專利名稱：帶有作為金屬的、多孔的、可拉伸的導(dǎo)電層的外電極的多層執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單片多層執(zhí)行器，所述單片多層執(zhí)行器由壓電陶瓷所構(gòu)成的薄膜的燒結(jié)過的堆疊構(gòu)成，所述單片多層執(zhí)行器具有被插入的金屬內(nèi)電極，其中一個極性的所有內(nèi)電極通過涂敷在堆疊上的基本金屬化部(Grimdmetallisierimg)而電并聯(lián)，并且為了進(jìn)行電接觸，外電極與基本金屬化部導(dǎo)電連接。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷的多層執(zhí)行器(參見圖1、2和3)由壓電活性材料2(例如鉛-鋯酸鹽-鈦酸鹽(PZT))的所堆疊的薄層構(gòu)成，所述壓電陶瓷的多層執(zhí)行器具有布置在其間的導(dǎo)電的內(nèi)電極7，這些內(nèi)電極7交替地被引向執(zhí)行器表面?；窘饘倩?、4連接這些內(nèi)電極7。由此，內(nèi)電極電并聯(lián)并且組合成表示執(zhí)行器的兩個連接極的兩個組。如果在連接極施加電壓， 則該電壓并行地被傳輸?shù)剿袃?nèi)電極，并且在所有活性材料層中引起電場，該活性材料由此以機(jī)械方式變形。所有這些機(jī)械變形之和在執(zhí)行器的端面上可用作可用的拉伸和/或力 20。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，壓電陶瓷的多層執(zhí)行器被實施為單片，也就是說，活性材料2作為所謂的綠膜在燒結(jié)之前通過絲網(wǎng)印刷方法被配備有內(nèi)電極，被擠壓成執(zhí)行器堆疊，被熱解并且然后被燒結(jié)，由此形成單片的執(zhí)行器。在被引出的內(nèi)電極7的區(qū)域中，例如通過電流(galvanisch)方法或者金屬漿料 (Paste)的絲網(wǎng)印刷將基本金屬化部3、4涂敷到執(zhí)行器堆疊1上?；窘饘倩?、4通過如下方式來加固例如通過焊接結(jié)構(gòu)化的板或者金屬絲網(wǎng)對于每個由金屬材料構(gòu)成的基本金屬化部涂敷外電極5。電連接線6被焊接到該外電極5上。這樣的多層執(zhí)行器和外電極的結(jié)構(gòu)和制造例如在WO 98/2072UUS 5 281 885,US 4 845 399、US 5 406 164 和 JP 07-226541 A 中予以詳細(xì)描述。這樣構(gòu)造的執(zhí)行器具有如下缺點在工作期間，強(qiáng)的拉應(yīng)力作用于位于基本金屬化部3、4之下的絕緣區(qū)域11 (參見圖3)。因為該絕緣區(qū)域11與基本金屬化部3、4 一起形成均質(zhì)(homogen)單元，所以該均質(zhì)單元在超過最弱的元件的抗拉強(qiáng)度時失靈，形成裂紋。 裂紋在最大拉應(yīng)力的區(qū)域9中開始并且朝向基本金屬化部3、4延伸。在圖3中示出了多個這些典型的裂紋13、14。為了使這些裂紋不切斷承載電流的層或外電極5 (這會導(dǎo)致部件故障)，例如通過相對應(yīng)地結(jié)構(gòu)化地來實施該層，必須使得該層是可拉伸的。該行為方式在EP 0 844 678 Al 或者WO 98/20721中予以詳細(xì)描述。這些行為方式的基礎(chǔ)分別是作為外電極的復(fù)雜結(jié)構(gòu)化的金屬部分(板、線、織品) 這些金屬部分通過焊接或者膠粘導(dǎo)電地被涂敷到基本金屬化部上。不利的是，金屬部分必須高成本地來制造并且必須通過昂貴的而且在技術(shù)上要求極高的且易發(fā)生故障的工藝被安置在基本金屬化部上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于以下任務(wù)改進(jìn)根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的單片多層執(zhí)行器， 使得外電極可以利用簡單且成本低廉的手段被涂敷到基本金屬化部上，并且該外電極是可拉伸的來使得該外電極在在此不被切斷的情況下減小在執(zhí)行器中形成的裂紋的開裂能量。 此外，說明了一種用于制造這樣的多層執(zhí)行器的方法。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)在多層執(zhí)行器方面通過權(quán)利要求1的特征來解決。通過外電極為金屬的、多孔的、可拉伸的導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層由燒結(jié)在一起的金屬顆粒構(gòu)成并且被涂敷到基本金屬化部上，從執(zhí)行器本體出來通過基本金屬化部而延伸到導(dǎo)電層中的裂紋并不切斷外電極，因為裂紋尖端上的開裂能量在導(dǎo)電層的多孔構(gòu)造中被減小。在優(yōu)選的實施形式中，金屬顆粒球形地和/或線形地被構(gòu)造。線形的金屬顆粒在燒結(jié)時得到氈狀的結(jié)構(gòu)，該氈狀的結(jié)構(gòu)是極其可拉伸的，因為機(jī)械應(yīng)力被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。必須恰當(dāng)選擇基本金屬化部，該基本金屬化部負(fù)責(zé)在陶瓷本體上的附著強(qiáng)度并且同時是導(dǎo)電層的支承體。優(yōu)選地，基本金屬化部的金屬部分由銀或者銀合金構(gòu)成，并且給基本金屬化部混合有一種或多種形成玻璃的物質(zhì)。在優(yōu)選的實施形式中，形成玻璃的物質(zhì)是I3KKBiO2或者 SiO2,因為這些物質(zhì)在PZT陶瓷中不引起特性變化。導(dǎo)電層的金屬顆粒優(yōu)選地由銀、銅、銀合金或者銅合金構(gòu)成，其中以下材料是特別優(yōu)選的Ag、Pd的比例直至30%的AgPd、Cu、Ni的比例直至50%的CuNi。CuNi合金比純金屬更耐氧化并且可以以更簡單且更成本低廉的方法來燒結(jié)。導(dǎo)電層的球形的金屬顆粒優(yōu)選地具有1 μ m至100 μ m的直徑，其中10 μ m至50 μ m 的范圍是特別優(yōu)選的。由此，多孔性足以減小開裂能量。為了進(jìn)行加固，可以將直徑為5μπι至20μπι以及長度為0. Imm至0. 5mm的線形
金屬顆粒包含到導(dǎo)電層中，其中線形顆粒的比例為導(dǎo)電層的1%至100%。為了進(jìn)行加固，可以將金屬絲織品嵌入到導(dǎo)電層中，其中金屬絲織品優(yōu)選地由與導(dǎo)電層的金屬顆粒相同的金屬構(gòu)成。在優(yōu)選的實施形式中，導(dǎo)電層具有0. Olmm至Imm的厚度，其中0. Imm至0. 3mm的范圍是特別優(yōu)選的。在這些厚度的情況下出現(xiàn)最少的執(zhí)行器故障。一種用于制造單片多層執(zhí)行器、尤其用于制造根據(jù)本發(fā)明的多層執(zhí)行器的方法， 其中所述單片多層執(zhí)行器由壓電陶瓷所構(gòu)成的薄膜的燒結(jié)過的堆疊構(gòu)成，所述單片多層執(zhí)行器具有被插入的金屬內(nèi)電極，其中一個極性的所有內(nèi)電極通過涂敷在堆疊上的基本金屬化部而電并聯(lián)，并且為了進(jìn)行電接觸，外電極與基本金屬化部導(dǎo)電連接，根據(jù)本發(fā)明，該方法的特征在于，將尤其是帶有球形和/或線形的金屬顆粒的漿料涂敷到基本金屬化部上作為外電極并且培燒該漿料，其中漿料在如下溫度下被培燒該溫度足以引起將金屬顆粒燒結(jié)在一起，然而低到足以避免將金屬顆粒壓實為固體，使得在培燒過程中，漿料轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚?、多孔的、可拉伸的?dǎo)電層，所述導(dǎo)電層由燒結(jié)在一起的金屬顆粒構(gòu)成。優(yōu)選地，漿料借助模版印刷技術(shù)(Schablonendrucktechnik)被涂敷到基本金屬化部上。利用該涂層技術(shù)可以毫無問題地產(chǎn)生優(yōu)選的為0. Imm至0.3mm的層厚。所涂覆的漿料接著被干燥并且在較高的溫度下燒結(jié)在一起，以便所述漿料形成金屬的、多孔的、可拉伸的并且有足夠的載流能力的導(dǎo)電層。在優(yōu)選的實施形式中，由金屬顆粒與有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑構(gòu)成的混合物被用作漿料，其中針對所述漿料不使用玻璃形成物(Glasbildner)，因為玻璃形成物將使所燒結(jié)的導(dǎo)電層脆化并且減小該導(dǎo)電層的載流能力。優(yōu)選地，針對漿料使用直徑為1 μ m至100 μ m、優(yōu)選地為10 μ m至50 μ m的球形金
屬顆粒，因為這樣的金屬顆粒特別適于減小開裂能量。在一個實施形式中，為了進(jìn)行加固而將直徑為5μπι至20μπι以及長度為0. Imm 至0. 5mm的線形金屬顆粒嵌入到漿料中，其中線形金屬顆粒共計漿料的金屬部分的1%至
100% ο在另一實施形式中，為了進(jìn)行加固而將至少一個金屬絲織品嵌入到漿料中，其中金屬絲織品優(yōu)選地由與漿料的金屬顆粒相同的金屬構(gòu)成。在本發(fā)明的改進(jìn)方案中，導(dǎo)電層的稍后為了進(jìn)行電接觸而要焊接饋電線的位置至少表面地被壓實。在具有這樣實施的外電極的執(zhí)行器上，可以通過焊接將電接觸部安置在外電極的任意位置上，而這并不影響執(zhí)行器的使用壽命或者其他特性。僅僅必須阻止所使用的焊料穿透或者滲透導(dǎo)電層。這通過將導(dǎo)電層表面地壓實在焊接位置上并且將焊接時間限制為數(shù)秒來實現(xiàn)。通過優(yōu)選地將鋼工具在表面上側(cè)向移動，導(dǎo)電層在所希望的焊接位置上被壓實。 在該位置上利用合適的焊料(Sn合金)安置焊點，稍后在該焊點上焊接饋電線。其他的連接技術(shù)、諸如線接合或者熔焊也是可考慮的。導(dǎo)電層的厚度可以容易地通過印花篩網(wǎng)來調(diào)節(jié)。最小厚度取決于執(zhí)行器類型、執(zhí)行器的特定拉伸以及由此裂紋在導(dǎo)電層中的間距(大約50μπι)。而最大厚度通過執(zhí)行器的電流需求來確定并且可以為直至0. 5mm以上。下面進(jìn)一步描述該方法
例如根據(jù)DE 198 40 488的低燒結(jié)的壓電陶瓷利用有機(jī)的粘結(jié)劑系統(tǒng)被制備為 125 μ m厚的膜。由重量比為70/30的銀鈀粉末和合適的粘結(jié)劑系統(tǒng)構(gòu)成的內(nèi)電極漿料借助絲網(wǎng)印刷被涂敷到該膜上。多個這樣的膜被堆疊并且被擠壓為層壓物(Laminat)。該層壓物被拆開為單個桿狀的執(zhí)行器，這些執(zhí)行器在大約500°C下被熱解并且在大約1000°C下被燒結(jié)。緊接著，執(zhí)行器基體在所有側(cè)以機(jī)械方式予以加工。例如由合適的銀或者銀鈀端漿(Terminierimgspaste)構(gòu)成的基本金屬化部借助絲網(wǎng)印刷工藝被涂敷到接觸側(cè)上并且被培燒。在此，在漿料中存在的玻璃形成物熔融，并且將漿料的燒結(jié)在一起的金屬部分與陶瓷基體附著牢固地(haftfest)連接?，F(xiàn)在例如借助模版印刷將較厚層的漿料(例如0. 2mm厚)涂敷到基本金屬化部上， 該漿料由相對粗顆粒的金屬顆粒(例如80%直徑為20 μ m的球形銀顆粒和20%直徑為20 μ m 以及長度為0. 3mm的線形銀顆粒)、有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑構(gòu)成。該層不包含玻璃形成物，因為玻璃形成物會使導(dǎo)電層脆化并且會降低導(dǎo)電層的載流能力。現(xiàn)在，漿料在如下溫度下被培燒該溫度足以引起將金屬顆粒燒結(jié)在一起，然而低到足以避免將顆粒壓實為固體(與所使用的粒度有關(guān)地，在銀的情況下例如為700°C)。
通過將鋼工具在表面上側(cè)向移動，導(dǎo)電層現(xiàn)在在所希望的焊接位置上被壓實。借助合適的焊料(Sn合金)將焊點安置到該位置上，稍后在該焊點上焊接饋電線。任何時候也可考慮其他的連接技術(shù)、諸如線接合或者熔焊。也可能的是，在上漆之后才安置接觸部，其中接著通常必須保持焊接區(qū)域或者熔焊區(qū)域無漆。緊接著，執(zhí)行器通過漆層被保護(hù)?，F(xiàn)在，執(zhí)行器可以被極化并且被電測量。


圖1示意性地示出了單片多層執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的帶有其他細(xì)節(jié)的執(zhí)行器。圖3示出了帶有典型的在大約IO5個應(yīng)力周期之后出現(xiàn)的裂紋的執(zhí)行器的斷面。(圖1至3示出了現(xiàn)有技術(shù))。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有基本金屬化部和導(dǎo)電層的執(zhí)行器。圖5示出了帶有在導(dǎo)電層中的金屬顆粒的圖示的根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器的示意性放大圖(截面)。
具體實施例方式在圖1至3中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的多層執(zhí)行器。在說明書開始部分進(jìn)一步闡述了這些附圖。圖4和5示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有被插入的金屬內(nèi)電極7的多層執(zhí)行器，所述多層執(zhí)行器由壓電陶瓷所構(gòu)成的薄膜的燒結(jié)過的堆疊構(gòu)成。一個極性的內(nèi)電極7通過涂敷在堆疊上的基本金屬化部3、4而電并聯(lián)。為了進(jìn)行電接觸，外電極5與基本金屬化部3、4導(dǎo)電連接。根據(jù)本發(fā)明，該外電極5是金屬的、多孔的、可拉伸的導(dǎo)電層10，該導(dǎo)電層10由燒結(jié)在一起的球形的和/或線形的金屬顆粒12構(gòu)成。圖5示意性地將該導(dǎo)電層10示為單個圓，這些單個圓應(yīng)象征單個的金屬顆粒12。在這種情況下重要的是，漿料或位于漿料中的金屬顆粒12在如下溫度下被培燒該溫度足以引起將金屬顆粒12燒結(jié)在一起，然而低到足以避免將金屬顆粒12壓實為固體，使得在培燒過程中，金屬顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚?、多孔的、可拉伸的?dǎo)電層10。此處，固體被理解為沒有內(nèi)部空腔并且?guī)в蟹忾]的表面的本體。該本體會不是多孔的并且不是可拉伸的。可以將該導(dǎo)電層10設(shè)想為具有內(nèi)部空腔并且具有開孔的表面的海綿或者氈。因而，導(dǎo)電層10僅僅通過部分的接觸位置與基本金屬化部3、4連接并且在這些接觸位置之間離開基本金屬化部3、4。由此，導(dǎo)電層10在這些接觸位置之間是可拉伸的并且可以吸收在執(zhí)行器中形成的開裂能量，而不發(fā)生電連接的斷開并且由此不發(fā)生執(zhí)行器故障。該導(dǎo)電層10由如下漿料制造該漿料為由球形的和/或線形的金屬顆粒12與有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑構(gòu)成的混合物。該漿料借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)或者模版印刷技術(shù)被涂敷到基本金屬化部3、4上并且通過有針對性的能量饋送來培燒。在上面進(jìn)一步詳細(xì)描述了該方法。
權(quán)利要求
1.一種單片多層執(zhí)行器(15)，所述單片多層執(zhí)行器(15)由壓電陶瓷所構(gòu)成的薄膜的燒結(jié)過的堆疊構(gòu)成，所述單片多層執(zhí)行器(15)具有被插入的金屬內(nèi)電極(7)，其中一個極性的所有內(nèi)電極通過涂敷在堆疊上的基本金屬化部(3，4)而電并聯(lián)，并且為了進(jìn)行電接觸， 外電極(5)與基本金屬化部(3，4)導(dǎo)電連接，其特征在于，外電極(5)是金屬的、多孔的、可拉伸的導(dǎo)電層(10)，所述導(dǎo)電層(10)由燒結(jié)在一起的金屬顆粒(12)構(gòu)成并且被涂敷到基本金屬化部(3，4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，金屬顆粒球形地和/或線形地被構(gòu)造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，基本金屬化部(3，4)的金屬部分由銀或者銀合金構(gòu)成，并且給基本金屬化部(3，4)混合有一種或多種形成玻璃的物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，形成玻璃的物質(zhì)是I^bO、BiO2或者 SiO20
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，導(dǎo)電層(5)的金屬顆粒 (12)由銀、銅、銀合金或者銅合金構(gòu)成，其中以下材料是特別優(yōu)選的Ag、Pd的比例直至30% 的AgPd, Cu、Ni的比例直至50%的CuNi。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，導(dǎo)電層(10)的球形金屬顆粒(12)具有Iym至IOOym的直徑，其中10 μ m至50 μ m的范圍是特別優(yōu)選的。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，導(dǎo)電層(10)包含直徑為 5 μ m至20 μ m以及長度為0. Imm至0. 5mm的短纖維的金屬線，其中導(dǎo)電層上的金屬線的比例為1%至100%。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，金屬絲織品被嵌入到導(dǎo)電層(10)中，其中金屬絲織品優(yōu)選地由與導(dǎo)電層(10)的金屬顆粒(12)相同的金屬構(gòu)成。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的多層執(zhí)行器，其特征在于，導(dǎo)電層(10)具有0.Olmm至 Imm的厚度，其中0. Imm至0. 3mm的范圍是特別優(yōu)選的。
10.一種用于制造單片多層執(zhí)行器(15)、尤其是用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的多層執(zhí)行器(15)的方法，所述單片多層執(zhí)行器(15)由壓電陶瓷所構(gòu)成的薄膜的燒結(jié)過的堆疊構(gòu)成，所述單片多層執(zhí)行器(15)具有被插入的金屬內(nèi)電極(7)，其中一個極性的所有內(nèi)電極(7)通過涂敷在堆疊上的基本金屬化部(3，4)而電并聯(lián)，并且為了進(jìn)行電接觸， 外電極(5)與基本金屬化部(3，4)導(dǎo)電連接，其特征在于，作為外電極(5)，尤其是具有球形的和/或線形的金屬顆粒(12)的漿料被涂敷到基本金屬化部(3，4)上并且被培燒，其中漿料在如下溫度下被培燒該溫度足以引起將金屬顆粒(12)燒結(jié)在一起，然而低到足以避免將金屬顆粒(12)壓實為固體，使得在培燒過程中，漿料轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚?、多孔的、可拉伸的?dǎo)電層(10)，所述導(dǎo)電層(10)由燒結(jié)在一起的金屬顆粒(12)構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，漿料借助模版印刷技術(shù)被涂敷到基本金屬化部(3，4)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，由球形的和/或線形的金屬顆粒(12)與有機(jī)粘結(jié)劑和溶劑構(gòu)成的混合物被用作漿料，其中針對所述漿料不使用玻璃形成物。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，針對漿料使用直徑為1μ m至·100 μ m、優(yōu)選地為ΙΟμ 至50μπι的球形金屬顆粒(12)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13之一所述的方法，其特征在于，漿料包含直徑為5μ m至 20μπι以及長度為0. Imm至0. 5mm的線形金屬顆粒，其中金屬線的比例為漿料的金屬部分的 1% 至 100%。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14之一所述的方法，其特征在于，至少一個金屬絲織品被嵌入到漿料中，其中金屬絲織品優(yōu)選地由與漿料的金屬顆粒(12)相同的金屬構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15之一所述的方法，其特征在于，導(dǎo)電層(10)上的稍后為了進(jìn)行電接觸而要焊接饋電線(6)的位置至少表面地被壓實。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單片多層執(zhí)行器(15)，所述單片多層執(zhí)行器(15)由壓電陶瓷所構(gòu)成的薄膜的燒結(jié)過的堆疊構(gòu)成，所述單片多層執(zhí)行器(15)具有被插入的金屬內(nèi)電極(7)，其中一個極性的所有內(nèi)電極通過涂敷在堆疊上的基本金屬化部(3，4)而電并聯(lián)，并且為了電接觸，外電極(5)與基本金屬化部(3，4)導(dǎo)電連接。為了使外電極可以利用簡單且成本低廉的手段被涂敷到基本金屬化部上，并且為了外電極是可拉伸的來使得該外電極在在此不被切斷的情況下減小在執(zhí)行器中形成的裂縫的開裂能量，建議外電極(5)是金屬的、多孔的、可拉伸的導(dǎo)電層(10)，所述導(dǎo)電層(10)由燒結(jié)在一起的金屬顆粒(12)構(gòu)成并且被涂敷到基本金屬化部(3，4)上。
文檔編號H01L41/047GK102388474SQ200980154814
公開日2012年3月21日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者賓迪希 R. 申請人:陶瓷技術(shù)有限責(zé)任公司