DE102011120595A1 - Piezo element has contact electrodes that are extended transversely through piezoelectric layers and electrode layers - Google Patents

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Abstract

The piezo element (10) has stacked piezoelectric layers (12), between which electrode layers (14) are arranged, and two contacting electrodes (16,18). The contact electrodes are extended transversely through the piezoelectric layers and electrode layers. The openings are formed in the electrode layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Piezoelement mit einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten piezoelektrischen Schichten, zwischen denen Elektrodenschichten angeordnet sind.The invention relates to a piezoelectric element having a plurality of stacked piezoelectric layers, between which electrode layers are arranged.

Solche Piezoelemente sind beispielsweise aus der DE 10 2007 058 874 A1 und der WO 2011/044882 bekannt, Eine Schwierigkeit stellt die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten im Piezoelement dar. Es werden dazu häufig Kontaktierungselektroden, auch als Sammelelektroden bezeichnet, verwendet, die an Außenflächen des Piezoelements angeordnet sind. Die Sammelelektroden müssen flexibel sein, damit sie mechanischen Belastungen standhalten, die bei Expansion bzw. Kontraktion des Piezoelements in einem elektrischen Feld in Abhängigkeit von einem elektrischen Ansteuerpotential auftreten. Nachteilig ist dabei, dass die Sammelelektroden leicht brechen können, wodurch dann das Piezoelement funktionsuntüchtig wird.Such piezo elements are for example from the DE 10 2007 058 874 A1 and the WO 2011/044882 One difficulty is the electrical contacting of the electrode layers in the piezoelectric element. Contacting electrodes, also referred to as collecting electrodes, which are arranged on outer surfaces of the piezoelectric element are frequently used for this purpose. The collecting electrodes must be flexible so that they can withstand mechanical stresses that occur during expansion or contraction of the piezoelectric element in an electric field as a function of an electrical drive potential. The disadvantage here is that the collecting electrodes can easily break, whereby then the piezoelectric element is dysfunctional.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die Elektrodenschichten von den Sammelelektroden jeweils abwechselnd kontaktiert werden sollen, was beispielsweise dadurch erreicht wird, dass die Elektrodenschichten die dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schichten nicht vollflächig begrenzen, sondern Randbereiche ausgespart sind. Das hat den Nachteil, dass sich in der piezoelektrischen Schicht inaktive Bereiche ausbilden, was in Folge zu Rissbildung der Schichten führen kann.A further difficulty arises from the fact that the electrode layers are to be contacted alternately by the collecting electrodes, which is achieved, for example, by the fact that the electrode layers do not delimit the piezoelectric layers arranged therebetween over the entire surface, but edge regions are recessed. This has the disadvantage that form inactive areas in the piezoelectric layer, which can lead to cracking of the layers as a result.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Piezoelement bereit zu stellen, das eine hohe mechanische Stabilität aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a piezoelectric element which has a high mechanical stability.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Piezoelement gemäß Anspruch 1.The object is achieved with a piezoelectric element according to claim 1.

Ein erfindungsgemäßes Piezoelement weist eine Mehrzahl von aufeinandergestapelten piezoelektrischen Schichten auf, zwischen denen Elektrodenschichten angeordnet sind, sowie mindestens zwei Kontaktierungselektroden, die das Piezoelement innenliegend quer zu den piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten durchragen. Da die Kontaktierungselektroden im Piezoelement innenliegend angeordnet sind und nicht wie bekannt an einer oder mehreren Außenflächen, sind die Kontaktierungselektroden geschützt, und ihre Stabilität ist erhöht. Das Piezoelement selbst schirmt sozusagen die Kontaktierungselektroden von Außeneinwirkungen ab. Außerdem kann beim erfindungsgemäßen Piezoelement auf Aussparungen in Randbereichen der Elektrodenschichten verzichtet werden. Die Piezoschichten können vollständig von Elektrodenschichten bedeckt werden.A piezoelectric element according to the invention has a plurality of stacked piezoelectric layers, between which electrode layers are arranged, and at least two contacting electrodes, which project through the piezoelement internally transversely to the piezoelectric layers and electrode layers. Since the contacting electrodes are arranged on the inside of the piezoelement and not on one or more outer surfaces as known, the contacting electrodes are protected and their stability is increased. The piezoelectric element itself shields the contacting electrodes from outside influences, so to speak. In addition, recesses in edge regions of the electrode layers can be dispensed with in the piezoelectric element according to the invention. The piezo layers can be completely covered by electrode layers.

Die piezoelektrischen Schichten bestehen beispielsweise aus einer Blei-Zirkonat-Titanat Verbindung. Es können aber auch andere Materialien eingesetzt werden, die piezoelektrische Eigenschaften haben.The piezoelectric layers consist for example of a lead-zirconate-titanate compound. However, it is also possible to use other materials which have piezoelectric properties.

Als Elektrodenschicht eignen sich elektrisch leitfähige Materialien, wie Metalle oder Metalllegierungen. Hier haben sich beispielsweise Platin oder Kupfer als günstig erwiesen.Suitable electrode layers are electrically conductive materials, such as metals or metal alloys. Here, for example, platinum or copper have proved favorable.

In einer Ausführungsform sind in den piezoelektrischen Schichten und den Elektrodenschichten miteinander fluchtende, vorzugsweise zylindrische Durchführungen für die Kontaktierungselektroden angeordnet. Das hat den Vorteil, dass keine Verbindungs- bzw. Befestigungsmittel benötigt werden, wie dies nach dem Stand der Technik der Fall ist, wo die Kontaktierungselektroden auf Außenflächen des Piezoelements angeordnet werden.In one embodiment, in the piezoelectric layers and the electrode layers aligned, preferably cylindrical feedthroughs are arranged for the contacting electrodes. This has the advantage that no connection or fastening means are required, as is the case in the prior art, where the contacting electrodes are arranged on outer surfaces of the piezoelectric element.

Die Geometrie der Durchführungen ist günstigerweise auf die Geometrie der Kontaktierungselektroden abgestimmt. Das heißt, dass beispielsweise bei der Wahl von zylindrischem Draht als Kontaktierungselektrode die Durchführungen entsprechend auch zylindrisch ausgebildet sind. Selbstverständlich sind aber auch andere Geometrien denkbar. Vor allem dann, wenn Elektroden durch Aufdampf- oder Sputterprozesse hergestellt werden, ist ihre Geometrie, festgelegt durch dort eingesetzte Masken, quasi beliebig wählbar.The geometry of the bushings is favorably matched to the geometry of the contacting electrodes. This means that, for example, in the selection of cylindrical wire as a contacting electrode, the bushings are also formed correspondingly cylindrical. Of course, other geometries are conceivable. Especially when electrodes are produced by vapor deposition or sputtering, their geometry, defined by masks used there, quasi arbitrary selectable.

In einer weiteren Ausführungsform sind in jeder Elektrodenschicht mindestens eine erste und eine zweite Durchführung angeordnet. So kann auf einfache Weise zur Ausbildung eines elektrischen Felds eine positive und ein negative Kontaktierungselektrode in das Piezoelement eingebracht werden.In a further embodiment, at least a first and a second passage are arranged in each electrode layer. Thus, in a simple manner for forming an electric field, a positive and a negative contacting electrode can be introduced into the piezoelectric element.

Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Durchführungen bezüglich ihrer Durchmesser. In einer Ausgestaltung des Piezoelements weisen erste Durchführungen einen größeren Durchmesser auf als zweite.Advantageously, the bushings differ in terms of their diameter. In one embodiment of the piezoelectric element, first passages have a larger diameter than the second.

Dadurch kann erreicht werden, dass die Kontaktierungselektroden mit den zweiten Durchführungen, deren Durchmesser in etwa dem Elektrodendurchmesser entsprechen, in elektrischem Kontakt stehen, während die Kontaktierungselektroden durch erste Durchführungen mit größerem Durchmesser hindurchgeführt werden, ohne dass elektrischer Kontakt entsteht.It can thereby be achieved that the contacting electrodes are in electrical contact with the second feedthroughs, the diameters of which approximately correspond to the electrode diameter, while the contacting electrodes are passed through first passages with a larger diameter, without electrical contact being produced.

Das bedeutet, dass die ersten Durchführungen für Kontaktierungselektroden ohne Herstellen eines elektrischen Kontakts durch Bereiche ermöglicht werden, die elektrisch leitfähig sind, wie die Elektrodenschichten, ohne dass diese ersten Durchführungen durch ein spezielles Isolationsmaterial isoliert werden müssten.This means that the first lead-throughs for contacting electrodes are made possible without establishing an electrical contact through regions that are electrically conductive, such as the electrode layers, without these first Feedthroughs would have to be isolated by a special insulation material.

Alternativ können die ersten Durchführungen mit einem Durchmesser ausgeführt werden, der nur geringfügig größer ist als der Durchmesser der Kontaktierungselektroden, aber auch zusätzlich mit einem nichtleitenden Material wie Kunststoff oder Siliciumoxid isoliert werden, insbesondere mit Siliciumdioxid. Dadurch werden außerdem die durch die Durchführungen im Piezoelement entstehenden Hohlräume ausgefüllt, was sich wiederum positiv auf die mechanische Stabilität der Kontaktierungselektroden auswirkt und gewährleistet, dass trotz des nur geringfügig größeren Durchmessers der ersten Durchführungen keine unbeabsichtigte Kontaktierung erfolgt. Außerdem wird durch die Isolierung ein eventueller Funkensprung an den Elektrodenkanten verhindert. Schließlich können beim Prozess des Isolierens gleichzeitig eventuell auftretende Unebenheiten ausgeglichen werden.Alternatively, the first feedthroughs can be made with a diameter that is only slightly larger than the diameter of the contacting electrodes, but also additionally insulated with a non-conductive material such as plastic or silicon oxide, in particular with silicon dioxide. As a result, in addition, the cavities formed by the bushings in the piezoelectric element are filled, which in turn has a positive effect on the mechanical stability of the contacting electrodes and ensures that, despite the only slightly larger diameter of the first bushings, no unintentional contacting takes place. In addition, the insulation prevents any sparking at the electrode edges. Finally, in the process of insulating simultaneously occurring any unevenness can be compensated.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Elektrodenschichten im Piezoelement in Stapelrichtung abwechselnd erste und zweite Durchführungen auf. Das hat den Vorteil, dass eine Kontaktierungselektrode nicht mit jeder Elektrodenschicht in elektrischem Kontakt steht, sondern wie für das Piezoelement erforderlich nur mit jeder zweiten.In a further embodiment, the electrode layers in the piezoelectric element in the stacking direction alternately have first and second feedthroughs. This has the advantage that a contacting electrode is not in electrical contact with each electrode layer but, as required for the piezo element, only with every second one.

Ein weiterer Vorteil ist, dass alle Elektrodenschichten im Piezoelement eine identische Geometrie mit einer ersten und einer zweiten Durchführung aufweisen und zwei benachbarte Elektrodenschichten sich nur dadurch unterscheiden, dass sie in einer Ausdehnungsebene senkrecht zur Stapelrichtung um 180° zueinander gedreht angeordnet sind.A further advantage is that all electrode layers in the piezoelectric element have an identical geometry with a first and a second feedthrough and two adjacent electrode layers differ only in that they are arranged rotated in an extension plane perpendicular to the stacking direction by 180 ° to each other.

Die Durchführungen können in die piezoelektrischen Schichten und die Elektrodenschichten mit Hilfe von bekannten Verfahren wie Ultraschallbohren, Ätz- oder Lasertechnologie eingebracht werden.The feedthroughs may be introduced into the piezoelectric layers and the electrode layers by known methods such as ultrasonic drilling, etching or laser technology.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kontaktierungselektroden als duktile metallische Drähte ausgebildet. Die Drähte werden mittels Webtechnik durch die Durchführungen in den piezoelektrischen und Elektrodenschichten durchgeführt. Dabei muss eine elektrische Kontaktierung zwischen den Drähten und den Elektrodenschichten an den zweiten Durchführungen sichergestellt werden. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Draht bei einer im Vergleich zur gewünschten späteren Einsatztemperatur des Piezoelements tieferen Temperatur mit etwas Spiel durch die Schichten durchgeführt wird und der sich beim Erwärmen auf die Einsatztemperatur etwas ausdehnt, so dass eine zuverlässige Kontaktierung erhalten wird.In a further preferred embodiment, the contacting electrodes are formed as ductile metallic wires. The wires are made by weaving technique through the feedthroughs in the piezoelectric and electrode layers. In this case, an electrical contact between the wires and the electrode layers on the second bushings must be ensured. This can be achieved, for example, by carrying out a wire at a lower temperature than the desired subsequent operating temperature of the piezoelectric element with a certain amount of clearance through the layers, which expands somewhat when it is heated to the operating temperature, so that reliable contacting is obtained.

Alternativ werden die Kontaktierungselektroden durch Metallabscheiden eines Metalls mit duktilen Eigenschaften hergestellt. Duktile Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie plastisch verformbar sind und mechanische Belastungen in einem gewissen Maß abgefangen werden können, ohne dass es zu einem Materialbruch kommt.Alternatively, the contacting electrodes are made by metal depositing a metal having ductile properties. Ductile materials are characterized by the fact that they are plastically deformable and mechanical loads can be intercepted to a certain extent, without causing a material breakage.

Besonders vorteilhaft wird das Piezoelement durch die Kontaktierungselektroden vorgespannt, ohne dass zusätzliche Vorspannelemente benötigt werden. Piezoelemente müssen vorgespannt sein, wenn sie Zugbelastungen ausgesetzt werden sollen. Die Vorspannung kann beispielsweise durch ein herstellungsbedingtes Schrumpfen erfolgen. Es können aber auch separate Vorspannelemente verwendet werden.Particularly advantageously, the piezoelectric element is biased by the contacting electrodes, without additional biasing elements are required. Piezo elements must be biased when exposed to tensile loads. The bias can be done for example by a production-related shrinkage. But it can also be used separate biasing elements.

Das Piezoelement weist in einer weiteren Ausführungsform zwei nichtleitenden Deckschichten auf. Die Deckschichten schließen die aufeinandergestapelten Schichten von piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten nach außen ab. Sie können beispielsweise aus Siliciumdioxid ausgebildet sein.In a further embodiment, the piezoelectric element has two non-conductive cover layers. The cover layers close off the stacked layers of piezoelectric layers and electrode layers to the outside. They can be formed, for example, of silicon dioxide.

In einer das Piezoelement abschließenden Deckschicht ist vorteilhaft eine Ansteuerelektronik, insbesondere als FPGA ausgebildet, angeordnet. Dadurch ist das Piezoelement besonders kompakt. Selbstverständlich kann die Ansteuerelektronik aber auch in einem separaten Bauteil untergebracht werden, Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:In a cover layer which terminates the piezoelectric element, an electronic control unit, in particular designed as an FPGA, is advantageously arranged. As a result, the piezo element is particularly compact. Of course, the control electronics can also be accommodated in a separate component, Further advantages and embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying figures. Hereby show:

1 eine perspektivische Draufsicht auf ein Piezoelement gemäß der Erfindung; 1 a perspective top view of a piezoelectric element according to the invention;

2 eine Seitenansicht des Piezoelements nach 1; 2 a side view of the piezoelectric element according to 1 ;

3 eine Draufsicht auf das Piezolement nach 1; und 3 a plan view of the piezo element according to 1 ; and

4 eine Schnittansicht des Piezoelements von 3. 4 a sectional view of the piezoelectric element of 3 ,

In 1 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Piezoelement 10 dargestellt. Das Piezoelement 10 umfasst mehrere, abwechselnd aufeinandergestapelte Schichten: piezoelektrische Schichten 12 und Elektrodenschichten 14. Jede piezoelektrische Schicht 12 weist zwei Öffnungen 21 auf, und jede Elektrodenschicht 14 weist zwei Durchführungen 20, 22 auf. Zwei Kontaktierungselektroden 16, 18 durchragen das Piezoelement 10 innenliegend quer zu den Schichten, so dass sie sich durch die Durchführungen 20, 22 und die Öffnungen 21 erstrecken. „Innenanliegend” bedeutet, dass die Kontaktierungselektroden 16, 18 innerhalb des Körpers liegen, der von den piezoelektrischen Schichten und den Elektrodenschichten gebildet ist, und nicht an Außenflächen des Piezoelements 10 angeordnet sind und freiliegen. „Quer” bedeutet schräg oder senkreicht zu den Ebenen, die von den piezoelektrischen Schichten definiert sind.In 1 is a perspective top view of a piezoelectric element according to the invention 10 shown. The piezo element 10 comprises several layers stacked alternately: piezoelectric layers 12 and electrode layers 14 , Every piezoelectric layer 12 has two openings 21 on, and each electrode layer 14 has two bushings 20 . 22 on. Two contacting electrodes 16 . 18 protrude through the piezoelectric element 10 inboard across the layers so that they pass through the bushings 20 . 22 and the openings 21 extend. "Interior" means that the contacting electrodes 16 . 18 within of the body, which is formed by the piezoelectric layers and the electrode layers, and not on outer surfaces of the piezoelectric element 10 are arranged and exposed. "Transverse" means oblique or perpendicular to the planes defined by the piezoelectric layers.

Das Piezoelement 10, wie in 1 dargestellt, hat eine quadratische Grundfläche, die durch die piezoelektrischen Schichten 12 und die Elektrodenschichten 14 in Stapelrichtung fortgesetzt wird, so dass das Piezoelement 10 eine im Wesentlichen quaderförmige Geometrie aufweist. Die in 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoelements ist, was dessen Geometrie betrifft, selbstverständlich nur beispielhaft. Das Piezoelement kann genauso eine kreisförmige, sechseckige oder andersartig ausgestalte Grundfläche aufweisen. Erfindungswesentlich ist, dass die Kontaktierungselektroden im Inneren des Piezoelements angeordnet sind und dieses quer zu den Schichten durchragen.The piezo element 10 , as in 1 shown, has a square footprint passing through the piezoelectric layers 12 and the electrode layers 14 continues in the stacking direction, so that the piezoelectric element 10 has a substantially cuboid geometry. In the 1 illustrated embodiment of the piezoelectric element according to the invention is, as regards its geometry, of course only by way of example. The piezoelectric element can likewise have a circular, hexagonal or differently configured base surface. It is essential to the invention that the contacting electrodes are arranged in the interior of the piezoelectric element and project through this transversely to the layers.

Die piezoelektrischen Schichten 12 sind aus Material mit piezoelektrischen Eigenschaften ausgebildet wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat.The piezoelectric layers 12 are made of material with piezoelectric properties such as lead zirconate titanate.

Die Elektrodenschichten 14 sind aus elektrisch leitendem Material, wie Metalle oder Legierungen, ausgebildet. Vorzugsweise wird Kupfer verwendet. Es sind aber auch andere Materialien möglich. Die Elektrodenschichten 14 sind dünner ausgeführt als die piezoelektrischen Schichten 12.The electrode layers 14 are made of electrically conductive material, such as metals or alloys. Preferably, copper is used. But there are other materials possible. The electrode layers 14 are made thinner than the piezoelectric layers 12 ,

Das Piezoelement 10 wird vorzugsweise mittels Dünnschichttechnologie hergestellt, wobei die einzelnen Schichten nacheinander abgeschieden werden. Es können aber auch andere Herstellungsprozesse wie Sol/Gelverfahren angewendet werden.The piezo element 10 is preferably made by thin-film technology, wherein the individual layers are sequentially deposited. However, other manufacturing processes such as sol / gel processes can also be used.

Die Kontaktierungselektroden 16, 18 können ebenfalls im Schichtaufbau hergestellt werden, oder sie werden als Draht durch die Durchführungen durchgeführt.The contacting electrodes 16 . 18 can also be made in layered construction, or they are made as a wire through the feedthroughs.

2 zeigt eine Seitenansicht des Piezoelements 10 von 1 mit den sich abwechselnden piezoelektrischen Schichten 12 und den Elektrodenschichten 14. 2 shows a side view of the piezoelectric element 10 from 1 with the alternating piezoelectric layers 12 and the electrode layers 14 ,

Die Schichten 12, 14 sind im Wesentlichen parallel sich vollflächig begrenzend aufeinandergestapelt.The layers 12 . 14 are stacked substantially parallel to each other over the entire area.

In 3 ist eine Draufsicht auf das Piezoelement 10 mit den innenliegenden Kontaktierungselektroden 16, 18 dargestellt.In 3 is a plan view of the piezoelectric element 10 with the internal contacting electrodes 16 . 18 shown.

4 zeigt eine Schnittansicht des Piezoelements 10 von 3 entlang der Schnittlinie A-A mit den piezoelektrischen Schichten 12, den Elektrodenschichten 14 und den innen liegenden Kontaktierungselektroden 16, 18, die sich quer zu den Schichten erstrecken. 4 shows a sectional view of the piezoelectric element 10 from 3 along the section line AA with the piezoelectric layers 12 , the electrode layers 14 and the internal contacting electrodes 16 . 18 that extend across the layers.

Die Elektodenschichten und die piezoelektrischen Schichten sind so gespapelt, dass die Durchführungen 20, 22 und die Öffnungen 21 miteinander fluchten. Insgesamt sind auf diese Weise zwei Kanäle gebildet, die sich hier senkrechte zu den einzelnen Schichten durch das Piezoelement erstrecken.The electrode layers and the piezoelectric layers are gespapelt that the feedthroughs 20 . 22 and the openings 21 aligned with each other. Overall, two channels are formed in this way, which extend here perpendicular to the individual layers through the piezoelectric element.

Die beiden Öffnungen 21 in jeder piezoelektrische Schicht 12 haben jeweils denselben Durchmesser, der etwa dem Durchmesser der Kontaktierungselektroden 16, 18 entspricht. Um das Durchführen der Kontaktierungselektroden 16, 18 durch die piezoelektrischen Schichten 12 zu vereinfachen, kann der Durchmesser der Öffnungen 21 aber auch etwas größer sein als der Durchmesser der Kontaktierungselektroden 16, 18, da die Kontaktierungselektroden 16, 18 mit den piezoelektrischen Schichten 12 nicht elektrisch leitend verbunden sein müssen.The two openings 21 in each piezoelectric layer 12 each have the same diameter, about the diameter of the contacting electrodes 16 . 18 equivalent. To carry out the contacting electrodes 16 . 18 through the piezoelectric layers 12 To simplify, the diameter of the openings 21 but also be slightly larger than the diameter of the contacting electrodes 16 . 18 because the contacting electrodes 16 . 18 with the piezoelectric layers 12 do not have to be electrically connected.

Die beiden Durchführungen 20, 22 in den Elektrodenschichten 14 sind so ausgeführt, dass der Durchmesser der ersten Durchführung 20 größer ist als der Durchmesser der zweiten Durchführung 22. Dabei entspricht der Durchmesser der zweiten Durchführung 22 dem Durchmesser der Kontaktierungselektroden 16, 18, so dass diese mit den Elektrodenschichten 14 in elektrischem Kontakt stehen. Im Piezoelement sind die Elektrodenschichten dabei abwechselnd ausgerichtet, so dass eine erste Durchführung über einer zweiten Durchführung liegt, usw. Anders ausgedrückt weisen die Elektrodenschichten 14 in Stapelrichtung übereinander abwechselnd ersten und zweite Durchführungen 20, 22 auf, so dass die Kontaktierungselektroden 16, 18 mit jeder zweiten Elektrodenschicht 14 in elektrischem Kontakt stehen und jede Elektrodenschicht 14 nur von einer der beiden Kontaktierungselektroden 14, 16 kontaktiert wird.The two bushings 20 . 22 in the electrode layers 14 are designed so that the diameter of the first implementation 20 is greater than the diameter of the second implementation 22 , The diameter corresponds to the second implementation 22 the diameter of the contacting electrodes 16 . 18 so that this with the electrode layers 14 to be in electrical contact. In the piezoelectric element, the electrode layers are alternately aligned so that a first feedthrough is located above a second feedthrough, etc. In other words, the electrode layers have 14 in the stacking direction one above the other alternately first and second passages 20 . 22 on, so that the contacting electrodes 16 . 18 with every second electrode layer 14 in electrical contact and each electrode layer 14 only from one of the two contacting electrodes 14 . 16 will be contacted.

Der Durchmesser der ersten Durchführungen 20 ist im Vergleich zum Durchmesser der Kontaktierungselektroden 16, 18 so groß, dass zwischen den Kontaktierungselektroden 16, 18 und den Elektrodenschichten 14 an den ersten Durchführungen 20 keine elektrische Verbindung besteht. Dabei ist vorteilhaft keine zusätzliche Isolierung der Durchführungen 20 notwendig. Da entlang dem von den Durchführungen 20 22 und Öffnungen 21 gebildeten Kanal sich erste und zweite Durchführungen abwechseln, wird jede Elektrodenschicht nur von einer den beiden Kontaktierungselektroden 16, 18 kontaktiert. In Stapelrichtung betrachtet wechseln sich also Elektrodenschichten, die mit der Kontaktierungselektrode 16 in Verbindung stehen, mit Elektrodenschichten ab, die mit der Kontaktierungselektrode 18 in Verbindung stehen.The diameter of the first bushings 20 is compared to the diameter of the contacting electrodes 16 . 18 so large that between the contacting electrodes 16 . 18 and the electrode layers 14 at the first passages 20 there is no electrical connection. It is advantageous no additional insulation of the bushings 20 necessary. There along the of the bushings 20 22 and openings 21 formed channel alternate first and second feedthroughs, each electrode layer of only one of the two contacting electrodes 16 . 18 contacted. When viewed in the stacking direction, therefore, electrode layers alternate with the contacting electrode 16 in contact with electrode layers, the with the contacting electrode 18 keep in touch.

Mittels einer positiven und einer negativen Kontaktierungselektrode 16, 18, können zwei zueinander benachbarte Elektrodenschichten 14 kontaktiert werden, so dass auf die dazwischen liegende piezoelektrische Schicht 12 ein elektrisches Feld wirkt.By means of a positive and a negative contacting electrode 16 . 18 , two adjacent electrode layers can 14 be contacted so that on the intermediate piezoelectric layer 12 an electric field works.

Wenn dagegen eine Isolationsschicht zwischen den ersten Durchführungen 20 und den Kontaktierungselektroden 16, 18 verwendet wird, können die ersten Durchführungen 20 auch mit einem geringeren Durchmesser ausgeführt werden, ohne dass das Risiko eines unerwünschten elektrischen Kontakts besteht.On the other hand, if there is an insulating layer between the first feedthroughs 20 and the contacting electrodes 16 . 18 can be used, the first executions 20 be made with a smaller diameter, without the risk of unwanted electrical contact exists.

Die Durchführungen 20, 22 werden durch bekannte Verfahren, wie Ultraschallbohren oder Laser- oder Ätztechnologie, hergestellt.The bushings 20 . 22 are made by known methods such as ultrasonic drilling or laser or etching technology.

Das Piezoelement 10 wird nach außen von jeweils einer piezoelektrischen Schicht 12 begrenzt.The piezo element 10 is outwardly from each of a piezoelectric layer 12 limited.

Zusätzlich können Deckschichten vorgesehen werden, die nicht elektrisch leitend sind.In addition, cover layers can be provided which are not electrically conductive.

In einer Deckschicht kann eine Ansteuerelektronik Integriert werden, mit der das Piezoelement 10 angesteuert wird. Dafür eignet sich auch ein FPGA.In a cover layer, a control electronics can be integrated, with the piezoelectric element 10 is controlled. This is also an FPGA suitable.

Die Kontaktierungselektroden 16, 18 können als duktile Drähte ausgebildet sein und in die Durchführungen 20, 22 und Öffnungen 21 eingesetzt werden, oder sie werden Schicht für Schicht mittels Metallabscheiden im Aufdampf- oder Sputterverfahren hergestellt. Dabei ist besonders günstig, dass durch verfahrensbedingtes Schrumpfen die Kontaktierungselektroden 16, 18 das Piezoelement 10 vorspannen, ohne dass zusätzliche Vorspannelemente benötigt werden.The contacting electrodes 16 . 18 may be formed as ductile wires and in the bushings 20 . 22 and openings 21 are used, or they are produced layer by layer by means of metal deposition by vapor deposition or sputtering. It is particularly advantageous that by process-induced shrinkage the contacting electrodes 16 . 18 the piezo element 10 preload without the need for additional biasing elements.

Alternativ können auch Vorspannelemente im Piezoelement 10 verwendet werden.Alternatively, biasing elements in the piezoelectric element can 10 be used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007058874 A1 [0002] DE 102007058874 A1 [0002]
  • WO 2011/044882 [0002] WO 2011/044882 [0002]

Claims (11)

Piezoelement (10) mit einer Mehrzahl von aufeinandergestapelten piezoelektrischen Schichten (12), zwischen denen Elektrodenschichten (14) angeordnet sind, sowie mindestens zwei Kontaktierungselektroden (16, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselektroden (16, 18) das Piezoelement (10) innenliegend quer zu den piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten durchragen.Piezo element ( 10 ) having a plurality of stacked piezoelectric layers ( 12 ) between which electrode layers ( 14 ), as well as at least two contacting electrodes ( 16 . 18 ), characterized in that the contacting electrodes ( 16 . 18 ) the piezo element ( 10 ) projecting inwardly transversely to the piezoelectric layers and electrode layers. Piezoelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den piezoelektrischen Schichten (12) und den Elektrodenschichten (14) miteinander fluchtende, vorzugsweise zylindrische Durchführungen (20, 22) und Öffnungen (21) für die Kontaktierungselektroden angeordnet sind.Piezo element ( 10 ) according to claim 1, characterized in that in the piezoelectric layers ( 12 ) and the electrode layers ( 14 ) aligned, preferably cylindrical passages ( 20 . 22 ) and openings ( 21 ) are arranged for the contacting electrodes. Piezoelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Elektrodenschicht (14) mindestens eine erste (20) und eine zweite (22) Durchführung angeordnet sind.Piezo element ( 10 ) according to claim 2, characterized in that in each electrode layer ( 14 ) at least one first ( 20 ) and a second ( 22 ) Implementation are arranged. Piezoelement (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchführung (20) einen größeren Durchmesser aufweist als die zweite (22).Piezo element ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the first implementation ( 20 ) has a larger diameter than the second ( 22 ). Piezoelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (14) in Stapelrichtung abwechselnd erste und zweite Durchführungen (20, 22) aufweisen.Piezo element ( 10 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the electrode layers ( 14 ) in the stacking direction alternately first and second feedthroughs ( 20 . 22 ) exhibit. Piezoelement (10) nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kontaktierungselektroden (16, 18) im Wesentlichen gleich groß ist wie der Durchmesser der zweiten Durchführung (22), so dass die Kontaktierungselektroden (16, 18) mit jeder zweiten Elektrodenschicht (14) über die zweiten Durchführungen (22) elektrisch miteinander verbunden sind.Piezo element ( 10 ) according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the diameter of the contacting electrodes ( 16 . 18 ) is substantially the same size as the diameter of the second passage ( 22 ), so that the contacting electrodes ( 16 . 18 ) with every second electrode layer ( 14 ) on the second passages ( 22 ) are electrically connected together. Piezoelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselektroden (16, 18) als duktile metallische Drähte ausgebildet sind.Piezo element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the contacting electrodes ( 16 . 18 ) are formed as ductile metallic wires. Piezoelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselektroden (16, 18) durch Metallabscheiden hergestellt sind.Piezo element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the contacting electrodes ( 16 . 18 ) are produced by metal deposition. Piezoelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (10) durch die Kontaktierungselektroden (16, 18) vorgespannt ist.Piezo element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 10 ) through the contacting electrodes ( 16 . 18 ) is biased. Piezoelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (10) zwei nichtleitenden Deckschichten aufweist.Piezo element ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 10 ) has two non-conductive cover layers. Piezoelement (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Deckschicht eine Ansteuerelektronik, insbesondere als FPGA ausgebildet, angeordnet ist.Piezo element ( 10 ) according to claim 10, characterized in that in a cover layer, a control electronics, in particular designed as FPGA, is arranged.
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