極性相反的電極層通過裂縫相互連接，因為裂縫本身構成為平行于機械穩定性 減小的第二區域內的層。為此，具有比第二區域高的機械穩定性的第一區域在疊層方向上 與第二區域鄰接。優選地，第一區域由兩個子區域組成，這兩個子區域在疊層方向上包圍第 二區域。因此，裂縫被在第二區域中引導并且不擴展到第一區域中。由此，可以避免極性相 反的電極層之間的短路并且提高部件的長時間穩定性。第二區域的減弱通過干擾材料引起。在一個實施方式中，第二區域包含壓電陶瓷 材料，所述壓電陶瓷材料的組織由于干擾材料的存在而在燒結過程期間有所改變。在此，第 二區域中的壓電陶瓷材料優選具有比第一區域中的壓電陶瓷材料高的孔隙率。因此，第二 區域在機械上減弱。優選地，第一區域同樣包含壓電陶瓷材料，其中該壓電陶瓷材料的組織 不被干擾材料改變或者僅僅輕微地被干擾材料改變。所述干擾材料也能以與第二區域的材 料之間的化學化合物的形式存在。此外，說明一種作為中間產品的壓電多層部件，從中可以制造出所述的壓電多層 部件。將干擾材料引入到該中間產品中，所述干擾材料適于改變第二區域中的材料的燒結 特性，使得引起第二區域相對于第一區域的機械上的減弱。優選地將干擾材料選擇為使得該干擾材料可以在對疊層進行加熱時擴散到疊層 的第二區域中并且可以改變第二區域的燒結特性。但是，該干擾材料也可以在燒結之前就 已經被引入到第二區域中并且改變第二區域的燒結特性。在這種情況下，第二區域例如是摻雜有干擾材料的壓電陶瓷層。在此，干擾材料可以改變該摻雜層的燒結特性并且此外擴 散到鄰接的壓電陶瓷層中并且也干擾該鄰接的壓電陶瓷層的燒結特性。干擾材料也可以稱 為活化材料。所引入的干擾材料優選包括過渡金屬。所述干擾材料可以由過渡金屬組成或者包 括過渡金屬與另一金屬的混合物。所述另一金屬優選包含在電極層中。這所具有的優點是， 使在疊層中使用的金屬種類的數量最小化并且因此簡化多層部件的制造。所述干擾材料也 可以與陶瓷粉末混合。優選使用也用于壓電陶瓷層的陶瓷粉末。所述干擾材料例如包含鎳或者由鎳制成。根據一個實施方式，所述干擾材料以包 括氧化物、氫氧化物或鹽的化學化合物的形式存在。替代于鎳，也可以使用其他材料作為干擾材料，所述其他材料例如是釩、鉻、錳、 鐵、鈷、鋅、鎵或鍺。這些材料可以要么以金屬的形式、要么以合金或化學化合物的形式來使 用，如之前在鎳的情況下所述的那樣。在中間產品的一個實施方式中，將至少一個包含干擾材料的附加干擾層引入到疊 層中。干擾層可以施加在電極層上。在一個實施方式中，干擾層只在電極層的跨度上延伸。 然而，干擾層也可以在疊層的整個橫剖面的跨度上延伸。在可替換的實施方式中，干擾層被施加到壓電陶瓷層上。干擾層優選在疊層的整 個橫剖面的跨度上延伸。在一個實施方式中，干擾層被結構化并且不完全覆蓋疊層的一個層。所述干擾層 可以具有與電極層的幾何結構不同的幾何圖案。所述干擾層例如包括以島的形式或以具有 鏤空的層的形式存在的干擾材料。在此，所述干擾層可以是包含干擾材料的層，其中所述層 具有中斷的結構。可替換地，所述干擾層可以具有與電極層相同的形狀或幾何結構。這所具有的優 點是，可以通過相同的方式將電極層和干擾層施加在疊層的壓電陶瓷層上，使得例如可以 使用相同的掩膜來壓印這些層。根據一個實施方式，干擾層從疊層的一個縱側延伸到疊層的另一個縱側。在此，所 述干擾層尤其是可以完全覆蓋疊層的平面。干擾層尤其是可以借助于絲網印刷、噴鍍或噴涂來生成。根據中間產品的一個實施方式，干擾層包括引入了干擾材料的層。這例如是摻雜 有干擾材料的壓電陶瓷層。在這種情況下壓電陶瓷層本身可以用作易斷層。所述干擾材料 還可以引入到電極層中，并且在燒結期間擴散到鄰接的壓電陶瓷層中。優選地，第二區域與包含干擾材料的區域鄰接。在存在干擾層的情況下，第二區域 例如包括沿著疊層方向與該干擾層鄰接的壓電陶瓷層。如果壓電陶瓷層摻雜有干擾材料， 則第二區域例如包括該壓電陶瓷層。第二區域沿著疊層方向延伸多遠首先取決于干擾材料 的擴散特性以及干擾材料的量。多層部件的第二區域優選包括壓電陶瓷材料，尤其是鉛鈦酸鉛(PZT)。該材料優選 包含在壓電陶瓷層中。已經證實，這樣的包含在第二區域中的陶瓷材料可以與干擾材料發 生反應，使得在對所述多層部件進行熱處理期間-例如在燒結期間，第二區域的機械強度 被降低為使得該第二區域可以用作易斷區域或易斷層。在此，根據對干擾材料的選擇，可以改變周圍的已燒結陶瓷的孔隙率和組織。在此，對壓電陶瓷材料的改變的程度首先取決于與干擾材料的距離、所使用干擾材料的類型 以及所施加的干擾材料的量。所述干擾材料距周圍的層的距離和所述干擾材料的類型的影響由干擾材料通過 周圍材料的擴散分布來確定。壓電陶瓷層距干擾材料越近，在燒結過程期間就有越多的干 擾材料擴散到壓電陶瓷層中并且壓電陶瓷層的燒結特性就會越強烈地受到干擾材料的影 響。因此，裂縫在燒結過程結束之后對孔隙率和組織的特定影響或影響也取決于在中間產 品中壓電陶瓷層距干擾材料的距離。在與干擾層相距較大的壓電陶瓷層中，在極端情況下，甚至可以不發生對孔隙率 和組織的改變，因為干擾層的干擾材料在燒結過程期間不能通過擴散過程達到這些層。優 選地，疊層的相對于第二區域機械穩定性提高的第一區域比第二區域距干擾材料更遠。因 此，第一區域比第二區域包含更少的干擾材料的量，并且因此在其燒結特性方面不改變或 者僅僅輕微地改變。除了各個壓電陶瓷層與干擾層的間隔之外，干擾層中的干擾材料的量也起到重要 作用。這個量除了影響擴散分布之外還影響第一材料在已燒結陶瓷中的濃度。當這個量很 小時，在燒結過程之后對孔隙率和組織的改變同樣很小。在燒結過程結束時產生具有不均勻孔隙率分布和不均勻組織的疊層，這導致疊層 本體中的不同機械強度的分布。例如，一些壓電陶瓷層包含比另一些壓電陶瓷層更小的機 械強度。具有減小的機械穩定性的壓電陶瓷層優選位于干擾層旁。在此，在對疊層進行極 化和運行時的裂縫優選在具有更小強度的壓電陶瓷層中產生。因為鄰接的層具有更高的機 械強度，所以這樣的裂縫僅應在具有更小強度的層內延伸。這樣的話，裂縫走向基本上平行 于電極層，這導致壓電多層部件的使用壽命的延長。為了確保裂縫在對疊層或壓電多層部件進行極化和運行期間不偏離電極層的平 面，優選改變多層部件的整個平面的孔隙率和組織，并且不僅局部地進行改變，例如僅在多 層部件的邊緣處進行改變。為了實現此目的，干擾層可以在疊層的整個橫剖面的跨度上延 伸。此外說明一種用于制造壓電多層部件的方法，其中對作為中間產品所制造的壓電 多層部件進行燒結。在燒結期間，干擾材料改變第二區域中的材料的燒結特性，使得產生第 二區域的機械上的減弱。在此，干擾材料可以在對疊層進行加熱之前就已經位于第二區域 中或者在加熱時才擴散到第二區域中。所述干擾層優選借助于之前所述的技術之一來生成并且利用之前所述類型的圖
案來構造。
根據下面的圖和實施例進一步闡述所述主題。在此圖1示出示意性示出的壓電多層部件的縱剖面圖，圖2示出示意性示出的壓電多層部件的一個區域的縱剖面圖，圖3a和3b示出壓電多層部件中的不同的裂縫形成，圖4示出具有干擾層的壓電多層部件的縱剖面圖，圖5a和5b分別示出具有由于干擾材料而穩定性較低的區域的壓電多層部件的縱剖面圖，圖6a至6d示出干擾層的不同實施方式，圖7a至7d示出具有不同幾何圖案的干擾層的俯視圖。
具體實施例方式圖1示出示意性示出的壓電執行器的橫剖面圖，該壓電執行器具有由壓電陶瓷層 2和位于壓電陶瓷層之間的電極層3構成的疊層1。在疊層1的兩個縱側上施加有作為外 部金屬涂層的外部接觸5，這些外部接觸5與電極層3的延伸至縱側的端部接觸。不同極性 的相鄰電極層在正交投影中重疊(該正交投影平行于壓電執行器的疊層軸線)。在可以稱 作活化區的重疊區域中，電場導致存在于這些電極層之間的壓電陶瓷層2產生偏轉或者膨 脹。極性相反的相鄰電極層3不重疊的區域稱為非活化區。在該區域中，幾乎不因為壓電 效應而發生偏轉。電極層3中的材料被選擇為使得這些電極層3在燒結過程中不會過度熔 化或者所印刷的電極層的結構在燒結時以及在燒結后基本上保持不變。圖2示出壓電執行器的疊層1的一個區段，其中在極性相反的相鄰電極層3之間 可以上下疊加地堆疊多個壓電陶瓷層2。這樣的區段也用作以下描述的壓電執行器實施方 式的結構的基礎，因為在附加的壓電陶瓷層2之間可以施加干擾層，這些干擾層發起化學 反應，以產生該疊層的機械上減弱的第二區域。圖3a示出裂縫6如何連接壓電執行器的多個電極層3、尤其是極性相反的電極層 3。發明人已經確定壓電執行器的可靠性決定性地取決于對可能出現的裂縫的控 制。在熱過程中，例如在燒結(溫度在800和1500°C之間)、金屬化和焊接時以及在(已燒 結的)壓電執行器的極化時，由于不同的膨脹而在活化(受控)區和非活化(絕緣)區中 產生機械應力，所述機械應力導致壓電執行器的所謂的減壓裂縫和/或極化裂縫。這些裂 縫在非活化區中沿著電極層3延伸或者在電極層3中延伸。在向活化區域過渡時，這些裂 縫可能折斷。在此，如果這些裂縫跨越至少兩個電極層，則可產生短路，這些短路可能導致 壓電執行器的故障。相反地，平行于內部電極的裂縫幾乎不危及壓電執行器的使用壽命。圖3b示出壓電執行器的疊層1中的裂縫6的無危害的走向。裂縫基本上平行于 電極層3或者壓電陶瓷層2延伸，使得裂縫不連接極性相反的電極層并且因此也不造成短 路。圖4現在示出作為中間產品的壓電執行器，其中多個干擾層4分布在疊層1的高 度跨度上。作為干擾材料，干擾層4可以包含過渡金屬-例如鎳，并且分別施加在電極層3 上。在此，干擾層4在疊層1的整個橫剖面的跨度上延伸。作為干擾材料的鎳可以以不同形式存在，例如作為金屬鎳、鎳氧化物、氫氧化鎳或 者鎳鹽。含鎳的材料可以與壓電陶瓷粉末混合并且施加在疊層的現有層上。在此，優選使 用與用于壓電陶瓷層相同的壓電陶瓷的粉末。作為替代，含鎳的材料也可以與金屬粉末混 合并且施加在疊層的現有層上。在此，優選使用與在疊層的電極層中所使用的金屬材料相 同的金屬材料。所述材料例如包括銅、銀、鈀或者這些金屬的合金。在電極層充當干擾層的 情況下，可以將干擾材料混合到用于印制電極層的膏狀物中。圖4示出如何將干擾層4分別施加到電極層3上。干擾層可以布置在疊層中的不同位置處。例如，干擾層可以直接位于電極層上，如在圖4中所示出的那樣。但是，干擾層 也可以被施加在兩個在疊層方向上相鄰的壓電陶瓷層之間，在這兩個相鄰的壓電陶瓷層之 間不存在電極層3。由含鎳材料制成的優選薄的具有多達10 μ m厚度的干擾層4可以在疊層1的燒結 期間與周圍的壓電陶瓷反應并且因此改變壓電陶瓷的燒結特性。關于在分別布置在兩個相鄰的內部電極之間的陶瓷層中的與干擾層鄰接的陶瓷 材料，在使用鎳作為干擾材料的情況下，鎳含量為壓電陶瓷材料的0. 05至lOmol-%，優選 0. 5 至 6mol-%。如果壓電陶瓷層摻雜有該第一材料，則上述的量被理解為陶瓷中超過現有鎳含量 的附加的量。每兩個在疊層方向上相鄰的干擾層之間的間隔優選在0. 5至5mm之間，優選在0. 6 至2. 5mm之間。圖5a示出用陰影表示的第二區域A，該第二區域A由于干擾材料而相對于第一區 域B在機械上減弱。在燒結期間，來自干擾層4的干擾材料擴散到鄰接的壓電陶瓷層中并 且導致對燒結特性的干擾。因為第一區域B距干擾層4的距離較大，所以擴散到該區域中 的干擾材料較少。第一區域B在疊層方向上包圍第二區域A。圖5b示出在對該疊層進行機械加載時可如何穿過該第一區域A形成受控的裂縫 6。該裂縫在第一區域A內在中間產品中施加的干擾層4的附近延伸。這歸因于，壓電陶瓷 層距干擾層4越近，該壓電陶瓷層就越弱。壓電陶瓷層的機械穩定性可以隨著距干擾層4 的距離增加而連續減小。因此，第二區域A與第一區域B之間的過渡也可以流暢地進行。圖6a至6d示出干擾材料在中間產品中的不同的布置可能性。圖6a示出施加到電極層3上的干擾層4。與電極層3不同，干擾層4在疊層的整 個橫剖面的跨度上延伸。圖6b示出一個電極層3a，其中干擾材料被引入到該電極層3a中。在此，干擾材料 沒有被引入到所有的電極層3中。圖6c示出干擾層4如何在疊層1的整個橫剖面的跨度上延伸并且被施加在壓電 陶瓷層2上。圖6d示出摻雜有干擾材料的壓電陶瓷層2a。在燒結期間，干擾材料改變該壓電陶 瓷層2a的燒結特性并且此外可以擴散到其他鄰接的壓電陶瓷層2中并且干擾這些鄰接壓 電陶瓷層2的燒結特性。圖7a示出覆蓋疊層的整個橫剖面的干擾層4的俯視圖。干擾層4例如覆蓋壓電 陶瓷層2或者電極層3。圖7b示出如下干擾層4的俯視圖所述干擾層4被實施為島4a的布置，這些島4a 只覆蓋疊層的層2，3的表面的一部分。在此，島4a是圓形的，但是這些島可以分別具有任 意的其他輪廓，例如多邊形的輪廓。島4a優選以規則的圖案施加在疊層的層2，3上，使得 這些島相互之間分別具有相同的間隔。然而，這樣的規則結構不是一定必要的。優選地，島 4a在疊層1的橫剖面的跨度上均勻分布。圖7c示出作為網狀結構4c施加在疊層的層2，3上的干擾層4。因此，干擾材料以 一種連續結構布置在層2，3上，該連續結構包圍方形的鏤空4b。
圖7d示出如下的干擾層4:該干擾層4作為干擾材料的同心的框架形狀的區域4d 施加在疊層的層2，3上。在此，干擾材料的這些區域具有圓形或方形的輪廓。這些區域可 以被理解為具有共同中心的框架形狀的島。在上面的這些圖中示出的干擾層優選不僅可以在中間產品中看到，而且也還可以 在最終產品中看到。下面，說明具有干擾層的壓電多層部件的優選材料組成以及結構。在此，還可以想 到在實施方式中所述的材料以及干擾材料的布置能夠任意組合。壓電陶瓷層包含例如具有根據以下公式的組成的陶瓷(PbxNdy) ((Zr1^zTiz) ^aNia) O3其中0. 90 彡 χ 彡 1. 10 ；0. 0001 ^ y ^ 0. 06 ；0. 35 彡 ζ 彡 0. 60 ；OSa <0.10。根據第一實施方式，干擾材料包括包含鎳氧化物與有機粘結劑的膏狀物。該干擾 層借助于絲網印刷施加到電極層上。施加到電極層上的鎳的濃度占鄰接的或相鄰的壓電陶 瓷層的壓電陶瓷的0. 5至6mol %。兩個在疊層方向上相鄰的干擾層之間的間隔處于0. 6至 2. 5mm之間。干擾層被全面(VOllflSchig )施加到電極層之上并且在疊層的整個橫剖面 的跨度上延伸。電極層優選僅僅包含銅作為金屬。根據另一實施方式，含鎳材料包括鎳和銅的合金與有機粘結劑的粉末混合物。在 這種情況下，干擾材料被添加到電極層中。借助于絲網印刷來生成電極層。所施加的鎳的 濃度占鄰接的壓電陶瓷層的壓電陶瓷的0.5至6mol%之間。兩個在疊層方向上相鄰的干擾 層之間的間隔處于0. 6至2. 5mm之間。含鎳電極層的形狀對應于作為金屬僅僅包含銅的其 他電極層的形狀。根據另一實施方式，含鎳材料包括包含鎳氧化物和銅與有機粘結劑的膏狀物。在 此，干擾材料也被添加到將借助于絲網印刷來施加的電極層中。所施加的鎳的濃度占鄰接 的壓電陶瓷層的壓電陶瓷的0. 5至6mol%之間。兩個在疊層方向上相鄰的干擾層之間的間 隔處于0. 6至2. 5mm之間。含鎳電極層的形狀對應于作為金屬僅僅包含銅的其他電極層的 形狀。附圖標記列表1由壓電陶瓷層和電極層構成的疊層2壓電陶瓷層2a具有干擾材料的壓電陶瓷層3電極層3a具有干擾材料的電極層4干擾層
4a島
4b鏤空
4c網狀結構
4d框架形區域
5外部接觸
6裂縫
A第二區域
B第一區域
權利要求
一種作為中間產品的壓電多層部件，具有 由上下疊加布置的未處理的壓電陶瓷層(2)和位于該壓電陶瓷層之間的電極層(3)構成的疊層(1)， 具有疊層(1)的第一區域(B)和第二區域(A)， 其中在疊層(1)中部分地引入干擾材料，所述干擾材料適于改變第二區域(A)中的材料的燒結特性，使得引起第二區域(A)相對于第一區域(B)的機械上的減弱。
2.根據權利要求1所述的多層部件，其中所述干擾材料包括過渡金屬。
3.根據權利要求1或2所述的多層部件，其中所述干擾材料包括選自氧化物、氫氧化 物、鹽之一的化學化合物。
4.根據權利要求1至3之一所述的多層部件，其中在所述疊層中引入至少一個附件的 干擾層(4)，該干擾層(4)包含干擾材料。
5.根據權利要求4所述的多層部件，其中所述干擾層(4)被施加到電極層(3)上。
6.根據權利要求4所述的多層部件，其中所述干擾層(4)被施加到壓電陶瓷層(2)上。
7.根據權利要求1至6之一所述的多層部件，其中所述干擾層(4)被結構化，其中所述 干擾層(4)不完全地覆蓋疊層(1)的層(2，3)。
8.根據權利要求1至3之一所述的多層部件，其中壓電陶瓷層(2)摻雜有干擾材料。
9.根據權利要求1至3之一所述的多層部件，其中所述干擾材料被引入電極層(3)中。
10.根據權利要求1至9之一所述的多層部件，其中所述干擾材料在疊層(1)的橫剖面 的跨度上延伸。
11.根據權利要求1至10之一所述的多層部件，其中所述第二區域(B)包括壓電陶瓷 層(2)的與所述干擾材料鄰接的部分。
12.一種用于制造壓電多層部件的方法，-其中根據上述權利要求之一的作為中間產品制造的壓電多層部件被燒結，并且_在燒結期間，所述干擾材料改變第二區域(A)中的材料的燒結特性，使得產生第二區 域㈧相對于第一區域⑶的機械上的減弱。
13.一種能按照根據權利要求12所述的方法制造的壓電多層部件，具有-由上下疊加布置的壓電陶瓷層(2)和位于該壓電陶瓷層之間的電極層(3)構成的疊 層⑴，-疊層(1)的第一區域(B)和第二區域(A)，-其中所述第二區域(A)包含干擾材料，通過所述干擾材料降低第二區域(A)相對于第 一區域(B)的機械穩定性。
14.根據權利要求13所述的多層部件，-其中在第二區域(A)和第一區域(B)中存在壓電陶瓷材料，并且_其中第二區域(A)中的壓電陶瓷材料的組織相對于第一區域(B)中的壓電陶瓷材料 的組織發生改變。
15.根據權利要求13或14所述的多層部件，其中第二區域(A)中的壓電陶瓷材料比第一區域(B)中的壓電陶瓷材料具有更高的孔隙率。
全文摘要
說明一種壓電多層部件，該壓電多層部件具有由上下疊加布置的壓電陶瓷層(2)和電極層(3)構成的疊層(1)。該疊層(1)具有第一區域(B)和第二區域(A)，其中第二區域(A)具有干擾材料(4)，通過該干擾材料降低第二區域(A)相對于第一區域(B)的機械穩定性。此外，說明一種作為中間產品的壓電多層部件以及一種用于根據該中間產品制造壓電陶瓷部件的方法。
文檔編號H01L41/083GK101978520SQ200980110396
公開日2011年2月16日 申請日期2009年1月22日 優先權日2008年1月23日
發明者A·格拉朱諾夫, G·克格爾, O·德諾夫澤克 申請人:埃普科斯股份有限公司