制造单片多层执行器的方法以及由压电陶瓷或电致伸缩材料制成的单片多层执行器技术

本发明专利技术涉及一种制造单片多层执行器的方法，相应的单片多层执行器，及用于单片多层执行器的外部电触点。根据本发明专利技术，沿着执行器的层叠结构的纵轴，基本上平行于内部电极且与内部电极相隔一段距离，在至少两个相对设置的外表面的区域内，在执行器结构中有目的地加入轻微干扰，已知的内部电极伸向所述外表面区域。最早在执行器的极化时，所述轻微干扰在内部和／或向着外部电极形成了一个预先给定的、受限的缓解应力的开裂增长，其中至少在执行器结构中的轻微干扰的区域内抗拉伸或有弹性地形成基础金属化层和／或外部触点。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
,由压电陶瓷或电致伸缩材料制成的单片多层执行器 ,以及 ...的制作方法根据权利要求1的前序部分，本专利技术涉及一种制造由压电陶瓷或电致伸缩材料构成的单片多层执行器的方法，其中所述执行器通过对原薄膜(Grünfolie)进行烧结在某种程度上以多个压电板的机械串接结构的形式被构造成层叠式结构，板状层叠结构内已知的内部电极引向对面的层叠式结构的外表面，并在那里借助于各电极组的基础金属化层(Grundmetallisierung)及外部触点并联连接。另外根据权利要求13的前序部分，本专利技术还涉及一种由压电陶瓷或电致伸缩材料制成的单片多层执行器，其中该执行器是压电板构成的层叠式结构，其中提供了内部电极、共同的基础金属化层及外部触点。根据权利要求21的前序部分，还涉及一种用于由压电陶瓷或电致伸缩材料制成的单片多层执行器的外部电触点。压电执行器是机电传感器，其中利用了相互间的压电效应。在一个压电板上施加电场，所述压电板的主平面上带有电极，该主平面在板厚度的方向上被极化，使压电板发生变形。当所施加的电场平行于原极性场定向时，在板厚度的方向上拉伸，同时在垂直于场的方向上收缩。通过将多个这种压电板相互堆叠，构成压电板在机械上的串联结构以及在电气上的并联电路，能够将各个压电板的变形相加。在拉伸度大约为0.1-0.2％、场强为2KV/mm的情况下，可以实现每毫米结构高度大约1-2μm的偏移。对于单片多层执行器已经在原始状态(grünen Zustand)下实现了层叠式结构，并且通过烧结实现最终的连结。这里多至几百个压电陶瓷原薄膜与金属化的内部电极交替地堆叠、挤压并烧结为一个单片体。其中内部电极交替地伸出到相对的面上，直到到达各个表面，并通常在那里通过基础金属化层以厚膜或薄膜方式实现彼此的连结。这种设计也用来实现交互数字电极。一个压电执行器包括压电陶瓷层和内部电极组，这些电极分别引到相对的面上，直到到达表面。基础金属化用于形成各电极组的并联电路。此外，还具有非活性区域，它在极化情况下以及在执行器的正常工作情况下都不产生压电方式的拉伸。在带有交互数字电极的多层执行器中的这种非活性区域在这种产品的可制造性和可靠性方面以及在实现这种产品的最终生产过程的情况下是一项评价因素。由于在非活性区域中、以及在与拉伸强度很小的压电陶瓷材料的连接部分中的拉伸应力集中度很高，在极化时会产生高至0.3％的残余拉伸，或者随后在工作中产生不希望的开裂。上述不可控制的开裂形成会引起执行器多种不同的故障。首先是在执行器内部裂缝不断增长，当裂缝从一个电极层增长到另一个电极层时，一方面会引起执行器的机械损坏，另一方面由此可能会出现内部的电火花。通过适当的处理工艺能够限制执行器内部的裂缝增长。但是在执行器表面方向上的裂缝增长是无法避免的。如果裂缝到达执行器表面，会使得涂覆在表面上的基础金属化层发生断裂。这样在部分区域内执行器与电压导线的电气连接会发生中断，从而在基础金属化层的断裂部位出现电火花。这种电火花最后又会引起执行器的完全崩溃。为了解决所提出的问题已知有多种解决方案，其目的在于通过附加措施避免形成开裂，或者在无法避免的不受控制的形成开裂的情况下减少或消除表面上的基础金属化层的电火花。JP58-196077公开了一种多层执行器及其制造方法，其中沿着执行器轴置入了多个深度约为0.5mm、平行于执行器内的内部电极的缝隙。这些缝隙类似与其他
中已知的膨胀缝(Dehnungsfuge)，用于降低压力集中程度，从而避免不受控制的开裂形成，或者避免执行器构造中裂缝的增长。然而其缺点在于，通过这些缝隙也减小了执行器的承载横截面面积，同时降低了执行器在使用中的耐压强度。在所给出的例子中，当整个横截面为4×4mm2时，执行器的承载横截面减小到3×3mm2。在所述方法中，通过可热分解的层、在烧结时在原始陶瓷薄膜上形成缝隙，该方法还有另外的问题在烧结时可能会导致可能不受控制的裂缝增长，这只能通过内部电极的花费特别大的实现方式才能避免。这里在烧结时出现开裂的原因是由于在挤压时原始层叠结构的不均匀压缩而引起的。在EP0844678A1中同样会有出现开裂的问题，并且当由于裂缝损害基础金属化层时会产生不利的后果。为了避免对执行器的损伤，其中建议在电压导线和基础金属化层之间植入一个三维构造的导电电极，它仅部分地与基础金属化层相连接，并且在触点位置之间可拉伸地构造。实际中能够实现这种三维构造，但开销非常大，因为部分触点位置必须具有内部电极间隔数量级内的限定的间隔。在根据DE19646676C1的压电执行器的一种可靠的触点连接结构中，在构造为触点带的基础金属化层上设置了一个具有高抗开裂性的导电的触点凸起(Kontaktfahne)，以保留触点凸起的突出的区域。其中触点凸起的突出的区域必须设计为足够大，使得出现的裂缝不会将触点凸起完全分开。但是这种结构在操作时非常敏感。已知在压电执行器的表面上的基础金属化层只有非常小的耐磨性。很小的耐磨性会导致基础金属化层从执行器表面剥离，从而部分地或完全地丧失与内部电极的电气接触。另外一种避免从执行器体到表面电极的裂缝增长的方案由DE10017331C1所公开。其中建议在基础金属化层和外部电极之间设置一个导电的粉末层。尽管这种结构避免了裂缝的发展，但是在技术上的可靠实现需要很大的开销，因为粉末部分与内部和外部电极相互之间的电连接仅通过接触来实现，这需要最小的接触压力。此外，接触触点非常容易受到腐蚀。在WO00-79607和WO00-63980所公开的解决方案中，每个向外伸出到表面上的电极分别进行接触。当电极间隔为50-250μm时，这种方案开销很大。由上面的描述可知，本专利技术的目的在于提供一种制造由压电陶瓷或电致伸缩材料构成的单片多层执行器的方法，利用该方法实现了执行器的较高可靠性和长时间稳定性，此外它能够在执行器横截面很小的情况下承受很高的压力。另外，本专利技术的目的在于提供一种由压电陶瓷或电致伸缩材料制成的单片多层执行器，其中这种新型的执行器提供了改进了的应用特性。最后还提供了一种用于单片多层执行器的外部电触点，它有效避免了由于基础金属化层中出现开裂而引起的电火花，并且能够用电子工业中常用的工艺来制造。本专利技术的任务中涉及到方法的解决方案由权利要求1所限定的指导来实现。多层执行器本身涉及权利要求13的特征组合，外部电触点涉及到权利要求21所述的特征。从属权利要求分别给出了至少符合目的本专利技术主题的实施例及改进。本专利技术的基本思想是权利要求中所体现的指导沿着执行器轴、并且基本上平行于内部电极，在至少两个相对设置的外表面的区域内，交替地向外引出内部电极，在执行器结构中引入轻微干扰使得所述干扰在某种程度上影响事先已知的位置处的开裂源，其中裂缝的增长是可控的。外部触点通过目前已知的方式借助于薄膜或厚膜工艺所实现的基础金属化层来形成，其中在轻微干扰的位置与可能的、向外伸出的裂缝之间的电极区域通过一个耐拉伸的第二外部电极相互连接。通过有目的地引入作为潜在开裂源的结构弱化，可以有目的地控制进一步的裂缝形成。当开裂源的间隔在1-4mm、最好是2-3mm的范围内时，这样来减弱内部的机械应力，使得在开裂源之间的部分内、并且在周期负荷远大于109周(Zyklen)时不会观本文档来自技高网...

【技术保护点】
制造由压电陶瓷或电致伸缩材料构成的单片多层执行器的方法，其中所述执行器通过对原薄膜进行烧结在某种程度上以多个压电板的机械串接结构的形式被构造成层叠式结构，在板状层叠结构中设置的内部电极引到相对设置的层叠结构的外表面上，并在该处借助于各电极组的基础金属化层及外部触点并联连接，其特征在于，沿着层叠结构的纵轴，基本上平行于内部电极并与内部电极相隔一段距离，在至少两个相对设置的外表面的区域内，在执行器结构中有目的地引入轻微干扰，所述内部电极引向所述外表面区域，最早在执 行器的极化时，所述轻微干扰在执行器内部形成预先给定的、受限的、缓解应力的开裂增长，此外至少在轻微干扰的区域内，在执行器结构中抗拉伸或有弹性地形成所述基础金属化层和／或外部触点。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿斯特里德海因茨曼，埃伯哈德亨尼希，丹尼尔科普施，帕特里克佩尔奇，斯特凡里希特，艾克韦斯多费尔，
申请(专利权)人：PI陶瓷技术及元件有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]