單片多層壓電執行元件及其制造方法

專利名稱：單片多層壓電執行元件及其制造方法
壓電執行元件一般是由在一個疊層(Stapel)中配置的多個壓電元件制成的。每個這樣的元件又是由在兩側裝有金屬電極的一片壓電陶瓷層制成的。當在這樣的電極上施加電壓時，在壓電陶瓷上便產生沿著一個主軸向一個有用縱向延伸的晶格畸變。由于這種沿著主軸方向延伸的長度又小于層厚的千分之二，要想取得一個理想的絕對延伸長度，就必須準備厚度相當大的層厚的有源壓電陶瓷。隨著壓電陶瓷層厚的增加，單個壓電元件的壓電陶瓷動作所需的電壓增大。為了使這種現象保持在有用的范圍以內，壓電陶瓷的厚度一般在20到200μm之間。要想使多層結構的壓電執行元件產生一個理想的縱向延伸，就需要備有相應層數的單個元件或者單層層件。
慣用的多層結構壓電執行元件是由總共有多層的單層層件構成的。其制造方法是將壓電陶瓷綠膜按照電極材料交替層疊的方式疊成一個疊層，然后經過層壓及燒結，制成單片多層件。在Ferroelectrics,1983,90卷，181~190頁發表過S.Takahashi等人所寫有關這種方法示例的文章。具有最大絕對延伸長度的最大壓電執行元件是采用將多個這樣的疊層粘結制成的。在US-A5438232中發表過這樣的方法的示例。然而這樣的粘結疊層在多種用途中發現剛度太小，當必須要傳遞強力時更是如此。只有整塊的單片多層結構方才具備這樣高的剛性。只有這樣的結構方才顯示出在疊層中的多層件具有的足夠牢度。
在制造單片多層結構的單片執行元件時，隨著高度的逐步增大還要產生其他的問題。由多個單一執行元件壓成一個疊層的層壓板，在燒結之前必須進行分割。借以將面積較大的綠膜分割成具有理想大小執行元件面積的小塊疊層。低疊層能夠像多層電容器那樣使用簡單的方法在自動沖床上沖壓；高疊層則必須采用多鋸條鋸沿著分割線進行分割。
低疊層能夠在自動機床中以短的作業時間完成層壓作業。當較高的疊層進行層壓時，則必須要加倍謹慎地進行；在進行層壓時特別要保持豎向的結構精度不變。此時，由于所用的壓力在綠膜中的橫向流動過程經常會有造成層間移位的危險。特別是在以后有待進行接觸加工的部位會因此受到損壞。
在多層制造工藝中所用的有機粘合劑在綠膜的制造中是特別需要的，在層壓工序中也是協調的，但是在進行燒結之前必須要在爐子中在受控的氣氛中進行費用昂貴的脫粘合劑處理。隨著疊層高度的增高，在脫粘合劑過程中粘合劑或者分解產物所需的擴散通路要成倍增加。為了防止高內壓對于疊層的損害，需要高費用的工藝措施，在制造多層電容器的過程中，這是一筆主要的花費。
由于在制造多層結構的壓電執行元件存在的許多有待解決的問題，迄今為止，已知的單片壓電執行元件，由于采用制造成本便宜的，例如，采用制造多層電容器的慣用技術，使其最大高度被限定在2.5至5mm。除此以外，出于上述的原因，這種已知壓電執行元件的高寬比最大只能達到2左右。迄今為止，更高的執行元件以及高寬比更大的執行元件只能通過將多個小疊層粘結在一起的辦法獲得，采用這樣的辦法使疊層的剛性、并且轉而使其承載能力降低。
本發明的任務是為制造單片多層結構壓電執行元件提供一種簡單可靠的方法，其高寬比在2以上，用來制成疊層高度在5mm以上的單片體，具有最佳的壓電性能和強大的機械粘結強度。
這項任務按照權利要求項1規定的一種方法能夠解決。本發明的其他優選措施參見其他權利要求項。
本發明的基本想法是利用規定疊層高度的層壓結構。經過將層壓片分割成小塊之后，也就是由大面積的第一疊層(第一多層件)分割成理想執行元件的小塊第二疊層(第二多層件)之后，要進行脫粘合劑。然后，將多個這樣的第二多層件疊置成一定的高度，相當于第一成果的多倍，并且在輕度壓力下燒結成符合本發明的壓電執行元件。從而制成總體高度大于5mm，高寬比大于2的、符合本發明的壓電執行元件。通過將有用量較小、從而疊層高度較小的第一疊層進行層壓，獲得內部電極結構的豎向高精度。這一點特別重要，因為電極是經過成型加工被壓結在綠膜上的，結果是使其被保留在電極層的預留孔中，它在疊層中就位的準確位置對于正確的接觸加工特別重要。通過將許多這樣的多層件上下疊置，然后接著用簡單的方式共同燒結，能夠在多層件的內部保持這樣高的豎向精度不變。在將多層件上下疊置時可能會產生的位錯并無關緊要。當分割疊層高度受限的第一多層件利用成本便宜的慣用方式通過切割、沖壓、或者剪切進行分割。單個的多層件有時要做的脫粘合劑是在疊層高度很小，例如，最高為2mm的狀態下進行的。這樣就可以使粘合劑或者其分解產物需要克服的擴散路徑大約在1mm左右。因此，在脫粘合劑時不必因對該過程進行控制而作額外的支出，采用慣用的方法即可。
由于在制造第一多層件時在多層件中的電極結構加工是統一進行的，通過將不同電極結構的多個多層件連接在一起，就能夠用簡單的方法制成層件不同的壓電執行元件。層件按照具體的電極結構、每一分層的層厚或者接觸加工方式劃分。所以能夠采用簡單的方式在壓電執行元件中逐步實現執行元件和傳感器的機械結合和電動脫鉤的功能。壓電執行元件的端件(也就是頭件和尾件)的制造方法也很簡單。這些元件是由大面積的有或沒有電極結構的無源陶瓷層制成的。
按照本發明的壓電執行元件及其組配方法完全不受所用材料的限制。可以用任何一種PZT(鋯鈦酸鉛)-陶瓷制造執行元件。可以用含不同金屬的料漿制造電極層。例如一種含鉑顆粒的料漿就能夠在最佳溫度條件下燒結成為良好壓電性能所需的陶瓷結構。含鈀/銀的料漿也適合在較低的燒結溫度下使用。
以下參照一個實施例及其附圖對于該方法進行詳細說明。


圖1所示是用電極材料壓結的綠膜的俯視圖。
圖2所示是壓結上電極材料的綠膜構成的疊層剖面圖。
圖3所示是該疊層經過層壓之后的透視圖(第一多層件)。
圖4至6所示是與以后在不同領域中使用的壓電執行元件相對應的不同結構的多層件。圖中所示是沿AB線的剖面圖。
圖7所示是在一個壓模中不同多層件的排列方式。
圖8所示是在成品壓電執行元件中具有的電氣接線。
1．壓電執行元件的制造混合最為均勻的原料可以采用已知的方法制造，例如，按照混合氧化法；或者采用化學路線法，例如采用Sol-Gel法、檸檬酸酯法、草酸酯法；或者通過其他的金屬有機過渡性化合物制造。在混合氧化法中，所有可供陶瓷使用的陽離子是以其氧化物的形式彼此互相混合，然后轉化成為PZT；在其他的制造方法中的理想陽離子則是來自金屬氧化物的混合溶液。通過從溶液中的沉淀，或者通過在稱為Sol-Gel法中的逐步濃縮就能夠獲得在以后的固體物質中混合極為均勻的陽離子。例如，獲得下列標稱組分的陶瓷粉
Pb0.97Nd0.02(Zr0.54Ti0.46)O3。
經過煅燒之后，再重新進行研磨和均化。接著再用有機粘合劑和水調和，制成一種泥料。用來擠壓或澆注成綠膜，經過干燥之后，形成例如20至200μm的厚度。
綠膜經過干燥之后，在其上面施加電極材料，例如，用一種料漿壓結。這種料漿是將銀/鈀顆粒(70/30質量混合比)在一種粘合劑中調制到總體上達到可壓縮的粘稠程度。還可以采用另外的其他輕金屬，例如鉑顆粒制成的漿料。
在綠膜的一個基本平面上可以在電極成型加工的一道工序中壓結多個壓電元件。這樣至少可以在成型加工過程中省卻日后對每個壓電元件所做的接觸加工。
圖1所示是用電極材料壓結的綠膜的俯視圖。壓結按照一種模式進行。其中包括壓結區1和非壓結預留孔區2。分割線SL用來表示以后將大面積的綠膜分割成具有理想工作表面的小型多層件的切割線。圖中繪出有3x3個小型多層件格子的一塊綠膜。根據供以后壓電執行元件之用的理想單元面積還可以想象有另外的任意格子和/或另外的電極模式。在圖1中通過分割線表示的正方形格子的邊長，例如是14mm。
在一個側面上涂布供電極層之用的電極材料的量要使其能夠在經過燒結之后形成相應的2至3μm厚的電極層。
圖2壓結上電極材料的壓電陶瓷綠膜S1,S2,S3…有時候要經過干燥、然后再進行疊置，從而形成按照壓電陶瓷層3和電極層5交替排列的順序。電極層采用同樣的交替方式這樣疊置，那就是在第一層電極層中與相當于圖1中非壓結區2的上述每個預留孔4上放置在下一個電極層中的壓結電極材料的平面1。這樣就可以通過將如圖1所示的電極模式旋轉180°使其到達綠膜所在的軸線上。圖2表示在疊層中按照電極材料5和綠膜3的交替順序排列的示意圖。通過交替排列的方式，使每隔一層都有同樣的電極模式。在該兩層之中同樣模式的層中的預留孔4卻是彼此錯開疊置的。
通過這種辦法由多個上下疊放的單層構成的疊層總體高度不得超過2至3mm。當綠膜的厚度，例如，為100μm時，單層的層數則相當于30層。將采用這種辦法松散疊置的疊層放在一臺沖壓機上，用大約100Mpa的單軸壓力將疊層進行準等壓壓密。流動性的粘合劑在室溫(最好是在稍高的溫度)及常壓下就能夠將理論陶瓷密度從48％增高到60％。在此狀態下進行內部的壓力平衡和容積平衡，從而就能夠用陶瓷材料完全將電極模式的留孔4填滿。在進行層壓加工時，采用這樣的方式也能使疊層或多層件成品內部的密度梯度和壓力梯度也得以平衡。
圖3所示是這樣制成的多層件的透視圖。原來的預留孔已經完全用陶瓷材料填滿。由于各分層經過層壓之后的牢固粘結仍然有足夠的塑性，所以此時能夠將按照原有的分割線劃定的方塊分割成理想面積的小塊多層件。這項作業可以通過一道高度自動化的過程利用切割或沖壓進行。借助于另外印上的切割標記，可以通過視頻方法觀察、并且通過計算機件監控多層件的分割情況。
在下一個步驟中從如此分割成的層壓疊層(多層件)中脫除粘合劑。這是通過一道熱處理步驟緩慢升溫至500℃左右、同時升高氧分壓，借以使粘合劑肯定能夠向外擴散，并且不會因產生迅猛分解使陶瓷結構遭受破壞。也可以這樣選定條件，即預先在該方法的下一步之先前使粘合劑氧化，或者通過熱裂解使其變為碎屑。將疊層的高度限制在小于3mm就是為了保證使粘合劑的分解產物和/或氧化產物有短的擴散路徑。在實施例中的脫粘合劑的過程就是在24小時內逐步升溫至500℃左右、并在所含氧元素占8％體積的封閉氣氛中進行的。在脫粘合劑的過程中不得出現體積變化，也不得因此使疊層扭曲變形。這樣就可以使多層件保持豎向結構精度不變。
按照本發明的壓電執行元件可以采用各種不同的多層件構成。在最簡單情況下(參見圖4-6)壓電執行元件是由具有如上所述的常規交替電極結構的一個中間件MT構成的。在疊層的上端設有一個頭件KT。用一片無源的、也就是電氣連接線被斷開的、或者根本沒有電氣連接線的頭片6包住。單獨用陶瓷箔構成的頭片6可以用來使壓電執行元件具有較好的力傳遞能力。一個與此相對應的結構還有一件尾件FT，尾件的尾片7可以和頭件KT的頭片6的結構相同。
為了將原料的用量降低到最低限度，可以改變壓結電極層的模式，只用包括一個頭件和尾件、以及一個由相應數量的單個層壓疊層構成的中間件制成一個完整的壓電執行元件。同樣結構或不同結構的中間件的件數要根據成品壓電執行元件理想的操縱高度、轉而根據壓電執行元件的高度確定。
圖7表示經過脫除粘合劑的頭件、中間件和尾件如何在與其精密配合的壓模9中疊置至理想高度，并且用一個沖頭10壓住。然后在10到100kPa的輕度壓力下在一個氧化氣氛中進行燒結。示例中的圓形壓模的直徑相當于疊置的多層件的沖壓尺寸。壓模和沖頭最好是可以重復使用。所用的制造材料不得在燒結時與陶瓷發生任何反應。壓模很適合于使用，例如，氧化鋁或氧化鎂制造。壓力可以采用簡單的辦法在沖頭上施加一個附加的配重產生。凡是在1130℃在氧化氣氛中穩定、而且在燒結的氣氛中對其本身不會有不利影響的材料，使用這樣的附加配重都有效。
進行燒結時可以使用一種能夠達到最大燒結溫度的溫度程序。一個有溫度控制的單個爐子或者一個有相應的不同溫度區的連續爐都可以作這種作業之用。在實施例中燒結是在1130℃封閉24小時進行。
結果獲得一個具有最佳模壓陶瓷結構的單片壓電執行元件，由于燒結溫度高，所以壓電性能優越，在陶瓷和電極之間的粘結強度高。單片壓電執行元件的剛性也高，從而能夠傳遞強力。
圖8所示是一個成品壓電執行元件，在兩個相對的棱邊上作成兩個條狀的接觸片，與電極材料作接觸連接。由于各層之間是交替電極結構，一個這樣的接觸件13只能每隔一層連接一個電極層，而在對角上的一個固定接觸件14一律分別和夾在兩者之中的電極層接觸。這樣就可以將(兩個電極層之間的)壓電層進行并聯，從而能夠使壓電執行元件能夠作最佳的運作。
根據本發明的壓電執行元件的高度h和棱邊長度b的比算出的高寬比大約達到5。雖然從原理上講還可以制成更高、更細長的壓電執行元件，但是在燒結時廢品率增高。壓模的內徑和沖頭尺寸或者和經過脫粘合劑的多層件適配。然而由于在燒結時在所有三維軸線上都發現有15％的線性收縮，壓模只能在燒結剛開始時支撐住疊層。在以后的燒結法步驟中會因此使太高或太細長的疊層產生扭折。
采用本發明的壓電執行元件有一個特別值得一提的優點，那就是在棱邊的接觸段上的豎向結構精度不會受高寬比的影響。由于沖頭和疊層之間的公差和很小的誤差的關系，使兩個上下疊置中間件的電極結構會產生縱然很小、但卻對于該方法來說是特征性的位錯，但是這對于接觸的可靠性并無關緊要。
權利要求
1．一種單片多層結構的壓電執行元件的制造方法，其中-在含有粘合劑的、厚度在20至200μm的壓電陶瓷綠膜(5)的一側壓結由電極材料構成的層件(3)，-將壓結的壓電陶瓷綠膜按照交替順序疊置成最大高度達3mm的疊層，在疊層中形成由壓電陶瓷綠膜和電極材料上下交替疊置的順序，-將第一疊層通過單軸層壓形成第一多層件，-將多層件通過高溫脫粘合劑，-將這種脫粘合劑的多層件(FT、MT、KT)疊置到總體高度在5mm以上的疊層，然后在單軸壓力狀態下燒結，從而形成一個達到理想單層層數的壓電執行元件。
2．如權利要求1記載的方法，其中-使壓電陶瓷綠膜的面積等于理想單位面積的n-倍，然后進行壓結，-經過層壓的多層件在脫粘合劑之前通過切割或沖壓分割成理想面積的n個多層件。
3．如權利要求1或2記載的方法，其中疊置的疊層在壓模(9)中進行加壓燒結。
4．如權利要求1至3之一的方法，其中包括PZT壓電陶瓷綠膜，并在一種氧化氣氛中進行燒結。
5．如權利要求1至4之一的方法，其中燒結是在10至100 kPa的壓力下進行的。
6．如權利要求1至5之一的方法，其中由不同的多層件構成的壓電執行元件是至少由一個頭件(KT)，一個中間件(MT)和一個尾件(KT)構成的。
7．如權利要求1至6之一的方法，其中由多個多層件構成的壓電執行元件是統一由在層與層之間有不同的電極結構構成的。
8．如權利要求1至7之一的方法，其中-在綠膜上涂布一層含有銀和鈀的料漿，-燒結是在最高溫度為1130℃的溫度下在氧化氣氛中進行的。
9．按照權利要求1至8之一的方法制成的單片多層壓電執行元件，其中-包括由壓電陶瓷層(5)和電極材料層(3)交替疊置的燒結疊層，-總體高度(h)大于5mm，-疊層的高度-直徑(或邊長)比大于2，-疊層高度的寬度各不相同，疊層中的壓電陶瓷層和電極材料層都有同樣的疊置結構，而各個區段是一顛一倒放置的。
全文摘要
本發明涉及一種多層結構的、高寬比大于2的壓電執行元件。該執行元件是由多個小型的疊置多層結構構成的。經過燒結制成一種具有改進的高機械強度的、壓電性能優越的壓電執行元件。
文檔編號H01L41/083GK1222255SQ97195626
公開日1999年7月7日 申請日期1997年4月3日 優先權日1997年4月3日
發明者D·克拉梅爾, H·赫勒布蘭德, K·魯比茨 申請人:西門子公司