專利名稱：壓電多層部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造壓電多層部件的方法以及一種可由該方法生產(chǎn)的壓電 多層部件，該壓電多層部件具有機(jī)械穩(wěn)定性較低的區(qū)域。
背景技術(shù)：
從DE 10 2006 031 085 Al 中公知一種具有脆弱層(Sollbruchschicht)的壓電 多層部件。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的任務(wù)在于，說明一種壓電多層部件，該壓電多層部件可以在盡可能長的 時間段內(nèi)穩(wěn)定地運(yùn)行。說明一種作為中間產(chǎn)品的壓電多層部件，該壓電多層部件具有上下相疊布置的未 燒結(jié)的壓電陶瓷層的疊層，其中第一電極層施加在壓電陶瓷層上并且包含第一金屬。第二 電極層施加在另一壓電陶瓷層上并且在疊層方向上與第一電極層相鄰。與第一電極層相 比，第二電極層包含更高濃度的第一金屬。在此，概念“濃度”表示相應(yīng)電極層中金屬的重 量份額。如果燒結(jié)該中間產(chǎn)品，則第二電極層中的第一金屬部分地?cái)U(kuò)散到第一電極層并且 與此同時在第二電極層中留下空腔。在此，第一金屬的濃度差被選擇為使得第二電極層在 該多層部件運(yùn)行時仍然可以充當(dāng)電極層，直到該多層部件在特定機(jī)械負(fù)荷下在第二電極層 中破裂。因此，第二電極層還充當(dāng)脆弱層。第一電極層中的第一金屬的濃度少于100%。在此優(yōu)選的是，在第一電極層中的第 一金屬的濃度最多為80%。已經(jīng)證實(shí)，作為第一金屬，銅是特別有利的，因?yàn)殂~在相對低的溫度下變軟，因此 可以實(shí)現(xiàn)壓電多層部件的經(jīng)濟(jì)的燒結(jié)，在燒結(jié)時，銅與壓電陶瓷層良好地結(jié)合。此外已經(jīng)證 實(shí)，與諸如鈀或者鉬的其他金屬相比，銅相對容易地?cái)U(kuò)散通過壓電陶瓷。這有助于以下所述 的壓電多層部件的制造，所述壓電多層部件具有在機(jī)械上被削弱的區(qū)域，該區(qū)域具有空腔。替代銅，可以使用其他金屬作為第一金屬，例如銀或者鎳。根據(jù)一個實(shí)施方式，第一電極層包含額外的第二金屬，該第二金屬不同于第一金 jM ο優(yōu)選的是，與第一金屬相比，第二金屬較差地?cái)U(kuò)散通過與第一電極層相鄰的壓電 陶瓷層。因此，金屬擴(kuò)散通過多層部件主要由第一金屬實(shí)現(xiàn)，尤其是由銅實(shí)現(xiàn)。根據(jù)哪種金屬作為第一金屬用在第一電極層中，優(yōu)選從鈀、鈹、鋁、錳、鋅、錫、鉍、 鎳、鈷、鉻、鉬、鈮、銣中選出第二金屬。有利的是，與第二金屬相比，在第一電極層中第一金屬具有更高濃度。例如在第一 電極層中第一金屬的濃度可以是70 %而第二金屬的濃度可以是30 %。在此重要的是，第一 電極層中第一金屬的濃度低于第二電極層中第一金屬的濃度，從而可以發(fā)生從第二電極層至第一電極層的擴(kuò)散。通過第一金屬的擴(kuò)散，第一電極層和第二電極層之間的第一金屬濃 度差以自然的方式減小，即第二電極層中第一金屬的濃度下降。根據(jù)一個實(shí)施方式，第二電極層作為金屬僅僅包含第一金屬。因此第二電極層例 如可以僅僅包含銅作為金屬。但是，第二電極層也可以包含銅(作為第一金屬)和例如鎳 氧化物的混合物或者銅和鎳的合金。在此，銅鎳合金應(yīng)理解為第一金屬。為了優(yōu)選在一個方向上發(fā)生擴(kuò)散從而僅僅使一種電極層在材料方面遭受損失并 且由此在機(jī)械上被削弱，優(yōu)選在第一電極層中和第二電極層中使用在壓電陶瓷材料中具有 不同擴(kuò)散率的金屬。優(yōu)選的是，將第一電極層和第二電極層之間的第一金屬的濃度差調(diào)整為使得在加 熱多層部件時第二電極層中的第一金屬的擴(kuò)散導(dǎo)致第二電極層的材料損失。在此，將濃度 差-即第一電極層中第一金屬的濃度相對于第二電極層中第一金屬的濃度-調(diào)整為使得在 第一金屬的一部分遷移之后第二電極層在結(jié)構(gòu)上保持完好。因此，第二電極層可以在多層 部件運(yùn)行時充當(dāng)電極層。相反，第二電極層的過高材料損失將導(dǎo)致，第二電極層連同壓電陶瓷層和極性相 反的電極層一起不能再建立顯著的電場，從而由此也不能實(shí)現(xiàn)與第二電極層相鄰的壓電陶 瓷的膨脹。因此，壓電多層部件在運(yùn)行時的性能將下降。尤其是，所述濃度差被調(diào)整為使得在第二電極層和可能施加在疊層的一側(cè)上的外 部接觸之間保持電連接。因此不應(yīng)由于第一金屬的擴(kuò)散而中斷在外部接觸和第二電極層之 間的電連接。優(yōu)選的是，壓電多層部件的壓電陶瓷層包含PZT(鋯酸鉛-鈦酸鹽)陶瓷。已經(jīng)證 實(shí)，金屬-尤其是銅-在對壓電多層部件進(jìn)行燒結(jié)期間可以以相對小的阻力擴(kuò)散通過PZT 陶瓷。因此，可以有助于壓電多層部件的兩個區(qū)域之間的金屬擴(kuò)散過程，其中第一金屬在這 兩個區(qū)域中具有不同的濃度。根據(jù)一個實(shí)施方式，中間產(chǎn)品包括壓電陶瓷和位于其間的電極層，其中第一電極 層包含作為主要組分的第一金屬，該第一金屬具有高于50%的重量份額。第一電極層包含 作為次要組分的不同于第一金屬的第二金屬，該第二金屬具有低于50%的重量份額，其中 關(guān)于金屬的擴(kuò)散，第一金屬在陶瓷材料中比第二金屬具有更高的移動性。第二電極層優(yōu)選 在疊層方向上與第一電極層相鄰，其中第二電極層包含的作為主要組分的第一金屬的重量 份額高于第一電極層中的相應(yīng)的重量份額。此外，說明一種用于制造壓電多層部件的方法，其中燒結(jié)這里所描述的中間產(chǎn)品， 其中第一金屬部分地從第二電極層擴(kuò)散到第一電極層中并且與此同時在第二電極層中留 下空腔，由此第二電極層在機(jī)械上被削弱。在壓電多層部件運(yùn)行時，在機(jī)械上被削弱的第二電極層可以充當(dāng)脆弱層，通過該 脆弱層，例如在該多層部件的特定拉力負(fù)荷下可能出現(xiàn)平行于壓電陶瓷層或者平行于電極 層延伸的受控制的裂縫。相鄰的壓電陶瓷層可以在燒結(jié)時在空腔之間的區(qū)域中連接。


根據(jù)以下實(shí)施例和圖詳細(xì)解釋所述主題。在此
圖1示出壓電執(zhí)行器的縱剖面圖；圖2a和2b示出壓電執(zhí)行器中的極化裂縫；圖3示出壓電執(zhí)行器的一個區(qū)段的縱剖面圖，其中第一電極層與第二電極層相 鄰；圖4示出壓電執(zhí)行器的一個區(qū)段的縱剖面圖，該區(qū)段具有極性相反的第一電極 層；圖5示出壓電執(zhí)行器的一個區(qū)段的縱剖面圖，該區(qū)段具有極性相同的第一電極層。
具體實(shí)施例方式圖1示出示意性示出的壓電執(zhí)行器的縱剖面圖，該壓電執(zhí)行器具有壓電陶瓷層2 和位于其間的電極層3的疊層1。在疊層1的兩個縱側(cè)上施加有外部金屬化層形式的外部 接觸4，外部接觸4與延伸至縱側(cè)的電極層3電接觸。不同極性的相鄰電極層在(平行于壓 電執(zhí)行器的疊層軸線的)正交投影中重疊。在稱作活化區(qū)域的重疊區(qū)域中，電場導(dǎo)致存在 于電極層之間的壓電陶瓷層2的偏轉(zhuǎn)或者膨脹的產(chǎn)生。極性相反的相鄰電極層3相互不重 疊的區(qū)域稱為非活化區(qū)域。在此區(qū)域中，幾乎不因?yàn)閴弘娦?yīng)而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。圖2a示出裂縫6如何連接壓電執(zhí)行器的多個電極層3、尤其是極性相反的電極層 3。發(fā)明人已經(jīng)確定壓電執(zhí)行器的可靠性決定性地取決于對可能出現(xiàn)的裂縫的控 制。在熱過程中，例如在800和1500°C之間的溫度下燒結(jié)時、在金屬化和焊接時以及在經(jīng) 燒結(jié)的壓電執(zhí)行器的極化時，由于活化區(qū)域和非活化區(qū)域中不同的膨脹而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力， 該機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致壓電執(zhí)行器的所謂的減壓裂縫和/或極化裂縫。這些裂縫在非活化區(qū)域中 沿著電極層3延伸或者在電極層3中延伸。在到活化區(qū)域中的過渡時，這些裂縫可以彎折。 在此如果這些裂縫跨越至少兩個電極層，則可能產(chǎn)生短路，所述短路可以導(dǎo)致壓電執(zhí)行器 的故障。相反地，平行于內(nèi)部電極的裂縫幾乎不危及壓電執(zhí)行器的使用壽命。圖3b示出壓電執(zhí)行器的疊層1中裂縫6的無危害的走向。在此，裂縫基本上平行 于電極層3或者壓電陶瓷層2地延伸，從而裂縫不連接極性相反的電極層并且因此也不造 成短路。避免根據(jù)圖2a的有害裂縫的思想在于使用由不同材料制成的相鄰金屬層，以激 發(fā)由于這些金屬層的不同組成而在燒結(jié)過程期間在更高溫度時將發(fā)生的擴(kuò)散過程。在擴(kuò)散 過程期間一個金屬層或者金屬層的合金的一種組分與其他金屬層或組分相比將失去更多 的材料。在此，在該金屬層中形成空腔，這導(dǎo)致該層的機(jī)械削弱。因此，極化裂縫或者其他 裂縫優(yōu)選在機(jī)械削弱的金屬層中形成并且僅僅在該層內(nèi)延伸。圖3示出壓電多層部件的疊層1的一個區(qū)段，其中在兩個第二電極層3b之間在壓 電陶瓷層2上施加有第一電極層3a，其中與相鄰的第二電極層相比，第一電極層3a具有更 低濃度的第一金屬。壓電陶瓷層例如包含具有根據(jù)以下公式的組成的陶瓷(PbxNdy) ((Zr1^zTiz) ^aNia) O3其中0. 90 ≤ χ ≤ 1. 10 ；
0. 0001 ^ y ^ 0. 06 ；0. 35 彡 ζ 彡 0. 60 ；OSa <0.10。第二電極層3b例如僅僅包含銅。第一電極層3a例如包含具有組成(l-x)Cu/xPd 的材料，其中0 < χ < 1。該材料或者可以是銅粉和鈀粉的混合物或者可以是這兩種金屬的 合金。可替代于此地也可以替代銅而使用其他的金屬，例如銀。第一電極層3a例如包含由 銀和鈀構(gòu)成的混合物或合金。第二電極層3b例如僅僅包含銀。第一電極層3a和第二電極層3b的組成方面的不同將在更高的溫度時激發(fā)擴(kuò)散過 程。已經(jīng)顯示出，銅在基于PZT的壓電陶瓷中顯示出比鈀更高的移動性。這導(dǎo)致僅僅在一 個方向上發(fā)生擴(kuò)散，即在從由純銅構(gòu)成的第二電極層3b到包含銅和鈀的第一電極層3a的 方向上發(fā)生擴(kuò)散。因此，包含銅和鈀的第一電極層3a充當(dāng)銅宿(Kupfersenke)的角色。在 與第一銅鈀電極層3a緊鄰的第二電極層3b中的材料損失導(dǎo)致在第二電極層3b中或者在 第二電極層3b與位于周圍或者相鄰的壓電陶瓷層2之間的臨界處形成空腔。因此，為受控 制的裂縫的形成和延伸創(chuàng)造了條件，這些裂縫基本上平行于壓電陶瓷層2。第二電極層3b中空腔的份額可以由第一電極層的組成、第一和第二電極層的厚 度以及由電極層中金屬顆粒的顆粒大小控制。在此，僅僅特定數(shù)量的電極層必須具有特殊的材料組成，以便激發(fā)擴(kuò)散過程。這簡 化了壓電執(zhí)行器的制造。第二電極層3b在壓電執(zhí)行器的燒結(jié)過程期間失去其材料的特定份額并且在機(jī)械 上被削弱。在此優(yōu)選地，在經(jīng)削弱的第二電極層中空腔的份額不會過大，從而所述第二電極 層在運(yùn)行時保持電活性，也就是說，可被用于建立電場。由此優(yōu)選的是，將兩種電極層的組 成調(diào)整為使得在以下兩個方面之間實(shí)現(xiàn)折中(a)空腔足夠多，以實(shí)現(xiàn)對第二電極層的足 夠削弱，(b)第二電極層中的空腔不過多，因此不發(fā)生壓電執(zhí)行器在運(yùn)行時的性能損失。如 果實(shí)現(xiàn)該折中，則這導(dǎo)致所述壓電執(zhí)行器的另一優(yōu)點(diǎn)壓電執(zhí)行器的整體可以保持電活性。壓電執(zhí)行器中的第二電極層3b還可以包含其他材料來代替銅，例如由銅和另一 金屬構(gòu)成的合金或者由銅粉與另一無機(jī)材料_例如金屬或氧化物_構(gòu)成的混合物。例如，第二電極層可以由銅和鎳的混合物或合金組成或者由銅和鎳氧化物的混合 物組成。以下更詳細(xì)地描述第一電極層的優(yōu)選組成。銅的重量份額為99. 9 %至70 %，尤其 優(yōu)選份額為97%至75%。第一電極層的剩余部分包含鈀作為金屬。在此，或者使用由銅和 鈀構(gòu)成的合金或者使用由銅粉和鈀粉構(gòu)成的混合物。第一電極層3a中和/或第二電極層3b中的銅顆粒具有0. 1至10 μ m的直徑，優(yōu) 選0.4至1.5μπι的直徑。第一電極層中的鈀顆粒同樣具有0. 1至10 μ m的直徑，優(yōu)選0. 4至1. 5 μ m的直徑。 其他金屬顆粒、例如金屬合金中的顆粒同樣可以具有所述大小。 優(yōu)選地，第一電極層3a和第二電極層3b借助于絲網(wǎng)印刷、噴鍍或者噴射施加在壓 電陶瓷層上。 兩種電極層3a、3b在壓電執(zhí)行器未燒結(jié)狀態(tài)中的厚度優(yōu)選在0. 1和20 μ m之間， 優(yōu)選在1. 0至10 μ m之間。
優(yōu)選的是，至少一個第一種電極層3a嵌入在壓電執(zhí)行器中。還可以將除一個電極 層外壓電執(zhí)行器的所有電極層3實(shí)現(xiàn)為第一電極層3a而將剩余的電極層實(shí)現(xiàn)為第二電極 層3b。因此，在燒結(jié)時產(chǎn)生至少一個脆弱電極層。但是優(yōu)選地，第一電極層3a占壓電執(zhí)行 器中存在的電極層3的總數(shù)的5至20%。圖4示出壓電執(zhí)行器的疊層1的一個區(qū)段的縱剖面圖，其中第一電極層3a交替地 在疊層2的不同縱側(cè)上延伸。因此，第一電極層3a的極性沿著疊層方向交替，因?yàn)榈谝浑?極層3a交替地與兩個不同的外部接觸(未示出，但為此參見圖1)接觸。圖5示出壓電執(zhí)行器的疊層1的一個區(qū)段的縱剖面圖，其中沿著疊層方向第一電 極層3a始終在疊層的同一縱側(cè)上延伸。因此，第一電極層3a可以理解為是同極性的，因?yàn)?這些第一電極3a接觸同一外部接觸(未示出，但為此參見圖1)。附圖標(biāo)記列表1由壓電陶瓷層和電極層構(gòu)成的疊層
2壓電陶瓷層
3電極層
3a第一電極層
3b第二電極層
4外部接觸
5裂縫
權(quán)利要求
一種作為中間產(chǎn)品的壓電多層部件，具有 上下相疊布置的未燒結(jié)的壓電陶瓷層(2)的疊層(1)，其中， 第一電極層(3a)施加在壓電陶瓷層(2)上并且包含第一金屬，其中， 第二電極層(3b)施加在另一壓電陶瓷層上并且在疊層方向上與所述第一電極層相鄰，其中， 所述第二電極層(3b)與所述第一電極層相比包含更高濃度的第一金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電多層部件，其中所述第一電極層(3)中的第一金屬的濃度最多為80%。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電多層部件， 其中所述第一金屬包括銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電多層部件， 其中所述第一金屬包括銀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電多層部件，其中所述第一金屬的顆粒直徑在0. 1和ΙΟμπι之間。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電多層部件，其中所述第一電極層(3a)包含額外的第二金屬，所述第二金屬不同于所述第一金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電多層部件，其中與所述第一金屬相比，所述第二金屬能較差地?cái)U(kuò)散通過與所述第一電極層(3a) 相鄰的壓電陶瓷層(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或者7所述的壓電多層部件，其中所述第二金屬選自鈀、鈹、鋁、錳、鋅、錫、鉍、鎳、鈷、鉻、鉬、鈮、銣。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的壓電多層部件，其中與所述第二金屬相比，在所述第一電極層(3)中存在更高濃度的第一金屬。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電多層部件， 其中所述第二電極層(3b)作為金屬僅僅包含所述第一金屬。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電多層部件，其中將所述第一電極層(3a)與所述第二電極層(3b)之間的所述第一金屬的濃度差調(diào) 整為使得在加熱所述多層部件時所述第二電極層(3b)中的第一金屬的擴(kuò)散導(dǎo)致所述第二 電極層(3b)的材料損失，其中所述第二電極層(3b)在結(jié)構(gòu)上保持完好，以便在所述多層部 件運(yùn)行時能充當(dāng)電極層。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的壓電多層部件， 其中所述壓電陶瓷層(2)包含PZT陶瓷。
13.一種用于制造壓電多層部件的方法，其中燒結(jié)根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的 作為中間產(chǎn)品制造的壓電多層部件，其中所述第一金屬部分地從所述第二電極層(3b)擴(kuò) 散到所述第一電極層(3a)中并且與此同時在所述第二電極層(3b)中留下空腔(7)，由此在 機(jī)械上削弱所述第二電極層(3b)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中相鄰的壓電陶瓷層(2)在燒結(jié)時在所述空腔(7)之間連接。
15.一種壓電多層部件，其能直接根據(jù)以上權(quán)利要求所述的方法生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種作為中間產(chǎn)品的壓電多層部件，其具有上下相疊布置的未燒結(jié)的壓電陶瓷層(2)的疊層(1)，其中第一電極層(3a)施加在壓電陶瓷層(2)上并且包含第一金屬。第二電極層(3b)施加在另一壓電陶瓷層(2)上并且與所述第一電極層(3a)在疊層方向上相鄰。所述第二電極層(3b)與所述第一電極層(3a)相比包含更高濃度的所述第一金屬。此外，說明一種用于制造壓電多層部件的方法，其中燒結(jié)中間產(chǎn)品并且第一金屬從所述第二電極層(3b)擴(kuò)散到所述第一電極層(3a)并且與此同時在機(jī)械上削弱所述第二電極層(3b)。
文檔編號H01L41/083GK101978521SQ200980110397
公開日2011年2月16日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者A·格拉朱諾夫, O·德諾夫澤克 申請人:埃普科斯股份有限公司