專利名稱：固態(tài)致動器，尤其是壓電陶瓷致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)致動器，尤其是一種壓電陶瓷致動器，其具有一基片，所述基片上涂覆有至少一個致動器層，所述致動器層特別為一壓電陶瓷層，其中，所述致動器層布置在復(fù)數(shù)個接觸電極之間。
背景技術(shù)：
已知的最簡單的固態(tài)致動器，尤其是壓電陶瓷致動器，由一致動器材料與一基片構(gòu)成，或由例如兩個以上附著在一起的圓片構(gòu)成，所述圓片是由壓電陶瓷材料制成的。通過在一個或復(fù)數(shù)個致動器層的兩側(cè)沉積接觸電極并在所述接觸電極上施加一電壓，可在所述接觸電極之間形成一電場，從而使壓電陶瓷材料受到電場的作用，其結(jié)果是，所述壓電陶瓷材料會發(fā)生長度變化。
固態(tài)致動器例如可建構(gòu)為壓電彎曲模式變換器。在最簡單情況下，在被稱為“雙壓電晶片”的復(fù)合體中，壓電陶瓷致動器層布置在一非壓電基片，或者更確切地說，一未受驅(qū)動的壓電基片上，其中，致動器層通常用PZT陶瓷制成，即摻有雜質(zhì)的鋯鈦酸鉛。彎曲模式變換器通常是一端夾緊，其中，產(chǎn)生在固態(tài)致動器自由端上的力或偏移被用作致動特性。如果借助一電場在厚度方向上對彎曲模式變換器進(jìn)行驅(qū)動，變換器就會在其橫向上縮短，其頂端就會因此而在致動器層方向上發(fā)生偏移。
此外還有其他的已知壓電彎曲模式變換器，這些壓電彎曲模式變換器在設(shè)計(jì)、構(gòu)造方式、承載體材料選擇和其他標(biāo)準(zhǔn)方面互不相同。被稱為三形體(Trimorph)的固態(tài)致動器，典型地由兩個壓電致動器層以及夾置在這兩個層之間的基片構(gòu)成，這兩個電致動器層例如交替驅(qū)動。除此之外，現(xiàn)有技術(shù)中還具有不設(shè)有基片、而只由多個壓電陶瓷致動器層構(gòu)成的多層彎曲模式變換器。這些多層彎曲模式變換器中只有一半受到電驅(qū)動，從而產(chǎn)生一偏斜。
上述彎曲模式變換器的共同之處在于，借助接觸電極對這些彎曲模式變換器進(jìn)行快速電驅(qū)動后，其會隨時間推移而產(chǎn)生視諧振頻率而定的即時致動器響應(yīng)，但隨后又會額外出現(xiàn)顯著的蠕變行為，從而使得偏移或力在一段很長的時間內(nèi)繼續(xù)上升。隨后的蠕變在量上最高可能會達(dá)到彎曲模式變換器總偏移的20％。取決于所應(yīng)用的驅(qū)動情況，這種蠕變可能會持續(xù)多個小時，甚至多天。在實(shí)踐中由此而產(chǎn)生的缺點(diǎn)是，必須將在接觸電極上施加或斷開電壓時出現(xiàn)的蠕變作為附加公差考慮在內(nèi)。因而，一般只將沒有額外蠕變的簡短的即時致動器行程用作有用的偏移行程或動力行程。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種不具有上述缺點(diǎn)或至少只在較小程度上具有上述缺點(diǎn)的固態(tài)致動器。
這個目的通過具有權(quán)利要求1、2或3所述特征的固態(tài)致動器而達(dá)成。從屬權(quán)利要求說明的是優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案。
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，通過使構(gòu)成致動器層的材料具有比通常所用的材料，例如鋯鈦酸鉛(PZT)，更高的電導(dǎo)率，也就是更低的電阻率，可顯著減少蠕變現(xiàn)象。根據(jù)本發(fā)明，這種特別建構(gòu)為壓電陶瓷層的致動器層的電阻率的數(shù)量級為1·108Ωm至1·1010Ωm。因此，本發(fā)明的致動器層的電阻率比典型壓電陶瓷層的電阻率低10的幾次方倍，例如，軟PZT的電阻率約為1·1012Ωm。
通過提高電導(dǎo)率所能取得的優(yōu)點(diǎn)是，可在顯著短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一傳統(tǒng)固態(tài)致動器可達(dá)到的行程或偏移，其中包括通過蠕變過程而可實(shí)現(xiàn)的偏移。換句話說就是，與迄今為止所用的固態(tài)致動器相比，借助本發(fā)明的固態(tài)致動器可在更短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的偏移，從而使得固態(tài)致動器可以以更高的時鐘頻率工作。這一方面使得不僅可將沒有發(fā)生額外蠕變過程的短行程用作有用的偏移行程或動力行程，還可將固態(tài)致動器發(fā)生的物理上可能的行程用作有用的偏移行程或動力行程。由此可簡化對固態(tài)致動器的驅(qū)動，因?yàn)樵诖饲闆r下，就無需再將施加和斷開電壓時發(fā)生的蠕變作為附加公差考慮在內(nèi)。
借助本發(fā)明的固態(tài)致動器的第二方案可獲得同樣的優(yōu)點(diǎn)，其中，設(shè)置一致動器驅(qū)動裝置，該致動器驅(qū)動裝置用于在接觸電極上施加一驅(qū)動電壓，所選擇的最高驅(qū)動電壓使得固態(tài)致動器中的最大機(jī)械應(yīng)力(mechanischeSpannung)小于矯頑電壓(Koerzitivspannung)。通常所用的壓電陶瓷材料的機(jī)械應(yīng)力在所謂的矯頑電壓值范圍之內(nèi)，在此范圍內(nèi)在機(jī)械應(yīng)力的影響下會發(fā)生最大的疇轉(zhuǎn)變。這被稱為所謂的“鐵彈性行為”。所述第二方案基于這樣一種驚人的認(rèn)識，即，疇轉(zhuǎn)變或鐵彈性過程(ferroelastischer Prozess)發(fā)生于彎曲機(jī)中機(jī)械應(yīng)力達(dá)到矯頑電壓水平的區(qū)域內(nèi)，而蠕變則至少部分是由所述的疇轉(zhuǎn)變或鐵彈性過程引起的。眾所周知，機(jī)械應(yīng)力沿致動器層的厚度發(fā)生變化，而其在致動器層的縱向上則保持恒定。疇轉(zhuǎn)變過程是晶核形成和生長過程，其特征在于需要一定的時間。通過避免鐵彈性疇轉(zhuǎn)變可使固態(tài)致動器的動作，即彎曲，不會發(fā)生延遲。
上文所述的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也可通過本發(fā)明的固態(tài)致動器而實(shí)現(xiàn)，這種固態(tài)致動器結(jié)合有所述第一和第二方案的特征。據(jù)此，所述本發(fā)明的固態(tài)致動器的第三方案的特征在于，致動器層的電阻率的數(shù)量級為1·108Ωm至1·1010Ωm，設(shè)置一用于在接觸電極上施加一驅(qū)動電壓的致動器驅(qū)動裝置，選擇的最高驅(qū)動電壓使得固態(tài)致動器中的最大機(jī)械應(yīng)力小于矯頑電壓。
根據(jù)一優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，一具有上述特征的固態(tài)致動器構(gòu)成這樣一種壓電彎曲模式變換器，其一端布置在一緊固件上或在一緊固件中，從而使得只有另一端能發(fā)生偏移。
本發(fā)明的另一設(shè)計(jì)方案是通過計(jì)算得出驅(qū)動電壓和固態(tài)致動器中的機(jī)械應(yīng)力之間的關(guān)系，或者將該關(guān)系存儲在一列表中，例如存儲于致動器驅(qū)動裝置內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個設(shè)計(jì)方案，通過在致動器材料中摻入一價、二價或三價陽離子可提高致動器層的材料的電導(dǎo)率。鋯鈦酸鉛是優(yōu)選的致動器原材料。根據(jù)一個設(shè)計(jì)方案，通過鈣鈦礦晶胞(Perkoswit-Zelle)A位上的一價陽離子可形成受體摻雜。根據(jù)另一設(shè)計(jì)方案，通過鈣鈦礦晶胞B位上的二價或三價陽離子也可形成受體摻雜。還有一種可以想象到的方式就是將所述的兩種特定的實(shí)現(xiàn)受體摻雜的可能方案結(jié)合起來。
根據(jù)另一設(shè)計(jì)方案，固態(tài)致動器建構(gòu)為所謂的三形體，其中，基片布置在兩個致動器層之間。
根據(jù)另一優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案，基片建構(gòu)為致動器層，特別建構(gòu)為壓電陶瓷層，從而使得固態(tài)致動器構(gòu)成一包括至少兩個致動器層的多層致動器。
根據(jù)另一設(shè)計(jì)方案，固態(tài)致動器可具有兩個以上可構(gòu)成多層致動器的致動器層，其中，布置在層堆疊內(nèi)部的接觸電極同樣在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下構(gòu)成等位面。導(dǎo)電性良好的、布置在層堆疊內(nèi)部的電極優(yōu)選地由銀或銀合金構(gòu)成，并起到等位面的作用，因此，這些電極通過相應(yīng)的電荷可補(bǔ)償很大一部分電場分布。此外，構(gòu)成電極的銀擴(kuò)散到相鄰的壓電陶瓷致動器層中，使得陶瓷中出現(xiàn)其他的自由電荷載流子，從而使得電導(dǎo)率優(yōu)選地得到進(jìn)一步提高。這種效果由于大量電極的存在而特別明顯。與現(xiàn)有技術(shù)中迄今為止所用的固態(tài)致動器相比，采取這種建構(gòu)方案的多層致動器同樣具有如本文背景技術(shù)部分所述的優(yōu)點(diǎn)。尤其是可觀察到顯著的蠕變減少。
根據(jù)一個設(shè)計(jì)方案，多層致動器的致動器層的厚度在10μm至30μm的范圍內(nèi)，特別為20μm。具有上述特定致動器層層厚的多層致動器的總厚度相對于已知的多層致動器而言是不變的。換句話說就是，本發(fā)明的多層致動器具有相應(yīng)更多的致動器層，因?yàn)閭鹘y(tǒng)致動器層的厚度在80μm以上的范圍內(nèi)。


下面借助附圖對本發(fā)明的固態(tài)致動器的其他特征作進(jìn)一步說明，其中圖1為本發(fā)明的一建構(gòu)為雙壓電晶片彎曲模式變換器(bimorpherBiegewandler)的固態(tài)致動器示意圖；圖2為顯示圖1所示的固態(tài)致動器的各層沿z軸的長度變化的圖；圖3為顯示圖1所示的固態(tài)致動器沿z軸的機(jī)械應(yīng)力的圖；圖4為顯示在固態(tài)致動器的致動器層的電導(dǎo)率不同的情況下固態(tài)致動器響應(yīng)一驅(qū)動信號而發(fā)生的偏移的圖；圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明對一固態(tài)致動器的驅(qū)動的圖；以及圖6為一本發(fā)明的多層致動器與一現(xiàn)有技術(shù)中已知的多層致動器的對比圖。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示的是本發(fā)明的固態(tài)致動器1的橫截面。這個固態(tài)致動器包括一由一電絕緣材料構(gòu)成的基片2，與一涂覆在所述基片上的壓電陶瓷材料構(gòu)成的致動器層3，所述壓電陶瓷材料例如為鋯鈦酸鉛。致動器層3的兩側(cè)布置有接觸電極4、5，所述接觸電極上可施加一電壓，從而在接觸電極4、5之間形成一電場。本發(fā)明的固態(tài)致動器1的機(jī)械構(gòu)造基本與已知的固態(tài)致動器無異。為避免在施加或斷開電壓時發(fā)生明顯的蠕變行為，所述壓電陶瓷材料相對于已知的布置已有所改變，同時，作為可選或補(bǔ)充性方案，在對固態(tài)致動器1的驅(qū)動方面也進(jìn)行了修改。
通過在接觸電極4、5上施加一電壓，致動器層3會沿其z軸膨脹，而在x方向上會出現(xiàn)收縮，從而使得固態(tài)致動器向上彎曲?；椭聞悠鲗?內(nèi)部發(fā)生的長度變化Δl/l0由圖2圖示?；?在到達(dá)所謂的中性相位7之前會一直膨脹，而致動器層3則會被壓縮。由于基片2的材料特性與致動器層3不同，因此在通過零交叉點(diǎn)時，機(jī)械應(yīng)力會發(fā)生步進(jìn)變化。
根據(jù)圖3所示的方程式，σ=Y·Δll0]]>基片2的大部分區(qū)域上會受到張力的作用，而致動器層3的內(nèi)部會受到壓縮。由于楊氏模量y2和y3不同，因此基片2和致動器層3之間的過渡上會出現(xiàn)壓縮負(fù)載的不連續(xù)性，這種不連續(xù)性還會以變化的斜率體現(xiàn)出來。
z軸上因而會出現(xiàn)一非均勻機(jī)械應(yīng)力，其會導(dǎo)致致動器層3內(nèi)出現(xiàn)一非均勻電場分布。因此在接觸電極4、5上施加一電壓時，致動器層3的內(nèi)部產(chǎn)生的并非是一恒定的均勻電場，而是一與拋物線形電位分布具有相關(guān)性的線性電場。因此，為達(dá)到一平衡狀態(tài)的目的，致動器層內(nèi)部必須有電荷流動。其中可以看到，通過用一具有更高但確定的電導(dǎo)率的陶瓷來代替現(xiàn)有技術(shù)中具最大絕緣性的壓電陶瓷，可以減少由于電荷平衡而產(chǎn)生的部分蠕變。根據(jù)進(jìn)一步研究得出的結(jié)果是，當(dāng)致動器層3的電阻率的數(shù)量級為1·108Ωm至1·1010Ωm時，可實(shí)現(xiàn)足夠快的電位均衡，從而可實(shí)質(zhì)上消除圖1所示的彎曲模式變換器1的蠕變。通過已知方式在致動器層材料中進(jìn)行少量的受體摻雜，可將致動器層的電導(dǎo)率提高10的幾個次方，且不會在此過程中破壞其余的壓電特性。此外，在鈣鈦礦晶胞A位上摻有一價陽離子(例如鈉、銅或銀)，或者作為可選或補(bǔ)充性方案，在鈣鈦礦晶胞B位上摻有二價或三價陽離子(鉻、鐵、錳)的鋯鈦酸鉛適合用作致動器層的原材料。
圖4顯示的是致動器層的不同電導(dǎo)率的效應(yīng)。在一時間點(diǎn)t0上，在固態(tài)致動器1的接觸電極4、5上施加一電壓。受這一電壓的影響，彎曲模式變換器發(fā)生偏移。其中，低電導(dǎo)率致動器層(陶瓷)產(chǎn)生最小的偏移。像現(xiàn)有技術(shù)中的壓電陶瓷那樣的低電導(dǎo)率陶瓷在時間點(diǎn)t1上達(dá)到一行程H1，并以漸進(jìn)方式接近一終值H3。其中，超過值H1的偏移增加被稱為“蠕變行為”。在時間點(diǎn)t3上達(dá)到偏移H2。只有在驅(qū)動信號保持其附圖所示的值的情況下才能實(shí)現(xiàn)可能的最大偏移H3。作為對比，本發(fā)明的一高電導(dǎo)率陶瓷在時間點(diǎn)t1上就已發(fā)生偏移H2。H2和H3之間的其他可能的偏移對實(shí)踐而言無關(guān)緊要。
圖示內(nèi)容表明，一彎曲模式變換器在相同的時間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)大得多的偏移，或者，可以在較少時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)一要求的偏移。
借助致動器層內(nèi)額外的自由電荷載流子可減小該固態(tài)致動器的蠕變效應(yīng)。但是蠕變也會受到另一種被稱為“疇轉(zhuǎn)變”的效應(yīng)的影響。引起疇轉(zhuǎn)變，即元偶極子方向改變的原因既可能與電有關(guān)，也可能是機(jī)械因素。其中，傳統(tǒng)壓電陶瓷層的可能的最大機(jī)械應(yīng)力Tmax在所謂的矯頑電壓值范圍之內(nèi)，在該范圍內(nèi)在機(jī)械應(yīng)力的影響下會發(fā)生最大的疇轉(zhuǎn)變。這被稱為“鐵彈性行為”。因此，為避免疇轉(zhuǎn)變效應(yīng)，驅(qū)動電壓被限制為，在一受控固態(tài)致動器內(nèi)，最大機(jī)械應(yīng)力永遠(yuǎn)小于矯頑電壓(圖5)。相應(yīng)信息可通過計(jì)算或借助在一致動器驅(qū)動裝置內(nèi)存儲的數(shù)值來獲得。也可以使用其他的壓電陶瓷，其材料特性已展現(xiàn)出較大的矯頑電壓。其中，適用的材料為矯頑電壓大于25MPa的材料。
在固態(tài)致動器被實(shí)施為多層致動器的情況下，由于改變了物理構(gòu)造，蠕變行為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。圖6a顯示的是一現(xiàn)有技術(shù)中已知的多層致動器(由三個層3構(gòu)成)。其中，每個致動器層3均具有約為80μm以上的層厚。致動器驅(qū)動裝置同樣向布置在層堆疊中的電極施加驅(qū)動信號。
與此不同，圖6b顯示的是一本發(fā)明的多層致動器，其中，各致動器層3的層厚均在10μm至30μm范圍內(nèi)，優(yōu)選為20μm。位于層堆疊內(nèi)部的電極受致動器驅(qū)動裝置驅(qū)動，并與多層致動器外側(cè)上的接觸電極4、5之間具有一連接。布置在多層致動器內(nèi)部的、優(yōu)選由銀或銀合金構(gòu)成的電極借此構(gòu)成多個等位面，這些等位面可通過相應(yīng)的電荷補(bǔ)償絕大部分的電場分布。此外，構(gòu)成電極的銀擴(kuò)散到相鄰的壓電陶瓷致動器層中，使得陶瓷中出現(xiàn)其他的自由電荷載流子，從而使得電導(dǎo)率有利地得到進(jìn)一步提高。這種效果由于大量電極的存在而特別明顯。通過這種方法可確保蠕變行為得到改善。結(jié)合上文所述的各項(xiàng)改善措施，可進(jìn)一步優(yōu)化蠕變行為。
示例下面以一典型的彎曲模式變換器為例對本發(fā)明的想法進(jìn)行再次清楚說明。一彎曲模式變換器由一絕緣基片以及涂覆在該絕緣基片兩側(cè)上的兩個壓電陶瓷層(44×7.2×0.26mm3)構(gòu)成。若對其中一個致動器層施加200V的電壓，當(dāng)電阻率為軟PZT通常所具有的1·1012Ωm時，就會產(chǎn)生0.24nA的電流。內(nèi)部電荷反轉(zhuǎn)(Umladungsprozesse)過程的時間常數(shù)在1至1000秒的范圍內(nèi)。通過適當(dāng)?shù)膿诫s將陶瓷材料的電阻率降低10的三次方時，與蠕變相關(guān)的時間常數(shù)就會減小到毫秒或秒的數(shù)量級內(nèi)。與此同時，彎曲模式變換器的穩(wěn)態(tài)電流仍會保持低于1μA的極限值。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)致動器(1)，尤其是一種壓電陶瓷致動器，其具有一基片(2)，在所述基片上施加至少一個特別為壓電陶瓷層的致動器層(3)，所述致動器層(3)布置在復(fù)數(shù)個接觸電極(4，5)之間，其特征在于，所述致動器層(3)的電阻率的數(shù)量級為1·108Ωm至1·1010Ωm。
2.一種固態(tài)致動器，尤其是一種壓電陶瓷致動器，其具有一基片(2)，在所述基片上施加至少一個特別為壓電陶瓷層的致動器層(3)，所述致動器層(3)布置在復(fù)數(shù)個接觸電極(4，5)之間，其特征在于，設(shè)置有一致動器驅(qū)動裝置(6)，該致動器驅(qū)動裝置(6)用于在所述接觸電極(4，5)上施加一驅(qū)動電壓，其所選擇的最高驅(qū)動電壓使得所述固態(tài)致動器中的最大機(jī)械應(yīng)力小于矯頑電壓。
3.一種固態(tài)致動器，尤其是一種壓電陶瓷致動器，其具有一基片(2)，在所述基片上施加有至少一個特別為壓電陶瓷層的致動器層(3)，所述致動器層(3)布置在接觸電極(4，5)之間，其特征在于，所述致動器層(3)的電阻率的數(shù)量級為1·108Ωm至1·1010Ωm，以及設(shè)置有一致動器驅(qū)動裝置(6)，該致動器驅(qū)動裝置(6)用于在所述接觸電極(4，5)上施加一驅(qū)動電壓，其所選擇的最高驅(qū)動電壓使得所述固態(tài)致動器中的最大機(jī)械應(yīng)力小于矯頑電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述驅(qū)動電壓和所述固態(tài)致動器(1)中的機(jī)械應(yīng)力之間的關(guān)系存儲在一列表內(nèi)或通過計(jì)算得出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述致動器層(3)由鋯鈦酸鉛(PZT)構(gòu)成，并額外摻有一價、二價或三價陽離子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述一價陽離子注入在鈣鈦礦晶胞的A位上，并形成一受體摻雜。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述二價或三價陽離子注入在鈣鈦礦晶胞的B位上，并形成一受體摻雜。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述基片(2)布置在兩個致動器層之間。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述基片(2)建構(gòu)為致動器層(3)，所述基片(2)特別建構(gòu)為壓電陶瓷層。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述固態(tài)致動器具有兩個以上致動器層(3)，用于構(gòu)成一多層致動器，布置在層堆疊內(nèi)部的接觸電極(8)由所述致動器驅(qū)動裝置(6)驅(qū)動而構(gòu)成等位面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述多層致動器的致動器層(3)的厚度在10μm至30μm的范圍內(nèi)，特別為20μm。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的固態(tài)致動器，其特征在于，所述固態(tài)致動器構(gòu)成一壓電彎曲模式變換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固態(tài)致動器(1)，尤其是一種壓電陶瓷致動器，其具有一基片(2)，所述基片上涂覆有至少一個特別為壓電陶瓷層的致動器層(3)，所述致動器層(3)布置在接觸電極(4，5)之間。為避免所述固態(tài)致動器發(fā)生蠕變行為，將所述致動器層(3)的電阻率定在1·10
文檔編號H01L41/18GK101053088SQ200580033178
公開日2007年10月10日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者卡爾·盧比茨, 索斯藤·斯坦科普夫 申請人:西門子公司