DE19744630C1 - Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines piezoelektrischen Bauelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung von piezoelektrischen Bauelemen­ ten. Dabei können sowohl Aktoren, wie auch Sensoren unter Verwendung von piezoelektrischen Keramiken, die auf Substraten aufgebracht werden, erfindungsgemäß hergestellt werden. Solche Bauelemente sind auf den verschiedensten Gebieten der Technik einsetzbar.

Piezoelektrische Bauelemente werden als Wandler auf den verschiedensten Gebieten der Technik mit erhebli­ cher technischer Bedeutung eingesetzt. So sind sie in der Lage, elektrische Energie in mechanische Energie und dabei insbesondere Verformungen umzuwandeln und können dabei sogenannte Aktoren sein. Entgegengesetzt hierzu können sie aber auch als Sensor eingesetzt werden, bei denen Verformungen, also mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann und ein proportionales Signal, das entsprechend verarbeitbar ist, gewonnen werden.

Zur Ausnutzung des Piezoeffektes werden wegen ihrer einfachen Herstellung und relativ unkomplizierten Formgebungsmöglichkeiten vor allem keramische, d. h. polykristalline Werkstoffe verwendet. Es ist bekannt, daß insbesondere hierfür verwendetes Bleizirkonatti­ tanat (PZT) geeignet ist.

Bei mechanischen Sensoren und Aktoren werden diese Elemente nach verschiedenen Prinzipien unterschieden. So sind Ausführungen als Bulk- oder Mehrschichtele­ ment möglich, die ein longitudinaler Aktor, ein transversaler Aktor oder ein Biegewandler sein kön­ nen.

Probleme ergeben sich insbesondere bei der Verwendung piezoelektrischer Keramiken, da deren Längenänderung im Bereich zwischen 0,1 bis 0,2% liegt und demzufol­ ge relativ klein ist, so daß die erforderliche aktive Länge eines Bulkelementes entsprechend groß sein muß, um eine erforderliche Auslenkung zu erzielen. Außer­ dem werfen die erforderlichen hohen Feldstärken im Bereich von 0,5 bis 1 kV/mm Probleme dadurch auf, daß sehr hohe Spannungen erforderlich sind (Hochspan­ nungserzeugung, Spannungsüberschläge). Mehrschicht- oder Stapelaktoren haben in der Regel eine geringe Schichtdicke und erfordern niedrigere Ansteuerspan­ nungen. Mit ihnen können relativ hohe Stellkräfte aufgebracht werden, wobei die erreichbaren Stellwege jedoch ebenfalls relativ klein sind. Üblicherweise liegen die Dicken der piezoaktiven Schichten im Be­ reich zwischen einigen 10 bis 100 µm (Dickschichten). Solche Wandler bestehen aus mehreren dünnen Keramik­ lagen mit zwischenliegend angeordneten Elektroden, wobei diese alternierend entgegengesetzt gepolt sind. Die erforderlichen Ansteuerspannungen liegen norma­ lerweise im 100-V-Bereich (Niederspannungsaktoren). Bei einer Verkleinerung der Schichtdicke könnte eine weitere Absenkung der Ansteuerspannung erreicht wer­ den. Solche Schichtdicken sollten im µm-Bereich (Dünnschichten) liegen.

Die relativ kleine Dicke des Dielektrikums und die relativ große Fläche der Elektroden erfordert aber eine relativ hohe Kapazität, die mit hohen Ladeströ­ men verbunden ist. Nachteilig ist es weiter hierfür, daß ein relativ hoher Herstellungsaufwand für solche Wandler mit der erforderlichen großen Anzahl an dün­ nen Schichten verbunden ist.

Auch Biegewandler können aus einer oder mehreren pie­ zoelektrischen Schichten aufgebaut sein. Das Funk­ tionsprinzip dieser piezoelektrischen Materialien beruht auf der Querkontraktion bei der Polarisierung.

Etwas größere Stellwege sind bei diesen Bauformen mit einer verkleinerten Stellkraft erreichbar. Auch bei diesen Wandlern ist die Ansteuerspannung schichtdic­ kenabhängig und liegt im 100-V-Bereich.

Die Wandler, die aus einer dünnen beidseitig mit Elektroden versehenen keramischen Folie gebildet sind, bezeichnet man als Monomorph. Mit trimorphen Ausführungen, bei denen zwei aktive Schichten in Kom­ bination verwendet werden, sind größere Auslenkungen erreichbar. In trimorphen Ausführungen werden zwei aktive Schichten mit einer passiven Einlage kombi­ niert. Wandler, bei denen Schichten-Elektrodenpaare stapelförmig angeordnet Verwendung finden, werden als Multimorph bezeichnet und es können damit erhöhte Stellkräfte erzielt werden. Einfluß auf die Eigen­ schaften solcher Biegewandler haben neben den spezi­ fischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials auch der Aufbau, die Abmessungen und die Materialei­ genschaften der verwendeten Einlage.

Als günstig hat sich die Kombination bei einer mono­ morphen Ausbildung eines solchen Biegewandlers in Kombination mit Stahl und bei einer trimorphen Aus­ führung mit einem weicheren Aluminium erwiesen.

Aus T. Kikuchi, T. Tsurumi, Y. Ohba, M. Daimon; "Bending Actuator Using Lead Zirconate Titanate Thin Film Fabricated by Hydrothermal Method"; Jpn. J. Appl. Phys. 31 (1992) 3090 ist es bekannt, für solche Biegewandler keramische Dünnschichten zu verwenden, wobei diese über eine hydrothermale Methode auf ein Ti-Blech erzeugt werden. Das Blech aus Titan dient dabei als mechanische Unterstützung, Elektrode und Ti⁴⁺-Quelle.

Nach einer anderen Lösung, die von R. Noteboom, M. Sayer, D. A. Barrow; "Driven Structure using Piezoe­ lectric Coatings"; Preprint (1996) beschrieben wurde, ist eine Bleizirkonattitanat-Schicht auf einer dünnen Stahlmembran (0,075 mm) aus der Suspension eines ke­ ramischen Pulvers in einem Alkoholatsol entsprechen­ der Zusammensetzung hergestellt worden. Durch eine Übereinanderanordnung mehrerer Einzelschichten mit einer Dicke von ca. 1 µm wurde eine Gesamtschicht­ dicke von über 15 µm erreicht. Im Anschluß an eine Polierung der Schicht wurde auf diese eine Elektrode aufgebracht. Das so gebildete System konnte nach der Polung bei erhöhten Temperaturen und Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zu mechanischen Schwingun­ gen angeregt werden.

Aus H. Daniel, K. R. Udayakumar, C. J. Gaskey, L. E. Cross, J. J. Bernstein, L. C. Nils; "Fabrication and Electrical Propertis of Lead Zirconate Titanate Thick Films"; J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 2189 ist es wei­ ter bekannt, elektromechanische Wandler für mikrome­ chanische Systeme auf der Basis von Silicium mit ei­ nem Sol-Gel-Verfahren auch als Mehrschichtsystem her­ zustellen.

Für die Herstellung piezoelektrischer Folien, die bei solchen piezoelektrischen Wandlern eingesetzt werden können, ist es üblich, diese durch Verformung feuch­ ter plastischer Massen herzustellen. Dabei werden keramische Ausgangspulver, die im gießfähigen Schlicker enthalten sind, durch verschiedenste Ver­ fahren, z. B. mittels einer Klinge (Rakel) auf einer glatten Unterlage zu dünnen Schichten ausgezogen. Die sogenannten Grünfolien werden im Anschluß daran ge­ trocknet, gestanzt, gesintert, elektrodiert und ge­ polt. Die Folien können gestapelt oder mechanisch mit einer Einlage verbunden werden, wie dies beispiels­ weise aus K. Ruschmeyer; "Piezokeramik"; Expert Ver­ lag, Renningen-Malmsheim (1995) hervorgeht.

Bei der Herstellung solcher Schichten mit keramischen Verfahren, wie z. B. Sintern, direkt auf Metallen oder metallisierten Keramiksubstraten, sind relativ hohe Temperaturen oberhalb 1000°C, die mit langen Halte­ zeiten verbunden sind, erforderlich. Hierfür ist auf die Möglichkeit der Absenkung der Sintertemperatur durch Additive und die Verwendung sehr beständiger Edelmetallelektroden in H.-J. Gesemann, L. Seffner, A. Schönecker; "PZT-Dickschichten auf Al₂O₃"; cfi Beihefte; Fortschrittsberichte der Deutschen Kerami­ schen Gesellschaft 10 (1995) 213 hingewiesen worden.

Von S. B. Krupanidhi, N. Maffei, M. Sayer, K. El-As­ sad; "RF-Magnetron Sputtering of Ferroelectric PZT- Films"; Ferroelectrics 51 (1983) 93 und M. Shimizu, M. Fujimoto, T. Katayama, T. Shiosaki; "Growth and Characterization of Ferroelectric Pb(zr, Ti)O₃ Thin Films by MOCVD Using a6 Inoh Single Wafer CVD System"; Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 310 (1993) 255 ist auf die Möglichkeit der Erzeugung von Dünn­ schichten mittels bekannter PVD und CVD-Verfahren hingewiesen worden. Dabei bereitet es besondere Schwierigkeiten die Stöchiometrie in der Schicht ge­ nau einzuhalten und die erreichbaren Abscheidungsge­ schwindigkeiten sind relativ gering, so daß der Zeit­ aufwand relativ groß ist.

Naßchemische Verfahren, wie z. B. der Sol-Gel-Prozeß sind aus L. C. Klein (ed); "Sol-Gel Technology for Thin Films"; Fibers, Preforms and Specialty Shapes; Noyes Pub., New Jersey (1988) bekannt. Dadurch ist es möglich, die gewünschte Stöchiometrie einzuhalten und das Verfahren ist relativ einfach zu führen. Nachtei­ lig bei den bekannten naßchemischen Verfahren sind die mit einem Beschichtungsschritt erreichbaren nied­ rigen Schichtdicken im Bereich von 100 bis 200 nm, so daß relevante Schichtdicken erst durch Vielfachbe­ schichtungen erhalten werden können.

Die naßchemische Herstellung sehr dünner Schichten, unterhalb einer Schichtdicke 1,0 µm auf verschieden­ sten Substraten ist beispielsweise aus K. D. Budd, S. K. Dey, D. A. Payne; "Sol-Gel Processing of PbTiO₃ PbZrO₃ PZT, and PLZT Thin Films"; Brit. Ceram. Proc. 36 (1985) 107 und M. Klee, R. Eusemann, R. Waser, W. Brand, H. von Hal; "Processing and Electrical Proper­ ties of Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ Films: Comparsion of Metallo­ organic Decomposition and Sol-Gel Process"; J. Appl. Phys. 72 (1992) 1566 bekannt. Dabei wird beispiels­ weise platiniertes Aluminiumoxid oder Silicium als Substrat verwendet. So haben auch H. Daniel, K. R. Udayakumar, C. J. Gaskey, L. E. Cross, J. J. Bernstein, L. C. Nils; "Fabrication and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate Thick Films"; J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996) 2189, mittels Mehrfachbeschichtungen einen Schichtstapel mit einer Gesamtdicke von 12 µm in 48 Beschichtungsschritten erhalten.

R. A. Lipeles, N. A. Ives, M. S. Leung; "Sol-Gel Proces­ sing of Lead Zirconate Titanate Thin Films"; Aerospa­ ce Report No. ATR-85(8343)-2 haben auf ein weiteres Problem, das bei Stahlsubstraten vorhanden ist, hin­ gewiesen. Stahlsubstrate haben den Nachteil, daß un­ erwünschte Interdiffusionsreaktionen dazu führen, daß keine Schichten mit ausgeprägten ferro- und damit piezoelektrischen Eigenschaften erhalten werden kön­ nen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Her­ stellung piezoelektrischer Bauelemente vorzugeben, bei dem Schichten aus piezoelektrischen Keramiken auf einfache Art und Weise mit geringem Aufwand mit einer ausreichenden Gesamtschichtdicke aufbringbar sein sollen, so daß Bauelemente mit ausreichender Empfind­ lichkeit und Ansprechverhalten herstellbar sind.

Aus Schwartz Robert W., et al. "Sol-Gel Processing of PZT Thin Films; 1995, Vol. 7, Seiten 259-277 ist es bekannt, in einem Sol-Gel-Verfahren Alkoholate auf einem Substrat aufzutragen und einer Wärmebehandlung zu unterziehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in der untergeordneten An­ sprüchen genannten Merkmale.

Bei der Erfindung wird auf einem metallischen, vor­ zugsweise elastischen Substrat mittels eines naßche­ mischen Verfahrens mindestens eine ferroelektrische Dünnschicht im System Bleizirkonattitanat aufge­ bracht.

Hierfür soll ein Sol-Gel in bekannter Weise flächig, beispielsweise durch Tauchen, Sprühen, Rakeln auf das Substrat aufgebracht werden.

Das Beschichtungs-Sol wird aus einem wasserhaltigen Bleisalz (z. B. Bleiacetat-Trihydrat), Zirkonium- und Titanalkoholat (z. B. Zirkonium- und Titan-Propylat) unter Verwendung eines Komplexbildners (z. B. Acetyla­ ceton) und Durchführung einer Hydrolysereaktion er­ halten.

Nach Durchführung der Hydrolysereaktion und Abziehen der flüchtigen Bestandteile wird im Vakuum eine feste, lagerstabile Vorstufe hergestellt. Diese pul­ verförmige Vorstufe kann bei Bedarf jederzeit in Lösungsmitteln gelöst und auf das Substrat schichtweise aufgebracht werden. Geeignete Lösungsmittel sind neben den bereits erwähnten Glyko­ len und Triethanolamin auch andere polare, gut benet­ zende Flüssigkeiten, wie z. B. Alkohole. Bei dieser Methode können die für die Beschichtung wichtigen Parameter, wie der Feststoffgehalt, die Viskosität und das Benetzungsverhalten besonders einfach vari­ iert und eingestellt werden.

Nach dem Auftrag einer Schicht wird das beschichtete Substrat einer Wärmebehandlung über eine relativ kur­ ze Zeit von wenigen Minuten bei einer Temperatur von mindestens 500°C, bevorzugt bei Temperaturen von ca. 600°C unterzogen und dabei eine Pyrolyse und Tempe­ rung durchgeführt.

Je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften des erfindungsgemäß herzustellenden piezoelektrischen Bauelementes können auf diese Art und Weise eine oder mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden.

Durch eine Dotierung mit kleinen Mengen anderer Ele­ mente können die piezoelektrischen Eigenschaften be­ einflußt werden, so daß eine Verbesserung bzw. Opti­ mierung erreichbar ist.

In der bzw. den Dünnschichten sollte das Zr/Ti-Ver­ hältnis annähernd gleich sein, bevorzugt jedoch mit 0,53/0,47 eingestellt werden.

Überraschend hat sich nun gezeigt, daß bei den erfin­ dungsgemäß hergestellten Bauelementen auf Stahlsub­ straten die bisher bekannten Interdiffusionsreaktio­ nen vermieden bzw. sehr gering gehalten werden.

Aus diesem Grunde können auch Stähle und insbesondere Edelstähle mit ihren bekannten guten federnden Eigen­ schaften als Substrat eingesetzt werden. Die jeweils verwendete Substratdicke kann dabei dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. So beeinflußt selbst­ verständlich die Substratdicke die erforderlichen Stellkräfte, die erreichbaren Stellwege und selbst­ verständlich auch die Empfindlichkeit und das An­ sprechverhalten. Nachdem der Schichtaufbau auf dem Substrat hergestellt worden ist, wird auf der Ober­ fläche der Schicht(en) mindestens eine Elektrode auf­ gebracht. Hierfür können sämtliche bekannten Be­ schichtungsverfahren im Vakuum eingesetzt werden. Be­ sonders geeignet hat sich dabei das Aufsputtern von metallischen Elektroden erwiesen. Die Elektroden kön­ nen aber auch flüssig mit anschließender Trocknung (z. B. leitfähige Farbe) durch chemische Abscheidung als Schicht oder als Einbrennpräparat auf Edelmetall­ basis aufgebracht werden.

Neben dem Stahl als Substrat können auch andere hoch­ schmelzende, oxidationsstabile Metalle, wie z. B. Ti­ tan, Chrom, Nickel oder Legierungen beschichtet wer­ den.

Bei beidseitiger Beschichtung eines Substrates ist es selbstverständlich erforderlich, auf beiden Seiten Elektroden aufzubringen. Das metallische Substrat bildet jedoch in jedem Falle eine Basiselektrode.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch ex­ trem dünne Schichten bis unter 200 nm Einzelschicht­ dicke hergestellt werden. Von besonderer Bedeutung ist es jedoch, daß typischerweise Einzelschichtdicken im Bereich zwischen 0,7 bis 1 µm erreicht werden kön­ nen. Damit lassen sich technisch relevante Schicht­ dicken < 1 µm einfach und mit wenigen Beschichtungs­ schritten aufbauen.

Das leitfähige Substrat mit aufgebrachter piezoelek­ trischer keramischer Schicht und Elektrode bildet dann einen Kondensator.

Überraschenderweise weisen die erfindungsgemäß abge­ schiedenen Schichten, die für das Material Bleizirko­ nattitanat (PZT) typischen ferroelektrischen Eigen­ schaften auf (hohe elektrische Permittivität, ausge­ prägte ferroelektrische Hystereseschleife im elektri­ schen Wechselfeld), obwohl Stahlblech nach Literatur­ angaben als Substrat für PZT wenig geeignet ist und eine nachteilige Wirkung auf die ferroelektrischen Eigenschaften von PZT ausübt.

Darüber hinaus sind die Schichten auch ausgeprägt piezoelektrisch und obwohl die Schichten im Verhält­ nis zum passiven Substrat extrem dünn sind, tritt ein piezoelektrischer Effekt auf. Dieser läßt sich sogar ohne besondere technische Hilfsmittel akustisch oder optisch einfach nachweisen.

Bei den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Bauele­ menten sind sehr gute Temperaturwechselbeständigkei­ ten, sehr schnelle Auf- und Abkühlraten (schnelle Prozeßzyklen) durch die Verwendung der metallischen Substrate, wobei neben Stahl selbstverständlich auch andere elektrisch leitfähige Metalle Verwendung fin­ den können, zu verzeichnen. Die erfindungsgemäß her­ gestellten Bauelemente können dabei aber auch direkt beheizt werden (Widerstand oder Induktionsheizung), wenn dies erforderlich sein sollte.

Die piezoelektrischen Bauelemente können in den je­ weils erforderlichen Abmaßen aus den relativ großflä­ chig beschichtbaren Substraten durch konventionelle Trenn- und Verformungstechniken konfektioniert und bearbeitet werden. So können die einzelnen Bauelemen­ te beispielsweise ausgestanzt werden, ohne daß die aufgetragenen Schichten abplatzen oder in sonstiger Weise ungünstig beschädigt werden.

Vorteilhaft ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren, daß nur kleine Mengen des vorbereiteten Sols benötigt werden und bereits technisch relevante Schichtdicken mit maximal vier Beschichtungsschritten erreicht werden können.

Die herstellbaren Dünnschichten erlauben sehr flache Bauformen, die nur relativ kleine Ansteuerspannungen erfordern und auch als Sensor eine ausreichende Emp­ findlichkeit aufweisen.

Mögliche technische Anwendungsgebiete für erfindungs­ gemäß hergestellte Biegewandler sind z. B. mikromecha­ nische Stellglieder, optische Komponenten, pneumati­ sche Ventile oder Sensoren.

Ein besonderes Anwendungsgebiet sind Akustikwandler. Bei den Akustikwandlern ist es vorteilhaft, daß durch die sehr geringe Schichtdicke eine weitere Miniaturi­ sierung von Schallerzeugern oder Sensoren erreichbar ist.

Bei den erfindungsgemäß hergestellten piezoelektri­ schen Bauteilen können, obwohl das zu verwendende Metallsubstrat wesentlich dicker, als die aktive ke­ ramische Schicht ist, durch das Anlegen einer elek­ trischen Spannung zwischen der an der Oberfläche auf­ gebrachten Elektrode und dem als Basiselektrode die­ nenden Substrat eine für viele Anwendungen aus­ reichende Auslenkung erreicht werden. So können z. B. Auslenkungen von etwa 10 µm bereits ausreichend groß sein. Durch beidseitige Beschichtung des Substrates und nachfolgende Elektrodierung eines Metallsubstra­ tes (Ausbildung eines Trimorphs), können bei entspre­ chender Ansteuerung Auslenkungen eines so ausgebilde­ ten Biegewandlers in beide Richtungen erreicht wer­ den, wobei die maximale Auslenkung in die jeweilige Richtung gleich oder verschieden eingestellt werden kann.

Durch Dotierungen des Bleizirkonattitanat können des­ sen piezoelektrischen Eigenschaften weiter verbessert werden.

Nachfolgen soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len beschrieben werden:

Beispiel 1

Zur Herstellung eines piezoelektrischen Biegewandlers wurde ein Substrat aus einem Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 mm mit einer Dreifachbeschichtung einer Bleizirkonattitanatschicht in einer Dicke von ca. 2,5 µm beschichtet. Die Fläche des Substrates und demzufolge auch der Basiselektrode betrug etwa 10 mm × 40 mm.

Auf die Aufgebrachte Beschichtung wurde eine Elektro­ de mit einer Fläche von mehreren cm² aus Silber auf­ gesputtert.

Nach Anlegen einer elektrischen Spannung (ca. 30 V) zwischen dem metallischen Substrat und der oberen Elektrode konnte die Bleizirkonattitanatschicht pola­ risiert werden.

Obwohl nach Überschreitung von 30 V vereinzelt Durch­ schläge, durch die Beschichtung auftraten, konnte die Funktionalität des piezoelektrischen Bauteils nicht wesentlich beeinträchtigt werden und es konnten nur geringfügig lokale Zerstörungen der Elektrode ver­ zeichnet werden.

Ein so hergestelltes Bauelement wurde einseitig fest eingespannt und nach Anlegung einer Gleichspannung in der bereits genannten Größenordnung konnte eine deut­ liche Auslenkung des nicht eingespannten freien Endes des Bauelementes gemessen werden. Die durch Querkon­ traktion der piezoelektrischen Schicht bewirkte Aus­ lenkung lag dabei im Bereich zwischen 5 bis 10 µm.

Durch Anlegen von Rechteckimpulsen folgte ein sehr rasches, frequenzabhängiges Umspringen des Biegewand­ lers zwischen zwei Positionen, das auch akustisch erfaßbar ist. Herkömmliche Wechselspannungen von etwa 50 Hz führen zu Vibration des erfindungsgemäß herge­ stellten monomorphen Biegewandlers. Bei höheren Fre­ quenzen können auch für das menschliche Ohr gut wahr­ nehmbare Töne erzeugt werden, die die Anwendung als Akustikwandler ermöglichen. Erstaunlicherweise traten diese Effekte auf, obwohl die Dicke der Beschichtung gegenüber dem Substrat sehr klein ist und demzufolge eine entsprechend auch akustisch wahrnehmbare Verfor­ mung überraschend auftrat.

Das bei diesem Beispiel beschriebene piezoelektrische Bauelement kann aber auch als Sensor eingesetzt wer­ den, da bei mechanischer Verformung der gepolten Schicht erfaßbare elektrische Spannungen erzeugt wer­ den. So können Verformungen, Drücke oder Beschleuni­ gungen mit einem entsprechend ausgebildeten Sensor bestimmt werden.

Beispiel 2

Aus einem Substrat aus sehr dünnem Stahlblech mit einer Dicke von 0,05 mm wurde mittels einer Vierfach­ beschichtung eine Bleizirkonattitanatbeschichtung mit einer Dicke von ca. 3,0 µm aufgebracht. Dabei betrug der Durchmesser des runden Substrates 34,5 mm und auf die Oberfläche der Beschichtung wurde eine Elektrode aus Silber mit einem Durchmesser von 21,5 mm aufge­ sputtert.

Ein so ausgebildetes piezoelektrisches Bauelement ist dann als Akustikwandler ohne weiteres einsetzbar.

Das so ausgebildete, als Akustikwandler verwendbare piezoelektrische Bauelement wurde aus einer großflä­ chig beschichteten Stahlfolie mit der genannten Dicke als rundes Stück ausgeschnitten bzw. ausgestanzt und in der Mitte mit der etwas kleineren Silberelektrode versehen.

Nach Einspannung des so ausgebildeten Akustikwandlers in einem relativ stabilen runden Rahmen wurde über dünne Drähte, die mit den beiden Elektroden kontak­ tiert waren, eine Spannung von 30 V angelegt.

Wurde eine entsprechende Wechselspannung (Dreieck, Rechteck oder Sinus) im Spannungsbereich zwischen 5 und 30 V bei Frequenzen zwischen einigen 10 Hz und mehreren kHz angeregt, konnte ein lauter und deutli­ cher Ton in der entsprechenden Frequenz erfaßt wer­ den, der auch für das menschliche Ohr hörbar ist.

Die akustischen Abstrahlungseigenschaften (Schall­ druck, Frequenzgang) lassen sich durch die Membranab­ messungen, das Verhältnis von Schicht- und Substrat­ dicke sowie durch die Gestaltung des Gehäuses (Helm­ holtz-Resonator) beeinflussen und optimieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von piezoelektrischen Bauelementen, bei dem in einem ersten Schritt eine lagerfähige feste Vorstufe eines Beschich­ tungssols aus einem wasserhaltigen Bleisalz, Zirkonium- und Titan-Alkoholat unter Verwendung eines Komplexbildners und Durchführung einer Hydrolysereaktion und Abziehen der festen Be­ standteile in Vakuum erhalten wird, die feste Vorstufe in einem Lösungsmittel gelöst, das so erhaltene Beschichtungssol flächig als Schicht oder in mehreren Schichten mindestens einseitig auf ein metallisches und elektrisch leitfähiges Substrat ausgewählt aus Stahl, Ti, Cr, Ni oder einer solchen Legierung hiervon, aufgebracht wird/werden, die erhaltene(n) Schicht(en) einer Wärmebehandlung unterzogen wird/werden und im Anschluß daran auf die Oberfläche der erhaltenen ferroelektrischen Dünnschicht oder eines Systems aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schich­ ten mindestens eine Elektrode aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Bleiacetat-Trihydrat, Zirkonium- und, Titan-Propylat sowie Acetylaceton als Kom­ plexbildner verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der/den Dünn­ schicht(en) ein annähernd gleicher Anteil Zirko­ nium und Titan eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zirkonium/Titan- Verhältnis 0,53/0,47 eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung innerhalb weniger Minuten, bei einer Temperatur oberhalb 500°C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode(n) im Vakuum aufgedampft oder aufgesputtert wird/wer­ den.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode(n) als leitfähige Beschichtung flüssig, mit nachfolgen­ der Trocknung, als chemisch abgeschiedene Schichten oder als Einbrennungspräparat auf Edelmetallbasis aufgebracht wird/werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Bau­ element(e) mittels eines Trennverfahrens aus einem großflächigen Substrat erhalten wird/wer­ den.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dünnschicht oder ein aus mehreren solcher Schichten gebilde­ tes Schichtsystem mit einer Dicke von mindestens 1 µm aufgebracht wird.

10. Verwendung eines mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellten Bauelementes als piezoelektrischer Biegewandler.