專利名稱：制造單片多層執(zhí)行器的方法 ,由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的單片多層執(zhí)行器 ,以及 ...的制作方法
根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分，本發(fā)明涉及一種制造由壓電陶瓷或電致伸縮材料構(gòu)成的單片多層執(zhí)行器的方法，其中所述執(zhí)行器通過對原薄膜(Grünfolie)進行燒結(jié)在某種程度上以多個壓電板的機械串接結(jié)構(gòu)的形式被構(gòu)造成層疊式結(jié)構(gòu)，板狀層疊結(jié)構(gòu)內(nèi)已知的內(nèi)部電極引向?qū)γ娴膶盈B式結(jié)構(gòu)的外表面，并在那里借助于各電極組的基礎(chǔ)金屬化層(Grundmetallisierung)及外部觸點并聯(lián)連接。另外根據(jù)權(quán)利要求13的前序部分，本發(fā)明還涉及一種由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的單片多層執(zhí)行器，其中該執(zhí)行器是壓電板構(gòu)成的層疊式結(jié)構(gòu)，其中提供了內(nèi)部電極、共同的基礎(chǔ)金屬化層及外部觸點。根據(jù)權(quán)利要求21的前序部分，還涉及一種用于由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的單片多層執(zhí)行器的外部電觸點。
壓電執(zhí)行器是機電傳感器，其中利用了相互間的壓電效應(yīng)。在一個壓電板上施加電場，所述壓電板的主平面上帶有電極，該主平面在板厚度的方向上被極化，使壓電板發(fā)生變形。當(dāng)所施加的電場平行于原極性場定向時，在板厚度的方向上拉伸，同時在垂直于場的方向上收縮。
通過將多個這種壓電板相互堆疊，構(gòu)成壓電板在機械上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)以及在電氣上的并聯(lián)電路，能夠?qū)⒏鱾€壓電板的變形相加。在拉伸度大約為0.1-0.2％、場強為2KV/mm的情況下，可以實現(xiàn)每毫米結(jié)構(gòu)高度大約1-2μm的偏移。
對于單片多層執(zhí)行器已經(jīng)在原始狀態(tài)(grünen Zustand)下實現(xiàn)了層疊式結(jié)構(gòu)，并且通過燒結(jié)實現(xiàn)最終的連結(jié)。這里多至幾百個壓電陶瓷原薄膜與金屬化的內(nèi)部電極交替地堆疊、擠壓并燒結(jié)為一個單片體。其中內(nèi)部電極交替地伸出到相對的面上，直到到達各個表面，并通常在那里通過基礎(chǔ)金屬化層以厚膜或薄膜方式實現(xiàn)彼此的連結(jié)。這種設(shè)計也用來實現(xiàn)交互數(shù)字電極。一個壓電執(zhí)行器包括壓電陶瓷層和內(nèi)部電極組，這些電極分別引到相對的面上，直到到達表面?；A(chǔ)金屬化用于形成各電極組的并聯(lián)電路。此外，還具有非活性區(qū)域，它在極化情況下以及在執(zhí)行器的正常工作情況下都不產(chǎn)生壓電方式的拉伸。
在帶有交互數(shù)字電極的多層執(zhí)行器中的這種非活性區(qū)域在這種產(chǎn)品的可制造性和可靠性方面以及在實現(xiàn)這種產(chǎn)品的最終生產(chǎn)過程的情況下是一項評價因素。由于在非活性區(qū)域中、以及在與拉伸強度很小的壓電陶瓷材料的連接部分中的拉伸應(yīng)力集中度很高，在極化時會產(chǎn)生高至0.3％的殘余拉伸，或者隨后在工作中產(chǎn)生不希望的開裂。
上述不可控制的開裂形成會引起執(zhí)行器多種不同的故障。首先是在執(zhí)行器內(nèi)部裂縫不斷增長，當(dāng)裂縫從一個電極層增長到另一個電極層時，一方面會引起執(zhí)行器的機械損壞，另一方面由此可能會出現(xiàn)內(nèi)部的電火花。通過適當(dāng)?shù)奶幚砉に嚹軌蛳拗茍?zhí)行器內(nèi)部的裂縫增長。但是在執(zhí)行器表面方向上的裂縫增長是無法避免的。如果裂縫到達執(zhí)行器表面，會使得涂覆在表面上的基礎(chǔ)金屬化層發(fā)生斷裂。這樣在部分區(qū)域內(nèi)執(zhí)行器與電壓導(dǎo)線的電氣連接會發(fā)生中斷，從而在基礎(chǔ)金屬化層的斷裂部位出現(xiàn)電火花。這種電火花最后又會引起執(zhí)行器的完全崩潰。
為了解決所提出的問題已知有多種解決方案，其目的在于通過附加措施避免形成開裂，或者在無法避免的不受控制的形成開裂的情況下減少或消除表面上的基礎(chǔ)金屬化層的電火花。
JP58-196077公開了一種多層執(zhí)行器及其制造方法，其中沿著執(zhí)行器軸置入了多個深度約為0.5mm、平行于執(zhí)行器內(nèi)的內(nèi)部電極的縫隙。這些縫隙類似與其他技術(shù)領(lǐng)域中已知的膨脹縫(Dehnungsfuge)，用于降低壓力集中程度，從而避免不受控制的開裂形成，或者避免執(zhí)行器構(gòu)造中裂縫的增長。然而其缺點在于，通過這些縫隙也減小了執(zhí)行器的承載橫截面面積，同時降低了執(zhí)行器在使用中的耐壓強度。在所給出的例子中，當(dāng)整個橫截面為4×4mm2時，執(zhí)行器的承載橫截面減小到3×3mm2。在所述方法中，通過可熱分解的層、在燒結(jié)時在原始陶瓷薄膜上形成縫隙，該方法還有另外的問題在燒結(jié)時可能會導(dǎo)致可能不受控制的裂縫增長，這只能通過內(nèi)部電極的花費特別大的實現(xiàn)方式才能避免。這里在燒結(jié)時出現(xiàn)開裂的原因是由于在擠壓時原始層疊結(jié)構(gòu)的不均勻壓縮而引起的。
在EP0844678A1中同樣會有出現(xiàn)開裂的問題，并且當(dāng)由于裂縫損害基礎(chǔ)金屬化層時會產(chǎn)生不利的后果。
為了避免對執(zhí)行器的損傷，其中建議在電壓導(dǎo)線和基礎(chǔ)金屬化層之間植入一個三維構(gòu)造的導(dǎo)電電極，它僅部分地與基礎(chǔ)金屬化層相連接，并且在觸點位置之間可拉伸地構(gòu)造。實際中能夠?qū)崿F(xiàn)這種三維構(gòu)造，但開銷非常大，因為部分觸點位置必須具有內(nèi)部電極間隔數(shù)量級內(nèi)的限定的間隔。
在根據(jù)DE19646676C1的壓電執(zhí)行器的一種可靠的觸點連接結(jié)構(gòu)中，在構(gòu)造為觸點帶的基礎(chǔ)金屬化層上設(shè)置了一個具有高抗開裂性的導(dǎo)電的觸點凸起(Kontaktfahne)，以保留觸點凸起的突出的區(qū)域。其中觸點凸起的突出的區(qū)域必須設(shè)計為足夠大，使得出現(xiàn)的裂縫不會將觸點凸起完全分開。但是這種結(jié)構(gòu)在操作時非常敏感。已知在壓電執(zhí)行器的表面上的基礎(chǔ)金屬化層只有非常小的耐磨性。很小的耐磨性會導(dǎo)致基礎(chǔ)金屬化層從執(zhí)行器表面剝離，從而部分地或完全地喪失與內(nèi)部電極的電氣接觸。
另外一種避免從執(zhí)行器體到表面電極的裂縫增長的方案由DE10017331C1所公開。其中建議在基礎(chǔ)金屬化層和外部電極之間設(shè)置一個導(dǎo)電的粉末層。盡管這種結(jié)構(gòu)避免了裂縫的發(fā)展，但是在技術(shù)上的可靠實現(xiàn)需要很大的開銷，因為粉末部分與內(nèi)部和外部電極相互之間的電連接僅通過接觸來實現(xiàn)，這需要最小的接觸壓力。此外，接觸觸點非常容易受到腐蝕。
在WO00-79607和WO00-63980所公開的解決方案中，每個向外伸出到表面上的電極分別進行接觸。當(dāng)電極間隔為50-250μm時，這種方案開銷很大。
由上面的描述可知，本發(fā)明的目的在于提供一種制造由壓電陶瓷或電致伸縮材料構(gòu)成的單片多層執(zhí)行器的方法，利用該方法實現(xiàn)了執(zhí)行器的較高可靠性和長時間穩(wěn)定性，此外它能夠在執(zhí)行器橫截面很小的情況下承受很高的壓力。另外，本發(fā)明的目的在于提供一種由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的單片多層執(zhí)行器，其中這種新型的執(zhí)行器提供了改進了的應(yīng)用特性。最后還提供了一種用于單片多層執(zhí)行器的外部電觸點，它有效避免了由于基礎(chǔ)金屬化層中出現(xiàn)開裂而引起的電火花，并且能夠用電子工業(yè)中常用的工藝來制造。
本發(fā)明的任務(wù)中涉及到方法的解決方案由權(quán)利要求1所限定的指導(dǎo)來實現(xiàn)。
多層執(zhí)行器本身涉及權(quán)利要求13的特征組合，外部電觸點涉及到權(quán)利要求21所述的特征。
從屬權(quán)利要求分別給出了至少符合目的本發(fā)明主題的實施例及改進。
本發(fā)明的基本思想是權(quán)利要求中所體現(xiàn)的指導(dǎo)沿著執(zhí)行器軸、并且基本上平行于內(nèi)部電極，在至少兩個相對設(shè)置的外表面的區(qū)域內(nèi)，交替地向外引出內(nèi)部電極，在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中引入輕微干擾使得所述干擾在某種程度上影響事先已知的位置處的開裂源，其中裂縫的增長是可控的。外部觸點通過目前已知的方式借助于薄膜或厚膜工藝所實現(xiàn)的基礎(chǔ)金屬化層來形成，其中在輕微干擾的位置與可能的、向外伸出的裂縫之間的電極區(qū)域通過一個耐拉伸的第二外部電極相互連接。
通過有目的地引入作為潛在開裂源的結(jié)構(gòu)弱化，可以有目的地控制進一步的裂縫形成。當(dāng)開裂源的間隔在1-4mm、最好是2-3mm的范圍內(nèi)時，這樣來減弱內(nèi)部的機械應(yīng)力，使得在開裂源之間的部分內(nèi)、并且在周期負荷遠大于109周(Zyklen)時不會觀察到進一步的開裂形成。
對于本發(fā)明具有重要意義的是，有目的地在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中加入的輕微干擾本身不會產(chǎn)生開裂。有目的地受到控制的開裂只有在執(zhí)行器的極化之后才出現(xiàn)，并且僅在極化時出現(xiàn)殘余拉伸的范圍內(nèi)出現(xiàn)。這樣，該結(jié)構(gòu)在敷設(shè)基礎(chǔ)金屬化層的步驟中已經(jīng)閉合，也不會在壓電陶瓷材料中滲入金屬化材料，這會使得如此實現(xiàn)的執(zhí)行器的質(zhì)量有顯著的改善。
輕微干擾在局部區(qū)域內(nèi)避免了原薄膜與不分層(Delaminierung)的產(chǎn)物燒結(jié)在一起。
為了實現(xiàn)這種不分層，可以在所希望的輕微干擾的區(qū)域內(nèi)，在形成層疊結(jié)構(gòu)時敷設(shè)一層或者大量有機粘結(jié)劑，該有機粘結(jié)劑含有體積含量高至50％的有機顆粒，其直徑≤200nm，它在燒結(jié)過程中近似于完全燒盡。
上述層可以通過絲網(wǎng)印刷來敷設(shè)，并且在燒結(jié)之前通過擠壓來壓縮，使得嵌入原薄膜中的陶瓷顆粒僅部分地接觸或者不發(fā)生接觸，以有目的地完全或部分地避免燒結(jié)在一起。
作為替代，可以通過大量直徑≤1μm的無機填充顆粒來形成輕微干擾，其中這種填充顆粒不與層疊結(jié)構(gòu)的壓電材料發(fā)生反應(yīng)。所述填充顆粒通過已知的方法摻入粘結(jié)劑，并作為粘結(jié)劑的組成部分。
在另外一種實施方式中，輕微干擾可以通過刻痕(Kerbanrisse)來誘發(fā)，其中這種刻痕在原始狀態(tài)或者燒結(jié)狀態(tài)下生成，但不會減小執(zhí)行器層疊結(jié)構(gòu)的承載橫截面。
這樣，潛在位置處的裂縫通過有意地引入輕微干擾而為人所知，可以在了解裂縫位置或情況的條件下設(shè)置外部觸點。根據(jù)本發(fā)明，外部觸點分別由平面狀的彎曲鉸鏈電極(Biegegelenkelektrode)構(gòu)成，它與基礎(chǔ)金屬化層至少在輕微干擾之間的區(qū)域內(nèi)電氣連接。
具體來說，平面狀的彎曲鉸鏈電極包括一個焊接上的銅/鈹條，其中這個條分別包括開放橢圓形的部分。各開放橢圓的長軸在各輕微干擾的區(qū)域內(nèi)延伸。
在一種替代方案中，彎曲電極被實現(xiàn)為蛇曲形或雙蛇曲形電極，其中蛇曲形的連接部分分別在輕微干擾的區(qū)域內(nèi)延伸。
在彎曲電極上具有用于與基礎(chǔ)金屬化層相連接和/或連接到其他線路的焊接部分或焊點。
形成執(zhí)行器的層疊式結(jié)構(gòu)包含無電極的無源端層作為力耦合面。第一個輕微干擾到無源端層之間的距離與其余在縱軸上分布的輕微干擾的整個距離相等，或者等于其余在縱軸上分布的輕微干擾的距離的一半。
根據(jù)本發(fā)明的由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的多層執(zhí)行器沿著層疊結(jié)構(gòu)的縱軸、基本上平行于內(nèi)部電極具有不分層的微結(jié)構(gòu)干擾，其中在層疊結(jié)構(gòu)的耐壓強度相同時，該處的耐拉伸強度小于周圍的結(jié)構(gòu)。
此外，單片多層執(zhí)行器分別具有耐拉伸的平面狀外部電極，所述外部電極在不分層的微結(jié)構(gòu)干擾之間僅逐點地與基礎(chǔ)金屬化層相連接。
在一個實施例中外部電極可以設(shè)計為帶有彎曲鉸鏈功能的蛇曲形或雙蛇曲形。這種外部電極也可以構(gòu)造為帶有彎曲鉸鏈功能的橢圓環(huán)形式的相互串接的開放橢圓，其中在各橢圓之間設(shè)置有基本上沿短軸方向延伸的連接接片或接觸接片。
外部電極的各開放橢圓的長軸基本上在微結(jié)構(gòu)干擾的區(qū)域內(nèi)延伸。在該處可能出現(xiàn)的、向外延伸的裂縫不會引起觸點的電氣中斷。
在執(zhí)行器的上端部和/或下端部形成的無源端層可以設(shè)計為一體的絕緣層，其承載或容納耦合元件。
根據(jù)本發(fā)明的用于單片多層執(zhí)行器的外部電觸點由外部電極構(gòu)成，所述外部電極的形式為耐拉伸的、在一定程度上具有彈性的、僅僅逐點與基礎(chǔ)金屬化層相連的金屬導(dǎo)電條，其具有多個單個的、位于一個平面內(nèi)的彎曲鉸鏈。所述的金屬條例如由銅/鈹合金制成，或者由具有類似特性的材料構(gòu)成。
總的來說本發(fā)明的解決方案在于，有意地在執(zhí)行器材料中進行結(jié)構(gòu)弱化，使得隨后當(dāng)執(zhí)行器經(jīng)受極化時，在已知的位置處首次出現(xiàn)裂縫。這樣，有意產(chǎn)生的裂縫的位置是已知的，可以通過相應(yīng)的可伸縮的電極結(jié)構(gòu)始終實現(xiàn)或保持可靠的電接觸。
眾所周知，裂縫增長基本上垂直于執(zhí)行器的縱軸，并且雙向增長，這意味著裂縫增長不僅向執(zhí)行器內(nèi)部發(fā)展，還向外發(fā)展到基礎(chǔ)金屬化層。這通常會帶來不利的結(jié)果。但是根據(jù)本發(fā)明，由于裂縫的位置是已知的，可以更改外部觸點，可以預(yù)先考慮到潛在的裂縫，從而減少了現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)故障的情況。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，需要置入盡可能多的切口或凹槽，尤其是在執(zhí)行器的末端區(qū)域內(nèi)開槽，因為執(zhí)行器中的壓力關(guān)系本身并不知道。但是所要置入的每個切口或凹槽本身都導(dǎo)致了執(zhí)行器的機械穩(wěn)定性及負荷能力的降低。
而在本發(fā)明中實現(xiàn)了有目的的結(jié)構(gòu)改變，當(dāng)出現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)力時，這種結(jié)構(gòu)改變也可能引起潛在的開裂，但是這與事先通過開槽使結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)機械弱化比起來是微不足道的，這里的凹槽例如通過銑磨、刻槽或類似方法來形成。由現(xiàn)有技術(shù)已知的凹槽對應(yīng)于材料切損耗。但顯而易見執(zhí)行器的材料損耗區(qū)域不再具有牢固性。
當(dāng)向粘結(jié)層摻入較大的、避免燒結(jié)到一起的顆粒時，帶來了具有優(yōu)點的效果，即通過這種顆粒保證了承載能力和受力能力。其中重要之處在于，在執(zhí)行器中只對執(zhí)行器縱軸方向上的應(yīng)力感興趣。
根據(jù)本發(fā)明的刻痕是不能與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的宏觀尺寸的凹槽相提并論的。這里的刻痕尤其是指微米范圍內(nèi)的壓印，它在某種程度上可與由材料測試中所知的試驗樣本的壓印相比。
如上所述，考慮到對于由單個薄膜構(gòu)成的相疊排列的層，在薄膜或?qū)拥倪x定區(qū)域之間產(chǎn)生不分層的效果。這意味著，在該處不可能有拉伸應(yīng)力，而相鄰薄膜相互層疊得很厚，以可以傳遞壓力，這與現(xiàn)有技術(shù)中帶有切口或凹槽的區(qū)域是不同的。
在一個實施例中，在執(zhí)行器的上部和/或下部末端區(qū)域內(nèi)的兩個交替引出的電極之間的距離很大，是與位于其下的相鄰電極之間的距離的兩倍。由于有了較大的間隔，可以避免通過微結(jié)構(gòu)改變引起的裂縫進入到電極區(qū)域中，并由此避免了執(zhí)行器內(nèi)部電極的斷裂。該處所施加的另外的場強所帶來的缺點始終由于執(zhí)行器在該區(qū)域內(nèi)積極的效率改善而得以消除。
下面借助于實施例和附圖更詳細地描述本發(fā)明。圖中所示

圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的層疊式執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的原理圖；圖2a為極化前根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器；圖2b為極化后的執(zhí)行器；圖3a為帶有蛇曲形電極的外部觸點的實施方式；圖3b為帶有開放橢圓的外部電極的實施方式；圖4a為根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器的截面圖，其中在上述末端區(qū)域內(nèi)相對設(shè)置的內(nèi)部電極的間隔發(fā)生了變化；圖4b為根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器的部分側(cè)視圖，其中可以看到彎曲鉸鏈形式的電板結(jié)構(gòu)，被設(shè)計為開放的、通過接片連接的橢圓。
圖1中所示的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層執(zhí)行器的實施方式是從一種交互數(shù)字電極結(jié)構(gòu)出發(fā)的。用附圖標(biāo)記1來表示執(zhí)行器本身，用附圖標(biāo)記2來表示壓電陶瓷層。內(nèi)部電極3和4分別引出到相對的面上，直至達到表面。基礎(chǔ)金屬化層5用作各電極組的并聯(lián)電路。執(zhí)行器1的一個非活性區(qū)域6在極化時以及在執(zhí)行器1工作時都不會發(fā)生壓電拉伸，并形成了壓力開裂潛在位置。
根據(jù)圖2a和2b中的實施例，本發(fā)明所述的執(zhí)行器包括壓電陶瓷層2，其厚度范圍為20-100μm。所述的層通過最好是由AgPd合金構(gòu)成的內(nèi)部電極3和4相互連接，所述內(nèi)部電極交替地引出到相對設(shè)置的表面上。
向外引出的電極3，4通過敷設(shè)在側(cè)面上的基礎(chǔ)金屬化層5相互連接，以得到各壓電陶瓷層的電氣并聯(lián)電路。
在區(qū)域6中，在執(zhí)行器的極化或工作時，未伸到表面的電極3，4由于不均勻的電場分布以已知方式產(chǎn)生了機械應(yīng)力集中，尤其是拉伸應(yīng)力，它最終會導(dǎo)致不希望的無法控制的開裂形成。
通過有意地產(chǎn)生作為開裂源7起作用的結(jié)構(gòu)弱化，可以控制開裂的形成。
當(dāng)開裂源7的間距范圍為1-4mm，最好是2-3mm時，可以控制內(nèi)部機械應(yīng)力，使得在開裂源之間的部分內(nèi)、并且當(dāng)負荷高于109周的情況下不會觀察到進一步的裂縫形成。
圖2b示出了極化之后的根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器。這里示意性地繪出了緩解應(yīng)力的效果。其中一方面，有意引入的開裂增長8從開裂源7出發(fā)延伸到執(zhí)行器內(nèi)部，這種開裂增長借助于適當(dāng)?shù)哪芰拷档偷慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計、通過預(yù)先規(guī)定的粒度大小和孔隙率自行停止或中斷。
但是另一方面，在位置9處的基礎(chǔ)金屬化層內(nèi)也產(chǎn)生了開裂增長，這在最不利的情況下會引起基礎(chǔ)金屬化層5的割裂。
在所示實施例中，各區(qū)域的電連接通過一根弧形敷設(shè)的線路10來實現(xiàn)，該線路逐點地通過一個焊點11與基礎(chǔ)金屬化層相連接。
上面提到的開裂源在執(zhí)行器中可以通過不同的方式實現(xiàn)。在預(yù)先確定的位置處基本上完全或部分地避免了相互層疊并擠壓的原薄膜燒結(jié)到一起，這樣在這些位置處相對于周圍的結(jié)構(gòu)可以降低耐拉伸強度。上述方案這樣來實現(xiàn)在構(gòu)造層疊結(jié)構(gòu)時，通過絲網(wǎng)印刷在預(yù)先給定的區(qū)域內(nèi)敷設(shè)一個有機粘結(jié)劑層，所述有機粘結(jié)劑填充有體積含量高至50％、直徑＜200nm的有機顆粒，其在燒結(jié)過程中被完全燒盡。該層在其他方法階段或處理階段當(dāng)壓制為厚度＜1μm時擠壓到一起，并且不接觸到或者僅僅部分接觸到嵌入到原薄膜中的陶瓷體，從而在燒結(jié)時完全或部分避免了材料從顆粒到顆粒之間的傳遞。
一種作為替代的可能方案在于，不是采用有機填充顆粒，而是采用不與壓電材料發(fā)生反應(yīng)的直徑＜1μm的無機顆粒，例如ZrO2或帶有與執(zhí)行器材料基本相同的成分的、經(jīng)過燒結(jié)的PZT材料粉末，作為粘結(jié)劑。也可以這樣來生成開裂源在原始狀態(tài)下或者在燒結(jié)后的狀態(tài)下實現(xiàn)微刻痕。
上面所描述的通過在執(zhí)行器內(nèi)有目的地引入裂縫以消除內(nèi)部機械應(yīng)力的方法相對于已知的解決方案具有顯著的優(yōu)點。這樣例如執(zhí)行器可承擔(dān)負荷的橫截面僅僅略微減小，因為在壓力作用時有意產(chǎn)生的開裂面在執(zhí)行器軸的方向上相互壓緊，從而對承載橫截面做出了貢獻。另外一個優(yōu)點在于，最早在極化時裂縫裂開，從而在敷設(shè)基礎(chǔ)金屬化層時不會有金屬顆粒進入到執(zhí)行器內(nèi)部。從而相應(yīng)設(shè)計的執(zhí)行器相對于現(xiàn)有技術(shù)質(zhì)量明顯改善。優(yōu)點還在于，可以為執(zhí)行器的可靠且長時間穩(wěn)定的電接觸實現(xiàn)一種簡單的、抗拉伸的外部電極，它僅逐點地與緩解應(yīng)力的裂縫之間的基礎(chǔ)金屬化層相連接。
抗拉伸且有彈性的外部電極12的一種實施方式在圖3a中表示為縫隙狀或蛇曲形。其中還示出了沒有內(nèi)部電極的無源端層14，它形成了力耦合面。這個端層14例如可以由單片絕緣材料構(gòu)成，并且用于容納不同的耦合元件。
圖3b示出了執(zhí)行器的一種同樣設(shè)置有無源端面14的實施方式。其中帶有固體鉸鏈的外部電極具有開放橢圓13的形狀。各開放橢圓的長軸基本上位于所期望的裂縫的區(qū)域內(nèi)。各橢圓具有接片15，這些接片用于與橢圓13進行相互的電氣接觸。在接片15的區(qū)域內(nèi)分別形成了一個焊點11。
根據(jù)圖3所示的實施方式，第一個緩解應(yīng)力的裂縫7至無源端層14之間的距離與緩解應(yīng)力的裂縫相互之間的距離相同。在根據(jù)圖3b的第二個實施例中，第一個緩解應(yīng)力的裂縫7至無源端層14之間的距離等于其余應(yīng)力裂縫相互之間的距離的一半。
圖4a示出了內(nèi)部電極3和4在執(zhí)行器的特定部分內(nèi)設(shè)置的較大的間距。這種相對于相鄰內(nèi)部電極倍增的間距會導(dǎo)致在其之間的裂縫7向內(nèi)部電極延伸的危險，其觸點會向內(nèi)斷裂到基礎(chǔ)金屬化層及相應(yīng)的電連接。
在圖3a和3b中簡要示出的例如由銅-鈹材料制成的外部電極的平面狀結(jié)構(gòu)僅僅作為示例。原則上每種平面狀的外部電極形狀都適合于在側(cè)向方向上承受不會引起損傷的膨脹力或應(yīng)力。
附圖標(biāo)記列表1 執(zhí)行器2 壓電陶瓷層3，4 內(nèi)部電極5 基礎(chǔ)金屬化層6 執(zhí)行器的非活性區(qū)域7 微結(jié)構(gòu)改變8 通過極化有意實現(xiàn)的微小裂縫9 基礎(chǔ)金屬化層的斷裂10弧形敷設(shè)的線路11焊點12蛇曲形的外部電極13相應(yīng)設(shè)計的外部電極的橢圓14執(zhí)行器的末端區(qū)域，最好實現(xiàn)為單片的絕緣層15橢圓形外部觸點的連接接片
權(quán)利要求
1.制造由壓電陶瓷或電致伸縮材料構(gòu)成的單片多層執(zhí)行器的方法，其中所述執(zhí)行器通過對原薄膜進行燒結(jié)在某種程度上以多個壓電板的機械串接結(jié)構(gòu)的形式被構(gòu)造成層疊式結(jié)構(gòu)，在板狀層疊結(jié)構(gòu)中設(shè)置的內(nèi)部電極引到相對設(shè)置的層疊結(jié)構(gòu)的外表面上，并在該處借助于各電極組的基礎(chǔ)金屬化層及外部觸點并聯(lián)連接，其特征在于，沿著層疊結(jié)構(gòu)的縱軸，基本上平行于內(nèi)部電極并與內(nèi)部電極相隔一段距離，在至少兩個相對設(shè)置的外表面的區(qū)域內(nèi)，在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中有目的地引入輕微干擾，所述內(nèi)部電極引向所述外表面區(qū)域，最早在執(zhí)行器的極化時，所述輕微干擾在執(zhí)行器內(nèi)部形成預(yù)先給定的、受限的、緩解應(yīng)力的開裂增長，此外至少在輕微干擾的區(qū)域內(nèi)，在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中抗拉伸或有彈性地形成所述基礎(chǔ)金屬化層和/或外部觸點。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輕微干擾在局部區(qū)域內(nèi)避免了原薄膜燒結(jié)到一起。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在形成層疊式結(jié)構(gòu)時，在輕微干擾的區(qū)域內(nèi)敷設(shè)一層或大量的有機粘結(jié)劑，所述有機粘結(jié)劑含有體積成分高至50％、直徑≤200nm的有機顆粒，它在燒結(jié)過程中接近于完全燒盡。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的層通過絲網(wǎng)印刷來敷設(shè)，其中該層在燒結(jié)之前通過擠壓來壓縮，使得嵌入到原薄膜中的陶瓷顆粒僅僅部分發(fā)生接觸或者不發(fā)生接觸，從而有意地完全或部分地避免燒結(jié)到一起。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過大量直徑≤1μm的、與層疊結(jié)構(gòu)的壓電材料不發(fā)生反應(yīng)的無機填充顆粒來形成所述微結(jié)構(gòu)，其中采用所述填充顆粒作為粘結(jié)劑。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述輕微干擾通過刻痕所引起，所述刻痕在原始狀態(tài)或者燒結(jié)后的狀態(tài)下生成，但是不會減少執(zhí)行器層疊結(jié)構(gòu)的承載橫截面面積。
7.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在知道置入或設(shè)置的輕微干擾的位置的情況下設(shè)置外部觸點，其中外部觸點分別包含一個平面狀的彎曲鉸鏈電極，所述電極至少在輕微干擾之間的區(qū)域內(nèi)與基礎(chǔ)金屬化層逐點地或者分段地形成電連接。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述彎曲的電極由焊接上的銅/鈹條構(gòu)成，所述條分別包括具有開放橢圓形的部分，其中各開放橢圓的長軸分別在一個輕微干擾的區(qū)域內(nèi)延伸。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述彎曲的電極設(shè)計為蛇曲形或雙蛇曲形的電極，其中蛇曲形電極的連接部分分別在輕微干擾的區(qū)域內(nèi)延伸。
10.如權(quán)利要求7至9中任一項所述的方法，其特征在于，在所述彎曲的電極上設(shè)置有用于其他線路的焊接部分或焊點。
11.如以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在所述層疊式結(jié)構(gòu)上敷設(shè)無電極的無源端層，作為力耦合面。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，第一個輕微干擾至所述無源端層的距離與其余在縱軸上分布的輕微干擾之間的距離相同，或者等于其余在縱軸上分布的輕微干擾之間的距離的一半。
13.由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的單片多層執(zhí)行器，其中所述執(zhí)行器為壓電板構(gòu)成的層疊式結(jié)構(gòu)，所述層疊式結(jié)構(gòu)提供了內(nèi)部電極、共同的基礎(chǔ)金屬化層和外部觸點，其特征在于，沿著層疊結(jié)構(gòu)的縱軸，基本上平行于所述內(nèi)部電極，設(shè)置不分層的微結(jié)構(gòu)干擾，所述微結(jié)構(gòu)干擾相對于周圍的結(jié)構(gòu)減小了耐拉伸強度，同時保持了層疊結(jié)構(gòu)的耐壓強度。
14.如權(quán)利要求13所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，耐拉伸的、平面狀的外部電極在不分層的微結(jié)構(gòu)干擾之間的區(qū)域內(nèi)僅逐點地與基礎(chǔ)金屬化層相連接。
15.如權(quán)利要求14所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，所述外部電極是平面狀構(gòu)造的銅/鈹條。
16.如權(quán)利要求14所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，所述外部電極具有帶有彎曲鉸鏈功能的蛇曲形或雙蛇曲形形狀。
17.如權(quán)利要求14所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，所述外部電極具有帶有彎曲鉸鏈功能的、一個接一個串接的、開放橢圓的形狀，其中在橢圓之間基本上在短軸的方向上設(shè)置有連接接片和接觸接片。
18.如權(quán)利要求17所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，外部電極的各開放橢圓的長軸基本上在微結(jié)構(gòu)干擾的區(qū)域內(nèi)延伸。
19.如權(quán)利要求13至18所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，無電極的無源端層在執(zhí)行器的上部和/或下部末端區(qū)域上形成。
20.如權(quán)利要求19所述的單片多層執(zhí)行器，其特征在于，所述無源端層包括一個單片絕緣層，它承載或容納耦合元件。
21.用于由壓電陶瓷或電致伸縮材料制成的單片多層執(zhí)行器的外部電觸點，其中所述執(zhí)行器包括一個帶有內(nèi)部電極和基礎(chǔ)金屬化層的壓電板構(gòu)成的層疊式結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外部電極具有一個耐拉伸的、與基礎(chǔ)金屬化層僅逐點連接的金屬條，所述金屬條具有多個單個的、位于一個平面內(nèi)的彎曲鉸鏈。
22.如權(quán)利要求21所述的外部電觸點，其特征在于，所述金屬條由銅/鈹材料合金構(gòu)成。
23.如權(quán)利要求21或22所述的外部電觸點，其特征在于，所述金屬條具有蛇曲形或雙蛇曲形的形狀。
24.如權(quán)利要求21或22所述的外部電觸點，其特征在于，所述金屬條由通過接片相連的一個接一個串接的開放橢圓構(gòu)成，其中最好在接片的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造單片多層執(zhí)行器的方法，相應(yīng)的單片多層執(zhí)行器，及用于單片多層執(zhí)行器的外部電觸點。根據(jù)本發(fā)明，沿著執(zhí)行器的層疊結(jié)構(gòu)的縱軸，基本上平行于內(nèi)部電極且與內(nèi)部電極相隔一段距離，在至少兩個相對設(shè)置的外表面的區(qū)域內(nèi)，在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中有目的地加入輕微干擾，已知的內(nèi)部電極伸向所述外表面區(qū)域。最早在執(zhí)行器的極化時，所述輕微干擾在內(nèi)部和/或向著外部電極形成了一個預(yù)先給定的、受限的緩解應(yīng)力的開裂增長，其中至少在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中的輕微干擾的區(qū)域內(nèi)抗拉伸或有彈性地形成基礎(chǔ)金屬化層和/或外部觸點。
文檔編號H01L41/293GK1659719SQ03813218
公開日2005年8月24日 申請日期2003年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者阿斯特里德·海因茨曼, 埃伯哈德·亨尼希, 丹尼爾·科普施, 帕特里克·佩爾奇, 斯特凡·里希特, 艾克·韋斯多費爾 申請人:Pi陶瓷技術(shù)及元件有限公司