DD287357A5 - Method for producing a stack of piezoceramic discs - Google Patents

Method for producing a stack of piezoceramic discs

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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}The invention relates to a method for producing a stack of piezoceramic discs and finds application in the construction of microtranslators. According to the invention, disks with defined surface roughness are used. By means of a sputtering method, electrode layers of relatively hard material, in particular of CuNi, are deposited on the disks on both sides to the edge. Anschlieszend is applied in each case on a layer in a dot matrix adhesive with a defined Viskositaet and immediately thereafter, the next disc with a defined pressure applied, the pressure is maintained until the hardening of the adhesive {stack; Discs, piezoceramic; Micro translators; surface roughness; sputtering; Electrode layers, hard; Glue; Dot matrix; Viscosity; Print; Harden}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Es ist bekannt, piezokeramische Scheiben zu einem Stapel zu vereinigen (DE 3218 576). Dabei werden die einzelnen ScheibenIt is known to combine piezoceramic discs into a stack (DE 3218 576). Here are the individual discs

beidseitig flächenhaft durch ein Dickschicht- oder Dünnschichtverfahren mit Kontaktierungsschichten (Elektroden) versehen.areally provided on both sides by a thick-film or thin-film process with contacting layers (electrodes).

Benachbarte Scheiben sind dabei entgegengesetzt polarisiert. Die einzelnen Scheiben werden mit einem Kleber verbunden,Adjacent disks are oppositely polarized. The individual slices are connected with an adhesive,

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 Bauelementeswherein in the adhesive metal liners are still embedded, leading to the outside (DE 3 218 576). The joining of the discs is done by means of pressure, often by suitable arrangements even during operation of the device

beibehalten wird. ,is maintained. .

Die Elektroden können auch zur Außenkontaktierung bis auf die Scheibenkante aufgebracht werden.The electrodes can also be applied for external contact down to the edge of the pane. Durch die bisher verwendeten Verfahren und Anordnungen zum Stapeln von piezokeramischen Scheiben ergeben sich folgendeBy the methods and arrangements used so far for stacking piezoceramic discs, the following results

Nachteile:Disadvantage:

1. Durch die Verwendung von Metallzwischenlagen:1. By using metal liners:

- große nichtaktive Masse der Zwischenlagen führt zur Verschlechterung (Verringerung) der Steifigkeit und der Resonanzfrequenz (Stellgesrt.windigkeit) in axialer Richtung des Stapels- Large non-active mass of the intermediate layers leads to the deterioration (reduction) of the rigidity and the resonance frequency (Stellgesrt.geschwindigkeit) in the axial direction of the stack

- Mehraufwand bei der Stapümontage- Extra work on the staple days

- Behinderung der Querkontraktion der Scheiben- obstruction of the transverse contraction of the discs

2. Durch Verwendung von Dickschichtkontakten:2. By using thick film contacts:

- immer noch relativ große nichtaktive Masse, insbesondere bei sehr dünnen Scheiben (d < 0,2 mm)still relatively large non-active mass, especially with very thin discs (d <0.2 mm)

- geringe Härte der Dickschicht (Ag/Pd) führt ebenfalls zur Verringerung der Steifigkeit in axialer Richtung des Stapels- Low hardness of the thick film (Ag / Pd) also leads to the reduction of the rigidity in the axial direction of the stack

- Behinderung der Querkontraktion der Scheiben durch die Dickschichtkontakte- obstruction of the transverse contraction of the discs through the thick film contacts

3. Durch die Verwendung von Kleberschichten:3. By using adhesive layers:

- hoher Temperaturkoeffizient des Klebers geht in die Längenmeßtechnik ein (bei dieser Verwendung des Stapels)- High temperature coefficient of the adhesive enters the length measuring technique (in this use of the stack)

- die Verringerung der Steifigkeit ist ebenfalls zu verzeichnen- The reduction in stiffness is also noticeable

4. Durch die Verwendung von Dünnschichtkontakten:4. By using thin-film contacts:

- neben den Vorteilen der extrem geringen nichtaktiven Masse und der Nichtbehinderung der Querkontraktion der Scheiben ergeben sich auch Nachteile:- In addition to the advantages of extremely low non-active mass and the non-interference of the transverse contraction of the discs, there are also disadvantages:

- 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.- The existing surface roughness of the ceramic, which is also reflected in the thin layer, in turn, a compensation by the insertion of metal liners and / or adhesive to prevent destruction in Mikroboreich (grain breakouts) necessary.

- die genannten Vorteile der einzelnen Scheibe sind daher im Stapel nicht nutzbar.- The above advantages of each disc are therefore not available in the stack.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to realize a method for producing a stack of piezoceramic discs, which is less expensive in the assembly of the stack.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to provide a method according to the title of the invention, which makes it possible to match the elastic behavior of the stack (stiffness, Ε modulus) as closely as possible to the ideal state of the solid ceramic material, while respecting the aim of the invention is. To produce the stack, the individual panes are connected to one another via their laminar thin-film contacts and via additional connecting means, in particular adhesives, under pressure.

Erfindungsgemäß werden piezokeramische Scheiben mit einer Oberflächenrauhigkeit Rn, < 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.According to the invention, piezoceramic disks having a surface roughness R n , <5 pm (maximum difference) and R, = 0.15 to 0.5 μm (average) are used. By means of a known sputtering method, electrode layers made of relatively hard material, in particular of CuNi, are deposited on the disks on both sides, down to the edge. Adhesive with a viscosity in the range of 100 to 50OmPa · s is then applied in each case to a disk in a dot matrix, and immediately thereafter the next disk is placed congruently with a pressure in the range from 0.5 to 1 MPa, the pressure until hardening of the ink Adhesive is maintained. Finally, after the last pane of the stack has been glued on, the edge contact surfaces are likewise covered again with electrode material by a sputtering process. By applying the adhesive in a dot matrix to be achieved according to the invention that forms no continuous adhesive film when placing two discs. It should only be filled with adhesive by the existing roughness when joining the discs cavities. This achieves an "intimate" ceramic / ceramic contact without causing the negative properties of an adhesive interlayer.The pressure is needed not only for the action of the adhesive, but also for this intimate contact between the ceramic surfaces during the curing of the adhesive and after completion to ensure the stack.

Ausführungsbeispielembodiment Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.The invention will be described below with reference to an embodiment. Zur Herstellung eines Mikrotranslators werden zunächst piezokeramische Scheiben einer PZT-Keramik bereitgestellt. DieTo produce a microtranslator, first piezoceramic disks of a PZT ceramic are provided. The Scheiben weisen dabei folgende Rauhigkeitswerte auf:Slices have the following roughness values:

maximale Differenz Rn, = Mittelwert R, = 0,41 μπι.maximum difference R n , = average R, = 0.41 μπι.

Die Scheiben haben einen Durchmesser von 10mm und eine Dicke von 0,5mm.The discs have a diameter of 10mm and a thickness of 0.5mm. Danach wird auf jede Seite einer Scheibe eine entsprechend gestaltete im wesentlichen aus Cu Ni bestehende Elektrode mit einerThereafter, on each side of a disc a correspondingly designed substantially consisting of Cu Ni electrode with a Schichtdicke von 0,8Mm aufgesplittert. Die Elektrode wird dabei teilweise bis auf den Rand gezogen, um später die KontaktierungLayer thickness of 0.8 mm splintered. The electrode is partially pulled to the edge, to later contact

des Stapels zu ermöglichen. Zur Herstellung des Stapels wird nun auf eine erste Scheibe punktförmig ein geeigneter Kleber, z. B.to allow the stack. For the production of the stack is now punctiform a suitable adhesive, for. B.

Epoxidharz der Cyanacrylat, aufgebracht. Der Kleber besitzt eine Viskosität von 40OmPa · s. Sofort danach wird die nächsteEpoxy resin of cyanoacrylate, applied. The adhesive has a viscosity of 40OmPa · s. Immediately thereafter, the next Scheibe deckungsgleich aufgelegt, wobei ein Druck von 0,5MPa auf die gesamte Fläche ausgeübt wird. Dieser Druck wird soSlice placed congruent, with a pressure of 0.5 MPa is applied to the entire surface. This pressure will be like this

lange beibehalten, bis der Kleber ausgehärtet ist.long maintained until the adhesive has cured.

Nachdem gemäß dieser genannten Verfahrensschritte ein Stapel von piezokeramischen Scheiben errichtet wurde, werden dieAfter a stack of piezoceramic discs was built according to these steps, the Randkontaktflächen ebenfalls durch Sputtern auf eine Dicke von etwa 1,8Mm verstärkt.Edge contact surfaces also reinforced by sputtering to a thickness of about 1.8mm. Die Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Translators (mit Armatur) sollen zum Abschluß mit einem vergleichbaren,The properties of the translator produced according to the invention (with armature) should be concluded with a comparable,

den Stand der Technik darstellenden Translator gegenübergestellt werden:The prior art translator will be contrasted with:

Erfindunginvention Stand d. TechnikStand d. technology angelegte Spannungapplied voltage 1000 V1000V 1000V1000V erreichte Längenänderungachieved change in length 1 22 pm1 22 pm 15Mm15mm Durchmesser d. ScheibenDiameter d. slices 10mm10mm 10mm10mm Steifigkeit d. Stapels CStiffness d. Stack C 150 N/Mm150 N / mm 70 N/Mm70 N / mm (in axiale Richtung)(in axial direction)

Auch der Wert für die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Stapels (ohne Armatur) zeigt, daß dem angestrebten Wert für das massive Keramikmaterial nahegekommen wird. Sie betragen:Also, the stiffness rating of the inventive stack (without armature) indicates that the desired value for the bulk ceramic material is approaching. They amount to:

massives Material 290 N/Mmsolid material 290 N / mm

erfindungsgemäßer Stapel 200-290 N/Mm (Stapel mit Dickschichtelektrodenstack according to the invention 200-290 N / mm (stack with thick-film electrodes

und Metallzwischenlagen 100Ν/μτι).and metal liners 100Ν / μτι).

Claims (1)

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 Rn, < 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.Method for producing a stack of piezoceramic disks, in which the individual disks are connected to one another via their laminar thin-film contacts and via additional connecting means, in particular adhesives, under pressure, characterized in that piezoceramic disks with a surface roughness R n , <5 μm and Ra = 0.15 to 0.5 pm are used, that are deposited by a per se known sputtering on both sides of the disks to the side edge reaching electrode layers of relatively hard material, in particular of CuNi, that subsequently each on a disc of Adhesive is applied in a dot matrix with a viscosity in the range of 100 to 500 mPa · s and immediately after the next disc is placed congruent with a pressure in the range of 0.5 to 1 MPa, wherein the pressure is maintained until the adhesive has cured in that finally after pasting the last Disc of the stack, the edge contact surfaces are also covered by a sputtering process again with electrode material. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention 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.The invention relates to the field of piezoelectric components. It relates to a method for producing a stack of piezoceramic disks, in which the individual disks are connected to one another via their laminar thin-film contacts and via additional connecting means, in particular adhesives, under pressure. The stack is used as a microtranslator, e.g. B. in precision equipment.

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