压电多层组件和用于制造压电多层组件的方法
专利名称：压电多层组件和用于制造压电多层组件的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有压电层的压电组件。
背景技术：
多层压电组件,如多层压电执行器(pi ezoelektrische Aktoren),包括一种压电材料的多层。压电执行器例如可以用在汽车中对喷油嘴进行操作。例如在DE102004031404A1、DE 102005052686 Al 和 EP1926156 A2 中公开了压电执行器。
发明内容
本发明要解决的任务在于，说明一种具有高可靠性的压电组件。说明一种作为中间产品的压电多层组件，具有由上下叠置的压电层组成的堆。该堆具有带有设置在压电层之间的电极层的活跃区域和至少一个非活跃区域。该活跃区域在压电多层组件的最终产品中设置用于当在电极层上施加电压时变形。非活跃区域包含至少一个牺牲层(Opferschicht)。该牺牲层具有电绝缘材料和金属。借助对该多层组件的加热金属能够至少部分地从牺牲层扩散到非活跃区域的压电层中。特别是该压电组件的最终产品可以作为压电执行器以多层构造方式构成。该组件的活跃区域具有设置在压电层之间的电极层。当在电极层上施加电压时，该活跃区域中的压电材料发生变形。如果该组件为压电执行器，则也可以将该变形称为压电行程(piezoelektrischer Hub)。当在活跃区域的电极层上施加电压时，非活跃区域的变形小于活跃区域的变形。优选非活跃区域不具有变形来作为设置在非活跃区域中的压电材料对施加的电压的响应。尤其优选非活跃区域不具有电极层。非活跃区域可以用于将活跃区域相对于例如组件安装于其内的外壳进行电绝缘。例如，可以将非活跃区域作为组件的端块用于将组件夹紧。组件、特别是中间产品的压电层可以由所谓的生坯膜制成，其除了其它组成部分如烧结辅助物之外还具有陶瓷粉末。可以将活跃区域的电极层例如在丝网印刷方法中施加到该生坯膜上。然后将生坯膜进行堆叠，从而形成组件的中间产品并一起烧制，由此从组件的中间产品得到作为最终产品的整块的基体。在中间产品加热时，特别是在烧结过程期间，金属从活跃区域的电极层扩散到活跃区域的压电层中。在非活跃区域没有电极层的情况下，在非活跃区域中不发生金属到压电层的扩散。这导致在活跃区域和非活跃区域的压电层中金属浓度的不同。特别是从活跃区域的电极层扩散到压电层中的金属加速了在活跃区域中的烧结收缩，首先是在高烧结温度下。由此造成不同的烧结收缩特性并由此造成活跃区域和非活跃区域烧结收缩温度的不同，进而造成特别是在活跃区域和非活跃区域之间的边界上形成机械张力。所产生的机械张力可能造成在对中间产品进行加热期间或在最终产品运行期间在活跃区域和非活跃区域之间的边界上形成裂缝。通过这些裂缝可能导致压电执行器失效。由此减少裂缝的产生对于提高执行器的可靠性和寿命来说是决定性的。在此所描述的中间产品中，非活跃区域具有至少一个包含金属的牺牲层。在对中间产品加热期间、特别是在烧结过程期间，金属从非活跃区域的牺牲层扩散到非活跃区域的压电层。由此使非活跃区域中的烧结收缩接近活跃区域中的烧结收缩。优选牺牲层具有这样的金属含量使得在对中间产品进行烧结之后非活跃区域中的压电层和活跃区域中的压电层具有相同的金属浓度。此外优选这样选择牺牲层中包含的绝缘材料的量，使得尽管在牺牲层中包含金属也能确保最终产品中非活跃区域的绝缘作用。因此，所描述的压电组件的优点在于，通过牺牲层中包含的金属能够优选地使在活跃区域和非活跃区域的压电层中具有相同的金属浓度，并由此能够实现堆的活跃区域和非活跃区域的烧结收缩特性匹配。由此可以避免或至少减少例如在对组件加热期间或者在最终产品运行期间裂缝的形成，特别是在活跃区域和非活跃区域之间的边界上。牺牲层除了金属和电绝缘材料外还可以包含有机粘结剂，其优选还在对中间产品 进行烧结之前就已经通过适当的温度处理而挥发掉。此外，说明一种作为最终产品的压电多层组件，具有由上下叠置的压电层组成的堆，其中，该堆具有带有设置在压电层之间的电极层的活跃区域和至少一个非活跃区域。活跃区域设置用于在该电极层上施加电压时变形，其中，该活跃区域和该非活跃区域的压电层优选包含浓度基本相同的金属。在此，“浓度基本相同”是指将活跃区域和非活跃区域的压电层中的金属浓度选择为，使活跃区域和非活跃区域的烧结收缩的差异小到在烧结过程期间不会形成裂缝。在此活跃区域和非活跃区域的压电层可以具有相同的金属。替代地，活跃区域的压电层中的金属和非活跃区域的压电层中的金属可以不同。优选活跃区域和非活跃区域的压电层具有相同的化学组分，特别是相同的金属浓度。优选活跃区域和非活跃区域的压电层具有相同的金属。优选活跃区域和非活跃区域的压电层具有包含在活跃区域的电极层中的金属，例如铜。由此可以实现活跃区域和非活跃区域的烧结收缩特性的匹配。有利地这样选择非活跃区域中包含的金属的量，使得尽管在非活跃区域的压电层中包含金属，非活跃区域也能起到相对于活跃区域以及相对于在执行器上设置的外部电极的绝缘作用。在中间产品的一种有利实施方式中，这样选择非活跃区域中牺牲层的数量以及各牺牲层的金属量使得在对多层组件加热后分配给非活跃区域的压电层的金属浓度与分配给活跃区域的压电层的金属浓度相同。此外，这样选择非活跃区域中牺牲层的数量以及各自牺牲层的金属量使得非活跃区域的绝缘特性，特别是非活跃区域相对于设置在执行器上的外部电极的绝缘作用进一步得到保证。牺牲层中包含的金属量根据在对中间产品进行加热期间非活跃区域的压电层能够接受多少金属来选择。这首先取决于非活跃区域的压电层的厚度。优选牺牲层至少恰好具有在加热期间能够扩散到非活跃区域的压电层中的金属一样多的金属。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层的金属和绝缘材料之间的重量比在1:5至1:50的范围内。在中间产品的一种实施方式中，压电层具有压电陶瓷材料。
例如，压电层具有铅-锆-钛酸(PZT)陶瓷。特别是活跃区域和非活跃区域的压电层可以具有相同的压电陶瓷材料。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层具有与压电层相同的压电材料作为绝缘材料。 由此可以使在非活跃区域和活跃区域中金属的扩散特性得到特别好的匹配。优选在对组件加热之后牺牲层具有与非活跃区域的压电层相同的组分并且不再被视作单独的层。牺牲层至少具有能够通过金属从牺牲层向非活跃区域的压电层的扩散而使压电层达到金属饱和所需的金属。优选在烧结过程期间从活跃区域的电极层扩散到活跃区域的压电层的金属以及从牺牲层扩散到非活跃区域的压电层的金属多到能使在活跃区域和非活跃区域的压电层中达到金属的饱和状态。对于牺牲层具有的金属多于在烧结过程期间非活跃区域的压电层所接受的金属的情况，使剩余的金属例如以小的金属粒子的形式在烧结过程之后保留在牺牲层中，从而使牺牲层也能在最终产品中被识别出。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层具有颗粒大小为大于或等于0.2 以及小于或等于I. 5 m的陶瓷粉末。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层具有颗粒大小为大于或等于0. Oliim以及小于或等于3. 0 ii m的金属粉末。在此，对于颗粒大小优选说明颗粒大小在牺牲层中的分布的中间值d50。陶瓷粉末的颗粒大小在中间产品加热之前可以大于或等于0. 2 y m以及小于或等于I. 5 y m，并优选大于或等于0. 4 y m以及小于或等于I. 5 y m。金属粉末的颗粒大小在中间产品加热之前可以大于或等于0. 01 y m以及小于或等于3. 0 y m，并优选大于或等于0. 4 y m以及小于或等于1.5um0优选金属粉末的颗粒大小与活跃区域的电极层的金属的颗粒大小相同。此外，优选陶瓷粉末的颗粒大小与活跃区域和非活跃区域的压电层的压电材料的颗粒大小相同。为了使活跃区域和非活跃区域中的金属具有相同的扩散特性，并由此实现在对组件加热期间活跃区域和非活跃区域的烧结收缩相匹配，这是特别合适的。另一种实施方式规定，在非活跃区域中两个牺牲层之间的距离为活跃区域中两个相邻电极层之间的距离的0. 3至3. 0倍。优选在非活跃区域中两个牺牲层之间的距离恰好等于活跃区域中两个相邻电极层之间的距离。通过将两个牺牲层之间的距离与两个电极层之间的距离进行匹配，可以优选实现金属在活跃区域和非活跃区域的压电层中的相同浓度分布。在此，在堆的非活跃区域中的压电层和牺牲层之间的过渡区域中的压电层，以及在堆的活跃区域中的压电层和电极层之间的过渡区域中的压电层具有比在该压电层远离该过渡区域的区域中更高的金属浓度。中间产品的另一种实施方式规定，牺牲层在垂直于堆方向的平面内具有结构化。在此牺牲层可以具有不连续的结构，或者仅覆盖非活跃区域的压电层的一部分。例如可以将牺牲层实现为施加在非活跃区域中的压电层上的岛的布置。牺牲层例如可以具有缺口，特别是使牺牲层作为网格结构仅覆盖非活跃区域中的压电层的一部分。通过对牺牲层的结构化还可以附加地控制在烧结过程期间扩散到非活跃区域的压电层中的金属的量。
中间产品的一种实施方式规定，牺牲层的几何涂覆图案(geometrischeAuftragungsmuster)与活跃区域中电极层的几何涂覆图案相应。通过牺牲层和电极层相同的几何涂覆图案可以非常好地使金属从牺牲层的扩散特性与金属从电极层的扩散特性相补偿，并由此进一步减小在活跃区域和非活跃区域中烧结收缩的差异。除了作为中间产品和最终产品的压电多层组件外，还说明一种用于制造作为中间产品的压电多层组件的方法。在此，说明一种用于制造如上所述的压电多层组件的中间产品的方法，具有如下方法步骤
在第一方法步骤中，确定牺牲层的金属量，特别是金属的重量。在此，金属量是为至少部分扩散到对应于非活跃区域的压电层中而设置的。在另一步骤中，确定牺牲层的最大重量。在下一步骤中，由牺牲层的最大重量和为牺牲层确定的金属量的重量之间的差来确定 牺牲层的绝缘材料的量，以及特别是绝缘材料的重量。在再一步骤中，由在对应于非活跃区域的压电层中的预定量的金属和预定量的绝缘材料形成牺牲层。在最后的步骤中，形成组件的堆，该堆具有至少一个根据上述步骤形成的用于非活跃区域的压电层以及用于活跃区域的上下叠置的压电层和设置在压电层之间的、用于活跃区域的电极层。优选这样确定牺牲层中存在的绝缘材料的量尽管在牺牲层中包含金属但仍能保证非活跃区域的绝缘作用。优选牺牲层中的金属量至少为，在烧结过程中从牺牲层扩散到非活跃区域中的压电材料中的金属与从电极层扩散到活跃区域中的压电材料中的金属同样多。由此可以实现对活跃区域和非活跃区域的烧结收缩特性的匹配。牺牲层中的金属量取决于非活跃区域中压电材料的化学组分。此外金属量还取决于金属的种类。从这些中以及从非活跃区域的体积可以确定每牺牲层的金属重量。牺牲层的最大重量取决于金属的重量。此外牺牲层的层厚以及由此牺牲层的最大重量还取决于将牺牲层施加在非活跃区域的压电层上的方法，例如丝网印刷方法。该方法的一种实施方式规定对中间产品进行加热，特别是烧结以获得压电多层组件的最终产品。对作为中间产品制造的压电多层组件进行烧结，其中金属至少部分地从牺牲层扩散到非活跃区域的压电层中，以及金属从电极层扩散到活跃区域的压电层中。优选通过烧结产生的最终产品、特别是该最终产品的活跃区域和非活跃区域的压电层具有基本相同的金属浓度，由此也具有相同的烧结收缩特性。
以下为了阐述在此描述的实施方式，结合图I至图3示例性描述压电组件。图中示出
图I示意性示出压电执行器的最终产品；
图2示意性示出根据一种实施方式的压电执行器的中间产品的部分区域；
图3A至3F示出牺牲层的不同实施方式。
具体实施例方式在实施例和附图中，对相同或作用相同的部件分别使用相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的大小比例原则上不视为是按照度量的，更确切地说，为了更好的可视性或更好的理解，可将各个元件，例如层、部件、组件以及区域以夸张的厚度或大小示出。图I示出多层压电执行器I的最终产品，该多层压电执行器具有由多个上下叠置的压电层3构成的堆2。堆2沿堆方向划分为一个活跃区域6和两个非活跃区域7。非活跃区域7在堆方向上与活跃区域6交界并形成堆2的端块。 堆2的活跃区域6具有设置在压电层3之间的电极层4。为使电极层4能够在活跃区域6中简单地接触，这样构成该执行器I :仅分别使被分配了相同电极性的电极层4延伸至执行器I的边缘区域。被分配了另一电极性的电极层4在该位置上不完全延伸至执行器I的边缘。因此电极层4分别构成为彼此交错的梳子的形式。通过在堆2外侧的金属化结构5形式的接触面可以在电极层4上施加电压。当在电极层4上施加电压时在活跃区域6中发生压电材料的变形。非活跃区域7没有电极层4。当在金属化结构5上施加电压时在非活跃区域7中不产生电场。特别是当在金属化结构5上施加电压时在非活跃区域7中不产生压电材料的变形。因此非活跃区域7对于压电执行器I的行程没有贡献。非活跃区域7用于对活跃区域6电绝缘。非活跃区域7例如还可以用于夹紧执行器I。为了制造执行器I的压电层3例如使用由压电材料(例如铅-锆-钛酸(PZT))制成的薄膜。由一个膜可以形成一个压电层3的层次(参见图2中中间产品的压电层3中的层次3’)。一个压电层3可以包含一种压电材料的多个层次3’(参见图2)。在执行器I的最终产品中，特别是在对中间产品烧结之后，可以如图I所示，层次3’可能不再能彼此区分。在整个执行器I中采用相同的压电材料。对该压电材料可以附加地配备掺杂物。例如可以对压电材料掺杂钕或锌和铌的混合物。为了形成活跃区域6的电极层4，可以在丝网印刷方法中将金属糊，例如铜糊、银糊或银-钯糊施加在膜上。对于非活跃区域7使用由与活跃区域6中相同的压电材料制成的膜。但用于非活跃区域7的膜不具有为产生电极层4而印制的金属糊。将所有的膜堆叠、压制并共同在900°C至1200°C之间的温度下进行烧结，从而产生作为最终产品的整块的基体。图2示意性示出根据一种实施方式的压电执行器I的中间产品的部分区域。图2特别是示出了多层压电执行器I的一个非活跃区域7以及与该非活跃区域7交界的活跃区域6的一部分。所有在图I的描述中提到的执行器I的特征也适用于按照本发明的、可以由以下描述的中间产品构成的最终产品，除了最终产品在非活跃区域7的压电层3中具有金属以及特别是在活跃区域6和非活跃区域7的压电层3中的金属浓度相同以外。这些还将在以下详细阐述。在此示出的实施例中，非活跃区域7具有压电层3。非活跃区域7的压电层3如已结合图I所述的，具有所述压电材料(例如PZT)的多个层次3’。活跃区域6由多个同样具有所述压电材料的多个层次3’的压电层3组成(未明显示出)。非活跃区域7具有和活跃区域6相同的压电材料。在活跃区域6的各压电层3之间分别设有以不同极性接触的电极层4。非活跃区域7中压电层3的层厚大于、优选至少10倍于活跃区域6中压电层3的层厚。非活跃区域7中压电层3的厚度越大，通过执行器I的非活跃区域7对活跃区域6的电绝缘就越好。但是替代地，分配给非活跃区域7的压电层3的层厚也可以小于活跃区域6中压电层3的层厚，特别是当非活跃区域7具有多个压电层3时。为了匹配活跃区域6和非活跃区域7中的烧结收缩，并由此避免在活跃区域6和非活跃区域7之间的边界处特别是在烧结过程期间形成裂缝，在非活跃区域7的压电层3中以及特别是在非活跃区域7中的压电材料的层次3’上设置牺牲层8 (为了说明起见通过虚线示出)。牺牲层8具有有机粘结剂和由金属粉末和电绝缘材料(本实施例中为陶瓷粉末)构成的混合物。在此牺牲层8的陶瓷粉末具有与活跃区域6和非活跃区域7中的压电层3的压电材料(例如PZT)相同的化学组分。该金属粉末具有与执行器I的活跃区域6中的电极层4相同的金属。例如该金属粉末具有铜。对此替换地，对于对活跃区域6的电极层4使用银糊或银-钯糊的情况，牺牲层8的金属粉末具有银。该金属粉末例如不具有钯，因为钯在对执行器I加热时仅有很低的扩散能力。 牺牲层8中存在的金属被设置用于在烧结过程期间向非活跃区域7中的压电层3、特别是向压电层3的与牺牲层8交界的层次3’扩散。由此在烧结过程期间使得在活跃区域和非活跃区域7中压电层3中有相同的金属浓度。由此实现对活跃区域6和非活跃区域7的烧结收缩特性的匹配。由此避免了或至少减少了在烧结过程期间形成裂缝，如以下还要详细描述的。牺牲层8中的陶瓷粉末优选具有大于或等于0. 4 y m以及小于或等于1.5pm的颗粒大小。金属粉末优选具有大于或等于0.4 以及小于或等于I. 5 的颗粒大小。金属粉末的颗粒大小特别是可以小于陶瓷粉末的颗粒大小，这使得金属颗粒可以更好地扩散到非活跃区域7的压电层3中。优选金属粉末与电极层4的金属具有相同的颗粒大小。如图2所示，可以在非活跃区域7中的所述压电材料的每个层次3’上施加牺牲层8。替代地，可以仅在非活跃区域7中选出的压电材料的层次3’上、例如在每第二个层次3’上施加牺牲层8。非活跃区域7中设置了牺牲层8的所述压电材料的两个层次3’之间的距离如图2所示，约等于活跃区域6中两个相邻的电极层4之间的距离。在烧结过程期间至少一部分金属从牺牲层8扩散到非活跃区域7中压电层3的与牺牲层8交界的层次3’中。在烧结过程之后，活跃区域6中的压电材料和非活跃区域7中的压电材料因此而具有相同的化学组分，特别是具有相同的金属量。如上所述，通过烧结产生的执行器I的最终产品可以如结合图I所描述的最终产品那样，除了在在此所描述的最终产品中在活跃区域6和非活跃区域7的压电层3中的金属浓度相同以外。由于牺牲层8中存在的金属在烧结期间几乎完全扩散到非活跃区域7的压电层3中，尤其是直至达到饱和状态为止，并且牺牲层8还包含与活跃区域6和非活跃区域7的压电层3相同的陶瓷材料，因此在烧结过程之后牺牲层8不再能与活跃区域6和非活跃区域7的压电层3的压电材料相区分或仅仅很少地与之区分。换言之，在烧结过程之后优选在活跃区域6和非活跃区域7中的压电材料之间没有差异。如果在烧结过程期间并且特别是直至达到饱和状态为止牺牲层8比非活跃区域7的压电层3包含更多的金属，则剩余的金属例如以小金属粒子的形式在烧结过程之后保留在牺牲层8中。在这种情况下，在执行器I的最终产品中，即在中间产品烧结之后，也能识别出非活跃区域7中的牺牲层8。即使对于金属部分保留在牺牲层8中的情况，在最终产品中也不存在牺牲层8中的金属与图I所示堆2外侧的金属化结构5的电连接。尤其是不从牺牲层8产生与金属化结构5连接的非活跃区域7的电极层。牺牲层8可以如活跃区域6中的电极层4那样在丝网印刷方法中设置在非活跃区域的压电材料的层次3’上。在此牺牲层8可以在垂直于堆方向的平面内具有结构化。特别是可以通过仅将牺牲层8施加在非活跃区域7中压电材料的层次3’的局部区域上以及通过适当选择用牺牲层8印制的层次3’的面的形状与大小，附加地控制在烧结过程期间扩散到非活跃区域7的压电层3中的金属量。通过牺牲层8和电极层4的相同的涂覆图案可以使金属从牺牲层8的扩散特性与金属从电极层4的扩散特性进一步相互补偿并由此进一步将烧结收缩的差异最小化。特别 是由此在烧结过程之后可以实现非活跃区域7的压电层3和活跃区域6的压电层3的相同的金属浓度。图3A至3F示出牺牲层8的不同实施方式。图3A特别是示出牺牲层8的俯视图，该牺牲层8覆盖非活跃区域7中压电材料的层次3’的整个上侧。替代地，如已所述，可以将牺牲层8以类似于堆2的活跃区域6中电极层4的涂覆图案施加在层次3’上。在这种情况下，牺牲层8例如可能施加在层次3’的整个上侧上，除了在层次3’边缘处的缺口(未明显示出)外。图3B示出牺牲层8的俯视图，其覆盖非活跃区域7中压电材料的层次3’的整个上侧，除了在层次3’的边缘处环绕的缺口 9以外。通过该缺口 9可以减少金属从牺牲层8扩散到非活跃区域7中压电材料的层次3’的边缘区域中。由此相对于图3A所示的牺牲层8的实施方式，提高了非活跃区域7的绝缘作用。特别是缺口 9特别有利于进一步保证非活跃区域7相对于置于执行器I上的金属化结构5 (参见图I)的电绝缘作用。图3C示出结构化的牺牲层8的俯视图。在此牺牲层8的材料以各个岛10的形式施加在层次3’的上侧上。在岛10之间可以识别出缺口 12，从而牺牲层8仅覆盖层次3’的上侧的一部分。通过改变缺口 12的大小可以进一步控制从牺牲层8扩散到非活跃区域7的压电层3中的金属的量。岛10例如可以设置为圆形的并在彼此之间以均匀的距离设置。在层次3’的边缘可以识别出环绕的缺口 9。如已所述，通过缺口 9可以确保非活跃区域7相对于金属化结构5的电绝缘作用。图3D示出其中岛10为正方形的牺牲层8的实施方式。图3E示出作为网格结构11的类型施加在非活跃区域7中压电材料的层次3’上的牺牲层8。因此牺牲层8以封闭正方形缺口 12的组合结构施加在层次3’上。在层次3’的边缘处又可以识别出环绕的缺口 9。图3F示出作为同心的框形区域13、14的布置施加在层次3’上的牺牲层8。在此区域13、14可以具有圆形或正方形的轮廓。可以将它们理解为具有公共中心的环形岛。特别是牺牲层8的框形区域14同心地设置在框形区域13内。在框形区域13、14之间可以识别出缺口 12a。此外，在框形区域14内，特别是在层次3’的中心有牺牲层8的缺口 12b。在层次3’的边缘处设有环绕的缺口 9。通过改变框形区域的数量及形状以及改变缺口 9、12的大小可以控制扩散到非活跃区域7的压电层3中的金属的量，并由此与从活跃区域6的电极层4扩散出的金属的量相匹配。附图标记列表 I多层组件 2堆 3压电层 3’层次 4电极层 5金属化结构 6活跃区域 7非活跃区域 8牺牲层
9缺口
10岛
11网格结构
12缺口 12a 缺口 12b 缺口
13框形区域
14框形区域
权利要求
1.一种作为中间产品的压电多层组件(1)，具有由上下叠置的压电层(3)组成的堆(2)，其中，该堆(2)具有带有设置在所述压电层(3)之间的电极层(4)的活跃区域(6)和至少一个非活跃区域(7)，其中，该活跃区域(6)在该压电多层组件(I)的最终产品中设置用于当在该电极层(4)上施加电压时变形，其中非活跃区域(7)包含至少一个牺牲层(8)，该至少一个牺牲层(8)具有电绝缘材料和金属，其中借助该多层组件(I)的加热该金属能够至少部分地从牺牲层(8)扩散到非活跃区域(7)的压电层(3)中。
2.如权利要求I所述的压电多层组件(1)，其中，这样选择非活跃区域(7)中牺牲层(8)的数量以及在各自牺牲层(8)中的金属含量使得在对多层组件(I)加热之后分配给所述非活跃区域(7)的压电层(3)和分配给所述活跃区域(6)的压电层(3)具有基本上相同的金属浓度。
3.如权利要求I或2所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)的金属和绝缘材料之间的重量比在1:5至1:50的范围内。
4.如权利要求I至3中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述压电层(3)具有压电陶瓷材料。
5.如权利要求I至4中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)具有与所述压电层(3 )相同的压电材料作为绝缘材料。
6.如权利要求I至5中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)与所述电极层(4)具有相同的金属。
7.如权利要求5或6所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)具有颗粒大小为大于或等于0. 2 y m以及小于或等于I. 5 y m的陶瓷粉末。
8.如权利要求I至7中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)具有颗粒大小为大于或等于0. 01 y m以及小于或等于3. 0 y m的金属粉末。
9.如权利要求I至8中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，在非活跃区域(7)中两个牺牲层(8)之间的距离为活跃区域(6)中两个相邻电极层(4)之间的距离的0. 3至3. 0倍。
10.如权利要求I至9中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)在垂直于堆方向的平面内具有结构化。
11.如权利要求I至10中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)的几何涂覆图案与活跃区域(6)中电极层(4)的几何涂覆图案相应。
12.一种作为最终产品的压电多层组件(1)，具有由上下叠置的压电层(3)组成的堆(2)，其中，该堆(2)具有带有设置在所述压电层(3)之间的电极层(4)的活跃区域(6)和至少一个非活跃区域(7)，其中，该活跃区域(6)设置用于当在该电极层(4)上施加电压时变形，其中，活跃区域(6)和非活跃区域(7)的压电层(3)包含浓度基本相同的金属。
13.一种作为最终产品的压电多层组件(1)，由如权利要求I至11中任一项所述的中间产品通过对该中间产品的烧结形成。
14.一种用于制造如权利要求I至11中任一项所述的压电多层组件(I)的中间产品的方法，具有如下方法步骤 A)确定牺牲层(8)的、设置用于至少部分扩散到对应于非活跃区域(7)的压电层(3)中的金属量，B)确定该牺牲层(8)的最大重量， C)由所述牺牲层(8)的最大重量和为所述牺牲层(8)确定的金属量的重量之间的差确定牺牲层(8)的绝缘材料的量， D)由在分配给所述非活跃区域(7)的压电层(3)中的预定量的金属和预定量的绝缘材料形成所述牺牲层(8)， E)形成具有至少一个根据所述步骤A)至D)形成的用于非活跃区域(7)的压电层(3)以及上下叠置的用于活跃区域(6)的压电层(3)和设置在所述压电层(3)之间的、用于活跃区域(6)的电极层(4)的堆(2)。
15.如权利要求14所述的方法，包括对中间产品进行烧结以获得所述压电多层组件(I)的最终广品。
全文摘要
一种作为中间产品的压电多层组件(1)，具有由上下叠置的压电层(3)组成的堆(2)。该堆(2)具有带有设置在所述压电层(3)之间的电极层(4)的活跃区域(6)和至少一个非活跃区域(7)，其中，该活跃区域(6)在该压电多层组件(1)的最终产品中设置用于当在该电极层(4)上施加电压时变形。非活跃区域(7)包含至少一个牺牲层(8)，该至少一个牺牲层(8)具有电绝缘材料和金属，其中，借助该多层组件(1)的加热该金属能够至少部分地从牺牲层(8)扩散到非活跃区域(7)的压电层(3)中。
文档编号H01L41/083GK102754231SQ201180010514
公开日2012年10月24日 申请日期2011年2月21日 优先权日2010年2月22日
发明者A.格拉朱诺夫, O.德诺夫塞克 申请人:埃普科斯股份有限公司
技术领域：
本发明涉及一种具有压电层的压电组件。
背景技术：
多层压电组件,如多层压电执行器(pi ezoelektrische Aktoren),包括一种压电材料的多层。压电执行器例如可以用在汽车中对喷油嘴进行操作。例如在DE102004031404A1、DE 102005052686 Al 和 EP1926156 A2 中公开了压电执行器。
发明内容
本发明要解决的任务在于，说明一种具有高可靠性的压电组件。说明一种作为中间产品的压电多层组件，具有由上下叠置的压电层组成的堆。该堆具有带有设置在压电层之间的电极层的活跃区域和至少一个非活跃区域。该活跃区域在压电多层组件的最终产品中设置用于当在电极层上施加电压时变形。非活跃区域包含至少一个牺牲层(Opferschicht)。该牺牲层具有电绝缘材料和金属。借助对该多层组件的加热金属能够至少部分地从牺牲层扩散到非活跃区域的压电层中。特别是该压电组件的最终产品可以作为压电执行器以多层构造方式构成。该组件的活跃区域具有设置在压电层之间的电极层。当在电极层上施加电压时，该活跃区域中的压电材料发生变形。如果该组件为压电执行器，则也可以将该变形称为压电行程(piezoelektrischer Hub)。当在活跃区域的电极层上施加电压时，非活跃区域的变形小于活跃区域的变形。优选非活跃区域不具有变形来作为设置在非活跃区域中的压电材料对施加的电压的响应。尤其优选非活跃区域不具有电极层。非活跃区域可以用于将活跃区域相对于例如组件安装于其内的外壳进行电绝缘。例如，可以将非活跃区域作为组件的端块用于将组件夹紧。组件、特别是中间产品的压电层可以由所谓的生坯膜制成，其除了其它组成部分如烧结辅助物之外还具有陶瓷粉末。可以将活跃区域的电极层例如在丝网印刷方法中施加到该生坯膜上。然后将生坯膜进行堆叠，从而形成组件的中间产品并一起烧制，由此从组件的中间产品得到作为最终产品的整块的基体。在中间产品加热时，特别是在烧结过程期间，金属从活跃区域的电极层扩散到活跃区域的压电层中。在非活跃区域没有电极层的情况下，在非活跃区域中不发生金属到压电层的扩散。这导致在活跃区域和非活跃区域的压电层中金属浓度的不同。特别是从活跃区域的电极层扩散到压电层中的金属加速了在活跃区域中的烧结收缩，首先是在高烧结温度下。由此造成不同的烧结收缩特性并由此造成活跃区域和非活跃区域烧结收缩温度的不同，进而造成特别是在活跃区域和非活跃区域之间的边界上形成机械张力。所产生的机械张力可能造成在对中间产品进行加热期间或在最终产品运行期间在活跃区域和非活跃区域之间的边界上形成裂缝。通过这些裂缝可能导致压电执行器失效。由此减少裂缝的产生对于提高执行器的可靠性和寿命来说是决定性的。在此所描述的中间产品中，非活跃区域具有至少一个包含金属的牺牲层。在对中间产品加热期间、特别是在烧结过程期间，金属从非活跃区域的牺牲层扩散到非活跃区域的压电层。由此使非活跃区域中的烧结收缩接近活跃区域中的烧结收缩。优选牺牲层具有这样的金属含量使得在对中间产品进行烧结之后非活跃区域中的压电层和活跃区域中的压电层具有相同的金属浓度。此外优选这样选择牺牲层中包含的绝缘材料的量，使得尽管在牺牲层中包含金属也能确保最终产品中非活跃区域的绝缘作用。因此，所描述的压电组件的优点在于，通过牺牲层中包含的金属能够优选地使在活跃区域和非活跃区域的压电层中具有相同的金属浓度，并由此能够实现堆的活跃区域和非活跃区域的烧结收缩特性匹配。由此可以避免或至少减少例如在对组件加热期间或者在最终产品运行期间裂缝的形成，特别是在活跃区域和非活跃区域之间的边界上。牺牲层除了金属和电绝缘材料外还可以包含有机粘结剂，其优选还在对中间产品 进行烧结之前就已经通过适当的温度处理而挥发掉。此外，说明一种作为最终产品的压电多层组件，具有由上下叠置的压电层组成的堆，其中，该堆具有带有设置在压电层之间的电极层的活跃区域和至少一个非活跃区域。活跃区域设置用于在该电极层上施加电压时变形，其中，该活跃区域和该非活跃区域的压电层优选包含浓度基本相同的金属。在此，“浓度基本相同”是指将活跃区域和非活跃区域的压电层中的金属浓度选择为，使活跃区域和非活跃区域的烧结收缩的差异小到在烧结过程期间不会形成裂缝。在此活跃区域和非活跃区域的压电层可以具有相同的金属。替代地，活跃区域的压电层中的金属和非活跃区域的压电层中的金属可以不同。优选活跃区域和非活跃区域的压电层具有相同的化学组分，特别是相同的金属浓度。优选活跃区域和非活跃区域的压电层具有相同的金属。优选活跃区域和非活跃区域的压电层具有包含在活跃区域的电极层中的金属，例如铜。由此可以实现活跃区域和非活跃区域的烧结收缩特性的匹配。有利地这样选择非活跃区域中包含的金属的量，使得尽管在非活跃区域的压电层中包含金属，非活跃区域也能起到相对于活跃区域以及相对于在执行器上设置的外部电极的绝缘作用。在中间产品的一种有利实施方式中，这样选择非活跃区域中牺牲层的数量以及各牺牲层的金属量使得在对多层组件加热后分配给非活跃区域的压电层的金属浓度与分配给活跃区域的压电层的金属浓度相同。此外，这样选择非活跃区域中牺牲层的数量以及各自牺牲层的金属量使得非活跃区域的绝缘特性，特别是非活跃区域相对于设置在执行器上的外部电极的绝缘作用进一步得到保证。牺牲层中包含的金属量根据在对中间产品进行加热期间非活跃区域的压电层能够接受多少金属来选择。这首先取决于非活跃区域的压电层的厚度。优选牺牲层至少恰好具有在加热期间能够扩散到非活跃区域的压电层中的金属一样多的金属。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层的金属和绝缘材料之间的重量比在1:5至1:50的范围内。在中间产品的一种实施方式中，压电层具有压电陶瓷材料。
例如，压电层具有铅-锆-钛酸(PZT)陶瓷。特别是活跃区域和非活跃区域的压电层可以具有相同的压电陶瓷材料。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层具有与压电层相同的压电材料作为绝缘材料。 由此可以使在非活跃区域和活跃区域中金属的扩散特性得到特别好的匹配。优选在对组件加热之后牺牲层具有与非活跃区域的压电层相同的组分并且不再被视作单独的层。牺牲层至少具有能够通过金属从牺牲层向非活跃区域的压电层的扩散而使压电层达到金属饱和所需的金属。优选在烧结过程期间从活跃区域的电极层扩散到活跃区域的压电层的金属以及从牺牲层扩散到非活跃区域的压电层的金属多到能使在活跃区域和非活跃区域的压电层中达到金属的饱和状态。对于牺牲层具有的金属多于在烧结过程期间非活跃区域的压电层所接受的金属的情况，使剩余的金属例如以小的金属粒子的形式在烧结过程之后保留在牺牲层中，从而使牺牲层也能在最终产品中被识别出。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层具有颗粒大小为大于或等于0.2 以及小于或等于I. 5 m的陶瓷粉末。在中间产品的一种实施方式中，牺牲层具有颗粒大小为大于或等于0. Oliim以及小于或等于3. 0 ii m的金属粉末。在此，对于颗粒大小优选说明颗粒大小在牺牲层中的分布的中间值d50。陶瓷粉末的颗粒大小在中间产品加热之前可以大于或等于0. 2 y m以及小于或等于I. 5 y m，并优选大于或等于0. 4 y m以及小于或等于I. 5 y m。金属粉末的颗粒大小在中间产品加热之前可以大于或等于0. 01 y m以及小于或等于3. 0 y m，并优选大于或等于0. 4 y m以及小于或等于1.5um0优选金属粉末的颗粒大小与活跃区域的电极层的金属的颗粒大小相同。此外，优选陶瓷粉末的颗粒大小与活跃区域和非活跃区域的压电层的压电材料的颗粒大小相同。为了使活跃区域和非活跃区域中的金属具有相同的扩散特性，并由此实现在对组件加热期间活跃区域和非活跃区域的烧结收缩相匹配，这是特别合适的。另一种实施方式规定，在非活跃区域中两个牺牲层之间的距离为活跃区域中两个相邻电极层之间的距离的0. 3至3. 0倍。优选在非活跃区域中两个牺牲层之间的距离恰好等于活跃区域中两个相邻电极层之间的距离。通过将两个牺牲层之间的距离与两个电极层之间的距离进行匹配，可以优选实现金属在活跃区域和非活跃区域的压电层中的相同浓度分布。在此，在堆的非活跃区域中的压电层和牺牲层之间的过渡区域中的压电层，以及在堆的活跃区域中的压电层和电极层之间的过渡区域中的压电层具有比在该压电层远离该过渡区域的区域中更高的金属浓度。中间产品的另一种实施方式规定，牺牲层在垂直于堆方向的平面内具有结构化。在此牺牲层可以具有不连续的结构，或者仅覆盖非活跃区域的压电层的一部分。例如可以将牺牲层实现为施加在非活跃区域中的压电层上的岛的布置。牺牲层例如可以具有缺口，特别是使牺牲层作为网格结构仅覆盖非活跃区域中的压电层的一部分。通过对牺牲层的结构化还可以附加地控制在烧结过程期间扩散到非活跃区域的压电层中的金属的量。
中间产品的一种实施方式规定，牺牲层的几何涂覆图案(geometrischeAuftragungsmuster)与活跃区域中电极层的几何涂覆图案相应。通过牺牲层和电极层相同的几何涂覆图案可以非常好地使金属从牺牲层的扩散特性与金属从电极层的扩散特性相补偿，并由此进一步减小在活跃区域和非活跃区域中烧结收缩的差异。除了作为中间产品和最终产品的压电多层组件外，还说明一种用于制造作为中间产品的压电多层组件的方法。在此，说明一种用于制造如上所述的压电多层组件的中间产品的方法，具有如下方法步骤
在第一方法步骤中，确定牺牲层的金属量，特别是金属的重量。在此，金属量是为至少部分扩散到对应于非活跃区域的压电层中而设置的。在另一步骤中，确定牺牲层的最大重量。在下一步骤中，由牺牲层的最大重量和为牺牲层确定的金属量的重量之间的差来确定 牺牲层的绝缘材料的量，以及特别是绝缘材料的重量。在再一步骤中，由在对应于非活跃区域的压电层中的预定量的金属和预定量的绝缘材料形成牺牲层。在最后的步骤中，形成组件的堆，该堆具有至少一个根据上述步骤形成的用于非活跃区域的压电层以及用于活跃区域的上下叠置的压电层和设置在压电层之间的、用于活跃区域的电极层。优选这样确定牺牲层中存在的绝缘材料的量尽管在牺牲层中包含金属但仍能保证非活跃区域的绝缘作用。优选牺牲层中的金属量至少为，在烧结过程中从牺牲层扩散到非活跃区域中的压电材料中的金属与从电极层扩散到活跃区域中的压电材料中的金属同样多。由此可以实现对活跃区域和非活跃区域的烧结收缩特性的匹配。牺牲层中的金属量取决于非活跃区域中压电材料的化学组分。此外金属量还取决于金属的种类。从这些中以及从非活跃区域的体积可以确定每牺牲层的金属重量。牺牲层的最大重量取决于金属的重量。此外牺牲层的层厚以及由此牺牲层的最大重量还取决于将牺牲层施加在非活跃区域的压电层上的方法，例如丝网印刷方法。该方法的一种实施方式规定对中间产品进行加热，特别是烧结以获得压电多层组件的最终产品。对作为中间产品制造的压电多层组件进行烧结，其中金属至少部分地从牺牲层扩散到非活跃区域的压电层中，以及金属从电极层扩散到活跃区域的压电层中。优选通过烧结产生的最终产品、特别是该最终产品的活跃区域和非活跃区域的压电层具有基本相同的金属浓度，由此也具有相同的烧结收缩特性。
以下为了阐述在此描述的实施方式，结合图I至图3示例性描述压电组件。图中示出
图I示意性示出压电执行器的最终产品；
图2示意性示出根据一种实施方式的压电执行器的中间产品的部分区域；
图3A至3F示出牺牲层的不同实施方式。
具体实施例方式在实施例和附图中，对相同或作用相同的部件分别使用相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的大小比例原则上不视为是按照度量的，更确切地说，为了更好的可视性或更好的理解，可将各个元件，例如层、部件、组件以及区域以夸张的厚度或大小示出。图I示出多层压电执行器I的最终产品，该多层压电执行器具有由多个上下叠置的压电层3构成的堆2。堆2沿堆方向划分为一个活跃区域6和两个非活跃区域7。非活跃区域7在堆方向上与活跃区域6交界并形成堆2的端块。 堆2的活跃区域6具有设置在压电层3之间的电极层4。为使电极层4能够在活跃区域6中简单地接触，这样构成该执行器I :仅分别使被分配了相同电极性的电极层4延伸至执行器I的边缘区域。被分配了另一电极性的电极层4在该位置上不完全延伸至执行器I的边缘。因此电极层4分别构成为彼此交错的梳子的形式。通过在堆2外侧的金属化结构5形式的接触面可以在电极层4上施加电压。当在电极层4上施加电压时在活跃区域6中发生压电材料的变形。非活跃区域7没有电极层4。当在金属化结构5上施加电压时在非活跃区域7中不产生电场。特别是当在金属化结构5上施加电压时在非活跃区域7中不产生压电材料的变形。因此非活跃区域7对于压电执行器I的行程没有贡献。非活跃区域7用于对活跃区域6电绝缘。非活跃区域7例如还可以用于夹紧执行器I。为了制造执行器I的压电层3例如使用由压电材料(例如铅-锆-钛酸(PZT))制成的薄膜。由一个膜可以形成一个压电层3的层次(参见图2中中间产品的压电层3中的层次3’)。一个压电层3可以包含一种压电材料的多个层次3’(参见图2)。在执行器I的最终产品中，特别是在对中间产品烧结之后，可以如图I所示，层次3’可能不再能彼此区分。在整个执行器I中采用相同的压电材料。对该压电材料可以附加地配备掺杂物。例如可以对压电材料掺杂钕或锌和铌的混合物。为了形成活跃区域6的电极层4，可以在丝网印刷方法中将金属糊，例如铜糊、银糊或银-钯糊施加在膜上。对于非活跃区域7使用由与活跃区域6中相同的压电材料制成的膜。但用于非活跃区域7的膜不具有为产生电极层4而印制的金属糊。将所有的膜堆叠、压制并共同在900°C至1200°C之间的温度下进行烧结，从而产生作为最终产品的整块的基体。图2示意性示出根据一种实施方式的压电执行器I的中间产品的部分区域。图2特别是示出了多层压电执行器I的一个非活跃区域7以及与该非活跃区域7交界的活跃区域6的一部分。所有在图I的描述中提到的执行器I的特征也适用于按照本发明的、可以由以下描述的中间产品构成的最终产品，除了最终产品在非活跃区域7的压电层3中具有金属以及特别是在活跃区域6和非活跃区域7的压电层3中的金属浓度相同以外。这些还将在以下详细阐述。在此示出的实施例中，非活跃区域7具有压电层3。非活跃区域7的压电层3如已结合图I所述的，具有所述压电材料(例如PZT)的多个层次3’。活跃区域6由多个同样具有所述压电材料的多个层次3’的压电层3组成(未明显示出)。非活跃区域7具有和活跃区域6相同的压电材料。在活跃区域6的各压电层3之间分别设有以不同极性接触的电极层4。非活跃区域7中压电层3的层厚大于、优选至少10倍于活跃区域6中压电层3的层厚。非活跃区域7中压电层3的厚度越大，通过执行器I的非活跃区域7对活跃区域6的电绝缘就越好。但是替代地，分配给非活跃区域7的压电层3的层厚也可以小于活跃区域6中压电层3的层厚，特别是当非活跃区域7具有多个压电层3时。为了匹配活跃区域6和非活跃区域7中的烧结收缩，并由此避免在活跃区域6和非活跃区域7之间的边界处特别是在烧结过程期间形成裂缝，在非活跃区域7的压电层3中以及特别是在非活跃区域7中的压电材料的层次3’上设置牺牲层8 (为了说明起见通过虚线示出)。牺牲层8具有有机粘结剂和由金属粉末和电绝缘材料(本实施例中为陶瓷粉末)构成的混合物。在此牺牲层8的陶瓷粉末具有与活跃区域6和非活跃区域7中的压电层3的压电材料(例如PZT)相同的化学组分。该金属粉末具有与执行器I的活跃区域6中的电极层4相同的金属。例如该金属粉末具有铜。对此替换地，对于对活跃区域6的电极层4使用银糊或银-钯糊的情况，牺牲层8的金属粉末具有银。该金属粉末例如不具有钯，因为钯在对执行器I加热时仅有很低的扩散能力。 牺牲层8中存在的金属被设置用于在烧结过程期间向非活跃区域7中的压电层3、特别是向压电层3的与牺牲层8交界的层次3’扩散。由此在烧结过程期间使得在活跃区域和非活跃区域7中压电层3中有相同的金属浓度。由此实现对活跃区域6和非活跃区域7的烧结收缩特性的匹配。由此避免了或至少减少了在烧结过程期间形成裂缝，如以下还要详细描述的。牺牲层8中的陶瓷粉末优选具有大于或等于0. 4 y m以及小于或等于1.5pm的颗粒大小。金属粉末优选具有大于或等于0.4 以及小于或等于I. 5 的颗粒大小。金属粉末的颗粒大小特别是可以小于陶瓷粉末的颗粒大小，这使得金属颗粒可以更好地扩散到非活跃区域7的压电层3中。优选金属粉末与电极层4的金属具有相同的颗粒大小。如图2所示，可以在非活跃区域7中的所述压电材料的每个层次3’上施加牺牲层8。替代地，可以仅在非活跃区域7中选出的压电材料的层次3’上、例如在每第二个层次3’上施加牺牲层8。非活跃区域7中设置了牺牲层8的所述压电材料的两个层次3’之间的距离如图2所示，约等于活跃区域6中两个相邻的电极层4之间的距离。在烧结过程期间至少一部分金属从牺牲层8扩散到非活跃区域7中压电层3的与牺牲层8交界的层次3’中。在烧结过程之后，活跃区域6中的压电材料和非活跃区域7中的压电材料因此而具有相同的化学组分，特别是具有相同的金属量。如上所述，通过烧结产生的执行器I的最终产品可以如结合图I所描述的最终产品那样，除了在在此所描述的最终产品中在活跃区域6和非活跃区域7的压电层3中的金属浓度相同以外。由于牺牲层8中存在的金属在烧结期间几乎完全扩散到非活跃区域7的压电层3中，尤其是直至达到饱和状态为止，并且牺牲层8还包含与活跃区域6和非活跃区域7的压电层3相同的陶瓷材料，因此在烧结过程之后牺牲层8不再能与活跃区域6和非活跃区域7的压电层3的压电材料相区分或仅仅很少地与之区分。换言之，在烧结过程之后优选在活跃区域6和非活跃区域7中的压电材料之间没有差异。如果在烧结过程期间并且特别是直至达到饱和状态为止牺牲层8比非活跃区域7的压电层3包含更多的金属，则剩余的金属例如以小金属粒子的形式在烧结过程之后保留在牺牲层8中。在这种情况下，在执行器I的最终产品中，即在中间产品烧结之后，也能识别出非活跃区域7中的牺牲层8。即使对于金属部分保留在牺牲层8中的情况，在最终产品中也不存在牺牲层8中的金属与图I所示堆2外侧的金属化结构5的电连接。尤其是不从牺牲层8产生与金属化结构5连接的非活跃区域7的电极层。牺牲层8可以如活跃区域6中的电极层4那样在丝网印刷方法中设置在非活跃区域的压电材料的层次3’上。在此牺牲层8可以在垂直于堆方向的平面内具有结构化。特别是可以通过仅将牺牲层8施加在非活跃区域7中压电材料的层次3’的局部区域上以及通过适当选择用牺牲层8印制的层次3’的面的形状与大小，附加地控制在烧结过程期间扩散到非活跃区域7的压电层3中的金属量。通过牺牲层8和电极层4的相同的涂覆图案可以使金属从牺牲层8的扩散特性与金属从电极层4的扩散特性进一步相互补偿并由此进一步将烧结收缩的差异最小化。特别 是由此在烧结过程之后可以实现非活跃区域7的压电层3和活跃区域6的压电层3的相同的金属浓度。图3A至3F示出牺牲层8的不同实施方式。图3A特别是示出牺牲层8的俯视图，该牺牲层8覆盖非活跃区域7中压电材料的层次3’的整个上侧。替代地，如已所述，可以将牺牲层8以类似于堆2的活跃区域6中电极层4的涂覆图案施加在层次3’上。在这种情况下，牺牲层8例如可能施加在层次3’的整个上侧上，除了在层次3’边缘处的缺口(未明显示出)外。图3B示出牺牲层8的俯视图，其覆盖非活跃区域7中压电材料的层次3’的整个上侧，除了在层次3’的边缘处环绕的缺口 9以外。通过该缺口 9可以减少金属从牺牲层8扩散到非活跃区域7中压电材料的层次3’的边缘区域中。由此相对于图3A所示的牺牲层8的实施方式，提高了非活跃区域7的绝缘作用。特别是缺口 9特别有利于进一步保证非活跃区域7相对于置于执行器I上的金属化结构5 (参见图I)的电绝缘作用。图3C示出结构化的牺牲层8的俯视图。在此牺牲层8的材料以各个岛10的形式施加在层次3’的上侧上。在岛10之间可以识别出缺口 12，从而牺牲层8仅覆盖层次3’的上侧的一部分。通过改变缺口 12的大小可以进一步控制从牺牲层8扩散到非活跃区域7的压电层3中的金属的量。岛10例如可以设置为圆形的并在彼此之间以均匀的距离设置。在层次3’的边缘可以识别出环绕的缺口 9。如已所述，通过缺口 9可以确保非活跃区域7相对于金属化结构5的电绝缘作用。图3D示出其中岛10为正方形的牺牲层8的实施方式。图3E示出作为网格结构11的类型施加在非活跃区域7中压电材料的层次3’上的牺牲层8。因此牺牲层8以封闭正方形缺口 12的组合结构施加在层次3’上。在层次3’的边缘处又可以识别出环绕的缺口 9。图3F示出作为同心的框形区域13、14的布置施加在层次3’上的牺牲层8。在此区域13、14可以具有圆形或正方形的轮廓。可以将它们理解为具有公共中心的环形岛。特别是牺牲层8的框形区域14同心地设置在框形区域13内。在框形区域13、14之间可以识别出缺口 12a。此外，在框形区域14内，特别是在层次3’的中心有牺牲层8的缺口 12b。在层次3’的边缘处设有环绕的缺口 9。通过改变框形区域的数量及形状以及改变缺口 9、12的大小可以控制扩散到非活跃区域7的压电层3中的金属的量，并由此与从活跃区域6的电极层4扩散出的金属的量相匹配。附图标记列表 I多层组件 2堆 3压电层 3’层次 4电极层 5金属化结构 6活跃区域 7非活跃区域 8牺牲层
9缺口
10岛
11网格结构
12缺口 12a 缺口 12b 缺口
13框形区域
14框形区域
权利要求
1.一种作为中间产品的压电多层组件(1)，具有由上下叠置的压电层(3)组成的堆(2)，其中，该堆(2)具有带有设置在所述压电层(3)之间的电极层(4)的活跃区域(6)和至少一个非活跃区域(7)，其中，该活跃区域(6)在该压电多层组件(I)的最终产品中设置用于当在该电极层(4)上施加电压时变形，其中非活跃区域(7)包含至少一个牺牲层(8)，该至少一个牺牲层(8)具有电绝缘材料和金属，其中借助该多层组件(I)的加热该金属能够至少部分地从牺牲层(8)扩散到非活跃区域(7)的压电层(3)中。
2.如权利要求I所述的压电多层组件(1)，其中，这样选择非活跃区域(7)中牺牲层(8)的数量以及在各自牺牲层(8)中的金属含量使得在对多层组件(I)加热之后分配给所述非活跃区域(7)的压电层(3)和分配给所述活跃区域(6)的压电层(3)具有基本上相同的金属浓度。
3.如权利要求I或2所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)的金属和绝缘材料之间的重量比在1:5至1:50的范围内。
4.如权利要求I至3中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述压电层(3)具有压电陶瓷材料。
5.如权利要求I至4中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)具有与所述压电层(3 )相同的压电材料作为绝缘材料。
6.如权利要求I至5中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)与所述电极层(4)具有相同的金属。
7.如权利要求5或6所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)具有颗粒大小为大于或等于0. 2 y m以及小于或等于I. 5 y m的陶瓷粉末。
8.如权利要求I至7中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)具有颗粒大小为大于或等于0. 01 y m以及小于或等于3. 0 y m的金属粉末。
9.如权利要求I至8中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，在非活跃区域(7)中两个牺牲层(8)之间的距离为活跃区域(6)中两个相邻电极层(4)之间的距离的0. 3至3. 0倍。
10.如权利要求I至9中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)在垂直于堆方向的平面内具有结构化。
11.如权利要求I至10中任一项所述的压电多层组件(1)，其中，所述牺牲层(8)的几何涂覆图案与活跃区域(6)中电极层(4)的几何涂覆图案相应。
12.一种作为最终产品的压电多层组件(1)，具有由上下叠置的压电层(3)组成的堆(2)，其中，该堆(2)具有带有设置在所述压电层(3)之间的电极层(4)的活跃区域(6)和至少一个非活跃区域(7)，其中，该活跃区域(6)设置用于当在该电极层(4)上施加电压时变形，其中，活跃区域(6)和非活跃区域(7)的压电层(3)包含浓度基本相同的金属。
13.一种作为最终产品的压电多层组件(1)，由如权利要求I至11中任一项所述的中间产品通过对该中间产品的烧结形成。
14.一种用于制造如权利要求I至11中任一项所述的压电多层组件(I)的中间产品的方法，具有如下方法步骤 A)确定牺牲层(8)的、设置用于至少部分扩散到对应于非活跃区域(7)的压电层(3)中的金属量，B)确定该牺牲层(8)的最大重量， C)由所述牺牲层(8)的最大重量和为所述牺牲层(8)确定的金属量的重量之间的差确定牺牲层(8)的绝缘材料的量， D)由在分配给所述非活跃区域(7)的压电层(3)中的预定量的金属和预定量的绝缘材料形成所述牺牲层(8)， E)形成具有至少一个根据所述步骤A)至D)形成的用于非活跃区域(7)的压电层(3)以及上下叠置的用于活跃区域(6)的压电层(3)和设置在所述压电层(3)之间的、用于活跃区域(6)的电极层(4)的堆(2)。
15.如权利要求14所述的方法，包括对中间产品进行烧结以获得所述压电多层组件(I)的最终广品。
全文摘要
一种作为中间产品的压电多层组件(1)，具有由上下叠置的压电层(3)组成的堆(2)。该堆(2)具有带有设置在所述压电层(3)之间的电极层(4)的活跃区域(6)和至少一个非活跃区域(7)，其中，该活跃区域(6)在该压电多层组件(1)的最终产品中设置用于当在该电极层(4)上施加电压时变形。非活跃区域(7)包含至少一个牺牲层(8)，该至少一个牺牲层(8)具有电绝缘材料和金属，其中，借助该多层组件(1)的加热该金属能够至少部分地从牺牲层(8)扩散到非活跃区域(7)的压电层(3)中。
文档编号H01L41/083GK102754231SQ201180010514
公开日2012年10月24日 申请日期2011年2月21日 优先权日2010年2月22日
发明者A.格拉朱诺夫, O.德诺夫塞克 申请人:埃普科斯股份有限公司
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