专利名称：单片多层压电执行元件及其制造方法
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。
本发明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。本发明的其他优选措施参见其他权利要求项。
本发明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发明的压电执行元件。从而制成总体高度大于5mm，高宽比大于2的、符合本发明的压电执行元件。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。
按照本发明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。
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SL用来表示以后将大面积的绿膜分割成具有理想工作表面的小型多层件的切割线。图中绘出有3x3个小型多层件格子的一块绿膜。根据供以后压电执行元件之用的理想单元面积还可以想象有另外的任意格子和/或另外的电极模式。在图1中通过分割线表示的正方形格子的边长，例如是14mm。
在一个侧面上涂布供电极层之用的电极材料的量要使其能够在经过烧结之后形成相应的2至3μm厚的电极层。
图2压结上电极材料的压电陶瓷绿膜S1,S2,S3…有时候要经过干燥、然后再进行叠置，从而形成按照压电陶瓷层3和电极层5交替排列的顺序。电极层采用同样的交替方式这样叠置，那就是在第一层电极层中与相当于图1中非压结区2的上述每个预留孔4上放置在下一个电极层中的压结电极材料的平面1。这样就可以通过将如图1所示的电极模式旋转180°使其到达绿膜所在的轴线上。图2表示在叠层中按照电极材料5和绿膜3的交替顺序排列的示意图。通过交替排列的方式，使每隔一层都有同样的电极模式。在该两层之中同样模式的层中的预留孔4却是彼此错开叠置的。
通过这种办法由多个上下叠放的单层构成的叠层总体高度不得超过2至3mm。当绿膜的厚度，例如，为100μm时，单层的层数则相当于30层。将采用这种办法松散叠置的叠层放在一台冲压机上，用大约100Mpa的单轴压力将叠层进行准等压压密。流动性的粘合剂在室温(最好是在稍高的温度)及常压下就能够将理论陶瓷密度从48％增高到60％。在此状态下进行内部的压力平衡和容积平衡，从而就能够用陶瓷材料完全将电极模式的留孔4填满。在进行层压加工时，采用这样的方式也能使叠层或多层件成品内部的密度梯度和压力梯度也得以平衡。
图3所示是这样制成的多层件的透视图。原来的预留孔已经完全用陶瓷材料填满。由于各分层经过层压之后的牢固粘结仍然有足够的塑性，所以此时能够将按照原有的分割线划定的方块分割成理想面积的小块多层件。这项作业可以通过一道高度自动化的过程利用切割或冲压进行。借助于另外印上的切割标记，可以通过视频方法观察、并且通过计算机件监控多层件的分割情况。
在下一个步骤中从如此分割成的层压叠层(多层件)中脱除粘合剂。这是通过一道热处理步骤缓慢升温至500℃左右、同时升高氧分压，借以使粘合剂肯定能够向外扩散，并且不会因产生迅猛分解使陶瓷结构遭受破坏。也可以这样选定条件，即预先在该方法的下一步之先前使粘合剂氧化，或者通过热裂解使其变为碎屑。将叠层的高度限制在小于3mm就是为了保证使粘合剂的分解产物和/或氧化产物有短的扩散路径。在实施例中的脱粘合剂的过程就是在24小时内逐步升温至500℃左右、并在所含氧元素占8％体积的封闭气氛中进行的。在脱粘合剂的过程中不得出现体积变化，也不得因此使叠层扭曲变形。这样就可以使多层件保持竖向结构精度不变。
按照本发明的压电执行元件可以采用各种不同的多层件构成。在最简单情况下(参见图4-6)压电执行元件是由具有如上所述的常规交替电极结构的一个中间件MT构成的。在叠层的上端设有一个头件KT。用一片无源的、也就是电气连接线被断开的、或者根本没有电气连接线的头片6包住。单独用陶瓷箔构成的头片6可以用来使压电执行元件具有较好的力传递能力。一个与此相对应的结构还有一件尾件FT，尾件的尾片7可以和头件KT的头片6的结构相同。
为了将原料的用量降低到最低限度，可以改变压结电极层的模式，只用包括一个头件和尾件、以及一个由相应数量的单个层压叠层构成的中间件制成一个完整的压电执行元件。同样结构或不同结构的中间件的件数要根据成品压电执行元件理想的操纵高度、转而根据压电执行元件的高度确定。
图7表示经过脱除粘合剂的头件、中间件和尾件如何在与其精密配合的压模9中叠置至理想高度，并且用一个冲头10压住。然后在10到100kPa的轻度压力下在一个氧化气氛中进行烧结。示例中的圆形压模的直径相当于叠置的多层件的冲压尺寸。压模和冲头最好是可以重复使用。所用的制造材料不得在烧结时与陶瓷发生任何反应。压模很适合于使用，例如，氧化铝或氧化镁制造。压力可以采用简单的办法在冲头上施加一个附加的配重产生。凡是在1130℃在氧化气氛中稳定、而且在烧结的气氛中对其本身不会有不利影响的材料，使用这样的附加配重都有效。
进行烧结时可以使用一种能够达到最大烧结温度的温度程序。一个有温度控制的单个炉子或者一个有相应的不同温度区的连续炉都可以作这种作业之用。在实施例中烧结是在1130℃封闭24小时进行。
结果获得一个具有最佳模压陶瓷结构的单片压电执行元件，由于烧结温度高，所以压电性能优越，在陶瓷和电极之间的粘结强度高。单片压电执行元件的刚性也高，从而能够传递强力。
图8所示是一个成品压电执行元件，在两个相对的棱边上作成两个条状的接触片，与电极材料作接触连接。由于各层之间是交替电极结构，一个这样的接触件13只能每隔一层连接一个电极层，而在对角上的一个固定接触件14一律分别和夹在两者之中的电极层接触。这样就可以将(两个电极层之间的)压电层进行并联，从而能够使压电执行元件能够作最佳的运作。
根据本发明的压电执行元件的高度h和棱边长度b的比算出的高宽比大约达到5。虽然从原理上讲还可以制成更高、更细长的压电执行元件，但是在烧结时废品率增高。压模的内径和冲头尺寸或者和经过脱粘合剂的多层件适配。然而由于在烧结时在所有三维轴线上都发现有15％的线性收缩，压模只能在烧结刚开始时支撑住叠层。在以后的烧结法步骤中会因此使太高或太细长的叠层产生扭折。
采用本发明的压电执行元件有一个特别值得一提的优点，那就是在棱边的接触段上的竖向结构精度不会受高宽比的影响。由于冲头和叠层之间的公差和很小的误差的关系，使两个上下叠置中间件的电极结构会产生纵然很小、但却对于该方法来说是特征性的位错，但是这对于接触的可靠性并无关紧要。
权利要求
1．一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．如权利要求1至3之一的方法，其中包括PZT压电陶瓷绿膜，并在一种氧化气氛中进行烧结。
5．如权利要求1至4之一的方法，其中烧结是在10至100 kPa的压力下进行的。
6．如权利要求1至5之一的方法，其中由不同的多层件构成的压电执行元件是至少由一个头件(KT)，一个中间件(MT)和一个尾件(KT)构成的。
7．如权利要求1至6之一的方法，其中由多个多层件构成的压电执行元件是统一由在层与层之间有不同的电极结构构成的。
8．如权利要求1至7之一的方法，其中-在绿膜上涂布一层含有银和钯的料浆，-烧结是在最高温度为1130℃的温度下在氧化气氛中进行的。
9．按照权利要求1至8之一的方法制成的单片多层压电执行元件，其中-包括由压电陶瓷层(5)和电极材料层(3)交替叠置的烧结叠层，-总体高度(h)大于5mm，-叠层的高度-直径(或边长)比大于2，-叠层高度的宽度各不相同，叠层中的压电陶瓷层和电极材料层都有同样的叠置结构，而各个区段是一颠一倒放置的。
全文摘要
本发明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。
文档编号H01L41/083GK1222255SQ97195626
公开日1999年7月7日 申请日期1997年4月3日 优先权日1997年4月3日
发明者D·克拉梅尔, H·赫勒布兰德, K·鲁比茨 申请人:西门子公司