单片多层压电执行元件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种多层结构的、高宽比大于２的压电执行元件。该执行元件是由多个小型的叠置多层结构构成的。经过烧结制成一种具有改进的高机械强度的、压电性能优越的压电执行元件。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
压电执行元件一般是由在一个叠层(Stapel)中配置的多个压电元件制成的。每个这样的元件又是由在两侧装有金属电极的一片压电陶瓷层制成的。当在这样的电极上施加电压时，在压电陶瓷上便产生沿着一个主轴向一个有用纵向延伸的晶格畸变。由于这种沿着主轴方向延伸的长度又小于层厚的千分之二，要想取得一个理想的绝对延伸长度，就必须准备厚度相当大的层厚的有源压电陶瓷。随着压电陶瓷层厚的增加，单个压电元件的压电陶瓷动作所需的电压增大。为了使这种现象保持在有用的范围以内，压电陶瓷的厚度一般在20到200μm之间。要想使多层结构的压电执行元件产生一个理想的纵向延伸，就需要备有相应层数的单个元件或者单层层件。惯用的多层结构压电执行元件是由总共有多层的单层层件构成的。其制造方法是将压电陶瓷绿膜按照电极材料交替层叠的方式叠成一个叠层，然后经过层压及烧结，制成单片多层件。在Ferroelectrics,1983,90卷，181~190页发表过S.Takahashi等人所写有关这种方法示例的文章。具有最大绝对延伸长度的最大压电执行元件是采用将多个这样的叠层粘结制成的。在US-A5438232中发表过这样的方法的示例。然而这样的粘结叠层在多种用途中发现刚度太小，当必须要传递强力时更是如此。只有整块的单片多层结构方才具备这样高的刚性。只有这样的结构方才显示出在叠层中的多层件具有的足够牢度。在制造单片多层结构的单片执行元件时，随着高度的逐步增大还要产生其他的问题。由多个单一执行元件压成一个叠层的层压板，在烧结之前必须进行分割。借以将面积较大的绿膜分割成具有理想大小执行元件面积的小块叠层。低叠层能够像多层电容器那样使用简单的方法在自动冲床上冲压；高叠层则必须采用多锯条锯沿着分割线进行分割。低叠层能够在自动机床中以短的作业时间完成层压作业。当较高的叠层进行层压时，则必须要加倍谨慎地进行；在进行层压时特别要保持竖向的结构精度不变。此时，由于所用的压力在绿膜中的横向流动过程经常会有造成层间移位的危险。特别是在以后有待进行接触加工的部位会因此受到损坏。在多层制造工艺中所用的有机粘合剂在绿膜的制造中是特别需要的，在层压工序中也是协调的，但是在进行烧结之前必须要在炉子中在受控的气氛中进行费用昂贵的脱粘合剂处理。随着叠层高度的增高，在脱粘合剂过程中粘合剂或者分解产物所需的扩散通路要成倍增加。为了防止高内压对于叠层的损害，需要高费用的工艺措施，在制造多层电容器的过程中，这是一笔主要的花费。由于在制造多层结构的压电执行元件存在的许多有待解决的问题，迄今为止，已知的单片压电执行元件，由于采用制造成本便宜的，例如，采用制造多层电容器的惯用技术，使其最大高度被限定在2.5至5mm。除此以外，出于上述的原因，这种已知压电执行元件的高宽比最大只能达到2左右。迄今为止，更高的执行元件以及高宽比更大的执行元件只能通过将多个小叠层粘结在一起的办法获得，采用这样的办法使叠层的刚性、并且转而使其承载能力降低。本专利技术的任务是为制造单片多层结构压电执行元件提供一种简单可靠的方法，其高宽比在2以上，用来制成叠层高度在5mm以上的单片体，具有最佳的压电性能和强大的机械粘结强度。这项任务按照权利要求项1规定的一种方法能够解决。本专利技术的其他优选措施参见其他权利要求项。本专利技术的基本想法是利用规定叠层高度的层压结构。经过将层压片分割成小块之后，也就是由大面积的第一叠层(第一多层件)分割成理想执行元件的小块第二叠层(第二多层件)之后，要进行脱粘合剂。然后，将多个这样的第二多层件叠置成一定的高度，相当于第一成果的多倍，并且在轻度压力下烧结成符合本专利技术的压电执行元件。从而制成总体高度大于5mm，高宽比大于2的、符合本专利技术的压电执行元件。通过将有用量较小、从而叠层高度较小的第一叠层进行层压，获得内部电极结构的竖向高精度。这一点特别重要，因为电极是经过成型加工被压结在绿膜上的，结果是使其被保留在电极层的预留孔中，它在叠层中就位的准确位置对于正确的接触加工特别重要。通过将许多这样的多层件上下叠置，然后接着用简单的方式共同烧结，能够在多层件的内部保持这样高的竖向精度不变。在将多层件上下叠置时可能会产生的位错并无关紧要。当分割叠层高度受限的第一多层件利用成本便宜的惯用方式通过切割、冲压、或者剪切进行分割。单个的多层件有时要做的脱粘合剂是在叠层高度很小，例如，最高为2mm的状态下进行的。这样就可以使粘合剂或者其分解产物需要克服的扩散路径大约在1mm左右。因此，在脱粘合剂时不必因对该过程进行控制而作额外的支出，采用惯用的方法即可。由于在制造第一多层件时在多层件中的电极结构加工是统一进行的，通过将不同电极结构的多个多层件连接在一起，就能够用简单的方法制成层件不同的压电执行元件。层件按照具体的电极结构、每一分层的层厚或者接触加工方式划分。所以能够采用简单的方式在压电执行元件中逐步实现执行元件和传感器的机械结合和电动脱钩的功能。压电执行元件的端件(也就是头件和尾件)的制造方法也很简单。这些元件是由大面积的有或没有电极结构的无源陶瓷层制成的。按照本专利技术的压电执行元件及其组配方法完全不受所用材料的限制。可以用任何一种PZT(锆钛酸铅)-陶瓷制造执行元件。可以用含不同金属的料浆制造电极层。例如一种含铂颗粒的料浆就能够在最佳温度条件下烧结成为良好压电性能所需的陶瓷结构。含钯/银的料浆也适合在较低的烧结温度下使用。以下参照一个实施例及其附图对于该方法进行详细说明。附图说明图1所示是用电极材料压结的绿膜的俯视图。图2所示是压结上电极材料的绿膜构成的叠层剖面图。图3所示是该叠层经过层压之后的透视图(第一多层件)。图4至6所示是与以后在不同领域中使用的压电执行元件相对应的不同结构的多层件。图中所示是沿AB线的剖面图。图7所示是在一个压模中不同多层件的排列方式。图8所示是在成品压电执行元件中具有的电气接线。1．压电执行元件的制造混合最为均匀的原料可以采用已知的方法制造，例如，按照混合氧化法；或者采用化学路线法，例如采用Sol-Gel法、柠檬酸酯法、草酸酯法；或者通过其他的金属有机过渡性化合物制造。在混合氧化法中，所有可供陶瓷使用的阳离子是以其氧化物的形式彼此互相混合，然后转化成为PZT；在其他的制造方法中的理想阳离子则是来自金属氧化物的混合溶液。通过从溶液中的沉淀，或者通过在称为Sol-Gel法中的逐步浓缩就能够获得在以后的固体物质中混合极为均匀的阳离子。例如，获得下列标称组分的陶瓷粉Pb0.97Nd0.02(Zr0.54Ti0.46)O3。经过煅烧之后，再重新进行研磨和均化。接着再用有机粘合剂和水调和，制成一种泥料。用来挤压或浇注成绿膜，经过干燥之后，形成例如20至200μm的厚度。绿膜经过干燥之后，在其上面施加电极材料，例如，用一种料浆压结。这种料浆是将银/钯颗粒(70/30质量混合比)在一种粘合剂中调制到总体上达到可压缩的粘稠程度。还可以采用另外的其他轻金属，例如铂颗粒制成的浆料。在绿膜的一个基本平面上可以在电极成型加工的一道工序中压结多个压电元件。这样至少可以在成型加工过程中省却日后对每个压电元件所做的接触加工。图1所示是用电极材料压结的绿膜的俯视图。压结按照一种模式进行。其中包括压结区1和非压结预留孔区2。分割线S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单片多层结构的压电执行元件的制造方法，其中：－在含有粘合剂的、厚度在２０至２００μｍ的压电陶瓷绿膜（５）的一侧压结由电极材料构成的层件（３），－将压结的压电陶瓷绿膜按照交替顺序叠置成最大高度达３ｍｍ的叠层，在叠层中形成由压电陶瓷 绿膜和电极材料上下交替叠置的顺序，－将第一叠层通过单轴层压形成第一多层件，－将多层件通过高温脱粘合剂，－将这种脱粘合剂的多层件（ＦＴ、ＭＴ、ＫＴ）叠置到总体高度在５ｍｍ以上的叠层，然后在单轴压力状态下烧结，从而形成一个达到理想单 层层数的压电执行元件。

【技术特征摘要】
DE 1996-4-19 19615694.71．一种单片多层结构的压电执行元件的制造方法，其中-在含有粘合剂的、厚度在20至200μm的压电陶瓷绿膜(5)的一侧压结由电极材料构成的层件(3)，-将压结的压电陶瓷绿膜按照交替顺序叠置成最大高度达3mm的叠层，在叠层中形成由压电陶瓷绿膜和电极材料上下交替叠置的顺序，-将第一叠层通过单轴层压形成第一多层件，-将多层件通过高温脱粘合剂，-将这种脱粘合剂的多层件(FT、MT、KT)叠置到总体高度在5mm以上的叠层，然后在单轴压力状态下烧结，从而形成一个达到理想单层层数的压电执行元件。2．如权利要求1记载的方法，其中-使压电陶瓷绿膜的面积等于理想单位面积的n-倍，然后进行压结，-经过层压的多层件在脱粘合剂之前通过切割或冲压分割成理想面积的n个多层件。3．如权利要求1或2记载的方法，其中叠置的叠层在压模(9)中进行加压烧结。4．如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：D克拉梅尔，H赫勒布兰德，K鲁比茨，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]