專利名稱：壓電器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電器件，它具有一個由許多重疊的壓電層和位于壓電層之間的電極層構成的疊層體。本發(fā)明還涉及壓電器件的制造方法。
背景技術：
從文獻DE19905340A1中公開了上述類型的壓電器件，它們由陶瓷材料通過復層技術制成。作為陶瓷材料，優(yōu)選使用PZT(鋯鈦酸鉛)。這些器件具有一些內電極，這些內電極沒有在器件里到處都夠到疊層體的邊緣。由此出現(xiàn)所謂的無源區(qū)，在這些無源區(qū)里，可以通過在內電極之間施加電壓而只形成一個很小的電場。因此，在這些無源區(qū)里，陶瓷材料被盡量無極化并且對壓電器件的行程沒有貢獻。同時出現(xiàn)了有源區(qū)，在有源區(qū)里，相鄰的內電極直接彼此面對，這樣一來，當施加電壓時，可以產(chǎn)生大的壓電行程。盡管在器件的有源區(qū)里形成壓應力，但器件的無源區(qū)承受的是拉應力。材料負荷在內電極結束于疊層體內的部位上達到最高，即在有源區(qū)和無源區(qū)之間的過渡點上達到最高。在內電極端部出現(xiàn)了電場強度因尖端放電效應而過高的現(xiàn)象。這些場力線在內電極的端部區(qū)域里會聚成星形并且在那里造成非常高的電場。
已知的器件的缺點是，在無源區(qū)的拉應力較高的區(qū)域里容易出現(xiàn)裂紋，這些裂紋在器件長時間承受負荷時可能沿內電極伸展到疊層體內。尤其是這些裂紋可能沿內電極生長。這樣，器件的使用壽命就受到限制，對其應用來說，這就意味著嚴重缺陷。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的任務是提出一種壓電器件，它具有很長的使用壽命。
通過根據(jù)權利要求1的本發(fā)明的壓電器件來完成該任務。本發(fā)明的有利實施形式以及壓電器件的制造方法能從其它權利要求中得到。
一種壓電器件包括一個由多個重疊的壓電層和位于這些壓電層之間的電極層構成的疊層體。這些電極層在疊層體內具有一個中央部以及一個端部。在這里，端部以該疊層體的一個垂直邊緣區(qū)的內面為界。這些電極層的端部被第一壓電材料包圍著，第一壓電材料的相對伸長/施加電場強度小于第二壓電材料，該第二壓電材料設置在兩個相鄰電極層之間的中央?yún)^(qū)里。
第一壓電材料最好夠到邊緣區(qū)。
由于在電極層端部區(qū)域里的陶瓷材料的伸長減小了，所以可以減小在端部區(qū)域里的機械負荷。這樣一來，本發(fā)明的優(yōu)點就是降低了材料負荷并且同時延長了器件的使用壽命。因此，在壓電層中，在一個電極層的端部和與該電極層對置的電極層之間形成一個相對伸長的梯度場，它的最大值出現(xiàn)在這兩個電極層之間的中心。這種伸長向著電極層遞減。
為了實現(xiàn)非常有利的器件使用壽命延長，有利地使第一壓電材料的相對伸長最多等于第二壓電材料的相對伸長的95％。
作為壓電材料相對伸長的尺度，可以采用壓電特征參量d33以及另一個壓電特征參量d31。這些特征參量是壓電電壓傳感器的要素，其中，d33表示壓電材料在朝向一平行于極化方向的外電場的方向上的伸長率。第二壓電特征參量d31描述的是在一個垂直于該電場的方向上的材料收縮率。d33和d31具有相反的正負符號，這樣就說明壓電陶瓷材料的體積保持不變。
如果在第一壓電材料和第二壓電材料之間的相對伸長之差更大，則這是有利的。這就相當于第一壓電材料的相對伸長最多等于第二壓電材料的相對伸長的90％的情況。
壓電器件在電極端部區(qū)域里的更高的負荷沒有集中到內電極端部上，而是也涉及到與電極端部相接的內電極區(qū)。因此，第一壓電材料所包圍的邊緣區(qū)至少是電極層面積的5％是有利的。
為了提高器件的機械穩(wěn)定性，在第一壓電材料和第二壓電材料之間的與相對伸長有關的過渡最好是逐漸即連續(xù)進行的。這樣，避免了在兩個不同的壓電材料之間出現(xiàn)界層，這可能還阻礙了材料開裂。
在一個有利的實施例里，人們如此獲得了在不同壓電材料之間的過渡，即第一壓電材料是由第二壓電材料通過擴散來自電極層的摻雜物質而形成的。通過減小包圍它的壓電材料的相對伸長的摻雜物質的擴散而能夠實現(xiàn)，在壓電材料的不同性能之間出現(xiàn)逐漸過渡，而不是突變。
在一個有利的實施例里，這些電極層可以含有銅，它同時是摻雜物質，這樣的摻雜物質可以改變壓電材料的伸縮行為。
第一壓電材料例如可以是含有4-10摩爾％的銅的Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3。第二壓電材料例如可以是含有約2摩爾％的銅的上述第一壓電材料。
此外，可以這樣實現(xiàn)本發(fā)明，即該疊層體由按照層序E-A-B-A-E的多個層構成，E代表一個電極層，A代表一個包含第一壓電材料的陶瓷膜，B代表一個包含第二壓電材料的陶瓷膜。
此時要注意，這兩個壓電材料的燒結收縮必須相互匹配，以防止壓電器件在燒結中開裂。還必須注意，所示性能差異沒有在燒結中通過擴散被部分或徹底消除，就是說，摻雜物質必須具有有限的遷移性。
就是說，在這個實施例里，該疊層體例如由通過絲網(wǎng)印刷制成的一些電極層和由陶瓷膜構成的一些壓電層構成。
此外，可以如此實現(xiàn)本發(fā)明，即該疊層體由按照層序E-C-B-C-E的多個層構成，E代表一個電極層，A代表一個包含第一壓電材料的陶瓷膜，C代表一個通過兩個并列的絲網(wǎng)印刷層構成的層，第一絲網(wǎng)印刷層含有第一壓電材料并且覆蓋相鄰的電極層的端部，第二絲網(wǎng)印刷層含有第二壓電材料并從兩側覆蓋相鄰的電極層的中央部。
在本發(fā)明的一個有利的實施例里，這些電極層完全覆蓋住層B并且一直到達相鄰的電極層的端部的內邊緣。這樣就能夠使復層結構在整個疊層體范圍里無厚度變化和間隙地接續(xù)。
特別有利的是，該疊層體是一個單塊燒結體，它允許高的機械穩(wěn)定性并且能夠簡單廉價地通過整體燒結這些疊在一起的層來制造。
本發(fā)明提出了一種制造壓電器件的方法，在這里，所述制造通過燒結一個由重疊的陶瓷生膜和這些電極層構成的疊層體來進行，其中，摻雜物質從電極層擴散到第二陶瓷材料中是在燒結中在800-1500℃下完成的。例如，在借助銅進行摻雜時，考慮使用950-1050℃的溫度，而在借助銀/鈀進行摻雜時，考慮使用1000-1200℃的溫度。


以下，結合一些實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明。
圖1以透視圖表示本發(fā)明的壓電器件的一個例子。
圖2以橫截面示意圖表示圖1所示器件的放大局部。
圖3沿圖2所示線K表示濃度剖面的一個例子。
圖3A沿圖2的線K表示所測的濃度剖面。
圖4表示根據(jù)圖2所示例子的拉應力和壓應力的不同區(qū)域。
圖5以示意橫截面圖表示本發(fā)明的壓電器件的另一個例子。
圖6以橫截面示意圖表示本發(fā)明壓電器件的又一個例子。
具體實施例方式
圖1示出一個壓電致動器件，它具有一個由多個上下重疊的壓電層2和電極層3a、3b構成的疊層體1。在這里，第一類型的電極層3a與第二類型的電極層3b是交替的。各自類型的電極層3a、3b可以通過一個貼在疊層體1外側面上的金屬條13被共同接通。通過施加極性和脈動不同的電壓在電極層3a或電極層3b上，結果，就可以使各兩個相互對置的電極層3a、3b在壓電層2上產(chǎn)生一個電場，由此產(chǎn)生了壓電致動器件的垂直移動。電極層3a、3b沒有各自從疊層體1的不同邊緣區(qū)域起一直到達疊層體1的對置側面，而是可以留下一個邊緣區(qū)5。該疊層體1的邊緣區(qū)5是無源區(qū)，在這些區(qū)域里，壓電材料2主要遇到拉應力。這在圖4中也示出了。電極層3a、3b直接重疊的區(qū)域是有源區(qū)12，在有源區(qū)中，這些壓電層主要承受壓應力(又見圖4)。
器件的尺寸例如可以是7毫米見方并且有30毫米厚。此時做到了將多大360個的許多內電極集成到壓電器件中。也可以制造出所謂的彎片，它具有20×6毫米的底面和1.5毫米的厚度。這樣的彎片例如具有20個內電極。
這些電極層3a或電極層3b可以分別成梳形圖案，其中，梳形圖案以齒槽交錯的形式布置在成品的器件中。這樣一來，就能獲得壓電致動器件的較大的機械行程。在這里，電極層3a、3b的形狀本身是任意的，重要的只是在一個垂直于電極平面的區(qū)域里即在所謂的無源區(qū)里只有每隔一個電極。
對壓電層2來說，可以采用常用的PZT陶瓷。
圖2表示圖1所示器件的局部細節(jié)。電極層3a、3b被第一陶瓷材料7包圍住，當施加電壓時，第一陶瓷材料具有較小的相對伸長。在兩個相鄰的電極層3a、3b之間，在一個中央?yún)^(qū)8內設有具有較大的相對伸長的第二壓電材料9。第一壓電材料7不僅包圍電極層3a、3b的端部，而且整個包圍住電極層3a、3b。第一壓電材料7由第二壓電材料9通過使電極層3a、3b所含的摻雜物質擴散入來產(chǎn)生。作為摻雜物質，例如考慮使用銅?？梢酝ㄟ^一個在燒結器件時施加的溫度區(qū)域來進行這種摻雜。
圖3按照模型表示沿圖2的線K的摻雜物質的相對濃度c。在位置Z1和Z2上，分別設有電極層3a或電極層3b。在位置Z1和Z3之間，有一個緩慢遞減的摻雜物質濃度，它在一個最大摻雜物質濃度Cmax和一個最小的摻雜物質濃度Cmin之間變化。在這個區(qū)域里有第一壓電材料7，它具有較小的伸長。較小的伸長由第二壓電材料9的改良引起，第二壓電材料具有大的伸長。在位置Z4和Z3之間有一個具有較小的摻雜物質濃度Cmin的區(qū)域，在這里，它可以是具有較大伸長的第二壓電材料9。Cmin可以很小并且或許為零。
也能從圖3里看到，由于借助摻雜來改良第二壓電材料9，可以在不同的壓電材料7和9之間產(chǎn)生一個逐漸變化的過渡。
這些電極層3a、3b可以例如以絲網(wǎng)印刷電極的形式彼此間隔20-200微米地形成。作為摻雜物質，出了銅外還可以考慮使用其它化學元素。尤其是考慮使用這樣的摻雜物質，即當壓電常數(shù)歲濃度增大而遞減時，它們被用于較硬的PZT陶瓷的制造。
此外，摻雜物質濃度c從電極層3a、3b開始朝向在電極層3a、3b之間的中央?yún)^(qū)8地連續(xù)遞減。這樣就保證了，尤其在電極層3a、3b的附近有一種具有較小的相對伸長的壓電材料。
圖3A沿圖2的線K表示按重量百分比的摻雜物質銅的濃度的一個例子。在這里，銅濃度C銅與在Z2處的內電極的間距d有關。如果d＝70微米，則有第二內電極3b，這對應于如圖2或圖3所示的位置Z1。在這里基于陶瓷是Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3。內電極3a、3b在圖3A的例子中成銅電極的形式。通過在1000℃的燒結中擴散約5小時，獲得了在圖3A中通過WDX/EDX測量得到的濃度剖面。在第二壓電材料中的銅濃度曲線在量上對應于在圖3中按模型給出的濃度曲線。在間距d＝0和d＝18微米的區(qū)域里或者在d＝45微米和d＝70微米的區(qū)域里，通過使銅從內電極3a、3b中擴散出來，產(chǎn)生了第一壓電材料，該第一壓電材料的相對伸長小于第二壓電材料。在這里，第一曲線14表示用于上述第二壓電材料的原材料，第二曲線15表示用于第一曲線時相同的上述材料的原材料，但還摻雜了約1-2摩爾％的銅。銅的摩爾百分比濃度在此對應于0.196重量％。
在上述鋯鈦酸鉛中，通過按照高于1摩爾％濃度地摻雜銅，可以減小690pm/V的相對伸長，結果，獲得了小于650pm/V的相對伸長。相對伸長在這里作為預應力致動器件在多層結構中的偏移量來測量，所述致動器件被適當?shù)貥O化并且承受一個約2KV/mm的場強的作用。通過提高銅含量，可以進一步減小相對伸長。
圖4表示在圖2的下部區(qū)域里的、與在給致動器件施加電負荷時出現(xiàn)的壓應力或拉應力及其相對強度相關的情況。在有源區(qū)12里，在主軸線上出現(xiàn)壓應力，在用7表示的區(qū)域里，所出現(xiàn)的壓應力較小，這是因為第一壓電材料的伸長較小。在用9表示的區(qū)域里，所出現(xiàn)的壓應力較大，這是因為在此設有第二壓電材料。在邊緣區(qū)5中出現(xiàn)的是拉應力而不是壓應力。壓應力用符號<-->表示，拉應力用符號>--<表示。此外，雙箭頭的長度只是一個粗略的起點，尤其是所給出的壓力與箭頭長短沒有比例關系。
圖5表示本發(fā)明的另一個實施例，其中，參照圖1所示的壓電致動器件。與圖2的區(qū)別在于，根據(jù)圖5，第一壓電材料不是通過擴散摻雜物質形成的，而是一開始就通過使用相應的陶瓷生膜而制成的。就是說，圖5表示一個按照順序E-A-B-A-E的層疊。在這里，在電極層3b上鋪設一個含第一壓電材料7的陶瓷生膜。隨后是一個含第二壓電材料9的陶瓷生膜。隨后又是按照順序地是層A和電極層3a。在陶瓷層中為A和B使用的陶瓷膜可以分別涉及PZT基陶瓷，在這里，各壓電陶瓷或壓電材料7、9的相對伸長的調節(jié)或是通過加入一種或多種摻雜物質來完成，或是通過改變鋯/鈦比例來完成。也可以綜合采取上述兩現(xiàn)措施。
此外，陶瓷生膜的層厚可以為20-200微米。其它層厚也行。
在根據(jù)圖5的實施例里，電極層3a、3b的端部6以及整個電極層3a、3b都被具有較小的相對伸長的第一壓電材料7包圍住。
圖6表示本發(fā)明的又一個實施例，在這里，疊層體1的結構按照圖5來完成，但在層序方面，層A被層C代替。在這里，層C不是通過陶瓷生膜形成的，而是由兩個絲網(wǎng)印刷層10、11組成的。這兩個絲網(wǎng)印刷層10、11互補形成一個在壓電致動器件的整個橫截面范圍里都連貫的層C。絲網(wǎng)印刷層10、11的優(yōu)點是，它們能夠比圖5的陶瓷生膜薄得多。這樣就得到了壓電致動器件的總行程盡可能小地受到影響的優(yōu)點。因此，例如可以制造出3-10微米厚的絲網(wǎng)印刷層10、11。絲網(wǎng)印刷層10含有相對伸長較小的第一壓電材料7。此時，絲網(wǎng)印刷層10分別在頂面和底面上覆蓋住電極層3a、3b的各端部6。這樣一來，就是說電極層3a、3b的端部6被第一壓電材料7所覆蓋。與絲網(wǎng)印刷層10互補成一個完整的疊層C的絲網(wǎng)印刷層11分別在頂面和底面上覆蓋住電極層3a、3b的中央部4。此外，絲網(wǎng)印刷層11含有第二壓電材料9，該材料本身也位于在相鄰的電極層3a、3b之間的中央?yún)^(qū)8里。
通過圖6的構造而實現(xiàn)了，只是電極層3a、3b的臨界端部6被第一壓電材料7包封起來。這樣就得到了以下優(yōu)點，即壓電致動器件的總行程盡可能小地不受影響。
本發(fā)明的重點是，電極層的端部被相對伸長較小的壓電材料包圍起來。本發(fā)明不局限于其中的所有電極層都被第一壓電材料包圍的實施例。
附圖標記一覽表1-疊層體；2-壓電層；3a、3b-電極層；4-中央部；5-邊緣區(qū)；6-端部；7、9-壓電材料；8-中央?yún)^(qū)；10、11-絲網(wǎng)印刷層；12-有源區(qū)；13-金屬條；Z、Z1、Z2、Z3和Z4-Z坐標；C、Cmax、Cmin-摻雜物質濃度；d-間距；C銅-銅濃度；14-第一曲線；15-第二曲線；
權利要求
1.一種壓電器件，它具有一個由多個重疊的壓電層(2)和位于壓電層之間的電極層(3a，3b)構成的疊層體(1)，其中，這些電極層(3a，3b)在該疊層體(1)內具有一個中央部(4)以及一個以該疊層體(1)的垂直邊緣區(qū)(5)的內側為界的端部(6)，這些電極層(3a，3b)的所述端部(6)被第一壓電材料(7)包圍住，第一壓電材料的相對伸長小于第二壓電材料(9)的相對伸長，第二壓電材料布置在一個在相鄰的電極層(3a，3b)之間的中央?yún)^(qū)(8)內。
2.如權利要求1所述的器件，其特征在于，第一壓電材料(7)的相對伸長最多等于第二壓電材料(9)的相對伸長的95％。
3.如權利要求2所述的器件，其特征在于，第一壓電材料(7)的相對伸長最多等于第二壓電材料(9)的相對伸長的90％。
4.如權利要求1-3之一所述的器件，其特征在于，一個邊緣區(qū)(6)的面積至少是該電極層(3a，3b)面積的5％。
5.如權利要求1-4之一所述的器件，其特征在于，在第一壓電材料和第二壓電材料(7，9)之間的相對伸長的過渡是連續(xù)的。
6.如權利要求1-5之一所述的器件，其特征在于，第一壓電材料(7)是由第二壓電材料(9)通過擴散來自電極層(3a，3b)的摻雜物質而形成的。
7.如權利要求6所述的器件，其特征在于，該摻雜物質是銅。
8.如權利要求6所述的器件，其特征在于，第一壓電材料(7)是含有3-10摩爾％的銅的Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3，第二壓電材料(9)是含有1-2摩爾％的銅的Pb0.97Zr0.56Ti0.46Nd0.02O3。
9.如權利要求1-5之一所述的器件，其特征在于，該疊層體(1)由按照層序E-A-B-A-E的多個層構成，E代表一個電極層(3a，3b)，A代表一個包含第一壓電材料(7)的陶瓷膜，B代表一個包含第二壓電材料(9)的陶瓷膜。
10.如權利要求1-5之一所述的器件，其特征在于，該疊層體(1)由按照層序E-C-B-C-E的多個層構成，E代表一個電極層(3a，3b)，A代表一個包含第一壓電材料(7)的陶瓷膜，C代表一個通過兩個并列的絲網(wǎng)印刷層(10，11)構成的層，第一絲網(wǎng)印刷層(10)含有第一壓電材料(7)并且覆蓋相鄰的電極層(3a，3b)的端部(6)，第二絲網(wǎng)印刷層(11)含有第二壓電材料(9)并覆蓋相鄰的電極層(3a，3b)的中央部(4)。
11.如權利要求10所述的器件，其特征在于，這些電極層(3a，3b)完全覆蓋住層B并且一直到達相鄰的電極層(3a，3b)的端部(6)的內邊緣。
12.如權利要求1-11之一所述的器件，其特征在于，該疊層體(1)是一個單塊燒結體。
13.如權利要求1-12之一所述的器件，其特征在于，這些電極層(3a，3b)含有銅。
14.制造壓電器件的方法，該壓電器件具有一個由多個重疊的壓電層(2)和位于壓電層之間的電極層(3a，3b)構成的疊層體(1)，其中，這些電極層(3a，3b)被第一壓電材料(7)包圍住，第一壓電材料的相對伸長小于第二壓電材料(9)的相對伸長，第二壓電材料布置在一個在相鄰的電極層(3a，3b)之間的中央?yún)^(qū)(8)內，其中，所述制造通過燒結一個由重疊的陶瓷生膜和這些電極層(3a，3b)構成的疊層體(1)來進行，第一壓電材料(7)是由第二壓電材料(9)通過使電極層(3a，3b)所含的摻雜物質在800-1500℃下擴散4-10小時而形成的，上述溫度是在燒結疊層體(1)時達到的。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓電器件，它有一個由多個重疊的壓電層(2)和位于壓電層之間的電極層(3a，3b)構成的疊層體(1)，其中，這些電極層(3a，3b)在該疊層體(1)內具有一個中央部(4)以及一個以該疊層體(1)的垂直邊緣區(qū)(5)的內側為界的端部(6)，這些電極層(3a，3b)的所述端部(6)被第一壓電材料(7)包圍住，第一壓電材料的相對伸長小于第二壓電材料(9)的相對伸長，第二壓電材料布置在一個在相鄰的電極層(3a，3b)之間的中央?yún)^(qū)(8)內。本發(fā)明還涉及壓電器件的制造方法。本發(fā)明的器件的優(yōu)點是減小了在內電極端部附近的機械負荷并由此延長了器件的使用壽命。
文檔編號H01L41/273GK1615550SQ02827290
公開日2005年5月11日 申請日期2002年11月18日 優(yōu)先權日2002年1月17日
發(fā)明者H·弗洛里安, S·拉戈斯尼(婚前姓甘斯伯) 申請人:埃普科斯股份有限公司