DE102010020192A1

DE102010020192A1 - Multilayer piezoelectric component has electrode layers near target rupture layers, spaced at preset distance from lateral borders of active region of stack, while remaining electrode layers are made to contact the lateral borders

Info

Publication number: DE102010020192A1
Application number: DE102010020192A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gabl Reinhard; Dr. Galler Martin; Dr. Kügerl Georg
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-11-17

Abstract

The component has piezoelectric layers (4) arranged one above the other in an active region (10) with lateral borders (20,30), so as to form piezoelectric layer stack (1). Electrode layers (21-26,31-36) and target rupture layers (41-43) are arranged in piezoelectric layer stack. The electrode layers (22,24,26,31,34,35) near the target rupture layers, are spaced at preset distance (d) from lateral borders, while remaining electrode layers (21,23,25,32,33,36) are made to contact the lateral borders.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement hoher Zuverlässigkeit.The invention relates to a piezoelectric multilayer component of high reliability.

In der WO 2009/092584 A1 ist ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit Sollbruchschichten im Schichtstapel beschrieben. Eine Sollbruchschicht wird mittels einer Opferschicht hergestellt, die in der Nähe einer Elektrodenschicht angeordnet wird. Die Opferschicht und die Elektrodenschicht enthalten ein Metall, dessen Anteil in der Opferschicht höher ist als in der Elektrodenschicht. Beim Sintern der piezokeramischen Schichten diffundiert das Metall aus der Opferschicht zur Elektrodenschicht, so dass Hohlräume in der Opferschicht gebildet werden und dadurch eine koplanar zu der Elektrodenschicht angeordnete Sollbruchschicht entsteht. Mit der Sollbruchschicht wird ein unkontrolliertes Auftreten von Rissen in dem Schichtstapel verhindert und dadurch die Zuverlässigkeit des Bauelementes vergrößert.In the WO 2009/092584 A1 a piezoelectric multilayer component with predetermined breaking layers in the layer stack is described. A predetermined breaking layer is produced by means of a sacrificial layer which is arranged in the vicinity of an electrode layer. The sacrificial layer and the electrode layer contain a metal whose content is higher in the sacrificial layer than in the electrode layer. During sintering of the piezoceramic layers, the metal diffuses from the sacrificial layer to the electrode layer, so that cavities are formed in the sacrificial layer, thereby producing a predetermined breaking layer arranged coplanar with the electrode layer. The predetermined breaking layer prevents an uncontrolled occurrence of cracks in the layer stack and thereby increases the reliability of the component.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement hoher Zuverlässigkeit und verringerter Alterung anzugeben.The object of the present invention is to provide a piezoelectric multilayer component of high reliability and reduced aging.

Diese Aufgabe wird mit dem piezoelektrischen Vielschichtbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the piezoelectric multilayer component having the features of claim 1. Embodiments emerge from the dependent claims.

Das piezoelektrische Vielschichtbauelement umfasst einen Stapel piezokeramischer Schichten, die in einer vertikalen Richtung übereinander angeordnet sind. In dem Stapel ist ein aktiver Bereich mit – bezogen auf die vertikale Richtung – lateralen Grenzen vorgesehen. Elektrodenschichten ragen in den aktiven Bereich. In dem Stapel befindet sich mindestens eine Sollbruchschicht. Die einer solchen Sollbruchschicht in vertikaler Richtung beidseits nächstgelegenen Elektrodenschichten enden in einem Abstand zu einer der lateralen Grenzen des aktiven Bereiches oder sind innerhalb dieses Abstandes mit Ausnehmungen versehen. Die übrigen Elektrodenschichten, das heißt, die Elektrodenschichten, die nicht einer der Sollbruchschichten benachbart sind, reichen ganzflächig mindestens bis zu den lateralen Grenzen des aktiven Bereiches.The piezoelectric multilayer component comprises a stack of piezoceramic layers, which are arranged one above the other in a vertical direction. In the stack, an active area with - relative to the vertical direction - lateral limits provided. Electrode layers protrude into the active area. In the stack is at least one predetermined breaking layer. The electrode layers nearest to such a predetermined breaking layer in the vertical direction end at a distance to one of the lateral boundaries of the active region or are provided with recesses within this distance. The remaining electrode layers, that is to say the electrode layers which are not adjacent to one of the predetermined breaking layers, extend over the whole area at least as far as the lateral boundaries of the active region.

Bei einem Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes enden die einer Sollbruchschicht nächstgelegenen Elektrodenschichten in einem Abstand zu jeweils einer der lateralen Grenzen des aktiven Bereiches, und der Quotient aus diesem Abstand und dem Abstand zwischen den nächstgelegenen Elektrodenschichten beträgt mindestens 1,5. Dieser Quotient kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel mindestens 3 betragen.In one exemplary embodiment of the piezoelectric multilayer component, the electrode layers closest to a predetermined breaking layer end at a distance from one of the lateral boundaries of the active region, and the quotient of this distance and the distance between the closest electrode layers is at least 1.5. This quotient may be at least 3 in another embodiment.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes sind die einer Sollbruchschicht nächstgelegenen Elektrodenschichten innerhalb eines Abstandes zu jeweils einer der lateralen Grenzen des aktiven Bereiches mit Ausnehmungen versehen, die durch Öffnungen in den Elektrodenschichten gebildet sind.In a further exemplary embodiment of the piezoelectric multilayer component, the electrode layers closest to a predetermined breaking layer are provided with recesses, which are formed by openings in the electrode layers, within a distance to one of the lateral boundaries of the active region.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes sind die Ausnehmungen auf einem periodischen Raster angeordnet.In a further embodiment of the piezoelectric multilayer component, the recesses are arranged on a periodic grid.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes sind die einer Sollbruchschicht nächstgelegenen Elektrodenschichten innerhalb eines Abstandes zu jeweils einer der lateralen Grenzen des aktiven Bereiches mit Ausnehmungen versehen, die durch streifenförmige Einschnitte in den Elektrodenschichten gebildet sind.In a further exemplary embodiment of the piezoelectric multilayer component, the electrode layers closest to a predetermined breaking layer are provided within a distance to one of the lateral boundaries of the active region with recesses which are formed by strip-shaped cuts in the electrode layers.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes sind die einer Sollbruchschicht nächstgelegenen Elektrodenschichten innerhalb eines Abstandes zu jeweils einer der lateralen Grenzen des aktiven Bereiches mit Ausnehmungen versehen, und der Quotient aus der Fläche, die von einer dieser Elektrodenschichten innerhalb des Abstandes eingenommen wird, und der gesamten Fläche, die von den Ausnehmungen dieser Elektrodenschicht eingenommen wird, beträgt höchstens 3. Dieser Quotient kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel höchstens 2 betragen.In a further exemplary embodiment of the piezoelectric multilayer component, the electrode layers closest to a predetermined breaking layer are provided with recesses within a distance to each of the lateral boundaries of the active region, and the quotient of the area occupied by one of these electrode layers within the spacing and the entire Area occupied by the recesses of this electrode layer is at most 3. In another embodiment, this quotient may be at most 2.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes umfassen die Elektrodenschichten und die Sollbruchschichten Kupfer, und die Elektrodenschichten umfassen außerdem mindestens ein Metall aus der Gruppe von Palladium, Beryllium, Aluminium, Mangan, Zink, Zinn, Wismut, Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Niob und Rubidium.In a further embodiment of the piezoelectric multilayer component, the electrode layers and the predetermined breaking layers comprise copper, and the electrode layers also comprise at least one metal from the group of palladium, beryllium, aluminum, manganese, zinc, tin, bismuth, nickel, cobalt, chromium, molybdenum, niobium and rubidium.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes ist der Stapel mit zwei einander gegenüberliegenden ebenen Außenmetallisierungen versehen, von denen der aktive Bereich jeweils beabstandet ist. Die Grenzen des aktiven Bereiches sind koplanar zu den Außenmetallisierungen. Die Elektrodenschichten sind abwechselnd mit einer der beiden Außenmetallisierungen verbunden.In a further embodiment of the piezoelectric multilayer component, the stack is provided with two opposing planar outer metallizations, of which the active region is in each case spaced apart. The boundaries of the active area are coplanar with the outer metallizations. The electrode layers are alternately connected to one of the two outer metallizations.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes anhand der beigefügten Figuren.There follows a more detailed description of examples of the piezoelectric multilayer component with reference to the accompanying figures.

1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes. 1 shows a cross section of an embodiment of the piezoelectric multilayer component.

2 zeigt einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes. 2 shows a cross section of another embodiment of the piezoelectric multilayer component.

3 zeigt eine Ausgestaltung einer Elektrodenschicht des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes gemäß der 2. 3 shows a configuration of an electrode layer of the piezoelectric multilayer component according to the 2 ,

4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Elektrodenschicht des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes gemäß der 2. 4 shows a further embodiment of an electrode layer of the piezoelectric multilayer component according to the 2 ,

Die 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines piezoelektrischen Vielschichtbauelementes, das einen vertikalen Stapel 1 piezokeramischer Schichten 4 und dazwischen angeordnete Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 aufweist. Die Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 überschneiden sich in vertikaler Blickrichtung. An zwei einander gegenüberliegenden lateralen Seiten des Stapels 1 sind elektrische Außenkontakte, zum Beispiel in Form von Außenmetallisierungen 2, 3, aufgebracht, die jeweilige Ränder der Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 kontaktieren. Die Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 können gemäß dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel abwechselnd mit den Außenmetallisierungen 2, 3 elektrisch leitend verbunden sein. Die externen elektrischen Anschlüsse können jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen anders gestaltet sein und müssen nicht streng in der Abfolge der Elektrodenschichten alternieren. Ein grundsätzlich alternierender Wechsel kann beispielsweise stellenweise unterbrochen sein.The 1 shows a schematic cross section of a piezoelectric multilayer component, the vertical stack 1 piezoceramic layers 4 and interposed electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 having. The electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 overlap in a vertical direction. At two opposite lateral sides of the stack 1 are external electrical contacts, for example in the form of external metallizations 2 . 3 , Applied, the respective edges of the electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 to contact. The electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 can according to the in the 1 illustrated embodiment alternately with the outer metallizations 2 . 3 be electrically connected. However, the external electrical connections may be designed differently in other embodiments and need not alternately alternate in the sequence of electrode layers. A basically alternating change, for example, be interrupted in places.

In dem Stapel 1 ist ein aktiver Bereich 10 vorgesehen, der im Wesentlichen durch den Bereich gebildet wird, in dem die Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 einander gegenüberliegen. Der tatsächliche aktive Bereich muss nicht wie hier vereinfachend angenommen scharf begrenzt sein; dennoch sollen zum Zweck dieser Beschreibung und im Sinne der Ansprüche unter den lateralen Grenzen 20, 30 des aktiven Bereiches 10 die in der 1 mit gestrichelten Linien markierten Grenzflächen verstanden werden. In dem aktiven Bereich 10 verursacht ein durch Anlegen einer Spannung erzeugtes elektrisches Feld eine Auslenkung beziehungsweise Dehnung der zwischen den Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 vorhandenen piezokeramischen Schichten 4.In the pile 1 is an active area 10 provided, which is essentially formed by the area in which the electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 opposite each other. The actual active area does not have to be sharply defined as simplified here; Nevertheless, for the purpose of this description and in the sense of the claims below the lateral limits 20 . 30 of the active area 10 the in the 1 understood with dashed lines marked interfaces. In the active area 10 causes an electric field generated by the application of a voltage, a deflection or stretching between the electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 existing piezoceramic layers 4 ,

In dem Stapel sind Sollbruchschichten 41, 42, 43 vorgesehen. Hierdurch soll vermieden werden, dass in dem Stapel 1 unkontrolliert Risse auftreten, die zu einem Kurzschluss zwischen den Elektrodenschichten führen könnten. Wenn koplanar zu den Elektrodenschichten angeordnete Sollbruchschichten vorhanden sind, bleiben eventuell auftretende Risse auf die Schichtlagen der Sollbruchschichten begrenzt, und das Bauelement ist weiter funktionsfähig. Dadurch werden die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Bauelementes erhöht.In the stack are predetermined breaking layers 41 . 42 . 43 intended. This is to avoid that in the stack 1 uncontrolled cracks occur, which could lead to a short circuit between the electrode layers. If coplanar arranged to the electrode layers predetermined breaking layers are present, any cracks occurring on the layers of the predetermined breaking layers remain limited, and the device is still functional. This increases the reliability and life of the device.

Die Sollbruchschichten werden vorzugsweise zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet, die vorzugsweise aktiv geschaltet werden, indem elektrische Potenziale einander entgegengesetzter Vorzeichen an diese Elektrodenschichten angelegt werden. Ein eventuell in einer Sollbruchschicht von einer Außenseite des Stapels 1 her auftretender Riss bildet einen einwärts gerichteten klingen- oder schneidenförmigen Spalt, dessen Spitze oder Schneide sich möglicherweise bis in den aktiven Bereich 10 erstreckt. Nach jüngsten Erkenntnissen kann es im Bereich der Spitze oder Schneide eines solchen Spaltes bei Gegenwart hoher elektrischer Feldstärken und bei hoher Temperatur zu einer schnelleren Alterung und damit Schwächung der Keramik kommen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch beseitigt, dass das Auftreten einer höhen elektrischen Feldstärke in diesem Bereich verhindert wird, so dass die piezokeramischen Schichten auch in der Nähe einer Sollbruchschicht aktiv genutzt werden können.The predetermined breaking layers are preferably arranged between two electrode layers, which are preferably switched active by applying electrical potentials of opposite signs to these electrode layers. A possibly in a predetermined breaking layer from an outside of the stack 1 The resulting crack forms an inwardly directed blade or blade-shaped gap whose tip or cutting edge possibly extends into the active region 10 extends. According to recent findings, in the area of the tip or cutting edge of such a gap, in the presence of high electric field strengths and at high temperature, aging of the ceramic material can be accelerated and weakened. According to the invention, this problem is eliminated in that the occurrence of a high electric field strength in this area is prevented, so that the piezoceramic layers can also be actively used in the vicinity of a predetermined breaking layer.

In der 1 ist eine Anordnung von Sollbruchschichten 41, 42, 43 und Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 als ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese Anordnung kann beliebig variiert und den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. In dem dargestellten Beispiel befindet sich die Sollbruchschicht 41 zwischen den nächstgelegenen Elektrodenschichten 22 und 31, die Sollbruchschicht 42 zwischen den nächstgelegenen Elektrodenschichten 24 und 34 und die Sollbruchschicht 43 zwischen den nächstgelegenen Elektrodenschichten 26 und 35. Die beiden jeweils nächstgelegenen Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 sind mit je einer der Außenmetallisierungen 2, 3 elektrisch leitend verbunden. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, tritt ein elektrisches Feld zwischen den beiden jeweils nächstgelegenen Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 auf. Um die Feldstärke in der Nähe der lateralen Grenzen 20, 30 des aktiven Bereiches 10 möglichst gering zu halten, sind die betreffenden Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 im Vergleich zu den übrigen Elektrodenschichten 21, 23, 25, 32, 33, 36 kürzer und enden in einem Abstand d vor der betreffenden Grenze 20, 30 des aktiven Bereiches 10. Auf diese Weise ist an diesen Stellen der tatsächliche aktive Bereich gewissermaßen verkleinert, so dass seine Grenze dort weiter innen verläuft als in dem übrigen Stapel 1 und die Wahrscheinlichkeit entsprechend geringer ist, dass sich ein randseitiger Riss in der Sollbruchschicht bis in den tatsächlichen aktiven Bereich hinein erstreckt.In the 1 is an arrangement of predetermined breaking layers 41 . 42 . 43 and electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 shown as an embodiment. This arrangement can be varied as desired and adapted to the respective requirements. In the illustrated example, the predetermined breaking layer is located 41 between the nearest electrode layers 22 and 31 , the predetermined breaking layer 42 between the nearest electrode layers 24 and 34 and the predetermined breaking layer 43 between the nearest electrode layers 26 and 35 , The two closest electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 are each with one of the outer metallizations 2 . 3 electrically connected. When an electrical voltage is applied, an electric field occurs between the two nearest electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 on. To the field strength near the lateral limits 20 . 30 of the active area 10 As low as possible, are the respective electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 in comparison to the other electrode layers 21 . 23 . 25 . 32 . 33 . 36 shorter and ends at a distance d before the relevant limit 20 . 30 of the active area 10 , In this way, the actual active area is effectively reduced in size at these locations, so that its boundary runs further inside than in the rest of the stack 1 and the probability is correspondingly lower that a marginal crack in the predetermined breaking layer extends into the actual active region.

Bei den einer Sollbruchschicht 41, 42, 43 jeweils nächstgelegenen Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 sind die freien Ränder, die den mit den Außenkontakten verbundenen Rändern gegenüberliegen, im Vergleich zu den auf derselben Seite vorhandenen freien Rändern der übrigen Elektrodenschichten 21, 23, 25, 32, 33, 36 vorzugsweise typisch um mindestens die 1,5-fache Dielektrikumdicke, bevorzugt um ein Vielfaches der Dielektrikumdicke, von der betreffenden Grenze 20, 30 des aktiven Bereiches 10 nach innen versetzt. Der Quotient aus dem Abstand d zwischen einer der betreffenden Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 und der betreffenden Grenze 20, 30 des aktiven Bereiches 10 und dem durch die Schichtdicke zwischen den beiden nächstgelegenen Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 gegebenen Abstand t ist daher vorzugsweise jeweils mindestens 1,5, kann bei Ausführungsbeispielen aber auch mindestens 3 betragen.In the case of a predetermined breaking layer 41 . 42 . 43 respectively nearest electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 are the free edges opposite the edges connected to the outer contacts, compared to the free edges of the remaining electrode layers on the same side 21 . 23 . 25 . 32 . 33 . 36 preferably typically at least 1.5 times the dielectric thickness, preferably by a multiple of the dielectric thickness, of the relevant boundary 20 . 30 of the active area 10 offset inwards. The quotient of the distance d between one of the respective electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 and the relevant border 20 . 30 of the active area 10 and by the layer thickness between the two nearest electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 given distance t is therefore preferably at least 1.5, but in embodiments may also be at least 3.

Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zum besseren Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel der 1 dieselbe Anordnung von Sollbruchschichten 41, 42, 43 und Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 vorhanden ist. Diese Anordnung ist aber auch bei diesem Ausführungsbeispiel nicht festgelegt. Die Bezugszeichen stimmen mit denen der 1 überein und bezeichnen jeweils die dem Ausführungsbeispiel der 1 entsprechenden Teile. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 reichen die Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 jeweils bis an die Grenze 20, 30 des aktiven Bereiches 10, sind also nicht in der Nähe der Sollbruchschichten 41, 42, 43 verkürzt. Statt dessen sind die einer Sollbruchschicht 41, 42, 43 jeweils nächstgelegenen Elektrodenschichten 22, 31; 24, 34; 26, 35 innerhalb eines Abstandes d zu der betreffenden lateralen Grenze 20, 30 des aktiven Bereiches 10 mit Ausnehmungen versehen, um dort die elektrische Feldstärke zu reduzieren.The 2 shows a further embodiment in which for better comparison with the embodiment of 1 the same arrangement of predetermined breaking layers 41 . 42 . 43 and electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 is available. However, this arrangement is not fixed in this embodiment. The reference numerals correspond to those of 1 match and each denote the embodiment of the 1 corresponding parts. In the embodiment of the 2 range the electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 each to the limit 20 . 30 of the active area 10 , so they are not near the predetermined breaking layers 41 . 42 . 43 shortened. Instead, they are a predetermined breaking layer 41 . 42 . 43 respectively nearest electrode layers 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 within a distance d to the respective lateral boundary 20 . 30 of the active area 10 provided with recesses to reduce the electric field strength there.

Die 3 zeigt in einer Draufsicht auf die Schicht eine Ausgestaltung einer zu einer Sollbruchschicht 41 benachbarten Elektrodenschicht 22 des piezoelektrischen Vielschichtbauelementes gemäß der 2 in der Nähe der Grenze 20 des aktiven Bereiches 10. Die Elektrodenschicht 22 weist Ausnehmungen 5 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel durch Öffnungen innerhalb der Elektrodenschicht 22 gebildet sind. Die Ausnehmungen 5 sind in diesem Beispiel auf einem Rechteckraster angeordnet, können statt dessen aber auch statistisch verteilt oder auf einem anderen Raster, zum Beispiel auf einem Sechseckraster, angeordnet sein. Die Dichte der Anordnung der Ausnehmungen 5 kann variieren, zum Beispiel kann die von den Ausnehmungen 5 eingenommene Fläche zur Grenze 20 des aktiven Bereiches 10 hin zunehmen.The 3 shows in a plan view of the layer an embodiment of a predetermined breaking layer 41 adjacent electrode layer 22 of the piezoelectric multilayer component according to the 2 near the border 20 of the active area 10 , The electrode layer 22 has recesses 5 in this embodiment through openings within the electrode layer 22 are formed. The recesses 5 In this example, they are arranged on a rectangular grid, but may instead also be distributed statistically or arranged on another grid, for example on a hexagonal grid. The density of the arrangement of the recesses 5 may vary, for example, that of the recesses 5 occupied area to the border 20 of the active area 10 increase.

Die 4 zeigt eine Draufsicht entsprechend der 3 für eine andere Ausgestaltung der Elektrodenschicht 22 gemäß der 2 in der Nähe der Grenze 20 des aktiven Bereiches 10. Die Ausnehmungen 6 der Elektrodenschicht 22 sind in diesem Ausführungsbeispiel streifenförmige Einschnitte zwischen verbliebenen Elektrodenstreifen 7, die in diesem Beispiel parallel zueinander angeordnet sind. Die in der 4 eingezeichneten Breiten w1, w2 der Ausnehmungen 6 sind jeweils gleich. Die Ausnehmungen 6 können sich statt dessen beispielsweise zur Grenze 20 des aktiven Bereiches 10 hin verbreitern, so dass in jedem Einschnitt die Breite w2 größer ist als die Breite w1. Die Fläche der Elektrodenschicht 22 nimmt auf diese Weise zum äußeren Rand, also zu der betreffenden Grenze 20 des aktiven Bereiches 10 hin, ab, während die von den Ausnehmungen 6 eingenommenen Flächen in dieser Richtung breiter werden. Einschnitte können statt dessen oder zusätzlich auch in den übrigen Rändern der Elektrodenschicht 22 innerhalb des Abstandes d von der Grenze 20 des aktiven Bereiches 10 ausgebildet sein.The 4 shows a plan view according to the 3 for another embodiment of the electrode layer 22 according to the 2 near the border 20 of the active area 10 , The recesses 6 the electrode layer 22 are in this embodiment strip-shaped cuts between remaining electrode strips 7 , which are arranged parallel to each other in this example. The in the 4 drawn widths w1, w2 of the recesses 6 are the same. The recesses 6 For example, you can go to the border instead 20 of the active area 10 broaden out so that in each incision the width w2 is greater than the width w1. The area of the electrode layer 22 takes in this way to the outer edge, so to the relevant boundary 20 of the active area 10 down, while those of the recesses 6 occupied areas in this direction become wider. Incisions may instead or additionally also in the other edges of the electrode layer 22 within the distance d from the boundary 20 of the active area 10 be educated.

Die Art und Form der Ausnehmungen können grundsätzlich beliebig gewählt und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Die Ausnehmungen werden ausreichend groß gestaltet, um die elektrische Feldstärke in der gewünschten Weise zu verringern. Öffnungen innerhalb der Elektrodenschicht und randseitige Einschnitte entsprechend den in den 3 und 4 dargestellten Beispielen können miteinander kombiniert werden. Öffnungen können in beliebiger Form, insbesondere rund oder eckig begrenzt, gestaltet werden.The type and shape of the recesses can basically be chosen arbitrarily and adapted to the respective requirements. The recesses are made sufficiently large to reduce the electric field strength in the desired manner. Openings within the electrode layer and marginal incisions corresponding to those in the 3 and 4 Examples shown can be combined. Openings can be designed in any shape, in particular round or square.

Innerhalb des Abstandes d von der Grenze 20 des aktiven Bereiches 10 vermindern die Aussparungen 5, 6 die Fläche der Elektrodenschicht 22, während die Elektrodenschicht 22 außerhalb dieses Abstandes d ganzflächig vorhanden ist. Der Quotient aus der Fläche, die von der Elektrodenschicht 22 innerhalb des Abstandes d eingenommen wird, und der gesamten Fläche, die von den Ausnehmungen 5, 6 der Elektrodenschicht 22 eingenommen wird, kann beispielsweise höchstens 3, bei anderen Ausführungsbeispielen höchstens 2 betragen. Die von der Elektrodenschicht 22 in diesem Sinne innerhalb des Abstandes d eingenommene Fläche ergibt sich als Differenz der beispielsweise rechteckigen Fläche des betreffenden Bereichs der Schichtebene und sämtlicher von den Ausnehmungen 5, 6 eingenommener Flächen.Within the distance d from the border 20 of the active area 10 reduce the recesses 5 . 6 the area of the electrode layer 22 while the electrode layer 22 outside this distance d is present over the entire surface. The quotient of the area covered by the electrode layer 22 is taken within the distance d, and the total area occupied by the recesses 5 . 6 the electrode layer 22 may be, for example, at most 3, in other embodiments at most 2. The of the electrode layer 22 In this sense, within the distance d occupied area results as a difference of, for example, rectangular area of the respective region of the layer plane and all of the recesses 5 . 6 occupied areas.

Die Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 und die Sollbruchschichten 41, 42, 43 können zum Beispiel Kupfer umfassen und insbesondere hauptsächlich aus Kupfer gebildet sein. Die Elektrodenschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36 weisen vorzugsweise mindestens ein weiteres Metall auf, das zum Beispiel Palladium, Beryllium, Aluminium, Mangan, Zink, Zinn, Wismut, Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Niob oder Rubidium sein kann.The electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 and the predetermined breaking layers 41 . 42 . 43 For example, they may comprise copper and, in particular, may be formed mainly of copper. The electrode layers 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 preferably have at least one further metal, for example, palladium, beryllium, aluminum, manganese, zinc, tin, Bismuth, nickel, cobalt, chromium, molybdenum, niobium or rubidium.

Erfindungsgemäß wird die Gefahr einer vorzeitigen Alterung eines piezoelektrischen Vielschichtbauelementes durch unkontrolliertes Auftreten von Rissen in den piezokeramischen Schichten weiter deutlich verringert. Das gelingt durch eine Abwandlung nur eines Teils der Elektrodenschichten, mit der ohne wesentlichen zusätzlichen Herstellungsaufwand eine erhebliche Verbesserung der Zuverlässigkeit des Bauelementes erreicht wird.According to the invention, the risk of premature aging of a piezoelectric multilayer component due to uncontrolled occurrence of cracks in the piezoceramic layers is further significantly reduced. This is achieved by a modification of only a portion of the electrode layers, with a significant improvement in the reliability of the device is achieved without significant additional manufacturing effort.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Stapel piezokeramischer SchichtenStack of piezoceramic layers
22: Außenmetallisierungexternal metallization
33: Außenmetallisierungexternal metallization
44: piezokeramische Schichtpiezoceramic layer
55: Ausnehmungrecess
66: Ausnehmungrecess
77: Elektrodenstreifenelectrode strips
1010: aktiver Bereichactive area
2020: Grenze des aktiven BereichesBorder of the active area
2121: Elektrodenschichtelectrode layer
2222: Elektrodenschichtelectrode layer
2323: Elektrodenschichtelectrode layer
2424: Elektrodenschichtelectrode layer
2525: Elektrodenschichtelectrode layer
2626: Elektrodenschichtelectrode layer
3030: Grenze des aktiven BereichesBorder of the active area
3131: Elektrodenschichtelectrode layer
3232: Elektrodenschichtelectrode layer
3333: Elektrodenschichtelectrode layer
3434: Elektrodenschichtelectrode layer
3535: Elektrodenschichtelectrode layer
3636: Elektrodenschichtelectrode layer
4141: SollbruchschichtPredetermined breaking layer
4242: SollbruchschichtPredetermined breaking layer
4343: SollbruchschichtPredetermined breaking layer
dd: Abstanddistance
tt: Abstanddistance
w1w1: Breitewidth
w2w2: Breitewidth

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009/092584 A1 [0002] WO 2009/092584 A1 [0002]

Claims

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement mit – einem Stapel (1) in einer vertikalen Richtung übereinander angeordneter piezokeramischer Schichten (4), in dem ein aktiver Bereich (10) mit lateralen Grenzen (20, 30) vorgesehen ist, – Elektrodenschichten (21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36), die in den aktiven Bereich (10) ragen, und – mindestens einer Sollbruchschicht (41, 42, 43) in dem Stapel (1), dadurch gekennzeichnet, dass – die einer Sollbruchschicht (41, 42, 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) in einem Abstand (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) enden oder innerhalb eines Abstandes (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) mit Ausnehmungen (5, 6) versehen sind und – die übrigen Elektrodenschichten (21, 23, 25, 32, 33, 36) ganzflächig mindestens bis zu den lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) vorhanden sind.Piezoelectric multilayer component with - a stack ( 1 ) in a vertical direction of piezoceramic layers ( 4 ), in which an active area ( 10 ) with lateral boundaries ( 20 . 30 ), - electrode layers ( 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 ), which are in the active area ( 10 ), and - at least one predetermined breaking layer ( 41 . 42 . 43 ) in the stack ( 1 ), characterized in that - that of a predetermined breaking layer ( 41 . 42 . 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) at a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) or within a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) with recesses ( 5 . 6 ) and - the other electrode layers ( 21 . 23 . 25 . 32 . 33 . 36 ) over the entire surface at least up to the lateral limits ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) available.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem die einer Sollbruchschicht (41; 42; 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 31; 24, 34; 26, 35) in einem Abstand (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) enden und der Quotient aus diesem Abstand (d) und dem Abstand (t) zwischen den nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 31; 24, 34; 26, 35) mindestens 1,5 beträgt.Piezoelectric multilayer component according to Claim 1, in which a predetermined breaking layer ( 41 ; 42 ; 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 ) at a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) and the quotient of this distance (d) and the distance (t) between the nearest electrode layers ( 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 ) is at least 1.5.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem die einer Sollbruchschicht (41; 42; 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 31; 24, 34; 26, 35) in einem Abstand (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) enden und der Quotient aus diesem Abstand (d) und dem Abstand (t) zwischen den nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 31; 24, 34; 26, 35) mindestens 3 beträgt.Piezoelectric multilayer component according to Claim 1, in which a predetermined breaking layer ( 41 ; 42 ; 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 ) at a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) and the quotient of this distance (d) and the distance (t) between the nearest electrode layers ( 22 . 31 ; 24 . 34 ; 26 . 35 ) is at least 3.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem die einer Sollbruchschicht (41, 42, 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) innerhalb eines Abstandes (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) mit Ausnehmungen (5) versehen sind, die durch Öffnungen in den Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) gebildet sind.Piezoelectric multilayer component according to Claim 1, in which a predetermined breaking layer ( 41 . 42 . 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) within a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) with recesses ( 5 ), which pass through openings in the electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) are formed.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Ausnehmungen (5) auf einem periodischen Raster angeordnet sind.Piezoelectric multilayer component according to Claim 4, in which the recesses ( 5 ) are arranged on a periodic grid.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem die einer Sollbruchschicht (41, 42, 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) innerhalb eines Abstandes (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) mit Ausnehmungen (6) versehen sind, die durch streifenförmige Einschnitte in den Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) gebildet sind.Piezoelectric multilayer component according to Claim 1, in which a predetermined breaking layer ( 41 . 42 . 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) within a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) with recesses ( 6 ) provided by strip-shaped incisions in the electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) are formed.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die einer Sollbruchschicht (41, 42, 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) innerhalb eines Abstandes (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) mit Ausnehmungen (5, 6) versehen sind und der Quotient aus der Fläche, die von einer dieser Elektrodenschichten innerhalb des Abstandes (d) eingenommen wird, und der gesamten Fläche, die von den Ausnehmungen dieser Elektrodenschicht eingenommen wird, höchstens 3 beträgt.Piezoelectric multilayer component according to one of claims 1 to 6, in which a predetermined breaking layer ( 41 . 42 . 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) within a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) with recesses ( 5 . 6 ) and the quotient of the area occupied by one of these electrode layers within the distance (d) and the total area occupied by the recesses of this electrode layer is at most 3.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die einer Sollbruchschicht (41, 42, 43) nächstgelegenen Elektrodenschichten (22, 24, 26, 31, 34, 35) innerhalb eines Abstandes (d) zu jeweils einer der lateralen Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) mit Ausnehmungen (5, 6) versehen sind und der Quotient aus der Fläche, die von einer dieser Elektrodenschichten innerhalb des Abstandes (d) eingenommen wird, und der gesamten Fläche, die von den Ausnehmungen dieser Elektrodenschicht eingenommen wird, höchstens 2 beträgt.Piezoelectric multilayer component according to one of claims 1 to 4, in which a predetermined breaking layer ( 41 . 42 . 43 ) nearest electrode layers ( 22 . 24 . 26 . 31 . 34 . 35 ) within a distance (d) to one of the lateral boundaries ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) with recesses ( 5 . 6 ) and the quotient of the area occupied by one of these electrode layers within the distance (d) and the total area occupied by the recesses of this electrode layer is at most 2.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Elektrodenschichten (21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36) und die Sollbruchschichten (41, 42, 43) Kupfer umfassen und die Elektrodenschichten (21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36) außerdem mindestens ein Metall umfassen, das gewählt ist aus der Gruppe von Palladium, Beryllium, Aluminium, Mangan, Zink, Zinn, Wismut, Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Niob und Rubidium.Piezoelectric multilayer component according to one of Claims 1 to 8, in which the electrode layers ( 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 ) and the predetermined breaking layers ( 41 . 42 . 43 ) Comprise copper and the electrode layers ( 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 ) also comprise at least one metal selected from the group of palladium, beryllium, aluminum, manganese, zinc, tin, bismuth, nickel, cobalt, chromium, molybdenum, niobium and rubidium.

Piezoelektrisches Vielschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem – der Stapel (1) mit zwei einander gegenüberliegenden ebenen Außenmetallisierungen (2, 3) versehen ist, von denen der aktive Bereich (10) jeweils beabstandet ist, – die Grenzen (20, 30) des aktiven Bereiches (10) koplanar zu den Außenmetallisierungen (2, 3) sind und – die Elektrodenschichten (21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36) in ihrer Abfolge in dem Stapel (1) abwechselnd mit einer der beiden Außenmetallisierungen (2, 3) verbunden sind.Piezoelectric multilayer component according to one of Claims 1 to 9, in which - the stack ( 1 ) with two opposite planar outer metallizations ( 2 . 3 ), of which the active area ( 10 ) is spaced, - the limits ( 20 . 30 ) of the active area ( 10 ) coplanar with the outer metallizations ( 2 . 3 ) and - the electrode layers ( 21 . 22 . 23 . 24 . 25 . 26 . 31 . 32 . 33 . 34 . 35 . 36 ) in their sequence in the stack ( 1 ) alternately with one of the two outer metallizations ( 2 . 3 ) are connected.