專利名稱：壓電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
說明一種具有壓電層的壓電器件。
背景技術(shù)：
諸如多層壓電致動器的壓電器件由一種壓電材料的多個層構(gòu)成，在這些壓電層之間具有內(nèi)電極。通常在整個致動器中使用相同的壓電材料。壓電致動器此外還具有多個相疊布置的、以交替的電極性接觸的內(nèi)電極，在這些內(nèi)電極之間，壓電材料可以根據(jù)施加在這些內(nèi)電極上的電壓而變形。為了能夠簡單地接觸這些內(nèi)電極，通常在所謂的無效(inaktiv) 區(qū)域中僅僅分別布置分配給相同電極性的內(nèi)電極。分配給另一電極性的內(nèi)電極在此處不延伸完全直至致動器的邊緣，而是被限制到致動器內(nèi)部中的一個面上。因此，在無效區(qū)域中在施加電壓時幾乎不發(fā)生壓電材料的延展，這在無效區(qū)域的邊緣區(qū)域中由于無效區(qū)域中的伸展而導(dǎo)致拉負(fù)荷。因此，根據(jù)壓電層的數(shù)量和所施加的電壓，在無效區(qū)域的邊緣處出現(xiàn)的拉應(yīng)力也升高。多層壓電致動器的可靠性決定性地取決于對可能出現(xiàn)的裂縫的控制。在熱層壓處理的情況下，如在最大溫度為800至1500°C下的燒結(jié)、金屬化和焊接，以及在極化的情況下，由于在有效(受控)區(qū)域和無效(絕緣)區(qū)域中的上述不同伸展而形成彈性的電壓，該電壓導(dǎo)致所謂的減壓裂縫和/極化裂縫。這些減壓裂縫和/或極化裂縫可能在無效區(qū)域中或者沿著電極層延伸。在無效區(qū)域中的過渡處，這些裂縫可以不受控的彎折。當(dāng)一個裂縫在此橋接至少兩個電極時，可形成短路，這導(dǎo)致壓電致動器的故障。從DE 102 34 787 Cl和DE 103 07 825 Al中公知有壓電致動器，其中設(shè)置有多孔結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有比其余壓電層低的堅固性。通過與在其余壓電層中的網(wǎng)架含量相比在這些區(qū)域中使用提高份額的有機網(wǎng)架(Binder)，產(chǎn)生提高的多孔性。

發(fā)明內(nèi)容
特定實施方式的任務(wù)至少是，說明一種壓電器件，該壓電器件避免或者至少減少不受控的裂縫形成。該任務(wù)通過具有獨立權(quán)利要求1的特征的主題來解決。該主題的有利實施方式和擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中標(biāo)識并且還從后續(xù)描述和附圖中得知。根據(jù)實施方式的壓電器件尤其是包括由相疊布置的壓電層和在這些壓電層之間布置的第一和第二電極層構(gòu)成的疊層，其中所述疊層具有至少一個第一壓電層和直接與所述第一壓電層相鄰的至少一個第二壓電層，所述第一壓電層具有第一電矯頑場強 (Koerzitivfeldst&ke)，并且所述第二壓電層具有與第一矯頑場強不同的第二電矯頑場強。尤其是，所述壓電器件可以以多層結(jié)構(gòu)方式構(gòu)造為壓電致動器。因此，所述壓電器件的特征尤其是，使用具有不同矯頑場強的直接彼此相鄰的壓電層。所述矯頑場強確定，利用預(yù)先給定的強度在施加電場時能夠多好地對所述壓電材料
4進(jìn)行極化，并且因此尤其是還有，材料中的彈性伸展和應(yīng)力將會是多大。當(dāng)將兩種具有不同矯頑場強的材料彼此接觸時，在它們的接觸邊界處可形成在極化期間彈性應(yīng)力的差異，該差異可促成兩種材料之間的接觸邊界處的減壓裂縫和/或極化裂縫的形成。在此，在這里和在下文中，將由壓電層構(gòu)成的疊層的層的矯頑場強理解為層的電矯頑場強。因此在這里描述的壓電器件的情況下，有利地可能的是，預(yù)先給定形成減壓裂縫和/或極化裂縫的位置并且接著預(yù)先給定基本上平行于電極層的裂縫的走向，以便因此阻止或者至少減少橫向于電極層的不受控的生長。與橋接至少兩個電極層的減壓裂縫和/或極化裂縫相比，平行于或者至少基本上平行于內(nèi)電極走向的裂縫相反地幾乎不對致動器的壽命形成危險。這對于這里所述的壓電器件更加適用。所述第一和第二壓電層被分別選擇為，使得兩個層之間的接觸邊界形成用于形成減壓裂縫和/或極化裂縫的區(qū)域，所述減壓裂縫和/或極化裂縫平行于或者至少基本上平行于電極層走向。在此，“基本上平行”在這里和在下文中意味著，所述減壓裂縫和/或極化裂縫盡管不必完全筆直地并且在數(shù)學(xué)意義上平行走向，但是仍然與沿著電極層的主延伸方向走向，并且在此不具有可以橋接穿過兩個電極層的走向。通過具有不同矯頑場強的第一和第二壓電層，可例如在熱處理、金屬化、焊接、極化處理的情況下和/或在壓電器件的運行中在壓電器件的疊層中產(chǎn)生局部彈性應(yīng)力，該局部彈性應(yīng)力將導(dǎo)致有針對性的裂縫形成。通過定義地引入的至少一個第一壓電層和至少一個第二壓電層，諸如在第一和第二壓電層之間的接觸邊界處的極化處理期間的不同極化狀態(tài)可導(dǎo)致極化裂縫。極化裂縫平行于或者基本上平行于電極層走向。因此，阻止了橫向于電極層的不受控的裂縫生長，而不必將諸如從現(xiàn)有技術(shù)中已知的多孔結(jié)構(gòu)引入到所述壓電器件中。所述第一和第二壓電層可以通過如下方式具有不同的矯頑場強，即所述第一和第二壓電層在其組成方面不同，這可以尤其是表示為，它們具有不同的陶瓷材料、不同的摻雜物質(zhì)、不同的摻雜物質(zhì)濃度或者分別使用的原料材料的不同的顆粒大小。此外，第一和第二壓電層可以具有不同的層厚度。為了用不同的矯頑場強制造第一和第二壓電層，所述第一和第二壓電層可以在前述特性的恰好一種特性方面后者在前述特性的多種特性方面不同。 在此，當(dāng)?shù)谝缓偷诙弘妼釉谇笆鎏匦缘那『靡环N或者僅僅少數(shù)幾種方面不同時，可以有利地在制造過程的可處理性和經(jīng)濟(jì)性方面符合發(fā)明人的認(rèn)識。但是相反地，所述第一和第二壓電層的不同特性的數(shù)量越多，在與第二電矯頑場強相比制造第一電矯頑場強時的自由度越有利。所述第一和第二壓電層可以分別具有陶瓷材料，該陶瓷材料分別由多個成分形成，這些成分以一定相應(yīng)的濃度存在。第一和第二壓電層可以再次在至少一種成分的濃度方面有區(qū)別。例如，所述第一壓電層可以具有含鉛的陶瓷材料、諸如基于鋯鈦酸鉛(PZT)的陶瓷材料，而第二壓電層具有無鉛的陶瓷材料。替代于此地，第一和第二壓電層也可以分別具有無鉛的陶瓷材料并且在前述特性之一方面有區(qū)別。此外，所述第一壓電層可以具有第一陶瓷材料并且所述第二壓電層可以具有第二陶瓷材料。第一和第二陶瓷材料可以分別具有相同的成分并且再次在至少一種成分的濃度方面有區(qū)別。這在下文中以PZT為例來描述，其中以下描述不限于所述陶瓷材料并且對于每種另外的壓電陶瓷材料同樣適用。在PZT作為第一和第二陶瓷材料的情況下，第一和第二壓電層例如可以在鈦含量、也就是成分的相應(yīng)濃度方便彼此不同。此外，第一和第二壓電層也可以僅僅在鈦含量方面不同，而其他特性——諸如第一和第二壓電層的相應(yīng)摻雜—— 是相同的。發(fā)明人尤其是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有所謂準(zhǔn)同型相界(Morphotropenphasengrenze)的陶瓷材料對于第一和第二壓電層可以是有利的。這可以尤其是表示，所述第一和第二壓電層具有擁有相同成分的陶瓷材料，并且該陶瓷材料根據(jù)至少一種第一成分濃度具有準(zhǔn)同型相界，該準(zhǔn)同型相界位于陶瓷材料的第一結(jié)構(gòu)與第二結(jié)構(gòu)之間。所述第一和第二壓電層中的陶瓷材料的第一成分的濃度分別被選擇為，使得所述第一壓電層具有擁有第一結(jié)構(gòu)的陶瓷材料并且所述第二壓電層具有擁有第二結(jié)構(gòu)的陶瓷結(jié)構(gòu)。在此，第一和第二陶瓷材料在它們相應(yīng)的組成方面、尤其是在恰好之前所述的第一成分的相應(yīng)濃度方面的區(qū)別是，第一和第二結(jié)構(gòu)之間的取決于成分濃度的過渡由準(zhǔn)同型相界處的相過渡來表征。在此，準(zhǔn)同型相界不必表征清晰定義的相過渡，而是也可以標(biāo)識兩個晶體結(jié)構(gòu)之間的連續(xù)走向。通過不同的第一和第二結(jié)構(gòu)，第一和第二壓電層在此可以具有不同的矯頑場強。例如，PZT在諸如50md%鈦和諸如50md%鋯石的區(qū)域中具有準(zhǔn)同型相界，其中這些值取決于所述陶瓷材料的確切組成。因此，存在PZT的如下組成，該組成在諸如46moW) 的鈦成分的情況下具有準(zhǔn)同型相界。從少于46md%的鈦開始，隨著增加的鈦含量，在超過準(zhǔn)同型相界時矯頑場強升高，從而對于所述壓電器件例如可以選擇具有少于46moW)鈦含量的第一壓電層和具有多于46moW)鈦含量的第二壓電層。通過為第一和第二壓電層選擇在成分方面相同的陶瓷材料——該陶瓷材料對于第一和第二壓電層在至少一種成分的濃度方面有區(qū)別，得出的優(yōu)點是，實現(xiàn)了在第一和第二壓電層之間的接觸邊界、即界面處的彈性應(yīng)力的準(zhǔn)確控制。此外，通過至少一種成分的濃度的差異、即在上述示例中注入通過鈦含量的變化，可以實現(xiàn)第一和第二矯頑場強的匹配。 此外，附加地添加的摻雜物質(zhì)在此可以以相同的摻雜物質(zhì)濃度存在。這可以在處理所述壓電器件時提供特別的優(yōu)點，因為第一和第二壓電層之間的可能的化學(xué)異質(zhì)性可以被最小化并且因此可以在壓電器件中是最小的，因而對壓電層的燒結(jié)表現(xiàn)沒有影響。尤其是在不同的摻雜物質(zhì)和/或摻雜物質(zhì)濃度的情況下，陶瓷材料的燒結(jié)表現(xiàn)可以被強烈改變，使得于是需要燒結(jié)收縮在這種不同材料之間的特定匹配。此外，第一和第二壓電層在其組成方面可以具有如下差別，即所述第一和第二壓電層具有由擁有不同顆粒大小的原料粉末制造的陶瓷材料。通常，壓電器件的陶瓷層由所謂的未燒結(jié)膜制造，所述未燒結(jié)膜除了諸如燒結(jié)助劑的另外成分以外還具有未燒結(jié)的陶瓷粉末，其中未燒結(jié)膜僅僅與電極層組合在一起和燒結(jié)。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，諸如在其化學(xué)組成方面相同并且在燒結(jié)過程之前在粉末的原料大小方面有差別的陶瓷材料適于制造第一和第二壓電層。具有較大原料粉末的陶瓷材料在燒結(jié)過程結(jié)束之后通常具有較大的粒狀結(jié)構(gòu)，這可導(dǎo)致矯頑場強的降低。所述顆粒大小在此優(yōu)選作為專業(yè)人員已知的、在相應(yīng)陶瓷材料中顆粒大小的分布的中間值d50來說明。在燒結(jié)過程之前第一和第二壓電層的原料粉末的顆粒大小d50可以優(yōu)選為大于或等于0. 3 μ m并且小于或等于2. 0 μ m并且特別優(yōu)選地大于或等于0. 4 μ m并且小于或等于1.2μπι。如果應(yīng)通過原料粉末的粒狀結(jié)構(gòu)大小、即顆粒大小的差別來達(dá)到第一和第二層的矯頑場強的差別，則第一壓電層的d50值相對于第二壓電層的d50值的差別優(yōu)選大于或等于0. 1 μ m并且小于或等于1. 5 μ m并且特別優(yōu)選地大于或等于0. 3 μ m并且小于或等于 LOym0發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種顆粒大小和顆粒大小差別在同時選擇第一和第二矯頑場強時對于壓電器件的可處理性是特別有利的。 此外，第一和第二壓電層在添加到其中的摻雜物質(zhì)方面可以有差別。尤其是，第一和第二壓電層在此可以具有相同的陶瓷材料，該陶瓷材料具有相同的成分和相同的濃度， 其中向第一壓電層的陶瓷材料如同像第二壓電層的陶瓷材料添加另一摻雜物質(zhì)。在此，可以例如用釹(Nd)對第一壓電層摻雜，而用由鋅(Zn)和鈮(Nb)構(gòu)成的混合物對第二壓電層摻雜。這種摻雜物質(zhì)組合可以尤其是在PZT的情況下以及在其他陶瓷材料的情況下作為兩種層的陶瓷材料是有利的。此外，第一和第二壓電層可以具有不同的摻雜物質(zhì)濃度。在此， 兩種層還可以具有相同的摻雜物質(zhì)。對于作為陶瓷材料的PZT和作為摻雜物質(zhì)的由Si和 Nb構(gòu)成的混合物，第一壓電層例如可以具有2md%的摻雜物質(zhì)濃度并且第二壓電層例如可以具有5md%的摻雜物質(zhì)濃度。相應(yīng)的摻雜物質(zhì)和摻雜物質(zhì)濃度在此取決于相應(yīng)的陶瓷材料和期望的矯頑場強。此外，第一壓電層可以具有第一厚度并且第二壓電層可以具有第二厚度，其中第一和第二厚度彼此不同。通過調(diào)整第一和第二厚度可以實現(xiàn)第一和第二矯頑場強的匹配。 尤其是可以在該實施方式中將第一壓電層直接與第一電極層和第二電極層相鄰地布置，從而第一壓電層布置在由第一和第二電極層形成的對之間。第二壓電層可以布置在由第一和第二電極層構(gòu)成的另一對之間，其中同一第一電極層或者第二電極層可以用于兩個對。第一和第二壓電層中的電場強度E在此根據(jù)公式E=U/t取決于所施加的電壓U和第一或第二層厚度，其中t說明第一或第二層厚度。在此，第一和第二壓電層可以具有相同的陶瓷材料，該陶瓷材料在組成、摻雜物質(zhì)、摻雜物質(zhì)濃度和顆粒大小方面具有一致性，從而所述壓電器件可完全由相同陶瓷材料制造，并且第一和第二矯頑場強可通過第一和第二電極層的間隔來調(diào)整。第一厚度相對于第二厚度參照正常層厚度的差別或第一和第二厚度的比例可以優(yōu)選地大于或等于1. 1并且小于或等于3. 0并且特別優(yōu)選地大于或等于1. 3并且小于或等于 2. 5。根據(jù)至少一個實施方式，壓電器件的疊層具有直接相疊布置的層的序列，其中所述序列在其順序方面由第一電極層、第一壓電層、第二電極層、第二壓電層以及另外的第一電極層形成。因此，分別在相鄰的第一和第二電極層之間布置有第一壓電層，而在相同的第二電極層和另一與第二電極層相鄰的第一電極層之間布置有第二壓電層。根據(jù)至少一個另外的實施方式，壓電器件的疊層具有直接相疊布置的層的疊層， 其中所述序列在順序方面由第一電極層、第一壓電層、第二壓電層以及與第一電極層相鄰的第二電極層形成。第一和第二壓電層因此在這里位于由第一電極層和與該第一電極層相鄰的第二電極層構(gòu)成的相同對之間。此外，兩個前述序列都可以布置在一個壓電器件中。此外，所述壓電器件的疊層可以具有另外的第一壓電層和至少一個第二壓電層。 這尤其是可以表示，所述壓電器件可以具有擁有至少恰好一個第二壓電層和多個第一壓電層的疊層。除此之外，所述壓電器件還可以具有多個第二壓電層。最多地，所述壓電器件的疊層可以具有同樣多的第一和第二壓電層，從而疊層中的所有壓電層的一半是第一或第二壓電層。此外，所述電極層可以具有以下材料之一銅、銀、鉬、由銅和鈀構(gòu)成的合金或混合物、由銀和鈀構(gòu)成的合金或混合物、由鉬和銀構(gòu)成的混合物或合金。


本發(fā)明的另外的優(yōu)點以及有利實施方式和擴(kuò)展方案從在下文中接合圖1至10描述的實施方式中得出。圖1示出已知壓電致動器的示意圖， 圖2A和2B示出已知壓電致動器的示意圖，
圖3A至3C示出根據(jù)一個實施方式的壓電材料的示意圖， 圖4示出根據(jù)一個實施方式的壓電器件的示意圖， 圖5示出根據(jù)另一實施方式的壓電器件的示意圖， 圖6示出根據(jù)另一實施方式的壓電器件的示意圖， 圖7示出根據(jù)另一實施方式的壓電器件的示意圖， 圖8至10示出根據(jù)另外的實施方式的壓電材料的不同參數(shù)的圖表。
具體實施例方式
在實施例和附圖中，相同的或者作用相同的構(gòu)件可以分別配備相同的附圖標(biāo)記。 所示元件及其彼此間的大小關(guān)系原則上不應(yīng)視為比例正確的，更確切地說，為了更好地可表示性和/或為了更好的理解，在尺寸上可能夸張地厚或大地示出各個元件，例如層、構(gòu)件、器件和區(qū)域。在圖1中示出已知的多層壓電致動器，該致動器具有疊層91，該疊層91具有一種壓電材料的多個層，在這些壓電層之間具有內(nèi)電極92、93。在此，在整個致動器中使用相同的壓電材料。內(nèi)電極92、93分別以一種梳狀結(jié)構(gòu)以推入到彼此中的梳的形式來構(gòu)造。通過疊層91外側(cè)上的金屬化部94、95形式的接觸面，可以在內(nèi)電極92、93之間施加電壓。在疊層91的有效區(qū)域中——內(nèi)電極92、93在該有效區(qū)域中交替相疊地布置，可以通過致動器的壓電材料的伸展引起壓電提升(Hub)。在疊層91的無效區(qū)域97中，通過在內(nèi)電極92、93上施加電壓僅僅建立起非常小的電場，從而在這些區(qū)域中壓電材料幾乎不有助于致動器的提升。因此在無效區(qū)域97中形成拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力可以造成減壓裂縫和/或極化裂縫，如在圖2A和2B中示意性示出的那樣。在此可以入在圖2B中示出的那樣形成極化裂縫99，該極化裂縫99基本上平行于內(nèi)電極92、93走向。但是，除此之外在已知的壓電致動器中還形成如在圖2A中所示的極化裂縫98，該極化裂縫98在過渡處彎折到有效區(qū)域96中并且然后如所表明的那樣可以橋接內(nèi)電極，從而形成短路。如圖2A所示的極化裂縫98導(dǎo)致從圖1中已知的壓電致動器的故障。在圖3A至3C中用壓電材料101、102的示意圖示出一個實施例，這些示意圖將說明在此所述的壓電器件的基本思路。在此，第一壓電材料101具有第一矯頑場強，并且第二壓電材料102具有第二矯頑場強(圖3A)，其中在所示是示例中，第二矯頑場強小于第一矯頑場強。圖3B示意性示出，當(dāng)在第一和第二壓電材料101、102之間沒有機械接觸時，在施加電場(由加好和減號表明，沒有示出電極層)以后第一和第二壓電材料101、102的變形。由電場造成的變形在此通過箭頭針對壓電材料102說明。具有較小矯頑場強的第二壓電材料 102在此比第一壓電材料101更強烈地伸展。如果使壓電材料101、102彼此接觸并且接著燒結(jié)在一起，則在施加電壓時形成第一和第二壓電材料101、102的變形，該變形如在圖3C 中所示出的那樣。因為第一和第二壓電材料101、102彼此固定地連接，因此在所述第一和第二壓電材料之間的界面處形成彈性應(yīng)力，該彈性應(yīng)力從不同的伸展以及由此結(jié)果得到的材料102中的拉應(yīng)力和材料101中的壓應(yīng)力(分別通過雙箭頭表明)得出。因此，在第一和第二壓電材料101、102之間的接觸邊界處形成彈性應(yīng)力的梯度，該梯度將導(dǎo)致該區(qū)域中裂縫的形成。在圖4中示出壓電器件的一個實施例，該壓電器件以多層結(jié)構(gòu)方式構(gòu)造為壓電致動器并且具有由相疊布置的壓電層和在這些壓電層之間布置的第一和第二電極層構(gòu)成的疊層1，其中處于清晰的原因只有壓電層2、2’和3以及一些第一電極層4和第二電極層5 配備有附圖標(biāo)記。虛線被繪出以說明壓電層。疊層1在此具有擁有第一矯頑場強的第一壓電層2和直接與該第一壓電層相鄰地至少一個擁有第二矯頑場強的第二壓電層3，其中第一和第二矯頑場強彼此不同。沒有示出疊層1外側(cè)上的用于將第一和第二電極層4、5接觸并且連接到電壓上的金屬化部。電極層4、5由銅構(gòu)成。第一和第二壓電層2、3分別布置在兩個相鄰的電極層4、5之間，從而疊層1具有層序列，該層序列由第一電極層4、第一壓電層2、第二電極層5、第二壓電層3和另一第一電極層4形成。根據(jù)之前在圖3A至3C所述的原理，第一和第二矯頑場強區(qū)別為，使得在第一和第二壓電層之間的接觸邊界6處，在熱處理、金屬化、焊接、極化處理時和/或在壓電器件的運行中形成局部的彈性應(yīng)力，該彈性應(yīng)力在該接觸邊界的區(qū)域中導(dǎo)致減壓裂縫和/或極化裂縫的形成，所述減壓裂縫和/或計劃裂縫基本上平行于電極層4、5走向。此外，疊層1 具有另一壓電層2’，該另一壓電層同樣直接與第二壓電層3相鄰地布置并且與該第二壓電層3具有另一接觸邊界6’，在該另一接觸邊界處可以有針對性形成減壓裂縫和/或極化裂縫。第一壓電層2、2’和第二壓電層3在所示實施例中分別具有基于PZT的陶瓷材料， 其中第二壓電層3具有這樣的組成，該組成具有與第一壓電層2、2’不同的成分鈦的濃度。 壓電層2、2 ’、3的層厚度在所示實施例中是相同的。這種壓電材料的彈性伸展和矯頑場強的實施例結(jié)合圖8至10來描述。此外，第一和第二壓電層還可以在該實施例和另外的實施例中附加地或者替代地具有如在發(fā)明內(nèi)容部分中描述的特征中的一個或多個，諸如不同的摻雜物質(zhì)、摻雜濃度、顆粒大小或者厚度。在圖5中示出壓電器件的另一實施例。與前面的實施例相比，根據(jù)圖5的壓電器件的疊層1除了具有多個第一壓電層2、2’、2’ ’、2’ ’，以外還具有多個第二壓電層3、3’、3’ ’、 3’ ’ ’，其中第一和第二壓電層交替相疊地布置，從而得出多個接觸邊界，在這些接觸邊界上可以有針對性地形成減壓裂縫和/或極化裂縫。第二壓電層3、3’、3’ ’、3’ ’ ’的數(shù)量與第一壓電層2、2’、2’ ’、2’ ’ ’的數(shù)量的比例在此可以根據(jù)相應(yīng)的要求以及第一和第二矯頑場強來選擇。在所示實施例中，疊層1純示例性地具有同樣多的第一和第二壓電層，從而疊層1中所有壓電層中的50%構(gòu)造為第二壓電層。
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在圖6和7中示出壓電器件的另外的實施例，這些實施例與圖4和6的實施例的不同之處在于，第一和第二壓電層2、3直接彼此相鄰并且共同地布置在第一電極層與同該第一電極層相鄰的第二電極層5之間。在此根據(jù)圖7中的實施例，兩個分別相鄰的電極層 4、5之間的所有壓電層具有第一和第二壓電層2、2’、2’’、2’’’、3、3’、3’’、3’’’。替代于圖 6和7的實施例，在兩個相鄰的電極層4、5之間也可以布置多于一個的第一和第二壓電層。 其余，結(jié)合圖4和5的實施例所述內(nèi)容也適用于圖6和7的實施例。在圖8中根據(jù)一個實施例示出具有曲線7、8的圖表，曲線7、8表示以％為單位的彈性伸展D與在兩種不同的示例性示出的壓電材料中施加的以kV/mm為單位的電場強度E 的關(guān)系，前述實施例的第一和第二壓電層可以由所述壓電材料制造。其伸展垂直于曲線7 中的電場示出的壓電材料具有1. OkV/mm的矯頑場強，而其伸展垂直于曲線8中的電場示出的壓電材料具有2. 3kV/mm的矯頑場強。當(dāng)所施加的電場超過相應(yīng)的矯頑場強時，在壓電材料中既在所施加場的方向上也在垂直于所施加場的方向上形成伸展(也參見圖3B)。在曲線 7的材料中——其中矯頑場強小于用附圖標(biāo)記8示例性表示的2. 3kV/mm的場強，在垂直于所施加電場的方向上達(dá)到直至0. 17%的高度伸展。而曲線8的材料——其矯頑場強大于或者如這里所示出那樣相當(dāng)于所施加電場的值，具有明顯較小的0. 03%的伸展。在圖9中根據(jù)一個實施例示出具有曲線10的圖表，該曲線10示出以kV/mm為單位的矯頑場強K與在基于鋯鈦酸鉛的壓電材料中鈦含量的以為單位的濃度k的關(guān)系。 用附圖標(biāo)記11表明壓電材料的準(zhǔn)同型相界，該準(zhǔn)同型相界位于44moW)與46moW)鈦濃度之間的區(qū)域中。隨著升高的鈦濃度，在超過準(zhǔn)同型相界之后，可以識別出矯頑場強K的升高。 如在發(fā)明內(nèi)容部分中所述，可以為第一壓電層和為第二壓電層選擇具有相同組成的陶瓷材料，該陶瓷材料在準(zhǔn)同型相界的不同側(cè)上具有矯頑場強。因此例如可以為第一壓電層選擇鈦含量小于約46%的材料，并且為第二壓電層選擇鈦含量大于約46%的材料。從而第一矯頑場強小于第二矯頑場強。在圖10中根據(jù)另一實施例示出用曲線12展示以kV/mm為單位的矯頑場強與陶瓷材料中的上述顆粒大小d50的關(guān)系。結(jié)合圖10來研究的陶瓷材料基于PZT陶瓷，其中可看出的是，隨著顆粒大小d50升高，陶瓷材料的矯頑場強降低。之前明顯提到的陶瓷材料是純示例性提及的，并且不應(yīng)被理解為對本發(fā)明的限制。更確切地說，之前所述的實施方式和實施例還可以具有與所述陶瓷材料不同的壓電陶瓷材料。本發(fā)明不由于根據(jù)實施例的描述而限制于此。更確切地說，本發(fā)明包括每個新的特征以及特征的每個組合，這尤其是包含權(quán)利要求書中的特征的每個組合，即使該特征或該組合本身沒有明確地在權(quán)利要求書或?qū)嵤├姓f明時也是如此。附圖標(biāo)記列表
1疊層
2、2’、2’’、2’’’第一壓電層
3、3’、3’’、3’’’第二壓電層
4第一電極層
5第二電極層 6、6’ 接觸邊界7伸展8伸展9電場強度10矯頑場強11準(zhǔn)同型相界12矯頑場強91疊層92內(nèi)電極93內(nèi)電極94金屬化部95金屬化部96有效區(qū)域97無效區(qū)域98極化裂縫99極化裂縫101壓電材料102壓電材料
權(quán)利要求
1.一種壓電器件具有由相疊布置的壓電層(2、2’、2’’、2’，’、3、3’、3’’、3’’’)和在這些壓電層之間布置的第一和第二電極層(4、5)構(gòu)成的疊層(1)，其中所述疊層(1)具有至少一個第一壓電層(2 )和直接與所述第一壓電層相鄰的至少一個第二壓電層(3)，所述第一壓電層具有第一電矯頑場強，并且所述第二壓電層具有與第一矯頑場強不同的第二電矯頑場強。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電器件，其中所述第一和第二壓電層(2、3)被分別選擇為，使得兩個層之間的接觸邊界(6)形成用于形成減壓裂縫和/或極化裂縫的區(qū)域，所述減壓裂縫和/或極化裂縫基本上平行于電極層(4、5)走向。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的壓電器件，其中所述第一壓電層(2)和第二壓電層(3)具有不同的陶瓷材料、不同的摻雜物質(zhì)、不同的摻雜物質(zhì)濃度、不同的原料顆粒大小、不同的層厚度或者它們的組合。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的壓電器件，其中所述第一和第二壓電層(2、3)在選自如下特性的恰好一種特性中不同不同的陶瓷材料、不同的摻雜物質(zhì)、不同的摻雜物質(zhì)濃度、不同的原料顆粒大小以及不同的層厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4之一的壓電器件，其中所述第一和第二壓電層(2、3)具有由多種成分形成的陶瓷材料，這些成分具有相應(yīng)的濃度，并且其中所述第一和第二壓電層(2、3)在至少一種成分的濃度方面不同。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的壓電器件，其中所述第一和第二壓電層(2、3)具有擁有相同成分的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料根據(jù)至少一種第一成分的濃度具有準(zhǔn)同型相界，該準(zhǔn)同型相界位于陶瓷材料的第一結(jié)構(gòu)與第二結(jié)構(gòu)之間，并且其中所述第一和第二壓電層(2、3)中的陶瓷材料的第一成分的濃度分別被選擇為，使得所述第一壓電層(2 )具有擁有第一結(jié)構(gòu)的陶瓷材料并且所述第二壓電層(3 )具有擁有第二結(jié)構(gòu)的陶瓷結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3和4之一的壓電器件，其中所述第一和第二壓電層(2、3)具有由擁有不同顆粒大小的原料粉末制造的陶瓷材料。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的壓電器件，其中所述原料粉末的顆粒大小d50為大于或等于0. 3 μ m并且小于或等于2. 0 μ m，并且其中所述原料粉末的顆粒大小d50中的區(qū)別為大于或等于0. 1 μ m并且小于或等于 1. 5 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求3和4之一的壓電器件，其中所述第一壓電層(2)具有第一厚度并且所述第二壓電層具有第二厚度，并且其中所述第一和第二厚度彼此不同。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的壓電器件，其中所述第一和第二厚度的比例為大于或等于1. 1或者小于或等于3. 0。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的壓電器件，其中所述疊層(1)具有直接相疊布置的層的序列，并且其中所述序列由第一電極層(4)、第一壓電層(2)、第二電極層(5)、第二壓電層(3)以及另外的第一電極層(4)形成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的壓電器件，其中所述疊層(1)具有直接相疊布置的層的序列，并且其中所述序列由第一電極層(4)、第一壓電層(2)、第二壓電層(3)以及與第一電極層相鄰的第二電極層(5)形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12之一的壓電器件，其中所述疊層(1)具有另外的第一壓電層(2’、2’’、2’’’)和至少一個第二壓電層(3)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13之一的壓電器件，其中所述疊層具有同樣多的第一和第二壓電層(2、2’、2’’、2’’’、3、3’、3’’、3’’’)。
全文摘要
說明一種壓電器件，該壓電器件具有由相疊布置的壓電層(2、2’、2’’、2’’’、3、3’、3’’、3’’’)和在這些壓電層之間布置的第一和第二電極層(4、5)構(gòu)成的疊層(1)，其中所述疊層(1)具有至少一個第一壓電層(2)和直接與所述第一壓電層相鄰的至少一個第二壓電層(3)，所述第一壓電層具有第一電矯頑場強，并且所述第二壓電層具有與第一矯頑場強不同的第二電矯頑場強。
文檔編號H01L41/083GK102449794SQ201080023685
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月29日
發(fā)明者格拉祖諾夫 A., 德諾夫塞克 O. 申請人:埃普科斯股份有限公司