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Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere ein elektrokeramisches Bauelement wie einen Piezoaktor sowie ein Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements.
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Elektrokeramische Bauelemente wie Piezoaktoren weisen eine keramische Matrix mit mindestens einer Innenelektrode auf, die im keramischen Körper angeordnet ist und an einer Oberfläche freigelegt ist. Ein Piezoaktor kann auch in Form eines Vielschichtpiezoaktors ausgebildet werden, der eine Vielzahl piezoelektrisch aktiver keramischer Lagen und metallischer Innenelektrodenlagen aufweist, die abwechselnd aufeinander gestapelt sind. Bei einem Vielschichtpiezoaktor weisen die Oberflächen eine Vielzahl streifenförmiger metallischer Innenelektroden und piezoelektrisch aktive keramische Bereiche auf. Die
EP 1 835 553 A1 offenbart zum Beispiel einen Vielschichtpiezoaktor.
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Diese elektronischen Bauelemente weisen typischerweise großflächige metallische Außenkontakte auf, die zumindest zum Teil auf der keramischen Matrix des Bauelements angeordnet sind und in elektrischer Verbindung mit den Innenelektroden stehen.
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Piezoelektrisch aktive Bauelemente sind auch auf Grund der mechanischen Verformung der piezoelektrisch aktiven Matrix rissanfällig. Diese mechanische Verformung kann auch zu einer zusätzlichen Belastung der Außenkontakte führen, wie in der
DE 199 45 934 C1 beschrieben wird.
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Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Kontaktierung zwischen den Innenelektroden und dem Außenkontakt ist aus der
DE 199 45 934 C1 bekannt, den Außenkontakt aus zwei unterschiedlichen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung herzustellen. Die untere erste Schicht weist eine Zusammensetzung auf, die zur Verbesserung der Haftfestigkeit am Bauelement dient und die obere zweite Schicht wird in ihrer Zusammensetzung so optimiert, dass sie eine gute Lötbarkeit aufweist.
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Die
DE 197 53 930 A1 offenbart einen Piezoaktor, dessen Oberfläche wenigstens teilweise von einer unter mechanischer Zugspannung stehenden Hülle umspritzt ist. Die Endstücke sind von dieser Hülle gegen die Grund- bzw. Deckfläche gedrückt.
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Die
DE 102 25 408 A1 offenbart einen Aktor, bei dem die Außenelektrode durch einen Schrumpfschlauch an die Grundmetallisierung gepresst wird.
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EP 1 814 169 A2 offenbart einen Piezoaktor mit einem Metallgewebe als Außenelektrode, das aus Invar gebildet ist und somit eine geringe Wärmeausdehnung aufweist.
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In
DE 10 2006 046 831 A1 ist ein Piezoaktor beschrieben, der von einer flexiblen Isolationsschicht mit einer Metallfolie aus Invar umgeben ist.
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Weitere Verbesserungen zum Herstellen eines zuverlässigeren Kontaktierens mit einem Bauteil mit Innenelektroden sowie zum Bereitstellen eines zuverlässigeren Bauelements sind jedoch wünschenswert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektronisches Bauelement mit einer keramischen Matrix und mindestens einer Innenelektrode vorzusehen, das zuverlässiger ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements mit einer keramischen Matrix und mindestens einer Innenelektrode vorzusehen, wobei ein zuverlässigerer Kontakt gebildet wird.
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Gelöst ist dies mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Bauelement vorgesehen, das eine keramische Matrix, mindestens eine Innenelektrode, die in der keramischen Matrix angeordnet ist und an einer ersten Oberfläche freigelegt ist und mindestens einen elektrisch leitenden Sammelkontakt, der mit der Innenelektrode elektrisch verbunden ist, und eine weitere äußere Schicht aufweist. Die äußere Schicht übt eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt aus. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht ist kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts.
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Auf Grund ausgewählter Wärmausdehnungskoeffizienten übt die äußere Schicht eine Druckvorspannung auf den darunter liegenden Sammelkontakt und die Innenelektrode aus. Insbesondere ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts.
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Die Zuverlässigkeit der Kontaktierung zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode wird durch die äußere Schicht verbessert, da sie den Sammelkontakt an die Innenelektrode mechanisch drückt und das Abheben des Sammelkontakts von der Innenelektrode verhindert oder zumindest behindert.
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Die Innenelektrode ist an einer ersten Oberfläche freigelegt und nicht von der keramischen Matrix umhüllt. Dieser freigelegte Teil der Innenelektrode dient als eine elektrisch leitende Kontaktfläche. Der Sammelkontakt kann direkt auf der Innenelektrode angeordnet sein, um die elektrische Verbindung zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode herzustellen.
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Die Druckvorspannung kann ferner den elektrischen Kontakt zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode verbessern, da auf Grund des Drucks die Kontaktfläche zwischen den elektrisch leitenden Partikeln des Sammelkontakts und der Innenelektrode vergrößert und der elektrische Kontaktwiderstand reduziert wird. Folglich wird bei einem Bauelement zur Verwendung als Aktor in einem Einspritzventil eine für die gewünschten kurzen Pulsdauern, hohen Ansteuerspannungen und erheblichen Anwendungstemperaturen ausreichend große Lebensdauer und Zuverlässigkeit gewährleistet.
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Die äußere Schicht kann direkt oder indirekt auf dem Sammelkontakt angeordnet werden. Der Begriff indirekt wird verwendet, um eine Anordnung zu bezeichnen, bei der eine weitere Schicht zwischen der äußeren Schicht und dem Sammelkontakt angeordnet ist. Diese zusätzliche Schicht kann elektrisch leitend oder elektrisch isolierend sein. Es ist auch nicht ausgeschlossen, eine weitere Schicht auf der äußeren Schicht anzuordnen.
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Im Falle, dass die äußere Schicht indirekt auf dem Sammelkontakt angeordnet ist, wird die Druckvorspannung über der dazwischen angeordneten Schicht auf den Sammelkontakt übertragen.
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Die äußere Schicht kann aus einer geschrumpften Kunststofffolie bestehen, die einen mechanischen Druck auf den Sammelkontakt ausübt.
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Der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Schicht und dem Wärmausdehnungskoeffizienten des Sammelkontakts wird durch eine geeignete Materialauswahl der äußeren Schicht sowie des Sammelkontakts erzeugt. Durch diese Materialauswahl kann die Höhe der Druckvorspannung eingestellt werden.
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Die Druckvorspannung, die die äußere Schicht ausübt, kann bei höheren Temperaturen erhöht werden. Bei zunehmend höheren Temperaturen vergrößert sich das Volumen der Schutzschicht weniger als das Volumen des Sammelkontakts, so dass eine Druckvorspannung bei der Anwendungstemperatur ausgeübt wird. Durch eine geeignete Auswahl von Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Temperaturabhängigkeit kann diese Druckspannung bei erhöhten Temperaturen weiter erhöht werden.
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Dies hat den Vorteil, dass die Druckvorspannung, die die äußere Schicht ausübt, bei höheren Temperaturen erhöht werden kann. Bei zunehmend höheren Temperaturen vergrößert sich das Volumen der Schutzschicht weniger als das Volumen des Sammelkontakts, so dass eine Druckvorspannung bei der Anwendungstemperatur ausgeübt wird. Durch eine geeignete Auswahl von Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Temperaturabhängigkeit kann diese Druckspannung bei erhöhten Temperaturen weiter erhöht werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist in einem Temperaturbereich von –50°C bis zu 180°C der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts. Dieser Temperaturbereich entspricht einem herkömmlichen Lagerungstemperaturbereich. Wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten diese Bedingung erfüllen, wird gewährleistet, dass während der Lagerung des Bauteils eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt von der äußeren Schicht ausgeübt wird. Folglich wird vermieden, dass auf Grund einer Entspannung des Drucks auf den Sammelkontakt während der Lagerung sich Risse zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode bilden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in einem Temperaturbereich von –40°C bis zu 150°C der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht kleiner als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts. Dieser Temperaturbereich entspricht einem herkömmlichen Anwendungstemperaturbereich eines piezoelektrisch aktiven Aktors eines Einspritzventils.
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Die äußere Schicht kann die Gestalt eine Hülse aufweisen und nur auf den Randseiten angeordnet werden. Es ist auch möglich, die äußere Schicht nur auf dem Sammelkontakt bzw. Sammelkontakten anzuordnen, während die weiteren Oberflächen des Körpers frei von der äußeren Schicht bleiben. Die äußere Schicht kann Kunststoff oder Metall oder eine Legierung oder ein glasfaserverstärktes Polyamid aufweisen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bauelement ferner eine weitere Schutzschicht auf, die zwischen dem Sammelkontakt und der äußere Schicht angeordnet ist. In diesem Fall ist die äußere Schicht indirekt auf dem Sammelkontakt angeordnet. Die Schutzschicht dient dazu, den Sammelkontakt vor äußeren Beschädigungen besser zu schützen, die beispielsweise durch Kontakt mit einer korrosiven Substanz, wie Benzin oder Diesel im Falle eines Einspritzventils, verursacht werden können.
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Die Schutzschicht kann den Körper an den Randseiten vollständig umhüllen, um den Schutz zu erhöhen. Die Endflächen sind jedoch frei von der Schutzschicht. Das Material der Schutzschicht wird abhängig von der geplanten Anwendung ausgewählt, so dass die Schutzschicht dielektrisch sein kann und ein Vergussmaterial, z. B. ein Silikonelastomer oder Polyurethan aufweisen kann.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Schutzschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, der größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht. Folglich wird die Druckvorspannung, die die äußere Schicht ausübt, über die Schutzschicht auf den Sammelkontakt übertragen.
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Das Bauelement weist eine zusätzliche Isolationsschicht auf, die zwischen einem Körper aus der keramischen Matrix und der darin angeordneten Innenelektrode und dem Sammelkontakt angeordnet ist. Diese Isolationsschicht weist mindestens eine Durchöffnung auf, die zumindest einen Teil der Innenelektrode freilegt, so dass die freiliegende Innenelektrode in elektrischem Kontakt mit dem darauf angeordneten Sammelkontakt steht.
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Die Isolationsschicht weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts. Dieses Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolationsschicht und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sammelkontakts verhindert, dass eine Ausdehnung der Isolationsschicht bei erhöhten Temperaturen zu einem Abheben des Sammelkontakts führt.
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Die Isolationsschicht kann auch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient der weiteren Schutzschicht. Dieses Verhältnis zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolationsschicht und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sammelkontakts verhindert, dass eine Ausdehnung der Isolationsschicht bei erhöhten Temperaturen zu einem Abheben der Schutzschicht und ihrer Delamination von dem Sammelkontakt führt.
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Der Kontakt zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode kann auch durch eine zweite elektrisch leitende Schicht erhöht werden, die zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode angeordnet ist.
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Diese zweite Schicht kann die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen der Innenelektrode und dem Sammelkontakt erhöhen und/oder den elektrischen Widerstand reduzieren. Diese Eigenschaften können durch die Auswahl der Materialien der zweiten Schicht, der Innenelektrode und/oder dem Sammelkontakt und/oder durch das Gefüge der zweiten Schicht erreicht werden.
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Zum Beispiel kann die zweite elektrisch leitende Schicht ein Material aufweisen, das mit dem Material der Innenelektrode und/oder dem Material des Sammelkontakts chemisch reagiert oder legiert, um die mechanische Festigkeit der Verbindung zu erhöhen.
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Die zweite elektrisch leitende Schicht kann auch nanoskalige Körner oder Partikel aufweisen, die dazu dienen, die Kontaktfläche zwischen der zweiten Schicht und der darunter liegenden Innenelektrode zu erhöhen. Die vergrößerte Kontaktfläche führt zu einem niedrigeren elektrischen Kontaktwiderstand. Der Begriff nanoskalig wird definiert, als Körner oder Partikel mit einem Durchmesser von 0,1 nm bis zu 1000 nm, vorzugsweise 0,1 nm bis zu 200 nm.
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Die zweite elektrisch leitende Schicht kann aus nass chemisch aufgebrachten nanoskaligen Körnern oder Partikeln, einem galvanisch aufgebrachtem Metall oder durch ein Vakuumabscheidungsverfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition) gebildet sein.
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Das Bauelement ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein elektronisches Bauelement wie ein Piezoaktor, der zum Beispiel als Betätigungselement eines Einspritzventils eines Motors eines Kraftfahrzeugs dient. Das Bauelement kann auch ein vielschichtelektronisches Bauelement, wie ein Kondensator, Varistor oder Thermistor sein.
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Das Bauelement kann ein Vielschichtpiezoaktor sein, der eine Vielzahl von piezoelektrisch aktiven Lagen und eine Vielzahl von elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen aufweist, wobei die elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen jeweils eine elektrisch leitende Innenelektrode vorsehen. Die piezoelektrisch aktiven Lagen und die elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen sind abwechselnd aufeinander in einer Stapelrichtung gestapelt.
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Bei einem Vielschichtpiezoaktor erstreckt sich die erste Oberfläche in Stapelrichtung. Jede zweite Innenelektrodenlage bildet einen Bereich der ersten Oberfläche und ist mit dem Sammelkontakt elektrisch verbunden, wobei die weiteren Innenelektrodenlagen von dem Sammelkontakt elektrisch isoliert sind. Der Vielschichtpiezoaktor weist somit zwei Gruppen von Innenelektroden auf, die mit unterschiedlichen voneinander elektrisch isolierten Sammelkontakten kontaktiert werden. Benachbarte Innenelektroden des Stapels sind voneinander elektrisch isoliert und unabhängig voneinander steuerbar.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrisch aktiven Lagen nahezu vollaktiv. Die Innenelektroden erstrecken sich nahezu vollständig über die Fläche bis zu den Randseiten der benachbarten piezoelektrisch aktiven Lagen.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel weisen die piezoelektrisch aktiven Lagen nicht piezoelektrisch aktive Bereiche auf. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Innenelektroden nicht zum Rand der piezoelektrisch aktiven Lagen.
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Typischerweise wird sich jede zweite Innenelektrode zu der Randseite einer ersten Oberfläche und nicht zu der Randseite einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche der piezoelektrisch aktiven Lage erstrecken. Dieser unbedeckte Bereich der piezoelektrisch aktiven Lage sieht eine elektrische Isolation der Innenelektrode des Sammelkontakts vor, der auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Die zweite Gruppe von Innenelektroden streckt sich zum Rand der zweiten Oberfläche und nicht zum Rand der ersten Oberfläche der piezoelektrisch aktiven Lage hin.
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Wenn das Bauelement eine zweite Oberfläche aufweist, die gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist und eine Vielzahl der abwechselnden piezoelektrischen Lagen und elektrisch leitenden Innenelektrodenlagen aufweist, sind die Innenelektrodenlagen, die nicht mit dem Sammelkontakt auf der ersten Oberfläche elektrisch verbunden sind, mit einem zweiten Sammelkontakt auf der zweiten Oberfläche elektrisch verbunden. Der erste Sammelkontakt ist von dem zweiten Sammelkontakt elektrisch isoliert.
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Bei einem vollaktiven Stapel kann die zweite Oberfläche auch eine elektrisch isolierende Schicht mit Öffnungen aufweisen, wobei eine Öffnung jede zweite Innenelektrodenlage auf der zweiten Oberfläche freilegt, die nicht mit dem Sammelkontakt auf der ersten Oberfläche elektrisch verbunden ist. In dieser Weise werden zwei Gruppen von Innenelektroden vorgesehen, die unabhängig voneinander steuerbar und die abwechselnd in dem Stapel in Stapelrichtung angeordnet sind.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelements an. Ein Bauelement wird bereitgestellt, das einer keramische Matrix, mindestens eine Innenelektrode, die in der keramischen Matrix angeordnet ist und an einer ersten Oberfläche freigelegt ist, und mindestens einen elektrisch leitenden Sammelkontakt, der mit der Innenelektrode elektrisch verbunden ist, aufweist. Das Bauelement kann ein piezoaktiver Aktor, beispielsweise ein Vielschichtpiezoaktor sein. Eine weitere äußere Schicht wird auf das Bauelement aufgebracht, wobei diese äußere Schicht eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt ausübt.
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Die äußere Schicht kann in Gestalt einer Hülse oder durch Tauchen, Sprühen oder eines Siebdruckverfahrens aufgebracht werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird nach ihrem Aufbringen die äußere Schicht auf das Bauelement geschrumpft, um Druckvorspannung auf den Sammelkontakt auszuüben.
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Die Druckvorspannung wird durch die Materialauswahl, insbesondere durch die Auswahl des Wärmausdehnungskoeffizienten, ausgeübt. In einem Ausführungsbeispiel weist die äußere Schicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der Wärmausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts.
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In einer Ausführungsform wird vor dem Aufbringen der äußeren Schicht eine weitere Schutzschicht auf den Sammelkontakt aufgebracht. Diese Schutzschicht kann aus einem Vergussmaterial bestehen.
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In einer Weiterbildung wird das Material der Schutzschicht so ausgewählt, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht ist. Die äußere Schicht übt somit eine Druckvorspannung auf die Schutzschicht aus, die die Schutzschicht auf den Sammelkontakt überträgt.
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Wenn die Schutzschicht aus einem Material besteht, das ausgehärtet wird, um eine feste Schicht zu erzeugen, kann das Aushärten bei Temperaturen durchgeführt werden, die niedriger als die Anwendungstemperatur des Bauelements sind.
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Folglich vergrößert sich das Volumen der Schutzschicht im Temperaturbereich zwischen der Aushärtungstemperatur und der Anwendungstemperatur. Diese Volumenvergrößerung wird durch die äußere Schicht behindert und eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt sowie auf die Verbindung zwischen dem Sammelkontakt und der Innenelektrode erzeugt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Vielschichtpiezoaktors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 zeigt eine schematische detaillierte Ansicht des Vielschichtpiezoaktors der 1, und
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3 zeigt eine schematische detaillierte Ansicht eines Vielschichtpiezoaktors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 und 2 zeigen einen Vielschichtpiezoaktor 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der eine Vielzahl von Innenelektrodenlagen 2 und eine Vielzahl von piezoelektrisch aktiven Lagen 3 aufweist. Die 2 zeigt eine detaillierste Ansicht eines Teils des Vielschichtpiezoaktors der 1. Der Vielschichtpiezoaktor dient in diesem Ausführungsbeispiel als Betätigungselement in einem Einspritzventil eines Kraftfahrzeugmotors. Die Innenelektrodenlagen 2 und die piezoelektrisch aktiven Lagen 3 sind abwechselnd aufeinander in einer Stapelrichtung 4 gestapelt und bilden einen mehrlagigen Körper 5. Der mehrlagige Körper 5 kann auch als Werkstoffverbund bezeichnet werden, der aus einer keramischen Matrix und Innenelektroden in Form von Innenelektrodenlagen besteht.
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Die Innenelektrodenlagen 2 bestehen jeweils aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem Metall oder einer Legierung wie Ag-Pd. Die piezoelektrisch aktiven Lagen 3 bestehen aus einem Material, das den piezoelektrischen Effekt zeigt, d. h. beim Anlegen eines elektrischen Felds verformt sich das Material mechanisch. Diese mechanische Verformung erzeugt eine nutzbare Dehnung und/oder Kraft an den Endflächen 12, so dass der Stapel als Aktor verwendet werden kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die piezoelektrisch aktiven Lagen 3 aus einer Keramik, insbesondere PZT (Blei-Zirkonat-Titanat). Die Innenelektrodenlagen 2 erstrecken sich über die gesamte Fläche der benachbarten piezoelektrisch aktiven Lagen 3 sowie zu den Randseiten 6 des Stapels und bilden dort einen Teil 23 der Oberfläche 7 des Körpers 5 des Piezoaktors 1. Der Teil 23 der Innenelektrode 2 ist an der Oberfläche 7 freigelegt und folglich frei von der keramischen Matrix des Körpers. Diese Anordnung des Vielschichtpiezoaktors 1 wird als vollaktiver Piezoaktorstapel bezeichnet.
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Ein elektrischer Kontakt zu den jeweiligen Innenelektroden 2, die im Körper 5 angeordnet sind, erfolgt mit Sammelkontakten 8, 10, die auf den Randseiten 6 des Körpers 5 angeordnet sind. Ein erster Sammelkontakt 8 ist auf einer ersten Randseite 9 des Körpers 5 angeordnet und ein zweiter Sammelkontakt 10 auf der gegenüberliegenden Randseite 11 des Körpers 5. Der erste Sammelkontakt 8 und der zweite Sammelkontakt 10 sind voneinander elektrisch isoliert.
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Jede Innenelektrode 2 ist mit nur einem der Sammelkontakte 8, 10 elektrisch verbunden, so dass zwei Gruppen von Innenelektroden 13, 14 vorgesehen sind, die voneinander elektrisch isoliert sind. Jede zweite Innenelektrode 2 in der Stapelrichtung 4 ist mit dem ersten Sammelkontakt 8 elektrisch verbunden und bildet die erste Gruppe 13 von Innenelektroden 2. Der zweite Sammelkontakt 10 ist mit den Innenelektroden 2' elektrisch verbunden, die die zweite Gruppe 14 von Innenelektroden 2' bilden. Benachbarte Innenelektroden 2, 2' in der Stapelrichtung 4 gehören zu unterschiedlichen Gruppen 13, 14. Eine Spannung wird zwischen den benachbarten Innenelektroden 2 des Stapels angelegt, so dass die zwischen den Innenelektroden 2 angeordneten piezoelektrisch aktiven Lagen 3 mechanisch reagieren.
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Um einen Kurzschluss zwischen den zwei Gruppen 13, 14 von Innenelektroden 2, 2' sowie zwischen den zwei Sammelkontakten 8, 10 zu vermeiden, ist eine elektrisch isolierende Schicht 15 auf zumindest den zwei Randseiten 9, 11 des Körpers 5 mit den Sammelkontakten 8, 10 angeordnet.
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Die elektrisch isolierende Schicht 15 weist Öffnungen 16 auf, die die Oberfläche 23 der Innenelektrodenlagen 2 freilegen, die einen Teil der Oberfläche 7 des Körpers 5 bildet. Insbesondere legen die Öffnungen 16 der elektrisch isolierenden Schicht 15 die erste Gruppe 13 von Innenelektroden 2 auf der ersten Randseite 9 und die zweite Gruppe 14 von Innenelektroden 2' auf der zweiten Randseite 11 frei.
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Auf der ersten Randseite 9 ist die zweite Gruppe 14 von Innenelektroden 2' von der elektrisch isolierenden Schicht 15 abgedeckt und von dem darauf angeordneten ersten Sammelkontakt 8 elektrisch isoliert. Auf der zweiten gegenüberliegenden Randseite 11 ist die erste Gruppe 13 von Innenelektroden 2 von der elektrisch isolierenden Schicht 15 abgedeckt und von dem darauf angeordneten zweiten Sammelkontakt 10 elektrisch isoliert.
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Eine Schutzschicht 17 aus einem Vergussmaterial ist auf den Randseiten 5 bzw. direkt auf den Sammelkontakten 8, 10 angeordnet. Die Schutzschicht 17 ist dielektrisch, so dass die Sammelkontakte 8, 10 voneinander elektrisch isoliert bleiben. Die Schutzschicht 17 schützt die darunter liegenden Sammelkontakte 8, 10, die Innenelektroden 2 und die piezoelektrisch aktiven Lagen 3 vor Beschädigung von der Umgebung, insbesondere vor korrosiven Medien, in denen der Piezoaktor verwendet wird. Im Falle eines Betätigungselements eines Einspritzventils kann der Piezoaktor in Betrieb in direktem Kontakt mit dem Kraftstoff stehen.
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In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist keine Schutzschicht 17 vorgesehen. Diese Anordnung kann verwendet werden, wenn der Vielschichtpiezoaktor nicht in einer korrosiven Umgebung verwendet wird und/oder wenn die äußere Schicht allein eine ausreichende Schutzwirkung vorsieht.
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Der Vielschichtpiezoaktor 1 weist ferner eine äußere Schicht 18 auf, die den Vielschichtpiezoaktor verkapselt. Die äußere Schicht 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Gestalt einer Hülse vorgesehen, die auf der Schutzschicht 17 angeordnet ist.
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Die äußere Schicht 18 weist in diesem Ausführungsbeispiel Kunststoff, insbesondere ein glasfaserverstärktes Polyamid auf. In weiteren Ausführungsbeispielen weist die äußere Schicht 18 ein Metall oder eine Legierung auf.
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Erfindungsgemäß übt diese äußere Schicht 18 eine Druckvorspannung auf die Sammelkontakte 8, 10, vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen, aus. In diesem Zusammenhang ist eine erhöhte Temperatur definiert, als eine Temperatur zwischen einer typischen Raumtemperatur von 20°C und der Anwendungstemperatur, die beispielsweise für Einspritzventile bei ungefähr 100°C liegt.
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In weiteren Ausführungsbeispielen übt die äußere Schicht 18 einen Druck auf die Sammelkontakte 8, 10 bei Temperaturen in einem Lagerungstemperaturbereich, beispielsweise –50°C bis zu 180°C und/oder in einem Anwendungsbereich, beispielsweise –40°C bis zu 150°C aus.
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Diese Druckvorspannung wird in einem Ausführungsbeispiel durch eine gezielte Auswahl der Wärmeausdehnungskoeffizienten der äußeren Schicht 18 und des Sammelkontakts 8, 10 gewährleistet. Insbesondere weist die äußere Schicht 18 einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als die Sammelkontakte 8, 10. Folglich dehnen sich diese bei einer erhöhten Temperatur der Sammelkontakte 8, 10 weiter aus als die äußere Schicht, so dass die äußere Schicht eine Druckvorspannung auf die Sammelkontakte 8, 10 ausübt. Diese Druckvorspannung drückt den Sammelkontakt 8, 10 gegen die freiliegende Oberfläche 23 der Innenelektroden 2, so dass die mechanische und elektrische Verbindung beibehalten oder sogar verbessert wird. Wenn die Kontaktfläche zwischen dem Sammelkontakt 8, 10 und der freiliegenden Oberfläche 23 der Innenelektroden 2 durch den mechanischen Druck erhöht wird, wird der elektrische Kontaktwiderstand reduziert und die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung verbessert.
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Wenn eine Schutzschicht 17 vorgesehen ist, die zwischen der äußeren Schicht 18 und dem Sammelkontakt 8, 10 angeordnet ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schutzschicht 17 so ausgewählt, dass er größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht 18 ist. Dieses Verhältnis ermöglicht, dass eine größere Druckvorspannung auf den Sammelkontakt ausgeübt werden kann, da die Volumenvergrößerung der Schutzschicht und des Sammelkontakts erhöht werden kann. Auf Grund des kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten der darauf angeordneten äußeren Schicht 18 entsteht ein größerer Unterschied zwischen der Volumenvergrößerung der äußeren Schicht 18 und der Schutzschicht 17 und der Sammelkontaktschicht 8, 10, so dass die Druckvorspannung erhöht wird.
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Bei der Isolationsschicht 15 zwischen der Oberfläche 7 des Körpers 5 und des Sammelkontakts 8, 10 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient so ausgewählt, dass er kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts 8, 10. Dieses Verhältnis verhindert, dass der Sammelkontakt abhebt, weil sich die darunter liegende Isolationsschicht 15 weiter ausdehnt als der Sammelkontakt.
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Diese Verhältnisse der Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Schichten führen zu einer zuverlässigeren Kontaktierung und zu einem zuverlässigeren Bauelement.
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Die Kontaktstruktur der Sammelkontakte 8 nach einem ersten Ausführungsbeispiel ist in der detaillierten Ansicht der 2 dargestellt, die ein Teil der ersten Randseite 9 des Vielschichtpiezoaktors 1 mit vier der piezoelektrisch aktiven Lagen 3 sowie drei Innenelektrodenlagen 2, 2' zeigt. Die Kontaktstruktur des zweiten Sammelkontakts 10 ist gleich.
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2 zeigt, dass in diesem Ausführungsbeispiel der Sammelkontakt 8 aus zwei Schichten 19, 20 besteht. Der Sammelkontakt 8 kann jedoch aus einer Schicht bestehen. Die erste Schicht 19 kann aus nanoskaligen Körnern oder einem galvanisch aufgebrachten Material gebildet sein. Die nanoskaligen Körner der ersten elektrisch leitenden Schicht 19 bestehen aus einem elektrisch leitenden Metall oder einer elektrisch leitenden Legierung, wie Silber oder Gold und deren Legierungen. Die zweite Schicht 20 kann aus einem Leitkleber oder einem galvanisch aufgebrachten Metall gebildet sein.
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Die erste untere elektrisch leitende Schicht 19 ist in den Durchöffnungen 16 der elektrisch isolierenden Schicht 15 angeordnet und steht in direktem Kontakt und in elektrischer Verbindung mit der freigelegten Innenelektrode 2, die innerhalb der Durchöffnung 16 angeordnet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Schicht 19 vollständig innerhalb der jeweiligen Durchöffnungen 16 angeordnet und besteht aus einer Vielzahl von Bereichen 21, die voneinander durch die elektrisch isolierende Schicht 15 getrennt sind.
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Die zweite elektrisch leitende Schicht 20 des Sammelkontakts 8 erstreckt sich über die gesamte Randseite 9 des Vielschichtpiezoaktors 1 und in den Durchöffnungen 16 der elektrisch isolierenden Schicht 15. Die zweite Schicht 20 ist direkt auf der Oberfläche 22 der elektrisch isolierenden Schicht 15 sowie auf der ersten elektrisch leitende Schicht 19 angeordnet. Die zweite elektrisch leitende Schicht 20 verbindet die Innenelektroden 2 der ersten Gruppe 13 miteinander elektrisch.
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Die erste elektrisch leitende Schicht 19 ist zwischen den Innenelektroden 2 und der zweiten elektrisch leitenden Sammelschicht 20 angeordnet und kann als Haftvermittler dienen, um die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem Sammelkontakt 8 und dem Körper 5 des Piezoaktors 1 zu verbessern.
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Die haftvermittelnde Wirkung kann weiter erhöht werden, wenn zumindest an der Grenze zwischen der Innenelektrode 2 und der ersten Schicht 19 Phasen entstehen, die die Produkte einer Reaktion oder des Legierens des Materials der ersten Schicht 19 und des Materials der Innenelektroden 2 sind. Das Material der ersten Schicht 19 und das Material der Innenelektrode 2 kann so ausgewählt und das Herstellungsverfahren so eingestellt werden, dass eine geeignete Reaktion stattfindet.
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Ferner kann das Material der ersten Schicht 19 mit dem Material der zweiten Schicht 20 reagieren, so dass eine verbesserte mechanische Verbindung zwischen den zwei Schichten 19, 20 des Sammelkontakts 8 entsteht.
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Die Innenelektrodenlagen 2 weisen eine Dicke von typischerweise 2 bis 3 μm und die nanoskaligen Körner der ersten Schicht 19 einen Durchschnittsdurchmesser von 2 nm bis 1000 nm, vorzugsweise von 2 nm bis 200 nm auf. Folglich sind mehrere nanoskalige Körner in direktem Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche 17 der Innenelektrode 2.
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Die Kontaktfläche zwischen der ersten Schicht 19 und der Innenelektrode 2 ist größer als die Kontaktfläche, die durch die Verwendung einer Schicht mit Partikeln größeren Durchmessers, wie zum Beispiel Leitkleber mit Körnern oder Partikeln mit einem größeren Durchmesser von 1 bis 10 μm, erreicht werden kann. Diese größere Kontaktfläche sieht einen niedrigeren Kontaktwiderstand sowie eine verbesserte mechanische Belastbarkeit der Verbindung zwischen dem Sammelkontakt 8 und der Innenelektroden 2 vor.
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Die 3 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Sammelkontakts 8' eines piezoelektrischen Aktors 1' nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Bei dem Aktor 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die äußere Schicht 18' direkt auf dem Sammelkontakt 8' angeordnet. Keine Schutzschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel weist die äußere Schicht 18' einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Sammelkontakt 8', so dass die äußere Schicht eine Druckvorspannung auf den Sammelkontakt ausübt.
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Der Sammelkontakt 8' des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Sammelkontakt 8 des ersten Ausführungsbeispiel durch die Anordnung der ersten unteren elektrisch leitenden Schicht 19'. Im zweiten Ausführungsbeispiel hat die erste Schicht 19' die Form einer geschlossenen Schicht, die sich vollständig und ungefähr konform über die elektrisch isolierende Schicht 15 erstreckt. Die erste Schicht 19' erstreckt sich über die Innenwände sowie den Boden der Durchöffnungen 16, wobei eine Innenelektrode 2 zumindest einen Teil des Bodens jeder zweiten Durchöffnung 16 bildet.
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In dieser Ausführungsform steht die zweite obere elektrisch leitende Schicht 20 nur in direktem Kontakt mit der ersten elektrisch leitenden Schicht 19' und nicht in direktem Kontakt mit der elektrisch isolierenden Schicht 15. Im zweiten Ausführungsbeispiel verbindet sowohl die erste Schicht 19' als auch die zweite Schicht 20 die freigelegten Innenelektroden 2 der ersten Randseite 12 elektrisch miteinander.
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Der Vielschichtpiezoaktor 1 kann mit dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Zunächst wird ein gestapeltes Bauelement aus abwechselnd angeordneten Innenelektrodenlagen 2 und piezoelektrisch aktiven Lagen 3 hergestellt. Danach können die Oberflächen 7 des Bauelements weiterbearbeitet werden, beispielsweise durch Schleifen oder Sandstrahlen, um eine Oberfläche 7 aus den keramischen piezoelektrisch aktiven Lagen 3 und den Innenelektrodenlagen 2 zu formen.
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Eine elektrisch isolierende Schicht 15 wird zumindest auf den Randseiten 9, 11 des Körpers 5 aufgebracht, an denen die Sammelkontakte 8, 10 später aufgebracht werden. Diese elektrisch isolierende Schicht 15 kann als eine geschlossene Schicht oder eine strukturierte Schicht aufgebracht werden. In einer Durchführungsform werden sämtliche Oberflächen 7 des Körpers 5 mit der elektrisch isolierenden Schicht 15 beschichtet. Im Falle einer geschlossenen Schicht wird die elektrisch isolierende Schicht 15 nach dem Aufbringen strukturiert, um die Innenelektroden 2 frei zu legen. Insbesondere wird auf einer ersten Randseite 9 jede zweite Innenelektrode 2 freigelegt und auf der gegenüberliegenden Randseite 11 wird jede zweite Innenelektrode 2' freigelegt, die nicht auf der ersten Randseite 9 freigelegt ist.
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Die erste elektrisch leitende Schicht 19 des Sammelkontakts 8, 10 wird in den Durchöffnungen 16 in der elektrisch isolierenden Schicht 15 aufgebracht. Die erste Schicht 19 kann als eine Suspension von Nanopartikeln in einem Lösungsmittel aufgebracht werden. Das Lösungsmittel wird entfernt, beispielsweise durch Abdampfen und eine erste Schicht 19 aus nanoskaligen Körnern aus den Nanopartikeln gebildet.
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In der Ausführungsform, die in der 2 dargestellt ist, werden die Nanopartikel in den Durchöffnungen 16, beispielsweise mit einem Siebdruckverfahren aufgebracht, so dass die erste elektrisch leitende Schicht 18 vollständig innerhalb der Durchöffnungen 16 angeordnet ist. In diesem Fall kann die strukturierte elektrisch isolierende Schicht 15 als eine Maske verwendet werden.
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In der Ausführungsform, die in der 3 dargestellt ist, werden die Nanopartikel als eine geschlossene Schicht 19' beispielsweise durch Tauchen, Sprühen oder Pinseln aufgebracht, die sich über die elektrisch isolierende Schicht 15 sowie die Durchöffnungen 16 erstreckt.
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Die erste Schicht 19, 19' beider Ausführungsformen kann auch galvanisch aufgebracht werden. Dieses galvanische Verfahren kann mit einer externen Spannung erfolgen oder kann stromlos sein, d. h. keine externe Spannung wird an den Körper 5 angelegt. Stromlose galvanische Verfahren haben den Vorteil, dass eine elektrisch leitende Schaltung über den Körper nicht notwendig ist, so dass keine geschlossene elektrisch leitende Schicht auf dem Körper notwendig ist. Die Schicht scheidet sich aus dem Bad direkt auf die elektrisch leitende Oberfläche des getauchten Körpers ab. Eine strukturierte Schicht wird somit direkt aus der Lösung abgeschieden.
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Wenn eine geschlossene erste Schicht 19' auf den zwei sich gegenüberliegenden Randseiten 9, 11 des Körpers 5 aufgebracht wird, wird diese strukturiert, so dass zwei Bereiche der ersten elektrisch leitenden Schicht 19', die elektrisch voneinander getrennt sind, auf den zwei sich gegenüberliegenden Randseiten 9, 11 geformt wird.
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Nach dem Aufbringen und Bilden der ersten Schicht 19, 19' wird eine zweite Schicht 20 aus Leitkleber zumindest auf den Randseiten 9, 11, auf denen die Sammelkontakte 8, 10 angeordnet sein sollen, aufgebracht. Die zweite Schicht 20 erstreckt sich zwischen den freiliegenden Innenelektroden 2, 2' einer der zwei Gruppen 13, 14 und verbindet die Innenelektrode 2, 2' der Gruppe elektrisch miteinander.
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Wie bei der ersten Schicht 19, 19' wird die zweite Schicht 20 auf den zwei sich gegenüberliegenden Randseiten 9, 11 des Körpers 5 strukturiert, so dass zwei Bereiche und folglich zwei Sammelkontakte 8, 10, die elektrisch voneinander getrennt sind, geformt werden. Dies kann durch das selektive Aufbringen der zweiten Schicht 20 oder durch das Aufbringen einer geschlossenen Schicht 20 erfolgen.
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Danach wird eine Schutzschicht 17 aus einem dielektrischen Material auf den Randseiten 9, 11 des Aktors mit Tauchen oder Sprühen oder einem Siebdruckverfahren aufgebracht und gegebenenfalls ausgehärtet. Wenn das Aushärten bei einer Temperatur durchgeführt wird, die niedriger als die Anwendungstemperatur des Aktors ist, kann eine noch höhere Druckvorspannung erreicht werden.
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Anschließend wird eine äußere Schicht 18 auf die Schutzschicht 17 aufgebracht. Diese äußere Schicht 18 wird als eine fertige Hülse bereitgestellt, in die das Bauteil vergossen wird. Es ist jedoch auch möglich, die äußere Schicht 18 durch Sprühen, Tauchen oder durch ein Siebdruckverfahren aufzubringen. Wenn die äußere Schicht 18 aus Metall oder einer Legierung besteht, kann sie galvanisch mit oder ohne externe Stromquelle aufgebracht werden.
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Bei der Auswahl der Materialien der verschiedenen Schichten wird folgendes Verhältnis vorgesehen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der äußeren Schicht 18 ist kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts 8 sowie der Schutzschicht 17, wenn eine vorhanden ist. Ferner ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolationsschicht 15 kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sammelkontakts 8.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vielschichtpiezoaktor
- 2
- Innenelektrode
- 3
- piezoelektrisch aktive Lage
- 4
- Stapelrichtung
- 5
- Körper
- 6
- Randseite
- 7
- Oberfläche
- 8
- erster Sammelkontakt
- 9
- erste Randseite
- 10
- zweiter Sammelkontakt
- 11
- zweite Randseite
- 12
- Endfläche
- 13
- erste Gruppe von Innenelektroden
- 14
- zweite Gruppe von Innenelektroden
- 15
- Isolationsschicht
- 16
- Durchöffnung
- 17
- Schutzschicht
- 18
- äußere Schicht
- 19
- erste Schicht des Sammelkontakts
- 20
- zweite Schicht des Sammelkontakts
- 21
- Bereich der ersten Schicht des Sammelkontakts
- 22
- Oberfläche der Isolationsschicht
- 23
- Oberfläche der Innenelektrode
