EP2652308A1 - Piezoaktuator mit schutz vor einflüssen der umgebung - Google Patents

Piezoaktuator mit schutz vor einflüssen der umgebung

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EP2652308A1
EP2652308A1 EP11794444.7A EP11794444A EP2652308A1 EP 2652308 A1 EP2652308 A1 EP 2652308A1 EP 11794444 A EP11794444 A EP 11794444A EP 2652308 A1 EP2652308 A1 EP 2652308A1
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EP
European Patent Office
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layer
layers
stack
cover
piezoelectric
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11794444.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Gabl
Anton Leidl
Wolfgang Pahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2652308A1 publication Critical patent/EP2652308A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10N30/872—Interconnections, e.g. connection electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices
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    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the invention relates to a piezoactuator with protection against
  • the invention relates to a method for producing a Piezoaktuators with protection against environmental influences, in particular with protection against liquid or gaseous substances.
  • a piezoactuator has a multiplicity of piezoelectric layers, between which electrode layers are respectively arranged. When an electrical voltage is applied to the electrode layers, a deformation of the piezoelectric layers occurs. For example, the piezoelectric layers may expand in a main deformation direction along the actuator axis, thereby generating a lift.
  • Piezoactuators are often used in the environment of liquid or gaseous substances. Exemplary applications are the control of injectors in engines. A contact of the piezoelectric layers and the electrode layers with the often aggressive liquid relate hung as gaseous substances leads in most cases to the destruction of the piezo actuator, or at least to a re ⁇ duzierung its lifetime.
  • relevant substances are, for example, water or moisture or else
  • Fuels like diesel or gasoline are Fuels like diesel or gasoline.
  • the protection against fuels is effected by the fact that the actuator in one Metal cylinder is housed, wherein the interior of the Metallzy ⁇ Linders, especially in the region of the contact terminals of the actuator, is laboriously sealed.
  • the encapsulation obtained in this way can be made hermetically sealed in most cases, the housing shape results in a space requirement which is not suitable for all applications due to the oversize on the end faces as well as on the side faces of the actuator.
  • piezoelectric actuator with protection against environmental influences, which is designed to save space as possible and yet has a high density with respect to liquid or gaseous substances. Furthermore, a method for producing a piezoelectric actuator with protection against influences of the environment should be specified, wherein the piezoelectric actuator is designed to save space as possible and yet has a high density with respect to liquid or gas ⁇ shaped substances.
  • Layer stack is arranged between the first and second Materialla ⁇ ge.
  • the cover layer surrounds the layer stack and is sputtered onto the first and second material layers.
  • a method for producing a piezo actuator with a protection against influences of the environment includes a step of providing a stack of layers of piezoelectric Ma ⁇ terial Anlagenen and arranged between electrode layers and a first and second layer of material from egg ⁇ each NEM material a voltage to the electrode layers upon application has a smaller extent than the piezoelectric material layers, the layer stack being arranged between the first and second material layers.
  • a cover layer of a material made of metal is sputtered onto the first and second layers of material.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a piezoactuator with protection against influences from the environment
  • FIG. 2 shows an embodiment of a cover layer for sealing a piezoelectric actuator with respect to the environment
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a piezoactuator with protection against influences from the environment
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a piezoactuator with protection against influences from the environment
  • FIG. 5 shows an embodiment of a piezoactuator sealed off from the environment with a recess for contacting the piezoactuator
  • FIG. 6 shows a disclosed embodiment a piezo actuator, ⁇ with Kon clock terminals on an end face of the piezo actuator, 7A shows an embodiment of a piezoactuator with a conductor track for contacting electrode layers of the piezoactuator, FIG. 7B shows another embodiment of a piezoactuator with a conductor track for contacting electrode layers of the piezoactuator,
  • Figure 8 shows an imple mentation of a piezoelectric actuator with a protection against environmental influences.
  • the layer stack 1 shows a disclosed embodiment 1000 of a piezo actuator with a layer stack 1 of piezoelectric material ⁇ layers 10 and arranged in between electrode layers 20.
  • the layer stack 1 is disposed between a Ma ⁇ teriallage 31 and a material layer 32nd
  • the Mate ⁇ riallage 31 and the material layer 32 include the Schichtsta- pel on both sides in the direction of from Aktorlticiansachse.
  • the Mate ⁇ riallagen 31 and 32 may be formed as blocks of material from a Mate ⁇ rial, which has a lower expansion than the piezoelectric layers 10 when a voltage across the electrode layers 20th
  • a smaller extent in the sense of the embodiments of the piezoactuator is also to be understood as meaning that the material layers do not expand when a voltage is applied to the piezoelectric layers.
  • the material layers 31 and 32 may, for example, each be formed as a passive cover layer of an inactive ceramic or a non-piezoelectric ceramic.
  • an ONS Isolati- respectively arranged passivation 40th is formed of a non-conductive material.
  • the insulating layer 40 may be a Ma ⁇ TERIAL of a polymer such as polyimide aufwei ⁇ sen. Such a material is sold, for example, under the trade name Kapton. Alternatively, materials may be used which can be applied to the layer stack 1 by spraying, dipping or painting.
  • a cover layer 50 is applied over the layer stack.
  • the cover layer 50 may be a material made of metal aufwei ⁇ sen.
  • the cover layer may, for example, comprise a partial layer 51 which is sputtered onto the insulation layer 40.
  • the insulating layer is on the one hand designed to be the
  • the insulation ⁇ layer preferably has a thickness of 10 ⁇ to 500 ⁇ .
  • the partial layer 51 extends beyond the end region of the insulating layer 40 and is sputtered onto the material layers 31 and 32.
  • the sputtering layer 51 may be sputtered with a thickness of a few 100 nm to a few micrometers over the insulating layer 40 and the material layers 31 and 32 adjoining the layer stack 1.
  • a further sub-layer 52 may be arranged.
  • the sub-layer 52 is preferably by electrodeposition of a metal, for example copper, on the Sputtering layer 51 is arranged.
  • the cover layer 50 thus surrounds the layer stack 1.
  • the sputtering process produces a sealed connection at a region A between the metal cover layer 50 and the material layers 31 and 32.
  • the sputtered layer 51 and disposed thereon galvanic reinforcement layer 52 made ⁇ union thus a hermetic encapsulation of the layer stack 1.
  • the piezoelectric material layers 10 and the electrical the layers 20 are thereby largely against the penetration or the contact of harmful substances, especially liquid or gaseous substances protected.
  • Figure 2 shows an embodiment of the cover layer 50 of different layers.
  • the sub-layer 51 may comprise an adhesion-promoting layer 511, for example a layer of titanium or chromium, over which a reinforcing layer 512, for example a layer of copper, is subsequently arranged.
  • the thickness of the sputtering layer 51 is at ⁇ example, a few tenths ⁇ to a few ⁇ , for example, between 10 ⁇ and 100 ⁇ .
  • the sub-layer 52 is deposited galvanically in a subsequent process.
  • the material for the electroplating layer 52 for example, copper may be used.
  • the sub-layers 51 and 52 may select, for example, a layer thickness Zvi ⁇ rule 10 to 100 ⁇ have ⁇ .
  • the cover layer 50 may have a further partial layer 53.
  • the sub-layer 53 may be, for example, a layer of nickel which is also electrodeposited on the sub-layer 52.
  • FIG. 3 shows an embodiment 2000 of the piezoactuator.
  • an intermediate layer 70 is provided between the insulating layer 40 and the covering layer 50 in the embodiment according to FIG.
  • the intermediate layer 70 may, for example, be a foil made of a thermoplastic material which serves as a base for applying the sputtering layer 51.
  • FIG. 4 shows an embodiment 3000 of the piezoactuator with a seal of the layer stack 1 with respect to the surroundings.
  • a material 80 made of a polymer is arranged above the cover layer 50 and the material layers 31 and 32.
  • a tube made of a polymer material, in particular of Tef ⁇ lon be applied as an outer coating of the cover layer 50 and the material layers 31 and 32.
  • the polymer tube can be, for example, a heat-shrinkable tube, which is shrunk on the cover layer 50 and the passive cover layers 31 and 32 by heat action.
  • the tube of the polymeric material may be in the passive regions of the piezoelectric actuator, that is in the field of passive surface layers 31 and 32, with terminals, for example, with sealing rings 90 ⁇ be sealed.
  • a material can be applied from a polymer guide as externa ⁇ ßere protective layer.
  • FIG. 5 shows a plan view of an embodiment 4000 of the piezoactuator in which the layer stack 1 is sealed by the cover layer 50 against influences from the environment.
  • Like components of the piezoactuator as in the preceding figures are again provided with the same reference numerals.
  • a recess 60 is provided in the cover layer 50 for contacting the electrode layers of the layer stack 1. Since the recess 60 is designed small area, the window for contacting by selecting appropriate
  • Sealing materials that would not be eligible for the entire passivation of the actuator, sealed to ei ⁇ ne best possible tightness to achieve For example, a material made of epoxy can be used for this purpose.
  • FIG. 6 shows an embodiment 5000 of the piezoactuator.
  • the insulating layer 40 and the cover layer 50 are not shown in FIG.
  • the piezoactuator has the layer stack 1 of the piezoelectric material layers 10 and the electrode layers 20 arranged therebetween.
  • the Materialla ⁇ gen 31 and 32 are arranged as passive surface layers, for example, from an inactive ceramic.
  • the inactive ceramic Mate ⁇ rial of the cover layers 31 and 32 shows when applying a voltage to the piezoelectric layers 10 a smaller extent than the piezoelectric layers, which in the sense the embodiments of the piezo actuator include the case where the cover layers do not show any expansion at all.
  • the passive cover layers are designed as end caps of the piezo actuator.
  • a wiring layer 100 For contacting the electrode layers 20 with a stimulating voltage, a wiring layer 100, ⁇ example, a layer of a conductive material provided on top of the layer stack. 1
  • the wiring layer 100 may have two insulated from each other arranged part ⁇ layers comprise 101 and 102nd
  • Each of the sublayers 101 and 102 is connected to a contact terminal 120 for applying a voltage to the piezoactuator.
  • the connection between the contact terminals 120 and the partial layers 101 and 102 of the wiring layer 100 takes place through holes 110, so-called vias, which contain a conductive material.
  • a solder sealing ring 130 is provided on the passive cover layer 31, with which the connector can be soldered, for example.
  • FIG. 7A shows, for embodiment 5000, a variant for connecting the electrode layers 20 to the mutually insulated sections 101 and 102 of the wiring layer 100.
  • a conductor track 141 and a conductor track 142 are provided along different side surfaces of the piezoactuator.
  • the conductor tracks can each be designed as a flexible copper busbar.
  • Each of the interconnects 141 and 142 connects every second and thus uppermost electrode layer 20.
  • the interconnects are connected to the two sections 101 and 102 of the wiring layer 100.
  • the conductor tracks 141 and 142 are each formed like a caterpillar or with arcuate sections 143. The arcuate sections can be rounded or angular.
  • the conductor tracks are designed in such a way that in each case one arc of the conductor track 141, 142 connects each after the next electrode layer 20. Since only every second electrode layer is in contact with one of the conductor tracks by the arcuate curvature of the traces 141 and 142, it is possible that Elect ⁇ clear layers 20 form between the piezoelectric layers 10 such that the electrode layers each covering the entire surface of the piezoelectric layers. Thus, the production of the layer stack 1 is possible without much effort.
  • the piezoelectric coupling is ef ⁇ fective, since the entire stacking cross section is driven without Randausspa ⁇ ments.
  • Layer stack 1 first a photoresist layer are applied. Subsequently, the areas of the electrode layers are exposed by laser irradiation. About the resist layer and the exposed electrode layers, a lower layer (seed layer) is sputtered. The seed layer can be laser-structured so that only the areas where the printed conductors 141 and 142 are formed remain. The layer structure of the conductor tracks 141 and 142 can then be effected by electrodeposition. The resist may remain under the bridge-shaped bulges 143 of the tracks 141 and 142 or be removed. The resist layer under the conductive traces may serve as a reinforcing layer for ⁇ the bus bars 141 and 142nd FIG.
  • FIG. 7B shows a further embodiment variant of the embodiment 5000 of the piezoactuator.
  • the two conductor tracks are arranged on a common side of the piezoelectric actuator.
  • This disclosed embodiment has the advantage that the two busbar ⁇ NEN can be processed together at the joint surface of one side surface of the piezo actuator.
  • Figure 8 shows the piezo actuator of the disclosed embodiment 5000, wherein the layer stack 1 and the conductor tracks are to give ⁇ ⁇ next by an insulating layer and a top layer 141 and 142nd In Figure 8, only the outer cover layer 50 is shown.
  • the cover layer has a sputtering layer, which over the insulation layer and over to the
  • Layer stack 1 adjacent passive cover layers sputtered is.
  • a reinforcing layer can be produced by electrodeposition.
  • the sputter layer and the galvanic reinforcement hermetically encapsulate the entire layer stack.
  • the contour of the top layer 50 shown in Figure 8 enables good elas ⁇ diagram deformability in the direction of Aktorl Kunststoffsachse. This contour can be achieved for example by a corresponding injection / molding tool for the underlying Isola ⁇ tion layer. Alternatively, a dip-resist coating can also be applied.
  • the embodiments of the piezoactuator shown require a minimum space requirement with the greatest possible tightness against the environment. This is implemented that is continuously environmentally realized by the layer stack and the adjacent gene Materialla ⁇ a continuous metal or ceramic serving ⁇ without joints. In particular, the solid and tight connection at the transition is essential between the inactive ceramics of the material layers and the cover layer of metal, which is realized by means of the sputtering process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Ein Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung umfasst einen Schichtstapel (1) aus piezoelektrischen Materialschichten (10) und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten (20). Desweiteren umfasst der Piezoaktuator eine erste und zweite Materiallage (31, 32) aus jeweils einem Material, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten (20) eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Materialschichten (10) aufweist, und eine Deckschicht (50) aus einem Material aus Metall. Der Schichtstapel (1) ist zwischen der ersten und zweiten Materiallage (31, 32) angeordnet. Die Deckschicht (50) umgibt den Schichtstapel (1) und ist auf die erste und zweite Materiallage (31, 32) aufgesputtert.

Description

Beschreibung
Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung Die Erfindung betrifft einen Piezoaktuator mit Schutz vor
Einflüssen der Umgebung, insbesondere mit Schutz vor flüssigen oder gasförmigen Substanzen. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung, insbesondere mit Schutz vor flüssigen oder gasförmigen Substanzen.
Ein Piezoaktuator weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten auf, zwischen denen jeweils Elektrodenschichten angeordnet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten tritt eine Verformung der piezoelektrischen Schichten aus. Die piezoelektrischen Schichten können sich beispielsweise in einer Hauptverformungsrichtung entlang der Aktorachse ausdehnen, wodurch ein Hub erzeugt wird. Piezoaktuatoren werden oftmals in der Umgebung von flüssigen oder gasförmigen Substanzen eingesetzt. Beispielhafte Anwendungen sind die Steuerung von Einspritzventilen in Motoren. Ein Kontakt der piezoelektrischen Schichten und der Elektrodenschichten mit den vielfach aggressiven flüssigen bezie- hungsweise gasförmigen Substanzen führt in den meisten Fällen zur Zerstörung des Piezoaktuators oder zumindest zu einer Re¬ duzierung seiner Lebensdauer. Für die Anwendung von Piezoaktuatoren in Einspritzventilen sind relevante Substanzen beispielsweise Wasser beziehungsweise Feuchte oder auch
Treibstoffe wie Diesel oder Benzin.
In heutigen Anwendungen wird insbesondere der Schutz gegenüber Treibstoffen dadurch bewirkt, dass der Aktuator in einem Metallzylinder gehaust wird, wobei das Innere des Metallzy¬ linders, insbesondere im Bereich der Kontaktanschlüsse des Aktuators, aufwändig abgedichtet wird. Obgleich die dadurch erhaltene Kapselung in den meisten Fällen hermetisch dicht ausgeführt werden kann, hat die Gehäuseform durch das Aufmaß an den Stirnseiten als auch an den Seitenflächen des Aktuators eine nicht für alle Anwendungen geeigneten Platzbedarf zur Folge.
Vorwiegend motiviert durch die Reduktion der Anzahl der Bau¬ teil eines Injektors und der damit zusammenhängenden Kosteneinsparung ergibt sich zunehmend der Trend, den Piezoaktuator direkt treibstoffumspült, im so genannten Nassbetrieb, unter hohem Umgebungsdruck zu betreiben. Diese Betriebsbedingung erfordert eine möglichst dichte, vorzugsweise hermetische und zugleich möglichst platzsparende Abdichtung des Aktuators. Um den Platzbedarf für die Abdichtung des Piezoaktuators möglichst gering zu halten, kann der Aktuator in den meisten Fällen nicht in einem separaten Gehäuse angeordnet werden.
Es ist wünschenswert, einen Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung anzugeben, der möglichst platzsparend ausgeführt ist und dennoch eine hohe Dichtigkeit bezüglich flüssiger oder gasförmiger Substanzen aufweist. Desweiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung angegeben werden, wobei der Piezoaktuator möglichst platzsparend ausgeführt ist und dennoch eine hohe Dichtigkeit in Bezug auf flüssige oder gas¬ förmige Substanzen aufweist.
Ein Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung um- fasst einen Schichtstapel aus piezoelektrischen Material¬ schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten. Desweiteren umfasst der Piezoaktuator eine erste und zweite Materiallage aus jeweils einem Material, das beim Anlegen ei¬ ner Spannung an die Elektrodenschichten eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Materialschichten aufweist, und eine Deckschicht aus einem Material aus Metall. Der
Schichtstapel ist zwischen der ersten und zweiten Materialla¬ ge angeordnet. Die Deckschicht umgibt den Schichtstapel und ist auf die erste und zweite Materiallage aufgesputtert .
Durch das Sputtern der Deckschicht über den Schichtstapel und insbesondere durch das Sputtern der Deckschicht auf die Mate¬ riallagen, die beispielsweise piezoelektrisch inaktive Mate¬ rialien enthalten können, entsteht eine nahezu hermetisch dichte und feste Verbindung zwischen der Deckschicht und den Materiallagen. Da durch die durchgehende Metall- beziehungs¬ weise Keramikumhüllung eine feste Verbindung zwischen den Materialien und keine Stoßstellen zwischen den Materialien geschaffen wird, lässt sich eine nahezu völlig dichte Versiege¬ lung des Schichtstapels aus den piezoelektrischen Schichten gegenüber einem Kontakt mit flüssigen oder gasförmigen Substanzen erzielen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit einem Schutz vor Einflüssen der Umgebung umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Schichtstapels aus piezoelektrischen Ma¬ terialschichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten und einer ersten und zweiten Materiallage aus jeweils ei¬ nem Material, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten eine geringere Ausdehnung als die piezoelektri- sehen Materialschichten aufweist, wobei der Schichtstapel zwischen der ersten und zweiten Materiallage angeordnet ist. Über dem Schichtstapel wird eine Deckschicht aus einem Mate- rial aus Metall angeordnet. Die Deckschicht wird auf die ers- te und zweite Materiallage gesputtert.
Weitere Aus führungs formen des Piezokatuators und des Verfah¬ rens zur Herstellung des Piezoaktuators sind den Unteransprü¬ chen zu entnehmen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen aus der Umgebung,
Figur 2 eine Aus führungs form einer Deckschicht zur Abdichtung eines Piezoaktors gegenüber der Umgebung,
Figur 3 eine weitere Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen aus der Umgebung,
Figur 4 eine weitere Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen aus der Umgebung,
Figur 5 eine Aus führungs form eines gegenüber der Umgebung abgedichteten Piezoaktuators mit einer Aussparung zur Kontak- tierung des Piezoaktuators,
Figur 6 eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Kon¬ taktanschlüssen auf einer Stirnseite des Piezoaktuators, Figur 7A eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit einer Leiterbahn zur Kontaktierung von Elektrodenschichten des Piezoaktuators, Figur 7B eine weitere Aus führungs form eines Piezoaktuators mit einer Leiterbahn zur Kontaktierung von Elektrodenschichten des Piezoaktuators,
Figur 8 eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit einer Schutz vor Einflüssen der Umgebung.
Figur 1 zeigt eine Aus führungs form 1000 eines Piezoaktuators mit einem Schichtstapel 1 aus piezoelektrischen Material¬ schichten 10 und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 20. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten dehnen sich die piezoelektrischen Schichten aus, wodurch ein Hub erzeugt wird. Der Schichtstapel 1 ist zwischen einer Ma¬ teriallage 31 und einer Materiallage 32 angeordnet. Die Mate¬ riallage 31 und die Materiallage 32 schließen den Schichtsta- pel beidseitig in Richtung der Aktorlängsachse ab. Die Mate¬ riallagen 31 und 32 können als Materialblöcke aus einem Mate¬ rial ausgebildet sein, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 20 eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Schichten 10 aufweist. Unter einer geringeren Ausdehnung im Sinne der Aus führungs formen des Piezoaktuators ist auch zu verstehen, dass die Materiallagen beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Schichten keine Ausdehnung zeigen. Die Materiallagen 31 und 32 können beispielsweise jeweils als eine passive Decklage aus einer inaktiven Keramik beziehungsweise einer nicht piezoelektrischen Keramik ausgebildet sein. Zur Isolation des Schichtstapels 1, insbesondere der Elektro¬ denschichten 20, ist über dem Schichtstapel 1 eine Isolati- ons- beziehungsweise Passivierungsschicht 40 angeordnet. Die Isolationsschicht 40 ist aus einem nicht leitenden Material ausgebildet. Als Isolationsschicht kann beispielsweise eine Folie verwendet werden, die auf den Schichtstapel aufgeklebt oder auflaminiert wird. Die Isolationsschicht 40 kann ein Ma¬ terial aus einem Polymer, beispielsweise aus Polyimid aufwei¬ sen. Ein derartiges Material wird beispielsweise unter dem Handelsnamen Kapton vertrieben. Alternativ dazu können Materialien verwendet werden, die durch Sprühen, Tauchen oder Lackieren auf den Schichtstapel 1 aufgebracht werden können.
Über dem Schichtstapel wird des Weiteren eine Deckschicht 50 aufgebracht. Gemäß der in Figur 1 gezeigten Aus führungs form ist die Deckschicht 50 auf der Isolationsschicht 40 angeord¬ net. Die Deckschicht 50 kann ein Material aus Metall aufwei¬ sen. Die Deckschicht kann beispielsweise eine Teilschicht 51 umfassen, die auf die Isolationsschicht 40 aufgesputtert ist. Die Isolationsschicht ist einerseits dazu ausgebildet, die
Elektrodenschichten 20 des Schichtstapels 1 von der Umgebung zu isolieren und andererseits geeignet ausgeführt, um als Un¬ terlage für die Sputterschicht 51 zu dienen. Die Isolations¬ schicht weist dazu vorzugsweise eine Dicke von 10 μπι bis 500 μπι auf. Die Teilschicht 51 erstreckt sich über den Endbereich der Isolationsschicht 40 hinaus und ist auf die Materiallagen 31 und 32 aufgesputtert . Die Sputterschicht 51 kann mit einer Dicke von einigen 100 nm bis wenigen Mikrometern über die I- solationsschicht 40 und die an den Schichtstapel 1 angrenzen- den Materiallagen 31 und 32 gesputtert sein. Über der Sputterschicht 51 kann eine weitere Teilschicht 52 angeordnet sein. Die Teilschicht 52 wird vorzugsweise durch galvanische Abscheidung eines Metalls, beispielsweise von Kupfer, auf der Sputterschicht 51 angeordnet. Die Deckschicht 50 umgibt somit den Schichtstapel 1.
Durch den Sputterprozess entsteht an einem Bereich A zwischen der Deckschicht 50 aus dem Metall und den Materiallagen 31 und 32 eine dichte Verbindung. Die Sputterschicht 51 und die darauf angeordnete galvanische Verstärkungsschicht 52 ermög¬ lichen somit eine hermetische Kapselung des Schichtstapels 1. Die piezoelektrischen Materialschichten 10 und die Elektro- denschichten 20 sind dadurch weitestgehend vor dem Eindringen beziehungsweise dem Kontakt von schädlichen Substanzen, insbesondere von flüssigen oder gasförmigen Substanzen, geschützt . Figur 2 zeigt eine Aus führungs form der Deckschicht 50 aus verschiedenen Schichten. Die Teilschicht 51 kann eine Haftvermittlerschicht 511, beispielsweise eine Schicht aus Titan oder Chrom, aufweisen, über der nachfolgend eine Verstärkungsschicht 512, beispielsweise eine Schicht aus Kupfer, an- geordnet ist. Die Dicke der Sputterschicht 51 beträgt bei¬ spielsweise einige Zehntel μπι bis wenige μπι, beispielsweise zwischen 10 μπι und 100 μπι. Über der Sputterschicht 51 wird die Teilschicht 52 galvanisch in einem nachfolgenden Prozess abgeschieden. Als Material für die Galvanikschicht 52 kann beispielsweise Kupfer verwendet werden. Die Teilschichten 51 und 52 können zusammen beispielsweise eine Schichtdicke zwi¬ schen 10 μπι bis 100 μπι aufweisen. Zum Schutz der Galvanikschicht 52 vor Korrosion kann die Deckschicht 50 eine weitere Teilschicht 53 aufweisen. Die Teilschicht 53 kann beispiels- weise eine Schicht aus Nickel sein, die auf der Teilschicht 52 ebenfalls galvanisch abgeschieden wird. Figur 3 zeigt eine Aus führungs form 2000 des Piezoaktuators . Gleiche Komponenten wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Aus führungs form ist bei der Aus führungs form gemäß Figur 3 zwischen der Isolationsschicht 40 und der Deckschicht 50 eine Zwischenschicht 70 vorgesehen. Die Zwischenschicht 70 kann beispielsweise eine Folie aus einem thermoplastischen Material sein, die als Unterlage zum Aufbringen der Sputterschicht 51 dient. Bei der in Figur 3 gezeigten Aus führungs form ist es möglich, die Isolationseigenschaften der Passivierungsschicht 40 und die Oberflächeneigenschaften der Zwischenschicht 70 getrennt zu optimieren.
Figur 4 zeigt eine Aus führungs form 3000 des Piezoaktuators mit einer Abdichtung des Schichtstapels 1 gegenüber der Umgebung. Gleiche Komponenten wie bei den Aus führungs formen der Figuren 1 und 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Aus führungs form ist über der Deckschicht 50 und den Materiallagen 31 und 32 ein Material 80 aus einem Polymer angeordnet. Beispielsweise kann ein Schlauch aus einem Polymermaterial, insbesondere aus Tef¬ lon, als äußere Umhüllung der Deckschicht 50 und der Materiallagen 31 und 32 aufgebracht sein. Der Polymerschlauch kann beispielsweise ein Schrumpfschlauch sein, der durch Wärmeein- Wirkung auf die Deckschicht 50 und die passiven Decklagen 31 und 32 aufgeschrumpft wird.
Der Schlauch aus dem Polymermaterial kann in den passiven Bereichen des Piezoaktors, das heißt im Bereich der passiven Decklagen 31 und 32, mit Klemmen, beispielsweise mit Dicht¬ ringen 90, abgedichtet werden. Durch das Anordnen des Materials aus Polymer als äußere Schicht des Piezoaktuators wird ein Schutz der Deckschicht 50 gegenüber Beschädigungen, die _
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möglicherweise eine Undichtigkeit zur Folge hätten, erreicht. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass auch über die in Figur 3 gezeigte Aus führungs form eines Piezoaktors als äu¬ ßere Schutzschicht ein Material aus einem Polymer aufgebracht werden kann.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Aus führungs form 4000 des Piezoaktuators , bei der der Schichtstapel 1 durch die Deckschicht 50 gegenüber Einflüssen aus der Umgebung versiegelt ist. Gleiche Komponenten des Piezoaktuators wie in den vorangehenden Figuren sind wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsformen ist in der Deckschicht 50 eine Aussparung 60 zur Kontak- tierung der Elektrodenschichten des Schichtstapels 1 vorgesehen. Da die Aussparung 60 kleinflächig gestaltet ist kann das Fenster für die Kontaktierung durch Wahl entsprechender
Dichtmaterialien, die für die gesamte Passivierung des Aktua- tors nicht in Frage kommen würden, abgedichtet werden, um ei¬ ne bestmögliche Dichtheit zu erreichen. Beispielsweise kann hierfür ein Material aus Epoxid verwendet werden.
Figur 6 zeigt eine Aus führungs form 5000 des Piezoaktuators. Zur besseren Darstellung der gezeigten Aus führungs form sind die Isolationsschicht 40 und die Deckschicht 50 nicht in Fi- gur 6 dargestellt. Der Piezoaktuator weist den Schichtstapel 1 aus den piezoelektrischen Materialschichten 10 und den dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 20 auf. An der 0- ber- und Unterseite des Schichtstapels 1 sind die Materialla¬ gen 31 und 32 als passive Decklagen, beispielsweise aus einer inaktiven Keramik, angeordnet. Das inaktive keramische Mate¬ rial der Decklagen 31 und 32 zeigt beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Schichten 10 eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Schichten, was im Sinne der Aus führungs formen des Piezoaktuators den Fall, dass die Decklagen überhaupt keine Ausdehnung zeigen, mit einschließt. Die passiven Decklagen sind als Endkappen des Piezoaktuators ausgebildet .
Zur Kontaktierung der Elektrodenschichten 20 mit einer anregenden Spannung ist eine Verdrahtungsschicht 100, beispiels¬ weise eine Schicht aus einem leitfähigen Material, auf der Oberseite des Schichtstapels 1 vorgesehen. Die Verdrahtungs- schicht 100 kann zwei voneinander isoliert angeordnete Teil¬ schichten 101 und 102 aufweisen. Jede der Teilschichten 101 und 102 ist mit einem Kontaktanschluss 120 zum Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktuator verbunden. Die Verbindung zwischen den Kontaktanschlüssen 120 und den Teil- schichten 101 und 102 der Verdrahtungsschicht 100 erfolgt durch Bohrungen 110, so genannten Vias, die ein leitfähiges Material enthalten. Zum Anschließen eines Steckverbinders an den Piezoaktuator ist ein Lotdichtring 130 auf der passiven Decklage 31 vorgesehen, mit dem der Steckverbinder beispiels- weise verlötet werden kann.
Figur 7A zeigt für die Aus führungs form 5000 eine Ausführungsvariante zum Anschluss der Elektrodenschichten 20 an die voneinander isolierten Abschnitte 101 und 102 der Verdrahtungs- schicht 100. Entlang verschiedener Seitenflächen des Piezoaktuators sind eine Leiterbahn 141 und eine Leiterbahn 142 vorgesehen. Die Leiterbahnen können beispielsweise jeweils als eine flexible Kupfer-Sammelschiene ausgebildet sein. Jede der Leiterbahnen 141 und 142 verbindet jede zweite und somit ü- bernächste Elektrodenschicht 20. Zur Zuführung der Spannung sind die Leiterbahnen mit den beiden Abschnitten 101 und 102 der Verdrahtungsschicht 100 verbunden. Um der dynamischen Belastung während einer Ausdehnung des Schichtstapels 1 standzuhalten, sind die Leiterbahnen 141 und 142 jeweils raupenartig beziehungsweise mit bogenförmigen Ab¬ schnitten 143 ausgebildet. Die bogenförmigen Abschnitte kön- nen gerundet oder eckig ausgebildet sein. Insbesondere sind die Leiterbahnen derart ausgeführt, dass jeweils ein Bogen der Leiterbahn 141, 142 jede übernächste Elektrodenschicht 20 verbindet. Da durch die bogenförmige Wölbung der Leiterbahnen 141 und 142 nur jede zweite Elektrodenschicht mit einer der Leiterbahnen kontaktiert ist, wird es ermöglicht, die Elekt¬ rodenschichten 20 zwischen den piezoelektrischen Schichten 10 derart auszubilden, dass die Elektrodenschichten jeweils die gesamte Fläche der piezoelektrischen Schichten überdecken. Somit ist die Fertigung des Schichtstapels 1 ohne größeren Aufwand möglich. Zudem ist die piezoelektrische Kopplung ef¬ fektiver, da der gesamte Stapelquerschnitt ohne Randausspa¬ rungen angetrieben wird.
Zur Fertigung der Leiterbahn 141 und 142 kann auf den
Schichtstapel 1 zunächst eine Fotoresistschicht aufgebracht werden. Anschließend werden die Bereiche der Elektrodenschichten durch Laserbestrahlung freigelegt. Über die Resistschicht und die freigelegten Elektrodenschichten wird eine Unterschicht (Seed Layer) gesputtert. Der Seed Layer kann laserstrukturiert werden, so dass lediglich die Bereiche, an denen die Leiterbahnen 141 und 142 ausgebildet werden, übrig bleiben. Der Schichtaufbau der Leiterbahnen 141 und 142 kann anschließend durch galvanische Schichtabscheidung erfolgen. Das Resist kann unter den brückenförmigen Wölbungen 143 der Leiterbahnen 141 und 142 verbleiben oder entfernt werden. Die Resistschicht unter den Leiterbahnen kann als Verstärkungs¬ schicht für die Sammelschienen 141 und 142 dienen. Figur 7B zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Ausfüh- rungsform 5000 des Piezoaktuators . Bei der in Figur 7B gezeigten Ausführungsvariante sind die beiden Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Seite des Piezoaktors angeordnet. Diese Aus führungs form hat den Vorteil, dass die beiden Sammelschie¬ nen auf der gemeinsamen Oberfläche einer Seitenfläche des Piezoaktuators gemeinsam prozessiert werden können.
Figur 8 zeigt den Piezoaktuator der Aus führungs form 5000, bei dem der Schichtstapel 1 und die Leiterbahnen 141 und 142 zu¬ nächst von einer Isolationsschicht und einer Deckschicht um¬ geben sind. In Figur 8 ist lediglich die äußere Deckschicht 50 dargestellt. Die Deckschicht weist eine Sputterschicht auf, die über der Isolationsschicht und über den an den
Schichtstapel 1 angrenzenden passiven Decklagen aufgesputtert ist. Über der Sputterschicht kann eine Verstärkungsschicht durch galvanische Schichtabscheidung erzeugt werden. Durch die Sputterschicht und die galvanische Verstärkung ist der komplette Schichtstapel hermetisch gekapselt. Die in Figur 8 gezeigte Kontur der Deckschicht 50 ermöglicht eine gute elas¬ tische Verformbarkeit in Richtung der Aktorlängsachse. Diese Kontur kann zum Beispiel erzielt werden durch ein entsprechendes Spritz-/Moldwerkzeug für die darunter liegende Isola¬ tionsschicht. Alternativ kann auch eine Tauch-Resistbeschich- tung aufgetragen werden.
Die gezeigten Aus führungs formen des Piezoaktuators erfordern einen minimalen Platzbedarf bei größtmöglicher Dichtheit gegenüber der Umgebung. Dies wird dadurch realisiert, dass um- laufend um den Schichtstapel und die angrenzenden Materialla¬ gen eine durchgehende Metall- beziehungsweise Keramik¬ umhüllung ohne Stoßstellen realisiert wird. Wesentlich dabei ist insbesondere die feste und dichte Verbindung am Übergang zwischen der inaktiven Keramik der Materiallagen und der Deckschicht aus Metall, welche mittels des Sputterprozesses realisiert wird.
Bezugs zeichenliste
1 Schichtstapel
10 piezoelektrische Materialschichten 20 Elektrodenschichten
31, 32 Materiallagen/passive Decklagen
40 IsolationsSchicht/PassivierungsSchicht
50 Deckschicht
51 Teilschicht/Sputterschicht
52 Teilschicht/Galvanikschicht
60 Aussparung für Kontaktierung
70 Zwischenschicht
80 Polymerschlauch
90 Dichtring
100 Verdrahtungsschicht
101, 102 Abschnitte der Verdrahtungsschicht
110 Bohrung/Via
120 Kontaktanschluss
130 Lotdichtring
141, 142 Leiterbahnen

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung, umfassend :
- einen Schichtstapel (1) aus piezoelektrischen Material¬ schichten (10) und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten (20),
- eine erste und zweite Materiallage (31, 32) aus jeweils ei¬ nem Material, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektro- denschichten (20) eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Materialschichten (10) aufweist,
- eine Deckschicht (50) aus einem Material aus Metall,
- wobei der Schichtstapel (1) zwischen der ersten und zweiten Materiallage (31, 32) angeordnet ist,
- wobei die Deckschicht (50) den Schichtstapel (1) umgibt,
- wobei die Deckschicht (50) auf die erste und zweite Materi¬ allage (31, 32) aufgesputtert ist.
2. Piezoaktor nach Anspruch 1, umfassend:
- eine Isolationsschicht (40) aus einem nicht leitenden Mate¬ rial zur Isolation der Elektrodenschichten (20),
- wobei die Isolationsschicht (40) zwischen dem Schichtstapel (1) und der Deckschicht (50) angeordnet ist.
3. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
wobei die Isolationsschicht (40) als eine Folie aus einem Po¬ lymer, insbesondere aus Polyimid, ausgebildet ist.
4. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: - eine Zwischenschicht (70) aus einem Material aus einem Po- 1ymer,
- wobei die Zwischenschicht (70) zwischen der Isolations¬ schicht (40) und der Deckschicht (50) angeordnet ist.
5. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
- wobei die Deckschicht (50) eine erste Teilschicht (51) und eine zweite Teilschicht (52) aufweist,
- wobei die erste Teilschicht (51) auf die erste und zweite Materiallage (31, 32) aufgesputtert ist,
- wobei die zweite Teilschicht (52) durch galvanische Ab- scheidung auf der ersten Teilschicht (51) angeordnet ist.
6. Piezoaktuator nach Anspruch 5,
wobei die erste Teilschicht (51) der Deckschicht eine Haft¬ vermittlerschicht (511), insbesondere eine Schicht aus einem Material aus Titan und/oder Chrom, und eine auf der Haftvermittlerschicht angeordnete Verstärkungsschicht (512), insbe¬ sondere eine Schicht aus einem Material aus Kupfer, aufweist.
7. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
- wobei die Deckschicht (50) eine dritte Teilschicht (53) um- fasst ,
- wobei die dritte Teilschicht (53) zum Schutz der zweiten Teilschicht (52) vor Korrosion ausgebildet ist.
8. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei über der Deckschicht (50) ein Material aus einem Poly¬ mer, insbesondere ein Schrumpfschlauch (80), angeordnet ist.
9. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die erste und zweite Materiallage (31, 32) ein Material aus einer Keramik, insbesondere aus einer nicht piezoelektrischen Keramik, enthalten.
10. Piezoaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend : - einen Kontaktanschluss (120), der auf mindestens einer der ersten und zweiten Materiallage (31, 32) angeordnet ist,
- eine leitfähige Schicht (100) die zwischen dem Schichtsta¬ pel (1) und der mindestens einen ersten und zweiten Material- läge (31, 32) angeordnet ist,
- eine Durchkontaktierung (110), die durch die mindestens eine erste und zweite Materiallage (31, 32) verläuft und den Kontaktanschluss (120) mit der leitfähigen Schicht (100) verbindet .
11. Piezoaktuator nach Anspruch 10, umfassend:
- eine Leiterbahn (141, 142), die eine Vielzahl gebogener Abschnitte (143) aufweist,
- wobei die gebogenen Abschnitte (143) der Leiterbahn jeweils mit jeder übernächsten der Elektrodenschichten (20) kontaktiert sind,
- wobei die Elektrodenschichten (20) derart zwischen den piezoelektrischen Schichten (10) angeordnet sind, dass jede der Elektrodenschichten die gesamte Fläche der über und unter ihr in dem Schichtstapel (1) angeordneten piezoelektrischen
Schichten (10) überdeckt.
12. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung, umfassend:
- Bereitstellen eines Schichtstapels (1) aus piezoelektrischen Materialschichten (10) und dazwischen angeordneten E- lektrodenschichten (20) und einer ersten und zweiten Materiallage (31, 32) aus jeweils einem Material, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten (20) eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Materialschichten (10) aufweist, wobei der Schichtstapel (1) zwischen der ersten und zweiten Materiallage (31, 32) angeordnet ist, - Anordnen einer Deckschicht (50) aus einem Material aus Me¬ tall über dem Schichtstapel (1),
- Sputtern der Deckschicht (50) auf die erste und zweite Ma¬ teriallage (31, 32) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend:
- Anordnen einer Isolationsschicht (40), insbesondere Ankle¬ ben oder Auflaminieren einer Folie (40) aus einem Polymer, auf den Schichtstapel (1) vor dem Schritt des Aufbringens der Deckschicht (50) über dem Schichtstapel (1),
- Sputtern einer ersten Teilschicht (51) der Deckschicht (50) auf die Isolationsschicht (40),
- Galvanisches Abscheiden einer zweiten Teilschicht (52) der Deckschicht (50) auf die erste Teilschicht (51) .
14. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend:
- Anordnen einer Isolationsschicht (40), insbesondere Ankle¬ ben oder Auflaminieren einer Folie aus einem Polymer, auf den Schichtstapel (1),
- Anordnen einer Zwischenschicht (70), insbesondere einer Fo¬ lie (40) aus einem thermoplastischen Material, auf der Isolationsschicht (40),
- Sputtern einer ersten Teilschicht (51) der Deckschicht (50) auf die Zwischenschicht (70),
- Galvanisches Abscheiden einer zweiten Teilschicht (52) der Deckschicht (50) auf die erste Teilschicht (51) .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend: Anordnen eines Materials aus einem Polymer, insbesondere ei- nes Schrumpfschlauchs (80), über der Deckschicht (50) .
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