DD287357A5

DD287357A5 - Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben

Info

Publication number: DD287357A5
Authority: DD
Publication date: 1991-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben und findet Anwendung beim Aufbau von Mikrotranslatoren. Erfindungsgemaesz werden Scheiben mit definierten Oberflaechenrauhigkeiten verwendet. Durch ein Sputterverfahren werden auf die Scheiben beidseitig bis auf den Rand reichende Elektrodenschichten aus relativ hartem Material, insbesondere aus CuNi, abgeschieden. Anschlieszend wird jeweils auf eine Schicht in einem Punktraster Kleber mit einer definierten Viskositaet aufgetragen und sofort danach die naechste Scheibe mit einem definierten Druck aufgelegt, wobei der Druck bis zum Aushaerten des Klebers beibehalten wird.{Stapel; Scheiben, piezokeramisch; Mikrotranslatoren; Oberflaechenrauhigkeiten; Sputterverfahren; Elektrodenschichten, hart; Kleber; Punktraster; Viskositaet; Druck; Aushaerten}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Es ist bekannt, piezokeramische Scheiben zu einem Stapel zu vereinigen (DE 3218 576). Dabei werden die einzelnen Scheiben

beidseitig flächenhaft durch ein Dickschicht- oder Dünnschichtverfahren mit Kontaktierungsschichten (Elektroden) versehen.

Benachbarte Scheiben sind dabei entgegengesetzt polarisiert. Die einzelnen Scheiben werden mit einem Kleber verbunden,

wobei in den Kleber noch Metallzwischenlagen eingebettet werden, die nach außen führen (DE 3 218 576). Das Zusammenfügen der Scheiben geschieht mittels Druckeinwirkung, die oftmals durch geeignete Anordnungen auch bei Betrieb des Bauelementes

beibehalten wird. ,

Die Elektroden können auch zur Außenkontaktierung bis auf die Scheibenkante aufgebracht werden. Durch die bisher verwendeten Verfahren und Anordnungen zum Stapeln von piezokeramischen Scheiben ergeben sich folgende

Nachteile:

1. Durch die Verwendung von Metallzwischenlagen:

- große nichtaktive Masse der Zwischenlagen führt zur Verschlechterung (Verringerung) der Steifigkeit und der Resonanzfrequenz (Stellgesrt.windigkeit) in axialer Richtung des Stapels

- Mehraufwand bei der Stapümontage

- Behinderung der Querkontraktion der Scheiben

2. Durch Verwendung von Dickschichtkontakten:

- immer noch relativ große nichtaktive Masse, insbesondere bei sehr dünnen Scheiben (d < 0,2 mm)

- geringe Härte der Dickschicht (Ag/Pd) führt ebenfalls zur Verringerung der Steifigkeit in axialer Richtung des Stapels

- Behinderung der Querkontraktion der Scheiben durch die Dickschichtkontakte

3. Durch die Verwendung von Kleberschichten:

- hoher Temperaturkoeffizient des Klebers geht in die Längenmeßtechnik ein (bei dieser Verwendung des Stapels)

- die Verringerung der Steifigkeit ist ebenfalls zu verzeichnen

4. Durch die Verwendung von Dünnschichtkontakten:

- neben den Vorteilen der extrem geringen nichtaktiven Masse und der Nichtbehinderung der Querkontraktion der Scheiben ergeben sich auch Nachteile:

- die vorhandene Oberflächenrauhigkeit der Keramik, die sich ebenfalls in der Dünnschicht widerspiegelt, macht wiederum einen Ausgleich durch das Einfügen von Metallzwischenlagen und/oder Kleber, um Zerstörungen im Mikroboreich (Kornausbrüche) zu verhindern, notwendig.

- die genannten Vorteile der einzelnen Scheibe sind daher im Stapel nicht nutzbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben zu realisieren, das weniger aufwendig bei der Montage des Stapels ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindui.j besteht darin, ein Verfahren gemäß Titel der Erfindung zu schaffen, das es gestattet, das elastische Verhalten des Stapels (Steifigkeit, Ε-Modul) dem Idealzustand des massiven Keramikmaterials möglichst nahe anzugleichen, wobei das Ziel der Erfindung zu beachten ist. Zur Herstellung des Stapels werden die einzelnen Scheiben über ihre flächenhaften Dünnschichtkontakte und über zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere Klebemittel, unter Druckeinwirkung miteinander verbunden.

Erfindungsgemäß werden piezokeramische Scheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit R_n, < 5pm (Maximaldifferenz) und R, = 0,15 bis 0,5Mm (Mittelwert) verwendet. Durch ein an sich bekanntes Sputterverfahren werden auf die Scheiben beidseitig bis auf den Rand reichende Elektrodenschichten aus relativ hartem Material, insbesondere aus CuNi abgeschieden. Anschließend wird jeweils auf eine Scheibe in einem Punktraster Kleber mit einer Viskosität im Bereich von 100 bis 50OmPa · s aufgetragen und sofort danach die nächste Scheibe mit einem Druck im Bereich von 0,5 bis 1 MPa deckungsgleich aufgelegt, wobei der Druck bis zum Aushärten des Klebers beibehalten wird. Abschließend nach dem Aufkleben der letzten Scheibe des Stapels werden die Randkontaktflächen ebenfalls durch ein Sputterverfahren nochmals mit Elektrodenmaterial überschichtet. Durch den Auftrag des Klebers in einem Punktraster soll erfindungsgemäß erreicht werden, daß sich beim Aufeinanderlegen zweier Scheiben kein durchgängiger Kleberfilm ausbildet. Es sollen nur die durch die vorhandenen Rauhigkeiten beim Zusammenfügen der Scheiben entstehenden Hohlräume mit Kleber ausgefüllt werden. Dadurch wird ein „inniger" Keramik/ Keramik-Kontakt erreicht, ohne die negativen Eigenschaften einer Kleberzwischenlage hervorzurufen. Die Druckeinwirkung wird nicht nur bezüglich der Einwirkung des Klebers benötigt, sondern auch um diesen innigen Kontakt zwischen den Keramikoberflächen während des Aushärtens des Klebers und nach Fertigstellung des Stapels zu gewährleisten.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Zur Herstellung eines Mikrotranslators werden zunächst piezokeramische Scheiben einer PZT-Keramik bereitgestellt. Die Scheiben weisen dabei folgende Rauhigkeitswerte auf:

maximale Differenz R_n, = Mittelwert R, = 0,41 μπι.

Die Scheiben haben einen Durchmesser von 10mm und eine Dicke von 0,5mm. Danach wird auf jede Seite einer Scheibe eine entsprechend gestaltete im wesentlichen aus Cu Ni bestehende Elektrode mit einer Schichtdicke von 0,8Mm aufgesplittert. Die Elektrode wird dabei teilweise bis auf den Rand gezogen, um später die Kontaktierung

des Stapels zu ermöglichen. Zur Herstellung des Stapels wird nun auf eine erste Scheibe punktförmig ein geeigneter Kleber, z. B.

Epoxidharz der Cyanacrylat, aufgebracht. Der Kleber besitzt eine Viskosität von 40OmPa · s. Sofort danach wird die nächste Scheibe deckungsgleich aufgelegt, wobei ein Druck von 0,5MPa auf die gesamte Fläche ausgeübt wird. Dieser Druck wird so

lange beibehalten, bis der Kleber ausgehärtet ist.

Nachdem gemäß dieser genannten Verfahrensschritte ein Stapel von piezokeramischen Scheiben errichtet wurde, werden die Randkontaktflächen ebenfalls durch Sputtern auf eine Dicke von etwa 1,8Mm verstärkt. Die Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Translators (mit Armatur) sollen zum Abschluß mit einem vergleichbaren,

den Stand der Technik darstellenden Translator gegenübergestellt werden:

	Erfindung	Stand d. Technik
angelegte Spannung	1000 V	1000V
erreichte Längenänderung	1 22 pm	15Mm
Durchmesser d. Scheiben	10mm	10mm
Steifigkeit d. Stapels C	150 N/Mm	70 N/Mm
(in axiale Richtung)

Auch der Wert für die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Stapels (ohne Armatur) zeigt, daß dem angestrebten Wert für das massive Keramikmaterial nahegekommen wird. Sie betragen:

massives Material 290 N/Mm

erfindungsgemäßer Stapel 200-290 N/Mm (Stapel mit Dickschichtelektroden

und Metallzwischenlagen 100Ν/μτι).

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben, bei dem die einzelnen Scheiben über ihre flächenhaften Dünnschich'.kontakte und über zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere Klebemittel, unter Druckeinwirkung miteinander verbunden werden, gekennzeichnet dadurch, daß piezokeramische Scheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit R_n, < 5 μηη und Ra = 0,15 bis 0,5 pm verwendet werden, daß durch ein an sich bekanntes Sputterverfahren auf die Scheiben beidseitig bis auf den Seitenrand reichende Elektrodenschichten aus relativ hartem Material, insbesondere aus CuNi, abgeschieden werden, daß anschließend jeweils auf eine Scheibe der Kleber in einem Punktraster mit einer Viskosität im Bereich von 100 bis 500 mPa · s aufgetragen wird und sofort danach die nächste Scheibe mit einem Druck im Bereich von 0,5 bis 1 MPa deckungsgleich aufgelegt wird, wobei der Druck bis zum Aushärten des Klebers beibehalten wird, daß abschließend nach dem Aufkleben der letzten Scheibe des Stapels die Randkontaktflächen ebenfalls durch ein Sputterverfahren nochmals mit Elektrodenmaterial überschichtet werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der piezoelektrischen Bauelemente. Sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stapels von piezokeramischen Scheiben, bei dem die einzelnen Scheiben über ihre flächenhaften Dünnschichtkontakte und über zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere Klebemittel, unter Druckeinwirkung miteinander verbunden werden. Der Stapel findet Anwendung als Mikrotranslator, z. B. im Präzisionsgerätebau.