CN107924990B

CN107924990B - 用于制造被构造为堆的多层致动器的方法

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Publication number: CN107924990B
Application number: CN201680052391.9A
Authority: CN
Inventors: W.许尔茨
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: CN107924990A; DE102015217334B3; KR20180039705A; EP3347926B1; EP3347926A1; JP6671463B2; JP2018533204A; WO2017041924A1; KR102110697B1

Abstract

本发明涉及一种用于制造被构造为堆（1）的多层致动器的方法，所述多层致动器由多个对电场的施加做出反应的材料层（2）和多个电极层（3、4）形成。每个材料层（2）都布置在这些电极层（3、4）中的两个电极层之间。将相应的绝缘层（IS1、IS2）涂覆到两个在几何形状上没有连在一起的周向区域（1a、1b）中的相应的周向区域（1a、1b）上；产生经过绝缘层（IS1、IS2）中的第一和第二绝缘层（IS1、IS2）朝向所述电极层（3、4）中的每隔一个电极层（3）的第一和第二接触孔（KL1、KL2）；以及在被烧结的多层棒材（10）上，用导电材料（EL1、EL2）基本上整面地覆盖相应的绝缘层（IS1、IS2），其中接触孔（KL1、KL2）填充导电材料（EL），所述多层棒材由多个材料层（2）和多个电极层（3、4）沿多层棒材（10）的堆叠方向（h_S）的交替的布置组成。紧接着，将多层棒材（10）平行于其深度方向（t_S）和堆叠方向（h_S）地分割成多个多层致动器。

Description

用于制造被构造为堆的多层致动器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于与多层致动器电接触的方法，所述多层致动器具有多个对电场的施加做出反应的材料层以及多个电极层，而且其中各个材料层分别布置在两个彼此相邻的电极层之间。这种由材料层和电极层的彼此重叠地并且交替地堆叠的层构成的多层致动器是电子器件并且通常被称作堆。这种类型的如今最有名的电子器件是通常被称作压电致动器的堆，所述堆作为操纵元件应用在机动车的各种各样的发动机类型的喷油阀中。在该压电致动器中，材料层是陶瓷层。

背景技术

通常，以俯视图来观察，这种堆具有矩形或正方形的横截面。该横截面在两个对置的周向侧面上电接触。为了整面的接触，其中电极层在材料层的整个表面内延伸，使得不存在压电不活跃或未激活的区域，DE 10 2006 003 070 B3提出将相应的绝缘层涂覆到堆的两个在几何形状上没有连在一起的堆周向区域中的相应的堆周向区域上。接着，确定电极层中的相移的电极层沿着堆周向区域的准确位置。紧接着，借助于激光结构化，产生经过绝缘层中的第一绝缘层朝向电极层中的每隔一个电极层的第一接触孔，以及产生经过绝缘层中的第二绝缘层朝向电极层中的其余电极层的第二接触孔。最后，绝缘层基本上整面地覆盖有导电材料，其中这些接触孔同样填充该导电材料。因为这种堆的横截面积以俯视图来观察只有几平方毫米，而堆的高度为几厘米，所以操作所述堆来执行各个步骤是困难的。

为了降低完全活跃的压电多层致动器的制造花费，DE 10 2007 004 813 A1提出在生坯状态下的多层棒材上进行绝大部分的制造步骤。该多层棒材提供了同时制造多个压电多层致动器的可能性，其方式是多层棒材在制造方法结束时被分割成单个的多层致动器。对在生坯状态下的陶瓷材料进行加工虽然使生产变得容易。不过，多层棒材在烧结之后可能以不可预见的方式改变其外部尺寸，这对于喷油嘴中的其中重要的是最高精确度的操纵元件来说可能导致问题。

发明内容

本发明的任务是说明如下方法，所述方法允许同时在简单的操作的情况下以高精确度来制造多层致动器。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法来解决。有利的设计方案从从属权利要求中得到。

提出了一种用于制造被构造为堆的多层致动器的方法，所述多层致动器由多个对电场的施加做出反应的材料层和多个电极层形成，其中每个材料层都布置在这些电极层中的两个电极层之间。在该方法中执行如下步骤：

a) 将相应的绝缘层涂覆到两个在几何形状上没有连在一起的周向区域中的相应的周向区域上；

b) 尤其是借助于激光结构化来产生经过绝缘层中的第一绝缘层朝向电极层中的每隔一个电极层的第一接触孔；

c) 尤其是借助于激光结构化来产生经过绝缘层中的第二绝缘层朝向电极层中的其余电极层的第二接触孔；而且

d) 用导电材料至少基本上整面地覆盖相应的绝缘层，其中这些接触孔填充该导电材料。

该方法的特点在于如下步骤：

在被烧结的多层棒材上执行步骤a)至d)，所述被烧结的多层棒材由多个材料层和多个电极层沿多层棒材的堆叠方向的交替的布置组成，其中棒材垂直于堆叠方向的深度对应于多层致动器的深度（而且对应于所要产生的多层致动器的深度），而多层棒材垂直于堆叠方向的宽度对应于多个多层致动器的宽度；而且将多层棒材平行于其深度方向和堆叠方向地分割成多个多层致动器，作为步骤e)。

如果在本说明书中谈到第一或第二接触孔，那么所述第一或第二接触孔不仅能被理解为圆形孔，而且尤其能被理解为细长的槽（接触槽）。第一或第二接触孔通常可具有或多或少任意的边缘轮廓。

该方法基于：不是在单个的堆上，而且在已经被烧结的多层棒材上执行主要的工艺步骤。在工艺链结束时将多层棒材分割成单个的多层致动器。由此，降低了关于设备方面的花费以及用于定位工具零件的时间花费。此外，通过该方法还改善了工艺鲁棒性，因为与单个的多层致动器相比，对多层棒材的操作更简单。尤其是，降低了在堆的陶瓷上或者在已经被处理的接触元件上有损坏的危险。总之，降低了对多层致动器的完全活跃的接触的制造成本。

适宜的是，在执行步骤a)至d)之前对多层棒材进行磨削。由此，可以以高精确度来执行所有接下来的方法步骤。

按照另一设计方案，在步骤a)中，相应的绝缘层整面地被涂覆到对置的主表面上，其中这些主表面处在相应的平行于多层棒材的堆叠方向并且平行于多层棒材的宽度方向的平面内。可以涂覆由聚酰亚胺、玻璃、陶瓷构成的或者由温度稳定的塑料构成的层，作为绝缘层。对绝缘层的涂覆可借助于常见的丝网印刷或者喷射工艺来进行，接着，紧接着所述丝网印刷或者喷射工艺的是至少一个干燥和煅烧工艺。

另一设计方案规定：在步骤b)中，对于电极层中的每隔一个电极层来说沿多层棒材的宽度方向分别产生与多层致动器的数目相对应的数目个彼此间隔开的第一接触孔。相对应地规定：在步骤c)中，对于其余电极层来说沿宽度方向分别产生与多层致动器的数目相对应的数目个彼此间隔开的第二接触孔。沿宽度方向分布的多个第一接触孔以及多个第二接触孔优选地均匀地间隔开。此外还规定：被分配给相应的多层致动器的第一和第二接触孔沿堆叠方向重叠地来对齐。由此可能的是，在间隔的区段内，在步骤e)中以简单的方式来分割多层棒材。

按照另一设计方案规定：将辅助电极布置在多层棒材的沿宽度方向的端面上，所述辅助电极具有与第一和第二电极层的电连接，使得如果多层棒材在步骤c)与步骤d)之间被浸入到电解质溶液中而且对辅助电极施加电位，那么进行对通过第一和第二接触孔来裸露的第一和第二电极层的电镀强化。由此，使导电材料、例如导电胶的附着变得容易，因为在电极层与导电胶中的导电颗粒之间的接触面积由于电镀强化而增大。

除了设置电镀强化之外或者替换于设置电镀强化，在步骤c)与步骤d)之间可以对主表面进行喷涂，以便有关面积地增大通过第一和第二接触孔裸露的第一和第二电极层。如果除了电镀强化之外还执行喷涂，那么首先进行电镀强化并且紧接着进行喷涂的工艺，由此可以将电解地增大的内部电极的优点用于改善接触。

另一设计方案规定：在步骤d)中，将接触元件***到导电材料中，所述接触元件在多层棒材的整个主表面内延伸而且对于每个所要产生的多层致动器来说都包括连接元件。在分割的步骤（步骤e)）之后，多层致动器中的每个多层致动器都具有相应的接触元件，所述接触元件能够实现对第一和第二电极层的接触和操控。为此，接触元件例如可包括相对应的、被引向外部的连接线。

还适宜的是，在步骤e)中借助于线切割（Drahtsägen）来分割多层棒材。线切割的方法具有如下优点：不需要对切割面的其它后处理步骤。

分割的步骤e)还包括：只要已经设置了辅助电极，就从多层棒材中分割该辅助电极。

附图说明

随后，本发明依据在附图中的实施例进一步予以阐述。其中：

图1以截面图示出了从现有技术公知的多层致动器；

图2示出了经过在图1中示出的多层致动器的截面；

图3示出了按照本发明在制造的范围内使用的多层棒材，其中绝缘层配备有被分配给相应的多层致动器的结构化区域；

图4示出了来自图3的多层棒材的放大的并且为了图解说明目的而部分透明的片段；而

图5示出了为了制造而按照本发明地使用的多层棒材的放大的片段，其中在裸露的电极层的区域内能识别出电镀强化。

在这些附图中，相同的要素配备有相同的附图标记。此外，这些附图部分地配备有坐标系，所述坐标系说明了这些附图的相应的空间方向。在此，脚标“S”表征多层致动器的空间方向而“R”表征多层棒材的空间方向。只要多层致动器和多层棒材的延伸方向相对应，那么这在相应的坐标系中通过“=”来说明。

具体实施方式

图1示出了从现有技术公知的多层致动器，所述多层致动器的结构原则上对应于在开头已经描述的DE 10 2006 003 070 B3中描述的电子器件。以堆1的造型的多层致动器包括多个重叠堆叠的材料层2。材料层2由压电陶瓷组成。在两个材料层2之间交替地布置有电极层3或4。由材料层2和电极层3、4形成的堆1被构造为使得电极层3、4被引导直至到材料层2以及借此堆1的相应的边缘上。

堆1在两个几何形状上没有连在一起的周向区域1a和1b上铺上相应的绝缘层IS1或IS2。可以涂覆由聚酰亚胺、玻璃、陶瓷构成的或者由温度稳定的塑料构成的层，作为绝缘层IS1、IS2。在此，温度稳定应被理解为：该塑料相对于如下这种温度是稳定的，所要生产的电子器件在其稍后运行时遭受所述温度。在此，对绝缘层IS1、IS2的涂覆可借助于常见的丝网印刷或者喷射工艺来进行，接着，紧接着所述丝网印刷或者喷射工艺的是至少一个干燥和煅烧工艺。

穿过绝缘层IS1、IS2地，到相应的电极层3、4地产生接触孔KL1、KL2，使得接触孔KL1通向第一电极层3而接触孔KL2通向第二电极层4。

紧接着对电极层3、4中的每个单个的电极层的准确位置的确定，产生第一和第二接触孔KL1、KL2。因此，产生穿过绝缘层IS1朝向第一电极层3的第一接触孔KL1。此外，还产生穿过第二绝缘层IS2朝向电极层4的第二接触孔KL2。接触孔KL1、KL2在其直径方面有利地被确定尺寸为使得该直径例如对应于材料层2的厚度的四分之一。接触孔KL1、KL2例如借助于激光结构化来产生。可替换地，这些接触孔也可以借助于通常常见的化学或电化学方法来产生。借助于激光的结构化例如可以借助于所谓的超短脉冲激光器来执行。

紧接着，两个绝缘层IS1、IS2整面地铺上导电材料EL1、EL2，诸如导电胶。可替换地，也可以产生金属层、尤其是焊料层。准备对导电材料EL1、EL2的涂覆，可以执行喷涂工艺，以便改善导电材料到电极层3、4的端面上的附着。如从图1轻而易举地可见的是，接触孔KL1、KL2也填充导电材料EL1、EL2，使得电极层3、4电接触。接着，导电材料EL1、EL2以两个彼此电绝缘的集电极的形式供支配，用于将电子器件连接到电压上。为了简化对这些集电极E1、E2的电接触，在涂覆导电材料EL1、EL2之后或者在涂覆导电材料EL1、EL2期间可以将接触元件引入到导电材料EL1、EL2中，所述接触元件包括用于接触这些集电极的电连接端子。

图2示出了沿来自图1的多层致动器的深度方向t_S的截面。在此还可见的是：在另一方法步骤中，这样准备好的多层致动器1由近似圆形的绝缘体5、例如由硅树脂构成的绝缘体5包围。同样，能识别出彼此对置的并且彼此电绝缘的集电极E1和E2。

相对应地，上面描述的用于制造完全活跃的多层致动器的工艺步骤按照本发明不是在由材料层和在材料层之间的电极层组成的单个的堆上执行，而是在多层棒材10上执行。

在图3中示意性地示出的多层棒材10由重叠堆叠的材料层2的已经被烧结并且被磨削的压电陶瓷组成，所述重叠堆叠的材料层具有布置在其之间的电极层3、4。多层棒材10沿宽度方向b_R包含多个单个的多层致动器。其侧面B近似对应于多层致动器的数目乘以多层致动器的宽度。棒材的高度H以及多层棒材10的厚度对应于多层致动器的最终的尺寸。随后，描述了各个工艺步骤。

绝缘层被涂覆到对置的主表面上。在图3的图示中仅仅能识别出主表面11中的一个。主表面11处在平行于多层致动器10的堆叠方向h_R = h_S并且平行于多层致动器10的宽度方向b_R的平面内。相对应地将绝缘层IS2涂覆到多层棒材10的对置的主表面上。绝缘层IS1、IS2例如是用于使主表面钝化的聚酰亚胺层，所述聚酰亚胺层通过丝网印刷或者喷射工艺来涂覆。绝缘层IS1、IS2也可以如上面所描述的那样由玻璃、陶瓷或温度稳定的塑料组成。

图3示出了具有已经执行的结构化、也就是说具有已经产生的接触孔KL1（在图3中不能详细地识别出）的多层棒材。为此，绝缘层IS1、IS2选择性地在宽度上被剥除，其中由此形成的结构化区域12的宽度近似对应于单个的多层致动器的接触宽度（或者稍微更小）。在工艺链结束时，在两个结构化区域12之间的中间空隙13用于将多层棒材10分割成单个的多层致动器。

作为为此的准备措施，首先确定电极层3、4中的每个单个的电极层关于堆1的高度的准确位置。这是必需的，因为各个材料层2从来没有准确地正好具有同样的层厚度，而是层厚度在预先给定的公差尺寸之内彼此不同。因为完成了的多层致动器通常具有300个材料层2到450个材料层2，所以电极层3、4的准确位置不能被计算，而是只能被确定。然而，对这些准确位置的了解因此是重要的，以便接触孔KL1、KL2在电极层3、4的端面上可以准确地产生在关于相应的电极层3或4的厚度中间。这些位置例如可以借助于通常常见的光学测量方法来确定。

结构化区域12中的每个结构化区域都由多个第一接触孔KL1组成，其中第一接触孔KL1沿宽度方向b_R延伸。在此，针对电极层3中的每个一个电极层重叠地产生第一接触孔KL1。由此，在绘图中得到相应的被染成浅色的结构化区域12。如果多层棒材10例如具有150个第一电极层3，应该通过第一接触孔KL1（根据图1中的描述）使所述第一电极层能接触到，那么结构化区域12包括150个重叠地布置的并且彼此间隔开的沿宽度方向b_R延伸的第一接触孔KL1。

相对应地，也在多层棒材10的不可见的、后面的宽面上产生相对应的结构化区域12。

在下一步骤中，将喷涂层（未示出）涂在已经被结构化的区域内。这涉及具有被引入到其中的接触孔的结构化区域12。紧接着，例如借助于丝网印刷工艺将导电层、例如导电胶整面地有针对性地涂在接触区域内、也就是说涂在相应的结构化区域12内。可选地，可以将已经提及的接触元件***到导电层中。

在图3中未示出的导电材料时效硬化之后，在中间空隙13的区域内将多个棒材10分割成多层致动器。在此，平行于该多层棒材的深度方向t_S并且平行于堆叠方向h_S地进行切割。优选地，为了进行切割而应用已知的线切割方法，所述线切割方法丝毫不需要对切割面的后处理。

在被烧结的并且被磨削的多层棒材中实施本身公知的方法步骤的优点在于：关于所需的用于对工具进行定位或用于覆盖不要进行接触的区域的设备方面的花费明显降低。这些工作必须针对多层棒材的相应的主表面仅仅做一次。在传统的制造的情况下，如所述传统的制造已经结合图1被描述的那样，应针对每个多层致动器执行相对应的步骤。

因为与单个的多层致动器相比，对多层棒材10的操作由于其尺寸也明显更简单，所以通过对多层棒材的加工也可以改善工艺鲁棒性。

能够通过在多层棒材中进行加工以简单的方式实现的另一有利的、可选的方法步骤在于：在裸露的接触孔KL1、KL2的区域内对电极层3、4进行电解强化。随后，这参考图4和5来描述。

图4示出了如在图3中描述的多层致动器10的片段。在该片段内，示例性地布置有四个沿宽度方向b_R并排布置的结构化区域12。能良好地识别出：针对第一电极层3产生相应的接触孔KL1，所述接触孔KL1在相应的结构化区域12的宽度之内沿多层棒材10的宽度方向b_R延伸。仅仅为了阐明，也示出了第二电极层4，所述第二电极层在观察主表面11和所涂覆的绝缘层IS1时自身是不可见的。

在该图示中，辅助电极15布置在多层棒材10的沿宽度方向b_R的端面16上。辅助电极15不仅具有与第一电极层3的电连接而且具有与第二电极层4的电连接。出于该原因，将这种辅助电极15设置在多层棒材10的两个端面中的仅仅一个端面上就足够。在产生绝缘层IS1、IS2并且产生接触孔KL1、KL2之前，可以产生辅助电极15。如果这样准备的多层棒材10被浸入到包含金属离子（诸如Ag⁺、Pd²⁺、Cu²⁺）的溶液中，而且在辅助电极15上施加负电压，那么在裸露的电极层3、4上电镀地构造金属层，所述金属层起到电镀强化14（参见图5）的作用。由此，电极层3、4的端面可以电镀强化，而且上面所描述的喷涂工艺可以选择性地被消除或者优选地被辅助。

类似于之前描述的说明书，进行包括涂覆导电材料EL1、EL2的其它处理，以及从多层棒材10分割多层致动器。

Claims

1.一种用于制造被构造为堆（1）的多层致动器的方法，所述多层致动器由多个对电场的施加做出反应的材料层（2）和多个电极层（3、4）形成，其中每个材料层（2）都布置在所述电极层（3、4）中的两个电极层之间，其中执行如下步骤：

a) 将相应的绝缘层（IS1、IS2）涂覆到两个在几何形状上没有连在一起的周向区域（1a、1b）中的相应的周向区域（1a、1b）上；

b) 尤其是借助于激光结构化来产生经过所述绝缘层（IS1、IS2）中的第一绝缘层（IS1）朝向所述电极层（3、4）中的每隔一个电极层（3）的第一接触孔（KL1）；

c) 尤其是借助于激光结构化来产生经过所述绝缘层（IS1、IS2）中的第二绝缘层（IS2）朝向所述电极层（3、4）中的其余电极层（4）的第二接触孔（KL2）；而且

d) 用导电材料（EL1、EL2）至少基本上整面地覆盖相应的绝缘层（IS1、IS2），其中所述接触孔（KL1、KL2）被填充所述导电材料（EL）；

其中还执行如下步骤：

- 在被烧结的多层棒材（10）上执行步骤a)至d)，所述被烧结的多层棒材由多个材料层（2）和多个电极层（3、4）沿所述多层棒材（10）的堆叠方向（h_S）的交替的布置组成，其中棒材（10）的垂直于所述堆叠方向（h_S）的深度对应于所述多层致动器的深度，而所述多层棒材（10）的垂直于所述堆叠方向（h_S）的宽度（B）对应于多个多层致动器的宽度；而且

- 将所述多层棒材（10）平行于其深度方向（t_S）和堆叠方向（h_S）地分割成多个多层致动器，作为步骤e)，

其中在步骤b)中，对于所述电极层中的每隔一个电极层（3）来说沿宽度方向（b_R）分别产生与所述多层致动器的数目相对应的数目个彼此间隔开的第一接触孔（KL1）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在执行步骤a)至d)之前对所述多层棒材（10）进行磨削。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤a)中，所述相应的绝缘层（IS1、IS2）整面地被涂覆到对置的主表面（11）上，其中所述主表面（11）处在相应的平行于所述多层棒材（10）的堆叠方向（h_S）并且平行于所述多层棒材（10）的宽度方向（b_R）的平面内。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤c)中，对于其余电极层（3）来说沿宽度方向（b_R）分别产生与所述多层致动器的数目相对应的数目个彼此间隔开的第二接触孔（KL2）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中被分配给相应的多层致动器的第一和第二接触孔（KL1、KL2）沿堆叠方向（h_S）重叠地来对齐。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中将辅助电极（15）布置在所述多层棒材（10）的沿宽度方向（b_R）的端面（16）上，所述辅助电极具有与第一和第二电极层（3、4）的电连接，使得如果所述多层棒材（10）在步骤c)与d)之间被浸入到电解质溶液中而且对所述辅助电极（15）施加电位，那么进行对通过所述第一和第二接触孔（KL1、KL2）来裸露的第一和第二电极层（3、4）的电镀强化。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤c)与d)之间对主表面（11）进行喷涂，以便有关面积地增大通过所述第一和第二接触孔（KL1、KL2）来裸露的第一和第二电极层（3、4）。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤d)中，将接触元件***到所述导电材料（EL1、EL2）中，所述接触元件在所述多层棒材（10）的整个主表面（11）内延伸而且对于每个所要产生的多层致动器来说都包括连接元件。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤e)中借助于线切割来分割所述多层棒材（10）。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述步骤e)包括从所述多层棒材（10）分割所述辅助电极（15）。