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Die Erfindung betrifft eine gestapelte
piezoelektrische Einrichtung, die für einen piezoelektrischen Aktuator
und dergleichen verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung
derselben.
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Eine piezoelektrische Einrichtung
ist durch das Erzeugen einer Kraft oder einer Verschiebung, wenn
an sie Spannung angelegt wird, und durch das Erzeugen einer Spannung,
wenn sie mit Kraft beaufschlagt wird, gekennzeichnet, und hat einen
weiten Anwendungsbereich, wie beispielsweise für verschiedene Aktuatoren und
Sensoren. Eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, welche ein
Konzept ist, welches einen gestapelten piezoelektrischen Aktuator
mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten einschließt, wird
häufig
verwendet, um eine große
erzeugte Kraft oder Verschiebung zu erhalten, wenn sie für einen
Aktuator und dergleichen verwendet wird.
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Eine übliche gestapelte piezoelektrische
Einrichtung nutzt ausgehend von Beschränkungen im Herstellungsprozeß ein teures
Metall, wie beispielsweise Ag/Pd, als Material für innere Elektroden, so daß daher
die Herstellungskosten dazu neigen, mit zunehmender Anzahl gestapelter
Schichten bemerkenswert hoch zu werden.
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Um eine Kostenreduktion zu versuchen,
offenbart zum Beispiel die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung
Nr. 2000-340851,
daß eine
innere Elektrode durch nicht-elektrolytisches Aufplattieren von
Cu bzw. Verkupfern erzeugt wird. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung
Nr. 2001-244519 offenbart, daß piezoelektrisches
Material und eine Cu-Folie in dem Bereich von 500 bis 700 °C direkt
gebondet werden. Eine nach diesem Stand der Technik hergestellte
gestapelte piezoelektrische Einrichtung weist jedoch eine unzureichende
Bondfestigkeit für
einen Betrieb bei hoher Last auf, so daß es ihr an Zuverlässigkeit
fehlt. Außerdem
offenbart die japanische ungeprüfte
Patentveröffentlichung
Nr. 2001-244519, daß ein
Bonden bei einer Temperatur von nicht weniger als bzw. über 800 °C nicht bevorzugt
wird, weil dies die Qualität
des piezoelektrischen Materials verschlechtert.
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Die Erfindung erfolgte in Anbetracht
der Probleme des Standes der Technik, und es liegt ihr die Aufgabe
zugrunde, eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, die kostengünstig und
hinsichtlich der Bondfestigkeit zwischen einer piezoelektrischen Schicht
und einer inneren Elektrodenschicht herausragen ist, sowie ein Verfahren
zur Herstellung derselben zu schaffen.
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In Übereinstimmung mit einem ersten
Aspekt der Erfindung wird eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung
bereitgestellt, gekennzeichnet durch piezoelektrische Schichten,
die aus einem piezoelektrischen Material bestehen, und Kupfer enthaltenden inneren
Elektrodenschichten, wobei jede der piezoelektrischen Schichten
mit jeder der inneren Elektrodenschichten abwechselnd gestapelt
ist, die innere Elektrodenschicht nicht weniger als 50 Gewichtsprozent
des Elements Cu enthält,
und zwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht
ein Diffusionsbereich vorhanden ist, der durch die Diffusion einer
Komponente von jeder Schicht zu der anderen Schicht erzeugt wird
und zumindest eine Komponente des piezoelektrischen Materials und
Cu umfaßt.
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Eine gestapelte piezoelektrische
Einrichtung gemäß der Erfindung
verwendet, wie vorstehend erwähnt
wurde, ein Cu-basiertes Material, das nicht weniger als 50 Gewichtsprozent
des Elements CU enthält,
als eine innere Elektrodenschicht. Daher können verglichen mit bekannten
gestapelten piezoelektrischen Einrichtungen, die ein Edelmetall,
wie beispielsweise Ag/Pd und dergleichen, verwenden, die Materialkosten
signifikant reduziert werden, und kann eine billigere gestapelte
piezoelektrische Einrichtung erhalten werden.
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Darüber hinaus weist die gestapelte
piezoelektrische Einrichtung einen zwischen der inneren Elektrodenschicht
und der piezoelektrischen Schicht erzeugten Diffusionsbereich auf.
Der Diffusionsbereich wird durch wechselseitige Diffusion von Komponenten
der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht
zu der bzw. in die andere(n) Schicht erzeugt und umfaßt zumindest
eine Komponente des piezoelektrischen Materi als und Cu, das die
innere Elektrodenschicht bildet. Da dieser Diffusionsbereich in
einem Übergang
zwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen
Schicht existiert, bonden sich beide Schichten mit ausreichender
Bondfestigkeit aneinander.
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Somit stellt die Erfindung eine gestapelte
piezoelektrische Einrichtung bereit, welche kostengünstig ist
und eine ausreichend hohe Bondfestigkeit zwischen einer inneren
Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht aufweist, durch
Verwenden von Cu als eine Hauptkomponente einer inneren Elektrodenschicht
und Erzeugen eines Diffusionsbereichs zwischen einer inneren Elektrodenschicht
und einer piezoelektrischen Schicht.
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In Übereinstimmung mit einem zweiten
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung
einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung, die aus einem piezoelektrischen
Material bestehende piezoelektrische Schichten und Cu enthaltenden
inneren Elektrodenschichten umfaßt, wobei jede der piezoelektrischen
Schichten abwechselnd mit jeder der inneren Elektrodenschichten
gestapelt ist, gekennzeichnet durch:
einen piezoelektrische
Schicht-Kalzinierungsschritt des Kalzinierens einer ungebrannten
Keramikplatte, um eine piezoelektrische Schicht zu erhalten;
einen
Stapelherstellungsschritt des Stapelns der piezoelektrischen Schichten
abwechselnd mit Schichten von Cu enthaltendem Elektrodenmaterial,
um einen Stapel herzustellen; und
einen Heizbondschritt des
Bondens von aus dem Elektrodenmaterial bestehenden inneren Elektrodenschichten
und der piezoelektrischen Schichten durch Erwärmen des Stapels auf eine Temperatur
höher als 750 °C und nicht
höher als
der Schmelzpunkt von Cu in einer oxidationshemmenden Atmosphäre, um das Cu
am Oxidieren zu hindern, während
der Stapel in der Stapelrichtung mit einer vorbestimmten Last beaufschlagt
wird.
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Ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung
führt den
Stapelherstellungsschritt und den Heizbondschritt nach dem Durch führen des
piezoelektrische Schicht-Kalzinierungsschritts zum Erhalten einer
kalzinierten Schicht wie vorstehend erwähnt durch. Daher kann die gestapelte
piezoelektrische Einrichtung ohne jeglichen Einfluß auf die
Kalzinierungsbehandlung zum Erhalten von piezoelektrischen Schichten
hergestellt werden.
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Der Heizbondschritt wird, wie vorstehend
erwähnt
wurde, in einer oxidationshemmenden Atmosphäre zum Verhindern, daß Cu oxidiert,
durchgeführt, während der
Stapel in der Stapelrichtung mit einer vorbestimmten Last beaufschlagt
wird. Die Heiztemperatur wird auf den Temperaturbereich höher als 750 °C und nicht
höher als
der Schmelzpunkt von Cu gesteuert. Wenn die Heiztemperatur nicht
höher als 750 °C ist, kann
eine ausreichende Bondfestigkeit einer inneren Elektrodenschicht
und einer piezoelektrischen Schicht nicht erhalten werden. Wenn
andererseits die Heiztemperatur höher als der Schmelzpunkt von
Cu ist, welcher etwa bei 1083 °C
liegt, besteht ein Problem dahingehend, daß es schwierig ist, homogene
innere Elektrodenschichten zu erzeugen.
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Die dem Stapel zugeführte Last
muß groß genug
sein, um eine piezoelektrische Schicht und ein Elektrodenmaterial
ausreichend zu bonden, ohne eine Beschädigung an einer piezoelektrischen Schicht
zu verursachen, und der optimale Wert der Last schwankt mit der
Zusammensetzung des die piezoelektrische Schicht bildenden piezoelektrischen Materials,
der Dicke einer piezoelektrischen Schicht und dergleichen. Wenn
zum Beispiel eine piezoelektrische Schicht PZT mit einer Dicke von
etwa 100 Mikrometern ist, beträgt
die Last bevorzugt 1 bis 10 Mpa.
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Durch Durchführen des Heizbondschritts unter
den vorstehend erwähnten
Bedingungen tritt ein Diffusionsphänomen zwischen einer inneren
Elektrodenschicht mit einer Cu-Basis und einer piezoelektrischen
Schicht auf, und wird ein zumindest eine Komponente des piezoelektrischen
Materials und Cu umfassender Diffusionsbereich erzeugt. Durch Erzeugen
dieses Diffusionsbereichs in einem Übergang zwischen einer inneren
Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht kann die Bondfe stigkeit beider
Schichten ausreichend erhöht
bzw. verbessert werden.
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Somit kann ein Herstellungsverfahren
gemäß der Erfindung
eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung bereitstellen, welche
durch Verwenden von Cu als Hauptkomponente einer inneren Elektrodenschicht
kostengünstig
ist und eine herausragende Bondfestigkeit zwischen einer inneren
Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht aufweist.
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Die Erfindung wird nachstehend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Diagramm, das die Struktur einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung
gemäß einem
Beispiel 1 darstellt;
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2 ein
Diagramm, das einen Diffusionsbereich zwischen einer piezoelektrischen
Schicht und einer inneren Elektrodenschicht in einer gestapelten
piezoelektrischen Einrichtung gemäß Beispiel 1 darstellt;
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3 ein
Diagramm, das die Form eines als eine innere Elektrodenschicht verwendeten
Elektrodenmaterials gemäß Beispiel
1 darstellt;
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4 eine
perspektivische Explosionsansicht, die das Stapeln von piezoelektrischen
Schichten und inneren Elektrodenschichten gemäß Beispiel 1 darstellt;
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5 ein
Diagramm, das die Beaufschlagung einer Last auf einen Stapel in
der Stapelrichtung in einem Heizbondschritt gemäß Beispiel 1 darstellt;
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6 ein
Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel
der Verwendung einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung gemäß Beispiel
1 darstellt;
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7 ein
Diagramm, das das Bondfestigkeitsverhältnis jeder Probe in einem
Beispiel 3 darstellt;
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8 ein
Diagramm, das die piezoelektrische Konstante d31 jeder Probe in
einem Beispiel 4 darstellt;
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9 ein
Diagramm, das den Zustand der Erzeugung einer oxidationshemmenden
Atmosphäre in
dem Heizbondschritt bei der Vorbereitung einer Probe E1 in Beispiel
4 darstellt; und
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10 ein
Diagramm, das eine Änderung der
Cu-Konzentration in dem Diffusionsbereich in einem Beispiel 5 darstellt.
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Eine gestapelte piezoelektrische
Einrichtung gemäß der Erfindung
umfaßt
eine Vielzahl von inneren Elektrodenschichten und eine Vielzahl
von piezoelektrischen Schichten, wobei jede innere Elektrodenschicht
abwechselnd mit jeder piezoelektrischen Schicht gestapelt ist. Die
Dicke und die Fläche
jeder inneren Elektrodenschicht und jeder piezoelektrischen Schicht
sowie die Anzahl von Schichten werden in Übereinstimmung mit der beabsichtigten
Verwendung der gestapelten piezoelektrischen Einrichtung ausgewählt. Die
gestapelte piezoelektrische Einrichtung kann eine Struktur mit einem
Pufferteil, einem Dummy- bzw.
Blindteil, und dergleichen am Ende in der Stapelrichtung eines Stapels
von abwechselnd gestapelten inneren Elektrodenschichten und piezoelektrischen
Schichten haben. Eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung hat üblicherweise eine
Struktur, die mit inneren Elektrodenschichten verbindende externe
Elektroden umfaßt,
um den inneren Elektrodenschichten über die externen Elektroden
Spannung zuzuführen
und piezoelektrische Wirkungen zu erhalten.
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Die innere Elektrodenschicht der
gestapelten piezoelektrischen Einrichtung enthält nicht weniger als 50 Gewichtsprozent
von Cu. Wenn der Cu-Gehalt kleiner ist als 50 Gewichtsprozent, bestehen
Probleme wie beispielsweise eine Abnahme in der Leitfähigkeit
der inneren Elektrodenschicht. Obwohl das zulässige Maximum des Cu-Gehalts
100 Gewichtsprozent ist, ist es praktisch schwierig, aufgrund von Beschränkungen
bei der Produktion von Cu enthaltendem Material 100 Gewichtsprozent
von Cu zu verwirklichen. Materialien, welche eine hohe Reinheit von
Cu enthalten können,
wie beispielsweise Cu-Folie und Cu-Plattierungsfilm, können als
ein Material zum Erzeugen der inneren Elektrodenschicht verwendet
werden, wie noch zu beschreiben ist.
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Der Gehalt des Elements Cu in der
inneren Elektrodenschicht ist bevorzugt nicht geringer als 95,0
Gewichtsprozent. In einem solchen Fall wird die Leitfähigkeit
der gesamten inneren Elektrodenschicht leicht sichergestellt, wobei
Vorteil aus der herausragenden Leitfähigkeit von Cu gezogen wird.
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Der Gehalt des Elements Cu in der
inneren Elektrodenschicht ist am stärksten bevorzugt nicht geringer
als 99,0 Gewichtsprozent. Hierdurch kann eine sehr herausragende
Leitfähigkeit
sichergestellt werden, um die Verschiebungsleistung der gestapelten
piezoelektrischen Einrichtung zu verbessern.
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Die innere Elektrodenschicht besteht
bevorzugt aus einem reinen Kupfermetall, das nicht weniger als 99,0
Gewichtsprozent des Elements Cu enthält. In diesem Fall wird, da
die innere Elektrodenschicht unter Verwendung eines reinen Kupfermetalls
erzeugt wird, die innere Elektrodenschicht leicht erzeugt. Die Form
des reinen Kupfermetalls schließt Cu-Folie
(Kupferfolie) ein, ist aber nicht hierauf beschränkt.
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Die innere Elektrodenschicht kann
auch aus Kupferlegierungen bestehen, die nicht weniger als 95 Gewichtsprozent
des Elements Cu enthalten. In diesem Fall können verschiedene Kupferlegierungen verwendet
werden. Bestimmte Beispiele von Kupferlegierungen schließen ein
Beryllium-Kupfer, ein Rotmessing, eine Phosphorbronze und dergleichen
ein.
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Der Diffusionsbereich belegt bevorzugt
nicht weniger als 90 Prozent der Fläche des Übergangs zwischen der inneren
Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht, und die Dicke
des Diffusionsbereichs beträgt
bevorzugt nicht mehr als 10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht.
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Der Diffusionsbereich kann zum Beispiel durch
Analysieren eines Abschnitts eines Bondabschnitts einer inneren
Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht mittels einer
Elementaranalyse mit einem Röntgen-Mikroanalysator
(EPMA) und dergleichen identifiziert werden. Die Dicke dieses Diffusionsbereichs
kann durch eine Änderung der
Cu-Konzentration und dergleichen ermittelt werden. Wenn der Diffusionsbereich
nur in weniger als 90 Prozent der Fläche des gesamten Übergangs ausgebildet
ist, besteht die Möglichkeit,
daß eine ausreichende
Bondfestigkeit nicht erhalten werden kann. Wenn die Dicke des Diffusionsbereichs
10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht überschreitet,
besteht das Problem, daß die
piezoelektrischen Eigenschaften einer piezoelektrischen schlechter
werden. Andererseits ist, da die Verbesserungswirkung hinsichtlich
der Bondfestigkeit nicht ausreichend erhalten wird, wenn die Dicke
des Diffusionsbereichs zu klein ist, eine untere Grenze der Dicke
des Diffusionsbereichs bevorzugt 0,1 Prozent der Dicke der inneren
Elektrodenschicht.
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Der Diffusionsbereich ist bevorzugt
ein Bereich mit einer Cu-Konzentration
von 1 Prozent bzw. Gewichtsprozent bis 0,95A Gewichtsprozent, worin
A den Cu-Element-Gehalt in Gewichtsprozent in der inneren Elektrodenschicht
repräsentiert.
Die Erzeugung eines Diffusionsbereichs, in welchem sich die Cu-Konzentration
in dem vorstehend erwähnten
Bereich ändert,
kann die Bondfestigkeit bzw. Bondstärke zwischen einer inneren
Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht verbessern,
sicher dank des Diffusionsbereichs. Die Cu-Konzentration ist mit
einem EPMA überwachbar.
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Die Dicke des Diffusionsbereichs
beträgt
bevorzugt zwischen 0,001 bis 1 Mikrometer. Wenn die Dicke des Diffusionsbereichs
kleiner ist als 0,001 Mikrometer, besteht die Möglichkeit, daß die Diffusion
in den Diffusionsbereich unzureichend ist und die Bondfestigkeit
abnimmt. Wenn andererseits die Dicke des Diffusionsbereichs 1 Mikrometer übersteigt,
besteht die Möglichkeit,
daß eine
Abnahme in der elektrischen Leitfähigkeit der inneren Elektrodenschicht und
eine Abnahme des elektrischen Widerstands der piezoelektrischen
Schicht verursacht wird. Um hinsichtlich hoher Bondfestigkeit und
guten Eigenschaften kompatibel zu sein, wird bevorzugt, den Diffusionsbereich
mit einer Dicke in dem vorstehend erwähnten Bereich zu erzeugen.
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Es wird bevorzugt, daß der Diffusionsbereich kontinuierlich
an beiden Seiten eines Übergangs
der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht
existiert und sich der Übergang
in dem Diffusionsbereich befindet, und daß ein Teil des Diffusionsbereichs
näher an
der inneren Elektrodenschicht als der Übergang einen Sauerstoff (O)-Gehalt
von nicht mehr als 10 Gewichtsprozent hat. Dadurch kann Cu2O daran gehindert werden, durch ein weiteres
Fortschreiten der Diffusion zur Zeit einer nachfolgenden praktischen
Verwendung erzeugt zu werden.
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Widerstand wird bevorzugt, daß ein die
piezoelektrische Schicht bildendes piezoelektrisches Material PZT
umfaßt,
welches ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit
Perovskitstruktur ist, und daß Elemente von
Pb, Cu und O in dem Diffusionsbereich koexistieren bzw. nebeneinander
bestehen.
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Verschiedene Keramikmaterialien,
die piezoelektrische Eigenschaften ausüben, können als ein die piezoelektrische
Schicht bildendes piezoelektrisches Material verwendet werden. Insbesondere
ist das vorstehend erwähnte
PZT (Blei Zirkonat Titanat) das für eine piezoelektrische Schicht
einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung am meisten geeignete,
da es sehr herausragende piezoelektrische Eigenschaften hat. Wenn
dieses PZT verwendet wird, koexistieren Pb und O, die in PZT enthalten
sind, und Cu der inneren Elektrodenschicht in dem Diffusionsbereich.
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Die gestapelte piezoelektrische Einrichtung ist
bevorzugt ein piezoelektrischer Aktuator für einen Injektor, der als eine
Antriebsquelle eines Injektors verwendet wird. Ein Injektor ist
in einem Automobil und dergleichen eingebaut und wird als Kraftstoffeinspritzausrüstung einer
Brennkraftmaschine verwendet, und die Umgebung, in der er verwendet
wird, ist sehr hart. Daher ist ein Injektor mit der eingebauten piezoelektrischen
Einrichtung mit einer herausragenden Bondfestigkeit als ein piezoelektrischer
Aktuator hinsichtlich der Zuverlässigkeit
und der Dauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit herausragend.
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Ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung
umfaßt
zumindest einen piezoelektrische Schicht-Kalizinierungsschritt,
einen Stapelherstellungsschritt, und einen Heizbondschritt.
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Kalzinierungsbedingungen in dem piezoelektrische
Schicht-Kalzinierungsschritt können
in Übereinstimmung
mit der Art des die piezoelektrische Schicht bildenden piezoelektrischen
Materials geeignet ausgewählt
werden. Da eine piezoelektrische Schicht üblicherweise ein Oxid ist,
wird die Kalzinierung in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt.
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Die Heiztemperatur in dem Heizbondschritt ist
bevorzugt nicht niedriger als 850 °C. Es wird stärker bevorzugt,
die Heiztemperatur auf einen Temperaturbereich höher als 850 °C und nicht
höher als
der Schmelzpunkt von Cu zu steuern. Erwärmen auf eine Temperatur höher als
850 °C kann
die Bondfestigkeit einer inneren Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen
Schicht sicher weiter verbessern.
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Verschiedene Materialien können als
ein zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnetes Elektrodenmaterial
in dem Stapelherstellungsschritt verwendet werden.
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Zum Beispiel ist das Elektrodenmaterial
bevorzugt Cu-Folie. In diesem Fall kann eine Solldicke der inneren
Elektrodenschicht leicht durch die Dicke der Cu-Folie (Kupferfolie)
gesteuert werden, und kann eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung, die
hinsichtlich der dimensionalen Genauigkeit herausragend ist, vergleichsweise
leicht hergestellt werden. Es wird bevorzugt, Cu-Folie (Kupferfolie)
zu verwenden, die nicht weniger als 99,0 Gewichtsprozent des Elements
Cu enthält.
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Das Elektrodenmaterial kann auch
ein Cu-Plattierungsfilm sein, der bevorzugt auf der Oberfläche der
piezoelektrischen Schicht erzeugt wird. In diesem Fall kann das
Elektrodenmaterial leicht durch Erzeugen eines Cu-Plattierungsfilms
(Kupferplattierungsfilms) auf einer Oberfläche oder beiden Oberflächen einer
oder beider von piezoelektrischen Schichten, die eine innere Elektrodenschicht
zwischen sich einschließen,
angeordnet werden.
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Es wird bevorzugt, daß ein piezoelektrisches Material,
das die piezoelektrische Schicht bildet, PZT umfaßt, welches
ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit einer
Perovskitstruktur ist, und daß der
Stapel in dem Heizbondschritt auf eine Temperatur von nicht weniger
als 955 °C
erwärmt
wird. Durch Erwärmen
auf eine Temperatur von nicht weniger als 955 °C in dem Heizbondschritt wirken
Cu in dem Elektrodenmaterial und Pb in dem PZT so, daß eine Cu-reiche
Phase gebildet wird, welche eine Wirkung dahingehend zeigt, daß die Zwischenräume in dem Übergang
zwischen der Cu-Folie und dem PZT gefüllt werden, um einen homogenen
und zufriedenstellenden Diffusionsbereich zu erhalten, so daß die Bondfestigkeit
der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht
weiter verbessert werden kann.
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Die oxidationshemmende Atmosphäre in dem
Heizbondschritt kann durch Plazieren des Stapels in einem Ofen,
Füllen
der Umgebung des Stapels mit Keramikoxidpulver bzw. Oxidkeramikpulver, und
Evakuieren des Inneren des Ofens auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Pa
bis 105 Pa erhalten werden.
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Beispiele des Keramikoxidpulvers
beinhalten PZT, Bleizirkonat, Zirkondioxid, Aluminiumdioxid und dergleichen.
In diesem Fall ist ein Vakuumgrad bei der Evakuierung bevorzugt
1 × 104 Pa bis 105 Pa,
wie vorstehend erwähnt
wurde. In dem Fall von weniger als 1 × 10–4 Pa
besteht ein mögliches
Problem darin, daß eine
Verschlechterung von PZT gefördert
werden kann. Andererseits besteht in dem Fall von mehr als 105 Pa ein mögliches Problem darin, daß Cu oxidiert
werden kann. Es wird stärker
bevorzugt, daß der Vakuumgrad
nicht mehr als 102 Pa beträgt. In diesem Fall
ist es notwendig, nur vor der Wärmebehandlung zu
evakuieren und nur die Luftdichtheit zum Beibehalten des Vakuumzustands
während
des Erwärmens
aufrecht zu erhalten.
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Die oxidationshemmende Atmosphäre in dem
Heizbondschritt kann auch durch Evakuieren des Inneren des Ofens,
in welchem der Stapel plaziert ist, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 bis
105 Pa und danach Einleiten eines Inertgases in den Ofen so, daß ein Druck
von nicht weniger als 1 Pa in dem Ofen aufrecht erhalten werden
kann. Bestimmte Beispiele des Inertgases schließen Stickstoff, Argon und dergleichen
ein. In diesem Fall ist ein Vakuumgrad bei einer Evakuierung vor
dem Einleiten von Inertgas bevorzugt 1 × 10–4 Pa
bis 105 Pa.
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In dem Fall von weniger als 1 × 10–4 Pa
besteht ein mögliches
Problem darin, daß eine
Verschlechterung von PZT gefördert
werden kann. Andererseits besteht in dem Fall von mehr als 105 Pa ein
mögliches
Problem darin, daß Cu
oxidiert werden kann. Es wird stärker
bevorzugt, daß der
Vakuumgrad nicht mehr als 102 Pa beträgt. Wenn
der Druck in dem Ofen durch die Einleitung des Inertgases weniger
als 1 Pa ist, besteht ein mögliches
Problem darin, daß während dem
Erwärmen
eine Verschlechterung des PZT gefördert werden kann. Der maximale Wert
des Drucks in dem Ofen ist bevorzugt ein atmosphärischer Druck, um erhöhte Ausrüstungskosten
aufgrund des zusätzlich
erforderlichen Drukkerzeugungsmechanismus zu vermeiden.
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Die oxidationshemmende Atmosphäre in dem
Heizbondschritt kann auch durch Evakuieren des Inneren des Ofens,
in welchem der Stapel plaziert ist, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–4 Pa
und danach Steuern des Sauerstoffteildrucks in dem Ofen in dem vorbestimmten
Bereich erhalten werden. In diesem Fall ist der Vakuumgrad bei dem
Evakuieren bevorzugt 1 × 10–4 Pa
bis 105 Pa. In dem Fall von weniger als
1 × 10–4 Pa
besteht ein mögliches Problem
darin, daß eine
Verschlechterung von PZT gefördert
werden kann. Andererseits besteht in dem Fall von mehr als 105 Pa
ein mögliches
Problem darin, daß Sauerstoff
nicht ausreichend ausgeleitet werden kann, und daß eine nachfolgende
Steuerung des Sauerstoffteildrucks schwierig sein kann. Es wird stärker bevorzugt,
daß der
Vakuumgrad bei dem Evakuieren nicht mehr als 102 Pa
beträgt.
Der Sauerstoffteildruck nach der Evakuierung kann zum Beispiel durch
Installieren eines Manometers und eines Sauerstoffanalysators in
dem Ofen und Einleiten von Sauerstoffgas so, daß der vorbestimmte Druck und die
vorbestimmte Konzentration in dem Ofen aufrecht erhalten werden
können,
gesteuert werden.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Eine gestapelte piezoelektrische
Einrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß einem
Beispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erklärt.
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Eine gestapelte piezoelektrische
Einrichtung 1 gemäß diesem
Beispiel umfaßt
piezoelektrische Schichten 11, die aus einem piezoelektrischen
Material bestehen, und innere Elektrodenschichten 21, die Cu
enthalten, und jede der piezoelektrischen Schichten 11 ist
abwechselnd mit jeder der inneren Elektrodenschichten 21 gestapelt,
wie in 1 gezeigt ist.
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Die innere Elektrodenschicht 21 enthält nicht weniger
als 95 Gewichtsprozent von Cu. Zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 und
den piezoelektrischen Schichten 11 gibt es einen Diffusionsbereich 3,
welcher durch wechselseitige Diffusion von Komponenten der inneren
Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht zu der bzw.
in die andere(n) Schicht erzeugt wird, und umfaßt zumindest eine Komponente
des piezoelektrischen Materials und Cu in der inneren Elektrodenschicht,
wie in 2 gezeigt ist.
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Eine detaillierte Erklärung wird
nachstehend gegeben.
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Um die vorstehend erwähnte gestapelte
piezoelektrische Einrichtung 1 herzustellen, wird ein piezoelektrische
Schicht-Kalzinierungsschritt
des Kalzinierens einer ungebrannten Keramikplatte als ein piezoelektrisches
Material durchgeführt,
um die piezoelektrische Schicht 11 zu erhalten.
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In diesem Beispiel wurde, um PZT
als die vorstehend erwähnte
piezoelektrische Schicht 11 zu übernehmen, eine ungebrannte
Platte wie folgt vorbereitet. Zunächst wurden Pulver von Bleioxid,
Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Strontiumkarbonat und dergleichen,
die die Hauptmaterialien des piezoelektrischen Materials bilden,
abgewogen, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zu erhalten. Diese Komponentenelemente
wurden jedoch unter Berücksichtigung
der Flüchtigkeit
der Bleikomponente mit 1 bis 2 Prozent mehr Blei als in der stöchiometrischen Zusammensetzung
angereichert. Das so vorbereitete Material wurde in einem Mischer
trocken gemischt und danach bei 800 bis 950 °C kalziniert.
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Darauffolgend wurde reines Wasser
und ein Dispergiermittel zu dem resultierenden kalzinierten Pulver
hinzugefügt,
um einen Brei zu erzeugen, welcher mittels einer Perl- bzw. Kugelmühle naß gemahlen
wurde. Das so gemahlene Pulver wurde getrocknet, entfettet, mit
einem Lösungsmittel,
einem Binder, einem Plasticizer, einem Dispergiermittel und dergleichen
versetzt und in einer Kugelmühle
gemischt. Danach wurde der resultierende Brei in einer Vakuumeinrichtung
unter Rühren
mittels einer Rühreinrichtung
entgast, um die Viskosität
zu steuern.
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Darauffolgend wurde der Brei mittels
einer Abziehklingenmaschine zu einer ungebrannten Platte einer vorbestimmten
Dicke ausgeformt.
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Die resultierende ungebrannte Platte
wurde in einer Presse gestanzt oder durch einen Schneider geschnitten,
in eine kreisförmige
Form mit einem Durchmesser von 15 mm. Natürlich kann die ungebrannte
Platte in Übereinstimmung
mit einer gewünschten
Form einer gestapelten piezoelektrischen Einrichtung in eine quadratische
Form, eine elliptische Form, eine faßförmige Form, oder dergleichen ausgeformt
werden.
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Darauffolgend wurde in diesem Beispiel
die ungebrannte Platte bei 400 bis 700 °C in einem elektrischen Ofen
für eine
vorbestimmte Dauer entfettet und danach bei 900 bis 1200 °C für eine vorbestimmte
Dauer kalziniert, um eine piezoelektrische Schicht 11 zu
erhalten. Somit wurde in diesem Beispiel eine kalzinierte piezoelektrische
Schicht 11 mit einer Dicke von 100 Mikrometern und hauptsächlich aus PZT,
welches ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid mit
einer Perovskitstruktur ist, bestehend erhalten.
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Darauffolgend wurde, wie in den 4 und 5 gezeigt ist, ein Stapelherstellungsschritt
durchgeführt,
um die erhaltenen piezoelektrischen Schichten 11 abwechselnd
mit Schichten von Cu enthaltendem Elektrodenmaterial 20 zu
stapeln, um einen Stapel herzustellen.
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In diesem Beispiel wurde eine aus
Cu mit einer Reinheit von 99,9 Prozent bestehende Kupferfolie mit
einer Dicke von 3 Mi krometern als Elektrodenmaterial 20 verwendet.
Die verwendete Kupferfolie hatte eine Form, die durch Abschneiden
eines Teils eines Kreises mit einem Durchmesser von 15 Millimetern
in einer geraden Linie innerhalb des Umfangs so, daß ein Abstand
a von dem Umfang 4 mm sein kann, wie in 3 gezeigt ist, erhalten wurde. Jedes Elektrodenmaterial 20 wurde
so plaziert, daß sich
der abgeschnittene Teil desselben auf der gegenüberliegenden Seite befinden
konnte, abwechselnd mit dem des nächsten Elektrodenmaterials,
wie in den 4 und 5 gezeigt ist, und piezoelektrische
Schichten 11 und Elektrodenmaterialien 20 wurden
so gestapelt, daß fehlende
Abschnitte 119, an denen das Elektrodenmaterial 20 (interne
Elektrodenschicht 21) die piezoelektrische Schicht 11 nicht
bedeckt, mit einer Abwechslung von rechts und links erzeugt werden konnten,
so daß ein
Stapel 100 wie in den 1 und 5 gezeigt erhalten wurde.
In diesem Beispiel wurden fünfzig
(50) piezoelektrische Schichten 11 gestapelt.
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Darauffolgend wurde wie in 5 gezeigt ein Heizbondschritt
des Bondens der inneren Elektrodenschichten 21, die aus
dem Elektrodenmaterial 20 bestehen, und der piezoelektrischen
Schichten 11 durch Erwärmen
des Stapels 100 auf eine Temperatur höher als 850 °C und nicht
höher als
der Schmelzpunkt von Cu in einer oxidationshemmenden Atmosphäre zum Verhindern
des Oxidierens von Cu, während
der Stapel 100 in der Richtung des Stapelns mit einer vorbestimmten
Last F beaufschlagt wurde, durchgeführt.
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Im Einzelnen wurde der Stapel 100 in
einem Ofen plaziert, während
eine Last F von etwa 3 MPa in der Richtung des Stapelns zugeführt wurde.
Darauffolgend wurde das Innere des Ofens, in welchem der Stapel 100 plaziert
wurde, auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–2 Pa
evakuiert, und wurde danach N2-Gas als Inertgas
so in den Ofen eingeleitet, daß ein
Druck von 10 Pa in dem Ofen aufrecht erhalten werden konnte.
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Im Einzelnen wurde der Stapel bei
einer Temperatur von 960 °C
für etwa
10 Minuten erwärmt. Es
wird gedacht, daß durch
Erwärmen
auf eine solche Temperatur in dem Übergang zwischen einer inneren
Elektrodenschicht 21 (Elektrodenmaterial 20) und
einer piezoelektrischen Schicht 11 Cu in dem Elektrodenmaterial
und Pb in PZT eine aus Cu und Pb bestehende Cu-reiche flüssige Phase
ausbildet, welche die Erzeugung einer Diffusionsschicht fördert.
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In einer in Übereinstimmung mit dem vorstehend
erwähnten
Heizbondschritt erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Einrichtung 1 bonden
eine piezoelektrische Schicht 11 und eine innere Elektrodenschicht 21 fest
aneinander, während
jede innere Elektrodenschicht 21 abwechselnd zu der gegenüberliegenden
Seite freiliegt, wie in 1 gezeigt
ist.
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In diesem Beispiel wurde, wie in 2 gezeigt ist, ein Abschnitt
parallel zu der Stapelrichtung eines Übergangs zwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 und
einer inneren Elektrodenschicht 21 mittels einem Röntgen-Mikroanalysator
(EPMA) analysiert. Das Ergebnis zeigte, daß ein Diffusionsbereich mit
einer Dicke t von etwa 20 Nanometern, in welchem Elemente von Pb,
Cu und O koexistieren, in dem Übergang
zwischen einer piezoelektrischen Schicht 11 und einer inneren
Elektrodenschicht 21 erzeugt wurde.
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Die gestapelte piezoelektrische Einrichtung 1 gemäß diesem
Beispiel nutzt ein Cu-basiertes Material mit einem Gehalt von 95
Gewichtsprozent Cu als eine innere Elektrodenschicht 21.
Daher können verglichen
mit bekannten gestapelten piezoelektrischen Einrichtungen, die ein
Edelmetall wie beispielsweise Ag/Pd einsetzen, die Materialkosten
signifikant reduziert werden, und kann eine billigere gestapelte
piezoelektrische Einrichtung erhalten werden.
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Die vorstehend erwähnte gestapelte
piezoelektrische Einrichtung 1 weist einen zwischen einer piezoelektrischen
Schicht 11 und einer inneren Elektrodenschicht 21 ausgebildeten
Diffusionsbereich auf. Dieser Diffusionsbereich wird durch wechselseitige
Diffusion von Komponenten einer piezoelektrischen Schicht und einer
inneren Elektrodenschicht zu der anderen Schicht erzeugt und enthält Pb und O,
welches Komponenten eines piezoelektrischen Materials sind, das
eine piezoelektri sche Schicht 11 bildet, und Cu, welches
eine innere Elektrodenschicht bildet, wie vorstehend erwähnt wurde.
Eine innere Elektrodenschicht 21 und eine piezoelektrische
Schicht 11 sind mit einer ausreichenden Bondfestigkeit
aneinander gebondet, weil der Diffusionsbereich in dem Übergang
zwischen ihnen existiert.
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Das heißt, eine gestapelte piezoelektrische Schicht 1 gemäß der Erfindung
weist eine ausreichend hohe Bondfestigkeit zwischen einer inneren Elektrodenschicht 21 und
einer piezoelektrischen Schicht 11 auf und ist kostengünstig.
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Als Nächstes wird zur Bezugnahme
eine beispielhafte praktische Verwendung der gestapelten piezoelektrischen
Einrichtung 1 gemäß diesem
Beispiel erklärt.
Zunächst
wird ein Epoxy-basiertes Harz über
die periphere Seitenoberfläche
der gestapelten piezoelektrischen Einrichtung 1 aufgebracht
und in Vakuum entgast, und dann bei einer Temperatur von 180 °C für 10 Minuten
wärmebehandelt.
Dadurch werden die fehlenden Abschnitte 119, welches Lücken zwischen
einer piezoelektrischen Schicht 11 und einer anderen piezoelektrischen
Schicht 11 sind, die aus den abgeschnittenen Teilen der
aus Cu-Folien wie vorstehend erwähnt
hergestellten inneren Elektrodenschichten 21 resultieren,
mit einer aus dem Epoxy-basierten Harz bestehenden Füllung 118 gefüllt.
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Darauffolgend wird, wie in 6 gezeigt ist, nach dem
Schleifen der peripheren Seitenoberfläche der gestapelten piezoelektrischen
Einrichtung auf den Durchmesser von 10 mm ein Paar von externen Elektroden 31, 32 durch
Aufbeschichten eines Epoxy-basierten elektrisch leitenden Klebers,
der einen Ag-Füller enthält, auf
zwei gegenüberliegende
Flächen
mit den fehlenden Abschnitten 119 der peripheren Seitenoberfläche erzeugt.
Außerdem
werden Leitungsdrähte 33, 34 mit
den externen Elektroden 31, 32 verbunden.
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Die so erzeugte gestapelte piezoelektrische Einrichtung 1 kann
durch Tauchen derselben in ein isolierendes Öl und Polarisieren derselben
durch Anlegen einer Gleichspannung über die Leitungsdrähte 33, 34 zu
einer gestapelten piezoelektrischen Ein richtung (gestapelter piezoelektrischer
Aktuator) gemacht werden, welche bei praktischer Verwendung ein
Ausführungsbeispiel
ist.
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Beispiel 2
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dIn diesem Beispiel wurde anstelle
eines aus einer Kupferfolie bestehenden Elektrodenmaterials 20 in
Beispiel 1 ein Cu-Film mit einer Dicke von 3 Mikrometern als ein
Elektrodenmaterial durch nicht-elektrolytisches Plattieren auf beide
der Hauptebenen einer piezoelektrischen Schicht 11 erzeugt. Plattierte
piezoelektrische Schichten und nicht-plattierte piezoelektrische
Schichten wurden abwechselnd gestapelt und dann heizgebondet, auf
dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1, um eine gestapelte piezoelektrische
Einrichtung zu erhalten.
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Die Auswertung des Zustands der Bondung zwischen
einer inneren Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht
der erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Einrichtung durch Betrachten
eines Abschnitts derselben zeigte, daß die gestapelte piezoelektrische
Einrichtung dieses Beispiels einen ebenso guten Bondungszustand
hatte wie der von Beispiel 1.
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Beispiel 3
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In diesem Beispiel wurden, um die Überlegenheit
der in Beispiel 1 erhaltenen gestapelten piezoelektrischen Einrichtung 1 weiter
zu klären,
Vergleichsproben einschließlich
einer konventionellen Probe vorbereitet, und wurde ein Test zum
Vergleichen der Bondfestigkeit der Proben durchgeführt.
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Die konventionelle Probe wurde wie
folgt vorbereitet: Zunächst
wurde eine ungebrannte Platte auf dieselbe Art und Weise wie in
Beispiel 1 erzeugt, und wurde ein Elektrodenmaterial auf eine Seite
der ungebrannten Platte durch Sieb- bzw. Rasterdrucken gedruckt.
Eine Paste aus Silber und Palladium (nachstehend in Kurzform als
eine Ag/Pd-Paste bezeichnet) mit einem Ag/Pd-Verhältnis von
7/3 wurde als das Elektrodenmaterial verwendet.
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Darauffolgend wurden die bedruckten
ungebrannten Platten gestapelt, um einen Stapel zu erzeugen, welcher
mittels einer Warmwasser-Gummipresse und dergleichen thermokompressionsgebondet
wurde, bei 400 bis 700 °C
in einem elektrischen Ofen entfettet, und bei 900 bis 1200 °C kaliziniert,
um eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung als konventionelle
Probe zu erhalten, welche als Probe C1 bezeichnet wird.
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Zusätzlich zu der gestapelten piezoelektrischen
Einrichtung von Beispiel 1, welche als Probe E1 bezeichnet wird,
wurden Proben C1 und C3 als Vergleichsbeispiele auf dieselbe Art
und Weise wie in Beispiel 1 vorbereitet, mit der Ausnahme, daß die Heiztemperatur
in dem Heizbondschritt auf 800 °C bzw.
850 °C geändert wurde.
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Die Bondfestigkeit zwischen einer
piezoelektrischen Schicht und einer inneren Elektrodenschicht der
Proben E1, C1, C2 und C3 wurde mittels einem Zugtest in der Stapelrichtung
jeder Probe gemessen. Der gemessene Wert wurde als ein Bondfestigkeitsverhältnis ausgedrückt, welches
als ein Verhältnis der
Bondfestigkeit jeder Probe zu der Bondfestigkeit der konventionellen
Probe C1 definiert ist.
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Die Testergebnisse sind in 7 gezeigt, welche Probennummern
entlang der Abszisse und ein Bondfestigkeitsverhältnis entlang der Ordinate aufweist.
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Wie aus 7 ersichtlich ist, hatte die gestapelte
piezoelektrische Einrichtung 1 gemäß Beispiel 1 (Probe E1) eine
herausragende Bondfestigkeit gleich der der konventionellen Probe
(Probe C1).
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Demgegenüber wiesen die Proben C2 und C3,
welche in dem Heizbondschritt bei einer Temperatur von nicht mehr
als 850 °C
erwärmt
wurden, eine unterlegene bzw. kleinere Bondfestigkeit gegenüber der
der konventionellen Probe (Probe C1) auf. Als Ursache wird betrachtet,
daß eine
Heiztemperatur von nicht mehr als 850 °C eine Kupferfolie als ein Elektrodenmaterial
nicht ausreichend weich macht und daher eine Kupferfolie nicht genügend in
Kontakt mit einem piezoelektrischen Material bringt, um einen Diffusionsbereich
zwischen einer inneren Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen
Schicht herzustellen.
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Beispiel 4
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In diesem Beispiel wurde die Wirkung
geprüft,
welche die oxidationshemmende Atmosphäre in dem Heizbondschritt in
einem Verfahren zur Herstellung einer gestapelten piezoelektrischen
Einrichtung auf eine dielektrische Eigenschaft einer gestapelten
piezoelektrischen Einrichtung unter Verwendung einer einzelnen Platte
von piezoelektrischem Material, das für eine gestapelte piezoelektrische Einrichtung
verwendet wurde, hat.
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Zunächst wurde Gold auf beide Hauptebenen
einer kalzinierten piezoelektrischen Scheibe mit einem Durchmesser
von 15 mm und einer Dicke von 100 Mikrometern, welche in dem Heizbondschritt nicht
der oxidationshemmenden Atmosphäre
ausgesetzt war, dampfabgeschieden, um eine kalzinierte piezoelektrische
Scheibe mit einer Goldabscheidung (Probe C4) als ein als Basis verwendetes
Vergleichsbeispiel vorzubereiten.
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Als Nächstes wurde eine kalzinierte
piezoelektrische Scheibe derselben oxidationshemmenden Atmosphäre wie der
in dem Heizbondschritt in Beispiel 1 ausgesetzt, und danach wurde
Gold auf beide Hauptebenen der piezoelektrischen Scheibe dampfabgeschieden,
um eine kalzinierte piezoelektrische Scheibe mit einer Goldabscheidung
(Probe E2) vorzubereiten. Obwohl die oxidationshemmende Atmosphäre in dem
Heizbondschritt in Beispiel 1 durch Einleiten eines Inertgases in
den Ofen bei einem vorbestimmten Druck, nachdem der Ofen wie vorstehend erwähnt evakuiert
wurde, bereitgestellt wurde, wurde eine kalzinierte piezoelektrische
Scheibe bei einem Vakuumgrad von 10–2 Pa
ohne Einleitung von Inertgas, nachdem der Ofen auf einen solchen
Vakuumgrad evakuiert wurde, erwärmt,
und wurde danach Gold auf beide Hauptebenen der wärmebehandelten piezoelektrischen
Scheibe dampfabgeschieden, um eine kalzinierte piezoelektrische
Scheibe mit einer Goldabscheidung (Probe C5) als ein Vergleichsbeispiel
vorzubereiten.
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Außerdem wurde, wie in 9 gezeigt ist, eine kalzinierte
piezoelektrische Scheibe 11 in einem Ofen plaziert, wurde
die Peripherie der kalzinierten piezoelektrischen Scheibe 11 mit
Keramikoxidpulver 92 gefüllt, und wurde dann das Innere
des Ofens auf einen Vakuumgrad von 10–2 Pa
evakuiert, um eine oxidationshemmende Atmosphäre zu erhalten, in der die
kalzinierte piezoelektrische Platte 11 erwärmt wurde,
und danach wurde Gold auf beide Hauptebenen der wärmebehandelten
piezoelektrischen Scheibe dampfabgeschieden, um eine piezoelektrische Scheibe
mit einer Goldabscheidung (Probe E3) vorzubereiten. In diesem Fall
wurde Bleizirkonat mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa
10 Mikrometern als Keramikoxidpulver 92 verwendet.
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Dann wurde jede Probe zum Ermitteln
einer piezoelektrischen Konstanten d31 (pm/V), welche eine der piezoelektrischen
Eigenschaften ist, getestet.
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Bei diesem Test wurde ein Impedanzmeßinstrument
verwendet. Eine Oberfläche
jeder Probe wurde mit dem positiven (+) Anschluß des Impedanzmeßinstruments
verbunden, und die andere Oberfläche
wurde mit dem negativen (-) Anschluß verbunden. Die Resonanzfrequenz
und die Gegenresonanzfrequenz wurden gemessen, und die piezoelektrische
Konstante d31 wurde berechnet.
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Das Ergebnis ist in 8 gezeigt, welche die Proben-Nr. entlang
der Abszisse und die piezoelektrische Konstante d31 (pm/V) entlang
der Ordinate führt.
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Wie aus 8 ersichtlich ist, hatten die Proben
E2 und E3 eine piezoelektrische Eigenschaft äquivalent zu der von Probe
C4, welche nicht der oxidationshemmenden Atmosphäre ausgesetzt war. Die Probe
C5 ist hinsichtlich der piezoelektrischen Eigenschaft in Bezug auf
die Probe C4 um etwa 20 Prozent unterlegen.
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Das vorstehend erwähnte Ergebnis
zeigte, daß nur
eine Evakuierung für
eine oxidationshemmende Atmosphäre
in dem Heizbondschritt unzureichend war, und daß zusätzliche Maßnahmen notwendig waren.
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Die zusätzlichen Maßnahmen beinhalten das Laden
von Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, in den Ofen bei einem
Druck von nicht weniger als 1 Pa nach der Evakuierung, Steuern eines
Sauerstoffteildrucks in dem Ofen auf einen vorbestimmten Druck nach
der Evakuierung, und dergleichen.
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Beispiel 5
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In diesem Beispiel wurde der Abschnitt
in der Stapelrichtung der in Beispiel 1 vorbereiteten gestapelten
elektrischen Einrichtung mittels EPMA mit einem Strahldurchmesser
von 1 Nanometer gemessen. Ein Ergebnis ist in 10 gezeigt, welche den Abstand von dem Übergang
nahe dem Diffusionsbereich entlang der Abszisse und die Cu-Konzentration (Gewichtsprozent)
entlang der Ordinate führt.
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Da reines Cu mit einer Reinheit von
99,9 Prozent als eine innere Elektrodenschicht 21 verwendet wurde,
wird A', ausgedrückt durch
0,95A, zu etwa 95 Gewichtsprozent. Der Abstand von der Position
A', an der die Cu-Konzentration 95 Prozent
beträgt, über den Übergang
zu einer Position B, an der die Cu-Konzentration 1 Gewichtsprozent
beträgt,
betrug etwa 20 nm, wie aus 10 ersichtlich
ist.
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Beispiel 6
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In diesem Beispiel wurde ein Abschnitt
in der Stapelrichtung der in Beispiel 1 vorbereiteten gestapelten
piezoelektrischen Einrichtung 1 mittels EDX analysiert,
um den Sauerstoffgehalt an vier Punkten (1, 3, 5 und 10 Nanometer
ausgehend von der Schnittstelle) des Diffusionsbereichs auf der
Seite der inneren Elektrodenschicht zu ermitteln.
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Das Ergebnis zeigte, daß der Sauerstoffgehalt
kleiner als 8 Gewichtsprozent war.
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Um eine gestapelte piezoelektrische
Einrichtung, welche kostengünstig
und hinsichtlich der Bondfestigkeit zwischen einer piezoelektrischen Schicht
und einer inneren Elektrodenschicht herausragend ist, bereitzustellen,
umfaßt
die piezoelektrische Einrichtung piezoelektrische Schichten und nicht
weniger als 50 Gewichtsprozent von Cu enthaltende innere Elektrodenschichten,
die abwechselnd gestapelt sind. Zwischen der inneren Elektrodenschicht
und der piezoelektrischen Schicht gibt es einen Diffusionsbereich,
der durch wechselseitige Diffusion von Komponenten der inneren Elektrodenschicht
und der piezoelektrischen Schicht in die andere Schicht erzeugt
wird und zumindest eine Komponente des piezoelektrischen Materials
und Cu umfaßt.
Der Diffusionsbereich belegt nicht weniger als 90 Prozent der Fläche eines Übergangs
zwischen der inneren Elektrodenschicht und der piezoelektrischen
Schicht, und die Dicke des Diffusionsbereichs beträgt nicht
mehr als 10 Prozent der Dicke der inneren Elektrodenschicht. Ein
die piezoelektrische Schicht bildendes piezoelektrisches Material
umfaßt bevorzugt
PZT, welches ein Pb(Zr,Ti)O3-basiertes Oxid
mit einer Perovskitstruktur ist, und Elemente von Pb, Cu und O koexistieren
in dem Diffusionsbereich.