DE3724290A1 - Elektrode fuer piezoelektrische composites - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für piezoelektrische Com­ posites mit hoher akustischer Dämpfung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Piezoelektrische Wandler für Ultraschallsender/Empfangseinrich­ tungen sind beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 01 54 706 bekannt. Das Problem des sich gegen Luft extrem un­ terscheidenden Wellenwiderstands von Piezokeramik und der damit verbundenen schwierigen akustischen Anpassung der Piezokeramik an Luft wird in dieser Anmeldung durch eine Sandwichbauweise ge­ löst. Aus piezoelektrischem Keramikmaterial bestehende Lamellen oder Folien sowie Plättchen oder Folien eines nicht piezoelektri­ schen formstabilen Materials sind dabei wechselweise übereinan­ dergeschichtet und zum Beispiel durch Verklebung fest miteinan­ der zu einem einstückigen Körper verbunden. Die Verbindung ist dabei so fest, daß noch eine nachträgliche formgebende Verarbei­ tung durchführbar ist, zum Beispiel durch Schleifen oder son­ stiges Abtragen einer Fläche dieses im Regelfall quaderförmigen Körpers. Ist dabei die Wellenlänge der Arbeitsfrequenz des Wandlers groß gegen dessen Strukturabmessungen bzw. gegen die Abstände der einzelnen Lamellen oder Folien, so spricht man von einem Composite.

Das formstabile Material zwischen den einzelnen Lamellen soll einen vielfach niedrigeren Wellenwiderstandswert aufweisen als die Keramik. Dafür kommen insbesondere Polyurethanschaum, Sili­ kongummi, Polyethylen, Polystyrolschaum und ähnliche Kunststoffe in Frage.

Als Elektrodenmaterial für derartige Sandwichwandler werden üb­ licherweise aufgesputterte dünne Metallschichten aus zum Bei­ spiel Nickel oder Silber verwendet.

Bei hoher mechanischer Beanspruchung bilden diese Elektroden allerdings den Schwachpunkt des gesamten Wandlers. Einerseits müssen sie genügend Festigkeit aufweisen, um bei großer mecha­ nischer Verzerrung (zum Beispiel durch die thermische Ausdehnung des Kunststoffs) nicht abzureißen.

Um dem abzuhelfen muß die Dicke der Elektrodenschicht auf den Keramiklamellen entsprechend verstärkt werden. Dadurch wird al­ lerdings die akustische Dämpfung der einzelnen Wandlerelemente (Keramik + Elektroden) herabgesetzt. Es tritt ein akustisches Übersprechen zwischen den Wandlerelementen auf, wodurch die elektrischen bzw. akustischen Signale (beim Empfang bzw. Senden von Schall) überlagert und verzerrt werden. Eine ausreichend große akustische Entkopplung ist nicht mehr möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Elektroden für die Keramiklamellen bzw. Folien von piezoelektrischen Composi­ tes anzugeben, welche eine hohe akustische Dämpfung aufweisen und dabei genügend elastisch sind, um bei den auftretenden hohen mechanischen Verzerrungen nicht abzureißen.

Diese Aufgabe wird durch eine Elektrode der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode aus einer ersten Schicht mit gegenüber Keramik hoher Elastizität und niedriger Leitfähigkeit und einer darüberliegenden zweiten Schicht mit höherer Leitfähigkeit besteht. Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die erste Schicht aus einem auf der Keramik abgeschiedenen intrinsisch leitenden Kunststoff besteht, und daß die zweite Schicht aus einem ausreichend leitfähigen Metall ausgebildet ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Elektroden sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäßen Elektroden weisen gegenüber der Keramik eine hohe Elastizität und damit eine hohe Abreißfestigkeit bei großen mechanischen Belastungen auf. Durch eine hohe akustische Dämpfung vermeiden sie außerdem akustisches Übersprechen. Die Elektroden sind kostengünstig herzustellen und auch für poröse Keramik (größer 10%) geeignet.

Die erste Schicht hoher Elastizität ist üblicherweise eine in­ trinsisch leitende Kunststoffschicht, die in einem in der deut­ schen Patentanmeldung P 36 30 708.4 beschriebenen Verfahren direkt auf der Keramikoberfläche aus ihren Monomeren polymeri­ siert werden kann. Geeignete Ausgangsstoffe für die Polymerisa­ tion sind Monomere aus der Klasse der fünfgliedrigen Schwefel oder Stickstoff als Heteroatom enthaltenden Heterozyklen, sowie Anilin oder Azulen.

Durch chemische oder anodische Oxidation der Monomere, gegebenen­ falls in Anwesenheit eines Leitsalzes, bildet sich direkt auf der Keramik eine Polymerschicht aus. Die chemische Oxidation kann durch Präparierung eines Keramikplättchens mit dem entsprechen­ den Oxidationsmittel und anschließendes Eintauchen in eine das Monomer enthaltende Lösung erfolgen. Auch die umgekehrte Reihen­ folge ist möglich: zuerst erfolgt die Behandlung der Keramik mit dem Monomer, zum Beispiel durch Aufsprühen. Anschließend wird das Plättchen in eine Lösung des Oxidationsmittels ge­ taucht.

Mit gleichem Erfolg kann der zweite Schritt jeweils auch in einer die entsprechenden Stoffe enthaltenden Dampfphase erfol­ gen.

Bei der anodischen Oxidation wird die Keramik in einer das Mono­ mer enthaltenden Lösung als Anode geschaltet und durch Elektro­ lyse gegen eine Gegenelektrode mit einem Polymerüberzug versehen.

So erzeugte Polymerschichten haben bereits eine Leitfähigkeit von mehr als 10^-2 S/cm. Durch eine darauf aufgebrachte leitfähi­ gere (Metall-)Schicht wird die zum Betrieb der piezoelektri­ schen Bauteile notwendige hohe Flächenleitfähigkeit erreicht. Aufgebracht wird diese Metallschicht mit üblichen Methoden wie zum Beispiel Aufdampfen oder Aufsputtern. Auch ist es möglich, zunächst nur eine dünne Metallschicht zu erzeugen und diese an­ schließend elektrolytisch zu verstärken. Die endgültige Schicht­ dicke liegt dabei vorzugsweise zwischen 0,1 und 20 µm, während die darunterliegende elastische Polymerschicht zwischen 1 und 15 µm Stärke aufweist. Je nach Verwendung des piezoelektrischen Bauteils und den daraus abgeleiteten Anforderungen an das Bau­ teil kann das Schichtdickenverhältnis in gewünschter Weise variiert werden.

Anhand der Figur und einem Ausführungsbeispiel wird die Erfin­ dung nun noch näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt ein einzelnes piezokeramisches Plättchen samt darauf aufgebrachten Elektroden im Querschnitt.

Das beispielsweise aus porösem Bleititanatzirkonat bestehende Plättchen 1 von ca. 500 µm Dicke, 20 mm Länge und 10 mm Breite wird mit einer 10 %igen alkoholischen Lösung von Eisenperchlorat bestrichen. Nach Abdampfen des Lösungsmittels wird das Plättchen bei einer Temperatur von 150°C 30 Sekunden lang einer 10 Volumen­ prozent Pyrrol enthaltenden Stickstoffatmosphäre ausgesetzt. Nach wenigen Sekunden bildet sich bereits ein dunkler Überzug 2 aus Polypyrrol. Der Film 2 weist eine Leitfähigkeit von 10_-2 S/cm und eine Dicke von 10 µm auf. Dieser die erste elastische Schicht der Elektrode bildende Polymerüberzug 2 kann entweder ganzflächig oder nur in gewünschten Bereichen auf die Keramik aufgebracht werden. In der Figur bedeckt die Schicht 2 nur be­ stimmte Bereiche der Ober- und/oder Unterseite des Keramik­ plättchens 1.

In einer Sputteranlage wird schließlich durch Sputtern von einem Nickeltarget eine dünne Nickelschicht 31 von zum Beispiel 0,1 µm aufgebracht. In einem Nickelionen enthaltenden Bad wird die Schicht 31 dann elektrolytisch bis auf 5 µm Dicke verstärkt.

Das mit der Elektrodendoppelschicht (2, 3) versehene Keramik­ plättchen 1 wird anschließend zu einem Composite verarbeitet. Dabei werden mehrere derartige Plättchen stapelartig übereinan­ der angeordnet und miteinander verklebt, mit Kunststoff vergos­ sen oder anderweitig in bestimmtem Abstand zueinander fixiert. In geeigneter Weise werden die einzelnen Plättchen noch elek­ trisch kontaktiert und geschaltet. Die fertigen Composites fin­ den für Ultraschall Sende- und Empfangsanlagen Verwendung.

Claims (8)

1. Elektrode für piezoelektrische Composites mit hoher akusti­ scher Dämpfung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus einer ersten Schicht (2) mit gegenüber Keramik hoher Elastizität und niederer Leitfähigkeit und einer darüberliegenden zweiten Schicht (3) mit höherer Leitfähigkeit besteht.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Schicht (2) aus einem auf der Keramik abgeschiedenen intrinsisch leitenden Kunststoff besteht und daß die zweite Schicht (3) aus einem ausreichend leitfähi­ gen Metall ausgebildet ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke der ersten Schicht (2) 1 bis 15 µm und die Dicke der zweiten Schicht (3) 0,1 bis 20 µm beträgt.

4. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zunächst

• a) auf der Oberfläche eines keramischen Werkstoffes ein Mono­ mer aus der Klasse der fünfgliedrigen, Schwefel oder Stick­ stoff als Heteroatom enthaltenden Heterozyklene, Anilin oder Azulen aufgebracht,
• b) durch chemische oder anodische Oxidation der Monomeren eine Polymerschicht (2) ausgebildet und
• c) auf der Polymerschicht (2) eine Metallschicht (3) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polymerisation in Anwesenheit eines Leitsalzes erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aufge­ dampft wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (2) aufge­ sputtert wird und wahlweise anschließend noch elektrolytisch ver­ stärkt wird.

8. Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden in piezoelektri­ schen Composites für Ultraschallsende/Empfangseinrichtungen.