專利名稱：具有多層封裝的壓電執(zhí)行元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電執(zhí)行元件的多層封裝的制造方法以及具有多層封 裝的壓電執(zhí)行元件。
背景技術(shù)：
近年來，對(duì)壓電陶資執(zhí)行元件或簡(jiǎn)稱壓電執(zhí)行元件的需求由于其 例如在汽車工業(yè)的最新柴油機(jī)噴油系統(tǒng)中越來越多的使用而急劇地增 長(zhǎng)。該需求同樣支持壓電執(zhí)行元件的開發(fā)。在多個(gè)新的噴油構(gòu)造或噴 油器構(gòu)造中，壓電執(zhí)行元件應(yīng)完整地由柴油燃料所包圍。噴油設(shè)備的
這種類型的構(gòu)造也稱為"濕式設(shè)計(jì)(wet design)"。
因?yàn)樵谂c受污染的或通過添加劑所修改的柴油燃料的直接接觸時(shí) 壓電執(zhí)行元件受到化學(xué)和電的侵蝕，所以必須為壓電執(zhí)行元件提供相 應(yīng)的保護(hù)罩。該保護(hù)罩既應(yīng)該提供電絕緣來防止由于導(dǎo)電燃料引起的 可能短路，也應(yīng)該提供化學(xué)絕緣來防止包圍的燃料對(duì)壓電執(zhí)行元件組 成部分的侵蝕。
在現(xiàn)有技術(shù)中公開了包圍壓電執(zhí)行元件的不同構(gòu)造的金屬外殼。 這樣的金屬外殼的實(shí)例是波紋管。用合適的充填材料來充填金屬外殼， 以便實(shí)現(xiàn)由燃料所施加的壓力向位于內(nèi)部的壓電執(zhí)行元件的傳遞。然 而該設(shè)計(jì)解決方案具有以下的缺點(diǎn)，該解決方案在其制造方面是昂貴 的和占據(jù)位置的。
因此本發(fā)明的問題是，為壓電執(zhí)行元件提供保護(hù)，該保護(hù)確保壓 電執(zhí)行元件相對(duì)外部影響的可靠的電和化學(xué)絕緣。

發(fā)明內(nèi)容
通過一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的壓電執(zhí)行元件的多層封裝的制造 方法以及通過一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求12的具有多層封裝的壓電執(zhí)行元 件來解決以上的問題。從以下的說明、附圖和從屬權(quán)利要求中得出本 發(fā)明的改進(jìn)方案和優(yōu)點(diǎn)。
壓電執(zhí)行元件的多層封裝的上述制造方法，使得壓電執(zhí)行元件在 沒有附加的外殼式包封結(jié)構(gòu)的情況下向外受到保護(hù)，包括以下步驟a) 將彈性層施加到壓電執(zhí)行元件的平行于其縱向或堆疊方向延伸的表面上，和b)將金屬層施加到該彈性層上，使得該金屬層平面地覆蓋彈性 層。
通過至少在其側(cè)面用多層結(jié)構(gòu)來涂敷壓電執(zhí)行元件，代替壓電執(zhí) 行元件的昂貴的固定的外殼式包封結(jié)構(gòu)。該多層結(jié)構(gòu)由至少一個(gè)具有 彈性材料特性的彈性層和在該彈性層上所施加的金屬層所組成。以上 的多層結(jié)構(gòu)或多層封裝完全地包圍壓電執(zhí)行元件，或局限于該壓電執(zhí) 行元件的平行于其堆疊方向的側(cè)面。由彈性層和金屬層組成的組合確 保，例如在處于高壓下的燃料儲(chǔ)罐中，用足夠的介質(zhì)緊密性裝備壓電 執(zhí)行元件?；瘜W(xué)腐蝕性的燃料因此不能侵蝕壓電執(zhí)行元件。多層封裝 還確保，盡管包圍的燃料高壓，壓電執(zhí)行元件在多層封裝中仍然是足 夠可活動(dòng)的，以便進(jìn)行例如燃料閥的調(diào)節(jié)過程。
根據(jù)一種實(shí)施形式，彈性層優(yōu)選由硅彈性體、聚氨酯、聚酰亞胺 或環(huán)氧化物組成。根據(jù)本制造方法的另一替代方案，通過合適的涂層 方法，諸如浸漬、噴灑、噴射、絲網(wǎng)印刷或膜的層壓來施加該彈性層。
根據(jù)另一實(shí)施形式，將金屬層作為防擴(kuò)散的金屬層生成在彈性層 上。金屬層在其材料選擇和尺寸方面是與包圖的介質(zhì)相匹配的，使得 所述金屬層提供對(duì)該介質(zhì)的化學(xué)絕緣。
為了生成金屬層，使用用于在不導(dǎo)電表面上沉積金屬的適當(dāng)?shù)耐?br> 層方法。替代方案例如是用活性氧的Corona放電激活 (Entladungsaktivierung )。另一替代方案在于，通過物理汽相沉積或 簡(jiǎn)稱PVD法(物理汽相淀積(physical vapor deposition ))生成金屬 層。根據(jù)另一替代方案同樣可以設(shè)想，首先生成對(duì)于化學(xué)保護(hù)太薄的 金屬層，以便在以下的步驟中通過電鍍涂層法加強(qiáng)該金屬層。
根據(jù)上述制造方法的另一實(shí)施形式，通過施加其它的彈性層到金 屬層上和施加其它的金屬層到彈性層上來加強(qiáng)已經(jīng)存在的由彈性層和 金屬層所組成的復(fù)合物。除了加強(qiáng)之外，以此方式同樣可以構(gòu)成壓電 執(zhí)行元件的多層封裝的機(jī)械特性，以便在相應(yīng)的包圍介質(zhì)中確保壓電 執(zhí)行元件的最佳運(yùn)行。因此在材料選擇和厚度方面如此匹配其它的彈 性層和其它的金屬層，使得可以生成從壓電執(zhí)行元件到最外邊的金屬 層的逐漸的特性過渡，該特性過渡確保封裝和壓電執(zhí)行元件的兼容的 材料性能。根據(jù)另一替代方案，從材料特性和尺寸來看，實(shí)現(xiàn)多層封 裝的施加到壓電執(zhí)行元件上的所有層的協(xié)調(diào)，以便在保護(hù)其的特性和對(duì)壓電執(zhí)行元件運(yùn)行的支持方面來優(yōu)化多層封裝。還可以設(shè)想施加多 于上面已經(jīng)提及的四個(gè)層。
本發(fā)明還公開了一種具有多層封裝的壓電執(zhí)行元件，使得在沒有 附加的外殼式包封結(jié)構(gòu)的情況下向外保護(hù)壓電執(zhí)行元件。具有多層封 裝的壓電執(zhí)行元件具有在壓電執(zhí)行元件的平行于其縱向或堆疊方向延 伸的表面上的彈性層、以及在彈性層上的完全平面地覆蓋彈性層的金 屬層。


參照附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施形式。該附圖以剖視圖的方 式展示了壓電執(zhí)行元件的示意剖視圖，該壓電執(zhí)行元件具有在其側(cè)面 上的多層封裝的優(yōu)選實(shí)施形式。
具體實(shí)施例方式
為了在燃料高壓之下或基于通過另一包圍介質(zhì)的負(fù)荷來確保對(duì)壓
電執(zhí)行元件5的保護(hù)罩的高要求，用多層封裝1裝備壓電執(zhí)行元件5。 可以利用以下所說明的制造方法來施加該多層封裝1 ，使得獲得具有多 層封裝1的壓電執(zhí)行元件5。
對(duì)多層封裝1的上述要求包括介質(zhì)緊密性、以及壓電執(zhí)行元件5 向外的的化學(xué)和電絕緣。因此確保，包圍介質(zhì)的侵蝕不損害、破壞壓 電執(zhí)行元件5，或縮短其壽命。作為其它的要求，通過多層封裝l提供 在壓電執(zhí)行元件5和多層封裝1之間的界面上的高彈性。通過在該界 面上的高彈性，多層封裝1不限制壓電執(zhí)行元件5的運(yùn)行，使得幾乎 壓電執(zhí)行元件5的完整的調(diào)整途徑可供任意的調(diào)整過程使用。
為了滿足以上的要求，將多層封裝1以多層結(jié)構(gòu)的形式施加到壓 電執(zhí)行元件5上。根據(jù)第一替代方案，將多層封裝施加到壓電執(zhí)行元 件5的整個(gè)外表面上。根據(jù)一個(gè)其它的替代方案，多層封裝l只覆蓋 壓電執(zhí)行元件5的平行于堆疊方向30延伸的側(cè)表面。在后者的情況下， 壓電執(zhí)行元件5的垂直于堆疊方向30的正側(cè)面通過其自己的材料特性 或通過另外的結(jié)構(gòu)/構(gòu)造而受到足夠保護(hù)。
多層封裝1首先具有電絕緣的彈性層10。該層IO被直接施加到壓 電執(zhí)行元件5的表面上，并且例如由塑料制成。該電絕緣的彈性層IO 具有以下任務(wù)朝外部方向降低壓電執(zhí)行元件5的機(jī)械延伸。由此應(yīng) 專門防止，尤其是也在可能的極性裂紋(Polungsrissen)的范圍中，壓電執(zhí)行元件5的機(jī)械延伸傳遞到以下所述的金屬層40上，以致于損傷 該金屬層40。電絕緣的彈性層10因此確保了，也在壓電執(zhí)行元件5的 動(dòng)態(tài)持久運(yùn)行中維持金屬層40無損傷。
電絕緣的彈性層10的另一任務(wù)在于壓電執(zhí)行元件5的表面的絕 緣。對(duì)整個(gè)外部介質(zhì)實(shí)現(xiàn)該絕緣，使得彈性層IO的材料以及任何另外 的介質(zhì)不能侵入在內(nèi)電極25和壓電層20之間的孔、表面裂紋、極性 裂紋或可能的分層中。
電絕緣的彈性層IO根據(jù)不同的實(shí)施形式由硅彈性體、聚氨酯、聚 酰亞胺或環(huán)氧化物組成。
通過合適的涂層方法將彈性層10施加在壓電執(zhí)行元件5上，利用 所述涂層方法可以在表面上生成足夠厚度的電絕緣的彈性層10。這樣 的涂層方法的不同的替代方案是浸漬、噴灑(Sprtihen)、噴射 (Spritzen)、絲網(wǎng)印刷或膜的層壓。
多層封裝1還具有已施加到彈性層IO上的金屬層40。優(yōu)選地將金 屬層生成為防擴(kuò)散的金屬層?？梢杂赏繉臃椒ㄌ幚淼耐ǔ５慕饘儆米?為可能的材料。這例如是銅或鎳。
金屬層40具有向外部方向提供具有多層封裝1的壓電執(zhí)行元件5 的化學(xué)絕緣的功能。該化學(xué)絕緣尤其防止包圍的腐蝕介質(zhì)(例如柴油 燃料)的化學(xué)侵蝕。
通過可以在不導(dǎo)電的表面上生成金屬層的所有合適的方法，可以 施加金屬層40。根據(jù)第一替代方案，通過化學(xué)直接金屬化來生成金屬 層40，正像在WO 2005/087979中所說明的那樣。這里通過利用活性 氧離子的高活性Corona放電激活來實(shí)現(xiàn)在硅彈性體上金屬層的生成。
根據(jù)一種其它的替代方案，借助物理汽相沉積或PVD法，在彈性 層10上首先只施加金屬薄層。隨后通過已知的電鍍法加強(qiáng)該金屬薄層， 使得該金屬薄層提供足夠的化學(xué)絕緣。在上述的PVD法中，要作為金 屬層40沉積的材料以固定形式存在于涂層室中。借助蒸發(fā)、離子轟擊、 電子轟擊、電流或激光轟擊，將稍后的層材料施加到要涂層的部分上， 并在那里形成所希望的金屬層40。在上述的電鍍涂層方法中，沉積來 自電解液的金屬離子作為金屬層或在已經(jīng)存在的金屬薄層上的加強(qiáng)。
為了實(shí)現(xiàn)多層封裝1的最好的介質(zhì)緊密性、化學(xué)的和電的絕緣以 及延伸能力，并因此確保壓電執(zhí)行元件5的最佳運(yùn)行，可替代地分別將另外的彈性層50和另外的金屬層60施加到已經(jīng)存在的層10、40上。 此外優(yōu)選的是，將多個(gè)另外的彈性層和另外的金屬層50、 60以交替的 布置施加到已經(jīng)存在的多層封裝1上。由彈性層10和金屬層40組成 的或由多個(gè)彈性層IO、 50和多個(gè)金屬層40、 60組成的多層封裝1，確 保從壓電執(zhí)行元件5到多層封裝1的最外邊的金屬層60的逐漸的特性 過渡。通過這種方式，多層封裝1的最外邊的金屬層不會(huì)由于壓電執(zhí) 行元件5的延伸性能而受到損傷或破壞。但是也還確保，壓電執(zhí)行元 件5例如從外部不會(huì)由于過高的溫度而受負(fù)荷。
對(duì)于具有多層封裝1的壓電執(zhí)行元件5的持久的運(yùn)行，還要求所 采用的材料具有足夠的溫度和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。具有多層封裝1的壓電 執(zhí)行元件5的示范性溫度范圍位于-40。C和180°C之間。所采用的材料 還必須是如此持久的，使得所采用的材料在壓電執(zhí)行元件5的壽命期 間保持。該壽命的實(shí)例約為10年。還應(yīng)注意， 一些金屬(例如銅)由 燃料或另外的介質(zhì)侵蝕。因此只應(yīng)將這些金屬用作金屬中間層40。
與迄今所使用的用于壓電執(zhí)行元件5的封裝方法相比較，上述構(gòu) 造提供更緊湊的結(jié)構(gòu)形式、壓電執(zhí)行元件5在其運(yùn)行期間的最小阻尼、 以及在壓電執(zhí)行元件5和多層封裝1的外部金屬層之間不需要壓力傳 遞介質(zhì)的較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。另一優(yōu)點(diǎn)在于，多層封裝1可以在涂層方法 內(nèi)的作為完整解決方案來實(shí)現(xiàn)，使得與現(xiàn)有技術(shù)相比較，該制造方法 的工作耗費(fèi)和成本較小。
權(quán)利要求
1. 壓電執(zhí)行元件(5)的多層封裝(1)的制造方法，使得在沒有附加的固定的外殼式包封結(jié)構(gòu)的情況下向外保護(hù)所述壓電執(zhí)行元件(5)，該制造方法具有以下步驟a. 將電絕緣的彈性層(10)施加到所述壓電執(zhí)行元件(5)的平行于其縱向或堆疊方向(30)的表面(20)上，和b. 將金屬層(40)施加到所述彈性層(10)上，使得該金屬層(40)平面地覆蓋所述電絕緣的彈性層(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的制造方法，其中所述電絕緣的彈性層U0)是 塑料層，優(yōu)選地是聚合物層。
3. 根據(jù)以上權(quán)利要求之一的制造方法，其中所述電絕緣的彈性層 (10)由硅彈性體、聚氨酯、聚跣亞胺或環(huán)氧化物組成。
4. 根據(jù)以上權(quán)利要求之一的制造方法，具有其它步驟 通過適當(dāng)?shù)耐繉臃椒?、?yōu)選地借助浸漬、噴灑、噴射、絲網(wǎng)印刷或膜的層壓來施加所述電絕緣的彈性層(10)。
5. 根據(jù)以上權(quán)利要求之一的制造方法，具有其它步驟 生成金屬層(40)作為防擴(kuò)散的金屬層。
6. 根據(jù)以上權(quán)利要求之一的制造方法，具有其它步驟 利用用于在不導(dǎo)電的表面上沉積金屬的適當(dāng)?shù)耐繉臃椒▉碇圃焖鼋饘賹?40)。
7. 根據(jù)以上權(quán)利要求之一的制造方法，其中借助化學(xué)直接金屬化來 制造所述金屬層。
8. 根據(jù)以上權(quán)利要求1至6之一的制造方法，其中借助物理汽相沉 積(PVD法)來制造所述金屬層(40)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的制造方法，具有其它步驟 通過電鍍涂層法加強(qiáng)所述金屬層(40)。
10. 根據(jù)以上權(quán)利要求之一的制造方法，具有其它步驟 將另外的電絕緣的彈性層(50)施加到所述金屬層(40)上和將另外的金屬層(60)施加到所述另外的電絕緣的彈性層(50)上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO的制造方法，具有其它步驟 在材料選擇和厚度方面匹配所述另外的電絕緣的彈性層(50)和另外的金屬層(60)，使得可以生成從壓電執(zhí)行元件(5)到另外的金屬層(60)的逐漸的特性過渡，該特性過渡確保封裝(1)和壓電執(zhí)行 元件(5)的兼容的材料性能。
12.具有多層封裝(1)的壓電執(zhí)行元件(5)、尤其是多層執(zhí)行元 件，使得在沒有附加的固定的外殼式包封結(jié)構(gòu)的情況下向外保護(hù)所述 壓電執(zhí)行元件(5)，該壓電執(zhí)行元件(5)具有以下特征a. 壓電執(zhí)行元件(5)，b. 在壓電執(zhí)行元件(5)的平行于其縱向或堆疊方向(30)的表面 (20)上的電絕緣的彈性層(10)，c. 在電絕緣的彈性層(10)上的金屬層(40)，該金屬層(40)平 面地覆蓋所述電絕緣的彈性層(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了壓電執(zhí)行元件5的多層封裝1的制造方法，使得在沒有附加的外殼式包封結(jié)構(gòu)的情況下向外保護(hù)壓電執(zhí)行元件5。為了實(shí)現(xiàn)多層封裝1，首先將電絕緣的彈性層10施加到壓電執(zhí)行元件5的表面上。隨后將金屬層40施加到電絕緣的彈性層10上，使得所述金屬層平面地覆蓋該電絕緣的彈性層10。
文檔編號(hào)H01L41/23GK101432901SQ200780014757
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日
發(fā)明者A·岡斯特, C·哈曼, C·舒, G·盧格特, H·弗魯?shù)遣? H·拜爾, J·D·詹森, J·扎普夫, O·亨寧, R·莫克 申請(qǐng)人:西門子公司