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WO2001048834A2 - Piezoelektrisches element - Google Patents

Piezoelektrisches element Download PDF

Info

Publication number
WO2001048834A2
WO2001048834A2 PCT/DE2000/004622 DE0004622W WO0148834A2 WO 2001048834 A2 WO2001048834 A2 WO 2001048834A2 DE 0004622 W DE0004622 W DE 0004622W WO 0148834 A2 WO0148834 A2 WO 0148834A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric element
parylene
electrodes
piezoceramic
element according
Prior art date
Application number
PCT/DE2000/004622
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2001048834A3 (de
Inventor
Michael Riedel
Andreas Joseph Schmid
Herbert Hofmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Hofmann, Renate
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft, Hofmann, Renate filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2001048834A2 publication Critical patent/WO2001048834A2/de
Publication of WO2001048834A3 publication Critical patent/WO2001048834A3/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric element with at least ⁇ least one electrode disposed between piezoceramic layer which is particularly suitable for use m a wet or corrosive environments.
  • a piezoelectric element of the type mentioned is primarily used for utilization of the indirect or converse piezoelectric effect, the conversion of electrical ie ⁇ shear m mechanical energy. Nevertheless, a ⁇ the like piezoelectric element but also to convert mechanical energy into electrical energy is suitable. The direct piezoelectric effect is used here.
  • Such applications are e.g. as a piezoelectric printhead for an inkjet printer, as a sound pick-up or generator for microphones or loudspeakers, as a sensor for acceleration or pressure measurement, as a control element in Braille lines, in reading devices for the blind, m textile machines, in pneumatic valves, m injection valves or m writing measuring devices and m non-contact surface measuring instruments etc.
  • a piezoelectric element is constructed in a layer structure.
  • a piezoceramic layer is applied to improve the mechanical stability of the element or for the purpose of better conversion of electrical mechanical energy or vice versa onto a carrier or supporting body.
  • For the electrical contact is the piezoceramic
  • the carrier can be provided on one or two sides with the described layer sequence of piezoceramic layer and electrodes.
  • a plurality of layers of piezoceramic layers can confining ⁇ Lich the electrodes may be stacked. With such a stacking, the supporting body need not be present.
  • the number of piezoelectrically active layers one speaks of a mono, - bi, - tri or then multi orphen piezoelectric element.
  • a designed as a bending transducer mono- or bimorph pie ⁇ zoelektharis element is found for example m the DE 196 20 826 C2.
  • a multimorph piezoelectric element, also designed as a bending transducer, is disclosed in WO 99/17383 A.
  • Piezoelectric elements without a supporting body with a multilayer structure are known, for example, from DE 196 46 676 Cl or from EP 0 844 678 AI. Such piezoelectric elements, also known as “actuators”, are used as drive elements for pneumatic or injection valves.
  • Piezoelectric elements designed as control elements are gradually replacing conventional control elements based on magnetic technology. Also in the
  • the piezoelectric element has an outer coating made of parylene.
  • Parylene is a group name for thermoplastic polymer films made of poly-para-xylylene, where the aromatic hydrogen atoms can be replaced by chlorine atoms. Accordingly, one speaks at a unsubstitu- lerten poly-para-xylylene from Parylene N, in the case of the substitution of a hydrogen atom by a chlorine atom by Pary ⁇ lene C and in the case of substitution of two aromatic hydrogen atoms by two chlorine Atoms by Parylene D.
  • Parylene is formed from p-xylene, which forms e dimeric paracyclophane in a first reaction stage, which is pyrolyzed in a sublimation chamber at about 600 to 680 ° C. to form monomeric, biradical p-xylylene.
  • This polymerized film-like at temperatures below 35 ° C to form polymers with n of about 5000 and a molecu ⁇ large weight of about 500,000.
  • parylene N parylene N
  • parylene C parylene D
  • parylene D see also FIGS. 6, 7 and 8, respectively.
  • Parylene is commercially available as the solid dimer. To coat a wide variety of materials, the solid dimer is evaporated at approximately 150 ° C. in a first step.
  • the dimer is pyrolyzed at about 680 ° C., which contains the stable monomeric diradiaclic para-xylylene.
  • This monomer is then adsorbed at room temperature and low pressure in a coating chamber on the surface of the substrate to be coated, during which it polymerizes.
  • Be Anlagenungsverf no limitation to represent the Aufbnngens a äuße ⁇ ren coating of parylene on the piezoelectric Ele ⁇ ment according to the invention.
  • the process described is one of the gangigsten method for applying a coating of Parylene, there are of course in addition a number of other coating methods that can separate the individual parameters or steps under ⁇ .
  • the piezoelectric element has a carrier which carries the piezoceramic layer.
  • a piezoelectric element is particularly suitable as em flexural transducers, ie em ⁇ adjustment or control, m many technical applications where starting a mechanical ⁇ cal Ausler- is invalid demanded by an electronic control pulse.
  • Such applications are, for example textile machines, where m is dependent subject a loop on the deflection of the bending transducer or not or Ven ⁇ tile, the deflection m which a bending transducer for closing or opening of the valve is used.
  • the piezoelectric element has at least one stack of a multi ⁇ plurality of piezoceramic layers and interposed electrodes. Due to the thin piezoceramic individual layers and the associated small distance between adjacent electrodes, a high electric field can be achieved at the location of the piezoceramic. At a comparable thickness of the stack and a single piezoelectric ceramic layer is accordingly provided with the same supply voltage of ei ⁇ nem piezoelectric element comprising a stack of piezoceramic layers a higher mechanical power for disposal. With regard to the connection of the electrodes to an external supply voltage, it is advantageous if the electrodes are electrically contacted via at least one bonded contact wire.
  • This technique is known, for example, from microelectronics, with the connections of a microchip being led to the outside via a fine contact wire bonded to a contact pin.
  • the contact wire ⁇ is mechanically contacted by a fine solder joint with the connections generally. This process is called a Bondmg process.
  • Bondmg process Such a method also lends itself to a piezoelectric element, particularly when it becomes necessary to combine many individual piezoelectric elements into one module.
  • the contact wires can then also be mechanically bonded directly to the electrodes and guided to the outside of a contact pin.
  • the electrodes can be drawn in the form of a metallization onto the free part of the carrier and bonded there with the contact wire. If the piezoelectric element has no carrier, the electrodes are contacted to the outside in accordance with the desired voltage supply with an outer, flat electrode arranged on a side surface of the piezoelectric element. This outer electrode can then also be bonded to the contact wire.
  • a thickness of 20 to 200 ⁇ m is appropriate for a contact wire which is contacted with an electrode of a piezoelectric element in accordance with the Bondmg method. In so-called thin wire bonding, thicknesses between 20 and 100 ⁇ m are particularly common.
  • Such a contact wire is also coated with parylene on at least one part. It has been shown that due to such a Layering with parylene, the thin contact wires have increased mechanical strength against breakage.
  • An external coating made of parylene C is particularly advantageous for a piezoelectric element in a moist environment. Such a coating shows a reduced water permeability in comparison with a coating with parylene D or parylene N. If a high temperature resistance up to a high 125 ° C is required, Parylene N. is recommended.
  • the thickness of the outer coating of parylene is advantageously 20 to 50 ⁇ m. With such a thickness, there is sufficient resistance to chemical, mechanical, gaseous and fluidic environmental influences.
  • a coating m of the specified thickness also shows high insulation properties due to the large dielectric number of parylene e. In this way, a high dielectric strength and thus good insulation against external contact is achieved.
  • the outer geometry of the piezoelectric element is not changed ⁇ changed by the coating of parylene in the specified thickness. In addition, the swelling behavior of parylene is minimal even on piezo ceramics under water vapor.
  • An outer coating made of parylene not only offers excellent protection against external influences and chemical resistance against a variety of gaseous, fluidic and solid media, but also serves to isolate the piezoelectric element and thus contributes to increasing its safety against contact.
  • conventional coatings for insulation such as lacquers and the like, can be dispensed with.
  • the piezoelectric element is still safe to touch even with an outer metal layer.
  • the metal layer advantageously consists of silver, copper , aluminum, tin or titanium.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a monomorphic piezoelectric element with a single piezoceramic layer which is applied to a carrier
  • FIG 3 em in a longitudinal section multimorphes piezoelectric cell having a transmitter, the shipping on both sides in each case comprising a stack of piezoceramic layers ⁇
  • FIG. 4 shows an enlarged section of the cross section according to FIG. 2, an outer coating made of parylene, on which an additional metal layer is applied
  • IG 5 m a cross section e piezoelectric element made of a plurality of piezoceramic layers
  • FIG. 7 shows the chemical structure of parylene C and FIG. 8 shows the chemical structure of parylene D.
  • Figure 1 is a longitudinal section em piezoelectric
  • the piezoceramic layer 1 is located between an outer electrode 4 and an inner electrode 5. Both electrodes 4, 5 are applied flat as a metallization.
  • the piezoceramic layer 1 provided with the electrodes 4, 5 is firmly connected to the supporting body 2 via an additional conductive covering 7.
  • the piezoceramic layer 1 consists of a lead titanate zirconate oxide ceramic (PZT ceramic), the chemical composition of which allows adaptation to the various electrical and mechanical properties required.
  • the carrier itself can consist of a metal, a plastic and in particular a fiber-reinforced epoxy resin.
  • the additional conductive assignment 7 between the inner electrode 5 and the carrier 2 increases the failure safety of the piezoelectric element in the case of a non-conductive carrier 2, for example made of a glass fiber reinforced epoxy resin.
  • a non-conductive carrier 2 for example made of a glass fiber reinforced epoxy resin.
  • the electrical contacting of the outer electrode 4 is not shown. However, this can be done via a direct bonded directly to the outer electrode 4 wei ⁇ contact wire.
  • the thickness of the coating P made of parylene is 30 ⁇ m. Due to the deposition and polymerization of parylene from the gas phase on the surface of the piezoelectric element, the outer coating P made of parylene also lies easily over the edges and corners of the piezoelectric element. Arise such as paints ken by the appearance of Menis ⁇ or "noses" considerable problems just at these locations in conventional coatings, because the outer shape is not maintained. This is precisely not the case with an external coating P with parylene.
  • the piezoelectric element shown in Figure 1 is particularly suitable as a so-called bending transducer.
  • the piezoceramic is formed at the location
  • Layer 1 an electric field. Because of this electrical field, the piezoceramic layer 1 expands or compresses, depending on the polarization direction. In the present case, the expansion or compression perpendicular to the direction of the electrical field and m longitudinal direction of the carrier 2 is used.
  • An expansion or compression of the piezoceramic layer 1 in the longitudinal direction of the carrier 2 leads to a bending of the carrier 2 with respect to its normal position. If the carrier 2 is fixed at its fixed end, the deflection of the bending transducer at the other end of the carrier 2 can be used to control or actuate a further mechanical component.
  • Figure 2 shows a cross-section m, the piezoelectric element according to figure 1. It is clearly seen that the outer coating Be ⁇ P surrounds the piezoelectric element together with the side surfaces and the outer electrode 4 of parylene completely.
  • FIG. 3 shows a further piezoelectric element in a longitudinal section.
  • This piezoelectric element includes a first stack and a second stack Sl S2 each with 10.
  • the two stacks Sl and S2 are opposite on a Tra ⁇ ger 11 is applied a plurality of piezoelectric ceramic layers.
  • the carrier 11 can be made from a wide variety of materials such as metal, steel, plastic, etc.
  • the carrier 11 itself can also be made of a piezoceramic.
  • the carrier 11 can be used to improve the conversion of mechanical electrical energy (or vice versa). However, it can also have the function of a mere intermediate layer between the first stack S1 and the second stack S2. Such an intermediate layer relieves mechanical stresses between the first stack S1 and the second stack S2.
  • the first stack S 1 has first electrodes 12 formed as a metallization layer and adjacent second electrodes 13.
  • the second stack S2 has first electrodes 14 between the piezoceramic layers 10 and second electrodes 16 adjacent to them.
  • the first electrodes 12 are - not shown in detail - contacted via the contact wire 17.
  • the second electrodes 13 are contacted via an outer electrode, also not shown in more detail, and a second contact wire 18 bonded to it.
  • the first electrodes 14 of the second stack S2 are electrically contacted via the third contact wire 19 and the second electrodes 16 of the second stack S2 via the fourth contact wire 20. All contact wires 17, 18, 19 and 20 are bonded to a corresponding connection electrode via a solder joint.
  • the entire piezoelectric element according to FIG. 3 is in turn completely coated with an outer coating P made of parylene.
  • the copper, approximately 100 ⁇ m thick Ken contact wires are coated with parylene to increase mechanical stability.
  • the piezoelectric element shown in FIG. 3 is also suitable as a bending transducer, but has a higher actuating force than the bending transducer in FIG. 1 with the same supply voltage.
  • FIG. 4 shows in an enlarged detail A from FIG. 2 the coating of the piezoelectric element, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the outer coating of Pary P ⁇ lene C is additionally coated with a metallic layer M.
  • the metal layer M consists of silver and was applied to the outer coating P made of parylene by metallization (for example by deposition from the gas phase). Due to the double coating with parylene and metal layer M, the piezoelectric element is extremely effectively protected against external influences and in particular against the penetration of water vapor.
  • FIG. 5 shows a cross section of a further piezoelectric element which has a single stack S3 composed of a number of piezoceramic layers 21 with first electrodes 22 and second electrodes 23 lying between them.
  • the piezoelectric ceramic layers in parallel or anti-parallel to the electric field exploited ⁇ the.
  • the entire piezoelectric element according to FIG. 5 expands or compresses when an electrical voltage is applied to the first electrodes 22 and the second electrodes 23 in the stacking direction.
  • Trodes for connecting the first electrode 22 and the second contact 23 Elek ⁇ wires 25 and 26 are provided. These are electrically contacted via outer electrodes arranged on the side surfaces of the piezoelectric element and in each case only contacted with every second electrode.
  • the piezoelectric element shown in FIG. 5 is suitable, for example, as an actuator for actuating an actuator in a valve.
  • the piezoelectric element according to FIG. 5 can be used with pneumatic, injection or other valves. This element also shows a high positioning force due to the layer structure (also called multilayer structure).
  • the entire piezoelectric element according to FIG. 5 is provided with an outer coating P made of parylene N. This enables use at temperatures up to approx. 160 ° C.
  • the contact wires 25 and 26 are also coated with parylene.
  • FIGS. 6, 7 and 8 each show the chemical structures of parylene N, parylene C and parylene D, respectively.
  • Parylene N according to FIG. 6 has no substitution of the aromatic hydrogen atoms.
  • parylene C according to FIG. 7 an aromatic hydrogen atom is replaced by an chlorine atom, as shown.
  • parylene D shows a substitution of two aromatic hydrogen atoms by two chlorine atoms.
  • n is about 5000.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element mit mindestens einer zwischen Elektroden (4,5,12,13,14,16,22,23) angeordneten piezokeramischen Schicht (1,10,21). Ein solches Element kann als Sensor, Stellelement, Aktor und dergleichen verwendet werden. Zur Erhöhung der Lebensdauer des piezoelektrischen Elements, insbesondere bei einem Einsatz in feuchter oder chemisch aggressiver Atmosphäre oder in Flüssigkeiten, ist das piezoelektrische Element mit einer äußeren Beschichtung (P) aus Parylene versehen.

Description

Beschreibung
Piezoelektrisches Element
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element mit min¬ destens einer zwischen Elektroden angeordneten piezokerami- schen Schicht, welches sich insbesondere für den Einsatz m feuchter oder aggressiver Umgebung eignet.
Ein piezoelektrisches Element der eingangs genannten Art dient vorrangig zur Ausnutzung des indirekten oder reziproken piezoelektrischen Effekts, d.h. der Umwandlung von elektri¬ scher m mechanische Energie. Gleichwohl eignet sich ein der¬ artiges piezoelektrisches Element aber auch dazu, mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Hierbei wird der direkte piezoelektrische Effekt ausgenutzt.
Für ein piezoelektrisches Element, wie es m seinem einfachsten Aufbau vorstehend beschrieben ist, gibt es eine Vielzahl von technischen Anwendungen. Solche Anwendungen sind z.B. als piezoelektrischer Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker, als Schallaufnehmer oder -erzeuger für Mikrophone bzw. Lautsprecher, als Sensor für die Beschleunigungs- oder Druckmessung, als Stellelement in Braille-Zeilen, in Lesegeraten für Blinde, m Textilmaschinen, in Pneumatikventilen, m Em- spritzventilen oder m schreibenden Meßgeraten sowie m be- ruhrungslosen Oberflachenmeßmstrumenten usw.
Gemäß der EP 0 455 342 Bl und der EP 0 468 796 AI wird ein piezoelektrisches Element m einer Schichtstruktur aufgebaut. Dabei wird eine piezokeramische Schicht zur Verbesserung der mechanischen Stabilität des Elements oder zum Zwecke einer besseren Umsetzung von elektrischer m mechanische Energie oder umgekehrt auf einen Trager oder Tragkorper aufgebracht. Für die elektrische Kontaktierung ist die piezokeramische
Schicht beidseitig mit Elektroden m Form einer flächigen Belegung aus einem leitfahigen Material versehen. Je nach Anwendung kann der Trager ein- oder zweiseitig mit der beschriebenen Schichtabfolge aus piezokeramischer Schicht und Elektroden versehen sein. Gemäß der DE 34 34 726 C2 können auch mehrere Lagen piezokeramischer Schichten einschlie߬ lich der Elektroden übereinander gestapelt sein. Bei einer solchen Stapelung braucht der Tragkorper nicht vorhanden zu sein. Je nach Anzahl der piezoelektrisch aktiven Schichten spricht man von einem mono,- bi,- tri- oder dann multi orphen piezoelektrischen Element.
Ein als Biegewandler ausgestaltetes mono- oder bimorphes pie¬ zoelektrisches Element findet sich beispielsweise m der DE 196 20 826 C2. Ein ebenfalls als Biegewandler ausgestaltetes multimorphes piezoelektrisches Element ist in der WO 99/17383 A offenbart.
Piezoelektrische Elemente ohne Tragkorper m Vielschichtauf- bau sind beispielsweise aus der DE 196 46 676 Cl oder aus der EP 0 844 678 AI bekannt. Derartige auch als "Aktoren" bekann- te piezoelektrische Elemente werden als Antriebselemente für Pneumatik- oder Einspritzventile eingesetzt.
Als Stellelemente (Biegewandler, Aktoren) ausgestaltete piezoelektrische Elemente ersetzen allmählich herkömmliche auf der Magnettechnologie aufbauende Stellelemente. Auch in der
Sensorik erschließen sich für piezoelektrische Elemente immer weitere Emsatzmoglichkeiten. Nachteiligerweise zeigen jedoch sowohl die piezokeramischen Schichten als auch die häufig als Metallisierung aufgebrachten Elektroden eine gewisse Empfind- lichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie Wasserdampf oder einer chemisch aggressiven Umgebung. Aus diesem Grund ist die Lebensdauer von piezoelektrischen Elementen, die beispielsweise m mit Flüssigkeiten, wie Wasser, Kraftstoffen oder Bremsflüssi keiten sowie mit korrodierenden Gasen beauf- schlagten Ventilen angeordnet sind, noch nicht zufriedenstellend lange. Aufgabe der Erfindung ist es daher, em piezoelektrisches Element anzugeben, das auch m einer feuchten, korrodierenden oder chemisch aggressiven Umgebung eine hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß das piezoelektrische Element eine äußere Beschichtung aus Parylene aufweist. Parylene ist dabei eine Gruppenbezeichnung für thermoplastische Polymerfilme aus Poly-Para-Xylylen, wobei die aromatischen Wasserstoff-Atome durch Chlor-Atome ersetzt sein können. Entsprechend spricht man bei einem unsubstitu- lerten Poly-Para-Xylylen von Parylene N, im Falle der Substitution eines Wasserstoff-Atoms durch ein Chlor-Atom von Pary¬ lene C und im Falle der Substitution von zwei aromatischen Wasserstoff-Atomen durch zwei Chlor-Atome von Parylene D.
Parylene entsteht aus p-Xylol, welches in einer ersten Reaktionsstufe e dimeres Paracyclophan bildet, welches einer Sublimationskammer bei ca. 600 bis 680 °C zu monomerem, bira- dikalischem p-Xylylen pyrolisiert wird. Dieses polymerisiert filmartig (der sogenannte Goreham-Prozeß) bei Temperaturen unter 35 °C zu Polymeren mit n von ca. 5000 und einem Moleku¬ largewicht von etwa 500000.
Zu den chemischen Strukturen von Parylene N, Parylene C und Parylene D siehe auch Figuren 6, 7 bzw. 8.
In den Handel gelangt Parylene als das feste Dimer. Zur Beschichtung unterschiedlichster Materialien wird m einem er- sten Schritt das feste Dimer bei ungefähr 150 °C verdampft.
In einem zweiten Schritt wird das Dimer bei etwa 680 °C pyrolisiert, wodurch das stabile monomere diradiaklische Para- Xylylen enthalten wird. Dieses Monomer wird anschließend bei Raumtemperaturen und niedrigem Druck m einer Beschichtungs- kammer auf der Oberflache des zu beschichtenden Substrats adsorbiert, wobei es polymerisiert. Das vorstehend beschriebene Beschichtungsverf hren soll dabei keine Einschränkung hinsichtlich des Aufbnngens einer äuße¬ ren Beschichtung aus Parylene auf das piezoelektrische Ele¬ ment gemäß der Erfindung darstellen. Obschon das beschriebene Verfahren eines der gangigsten Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung aus Parylene ist, gibt es selbstverständlich daneben eine ganze Reihe weiterer Beschichtungsverfahren, die sich den einzelnen Parametern oder Arbeitsschritten unter¬ scheiden können.
Hinsichtlich einer guten Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie ist es vorteilhaft, wenn das piezoelektrische Element einen Trager aufweist, der die piezokeramische Schicht tragt. Em solches piezoelektrisches Element eignet sich insbesondere als em Biegewandler, d.h. als em Stell¬ oder Steuerelement, m vielerlei technischen Anwendungen, wo ausgehend von einem elektronischen Steuerimpuls eine mechani¬ sche Ausler- ung gefordert ist. Solche Anwendungen sind z.B. Textilmaschinen, m denen abhangig von der Auslenkung eines Biegewandlers eine Masche geknüpft wird oder nicht oder Ven¬ tile, m welchen die Auslenkung eines Biegewandlers zum Schließen oder Offnen des Ventils herangezogen wird.
Ebenfalls wird vorteilhafterweise eine gute Umsetzung von elektrischer mechanische Energie erzielt, wenn das piezoelektrische Element mindestens einen Stapel aus einer Mehr¬ zahl von piezokeramischen Schichten und dazwischen angeordneten Elektroden aufweist. Aufgrund der dünnen piezokeramischen Einzelschichten und dem damit verbundenen kleinen Abstand zwischen benachbarten Elektroden kann em hohes elektrisches Feld am Ort der Piezokeramik erzielt werden. Bei vergleichbarer Dicke des Stapels und einer einzelnen piezokeramischen Schicht wird demnach bei gleicher Versorgungsspannung von ei¬ nem piezoelektrischen Element mit einem Stapel aus piezokera- mischen Schichten eine höhere mechanische Energie zur Verfugung gestellt. Hinsichtlich des Anschlußes der Elektroden an eine externe Versorgungsspannung ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Kontaktierung der Elektroden über mindestens einen gebondeten Kontaktdraht erfolgt. Diese Technik ist beispielsweise aus der Mikroelektronik bekannt, wobei die Anschlüsse eines Mi- krochips über daran gebondete feine Kontaktdrahte nach außen zu einem Kontaktstift gefuhrt werden. Dabei wird der Kontakt¬ draht in der Regel maschinell über eine feine Lotstelle mit den Anschlüssen kontaktiert. Bei diesem Verfahren spricht man von einem Bondmg-Verfahren . Em solches Verfahren bietet sich auch für em piezoelektrisches Element an, insbesondere dann, wenn es notwendig wird, viele einzelne piezoelektrische Elemente einem Modul zusammenzufassen. Die Kontaktdrahte können dann ebenfalls maschinell direkt auf die Elektroden gebondet werden und nach außen zu einem Kontaktstift gefuhrt werden .
Falls em Trager vorhanden ist, können die Elektroden in Form einer Metallisierung auf den freien Teil des Tragers gezogen werden und dort mit dem Kontaktdraht gebondet werden. Falls das piezoelektrische Element keinen Trager aufweist, so werden die Elektroden entsprecnend der gewünschten Spannungsversorgung nach außen mit einer auf einer Seitenfläche des piezoelektrischen Elements angeordneten äußeren, flächigen Elek- trode kontaktiert. Diese äußere Elektrode kann dann ebenfalls mit dem Kontaktdraht gebondet werden.
Für einen Kontaktdraht, der gemäß dem Bondmg-Verfahren mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elements kontaktiert ist, bietet sich eine Dicke von 20 bis 200 μm an. Beim sogenannten Dunndrahtbonden sind insbesondere Dicken zwischen 20 und 100 μm üblich.
Figure imgf000007_0001
ist em derartiger Kontaktdraht zumindest auf einem Teilstuck ebenfalls mit Parylene beschichtet. Es hat sich nämlich gezeigt, daß aufgrund einer derartigen Be- Schichtung mit Parylene die dünnen Kontaktdrahte eine erhöhte mechanische Festigkeit gegen Bruch aufweisen.
Besonders von Vorteil für e piezoelektrisches Element m feuchter Umgebung ist eine äußere Beschichtung aus Parylene C. Eine solche Beschichtung zeigt gegenüber einer Beschichtung mit Parylene D oder Parylene N eine verringerte Wasser- durchlassigkeit . Ist eine hohe Temperaturfestigkeit bis großer 125 °C gefordert, so empfiehlt sich jedoch Parylene N.
Vorteilhafterwelse betragt die Dicke der äußeren Beschichtung aus Parylene 20 bis 50 μm. Bei einer solchen Dicke ist eine hinreichende Beständigkeit gegen chemiscne, mechanische, gasformige und fluidische Umgebungseinflusse gegeben. Auch zeigt eine Beschichtung m der angegebenen Dicke aufgrund der großen Dielektrizitatszahl von Parylene e hohes Isolationsver- mogen. Auf diese Weise wird eine hohe Durchschlagsfestigkeit und somit eine gute Isolation gegen äußere Beruhrungen erzielt. Gegenüber anderen Beschichtungen wie Lacken wird durch die Beschichtung aus Parylene in der angegebenen Dicke die äußere Geometrie des piezoelektrischen Elements nicht verän¬ dert. Zudem ist das Aufquellverhalten von Parylene auch auf Piezokeramiken unter Wasserdampf minimal.
Eine äußere Beschichtung aus Parylene bietet also nicht nur einen hervorragenden Schutz gegen äußere Einflüsse und eine chemische Beständigkeit gegen eine Vielzahl von gasformigen, fluidischen und festen Medien, sondern dient gleichzeitig auch zur Isolation des piezoelektrischen Elements und tragt damit zur Erhöhung semer Beruhrsicherheit bei. Bei einer äußeren Beschichtung mit Parylene kann also auf herkömmliche Beschichtungen zur Isolation wie Lacke und dergleichen verzichtet werden.
Sollte dennoch die Wasserdurchlassigkeit von Parylene aufgrund eines Einsatzes des piezoelektrischen Elements m sehr feuchter Umgebung nicht genügen, so ist es vorteilhaft, wenn auf die äußere Beschichtung aus Parylene zusätzlich eine Me- tallschicht aufgebracht ist. Dies geschieht am einfachsten durch Metallisieren der Oberflache. Auf diese Weise wird eine kaum noch zu überbietende Barriere für Wasserdampf geschaffen, so daß das piezoelektrische Element und insbesondere die piezokeramischen Schichten äußerst effektiv geschützt sind. Aufgrund der hohen Dielektrizitatszahl von Parylene ist auch bei einer äußeren Metallschicht das piezoelektrische Element weiterhin beruhrungssicher .
Vorteilhafterweise besteht die Metallschicht aus Silber, Kup¬ fer, Aluminium, Zinn oder Titan.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich- nung naher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 in einem Längsschnitt em monomorphes piezoelektrisches Element mit einer einzelnen piezokeramischen Schicht, die auf einen Trager aufgebracht ist,
FIG 2 m einem Querschnitt das piezoelektrische Element ge¬ mäß Figur 1,
FIG 3 in einem Längsschnitt em multimorphes piezoelektri- sches Element mit einem Trager, der beidseitig jeweils mit einem Stapel aus piezokeramischen Schichten verse¬
FIG 4 m einem vergrößerten Ausschnitt aus dem Querschnitt gemäß Figur 2, eine äußere Beschichtung aus Parylene, auf welcher zusätzlich eine Metallschicht aufgebracht
IG 5 m einem Querschnitt e piezoelektrisches Element aus einer Vielzahl von piezokeramischen Schichten,
IG 6 die chemische Struktur von Parylene N, 3
FIG 7 die chemische Struktur von Parylene C und FIG 8 die chemische Struktur von Parylene D.
In Figur 1 ist einem Längsschnitt em piezoelektrisches
Element mit einer piezokeramischen Schicht 1 auf einem Trager 2 dargestellt. Die piezokeramische Schicht 1 befindet sich dabei zwischen einer äußeren Elektrode 4 und einer inneren Elektrode 5. Beide Elektroden 4, 5 sind als Metallisierung flachig aufgebracht. Die mit den Elektroden 4, 5 versehene piezokeramische Schicht 1 ist über eine zusätzliche leitfahi- ge Belegung 7 mit dem Tragkorper 2 fest verbunden.
Die piezokeramische Schicht 1 besteht aus einer Blei-Titanat- Zirkonat-Oxidkeramik ( PZT-Keramik) , deren chemische Zusammensetzung eine Anpassung an die unterschiedlichsten geforderten elektrischen und mechanischen Eigenschaften erlaubt. Der Trager selbst kann aus einem Metall, einem Kunststoff und insbesondere aus einem faserverstärkten Epoxidharz bestehen.
Die zusatzliche leitfahige Belegung 7 zwischen innerer Elektrode 5 und dem Trager 2 erhöht im Falle eines nicht leitenden Tragers 2, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz, die Ausfallsicnerheit des piezoelektrischen Ele- ments . In diesem Fall - wie dargestellt - ist zur elektri¬ schen Kontaktierung der inneren Elektrode 5 die zusatzliche leitfahige Belegung 7 auf den freien Teil des nicht leitenden Tragkorpers 2 gefuhrt, und dort mit einem Kontaktdraht 8 über eine Lotstelle 9 gebondet. Die elektrische Kontaktierung der äußeren Elektrode 4 ist nicht dargestellt. Diese kann jedoch über einen direkt mit der äußeren Elektrode 4 gebondeten wei¬ teren Kontaktdraht erfolgen.
Das gesamte piezoelektriscne Element gemäß Figur 1 wird nach der Verbindung der einzelnen Komponenten inklusive der Kon¬ taktdrahte 8 auf die in der Beschreibung dargestellte Art und Weise mit einer äußeren Beschichtung P aus Parylene C be- schichtet. Dabei betragt die Dicke der Beschichtung P aus Parylene 30 μm. Durch das Abscheiden und Polymerisieren von Parylene aus der Gasphase auf der Oberflache des piezoelektrischen Elements legt sich die äußere Beschichtung P aus Pary- lene auch problemlos über Kanten und Ecken des piezoelektrischen Elements. Gerade an diesen Stellen entstehen bei üblichen Beschichtungen wie Lacken durch das Auftreten von Menis¬ ken oder "Nasen" erhebliche Probleme, da die äußere Form nicht erhalten bleibt. Gerade dies ist bei einer äußeren Be- Schichtung P mit Parylene nicht der Fall.
Das in Figur 1 dargestellte piezoelektrische Element eignet sich insbesondere als em sogenannter Biegewandler. Beim Anlegen einer Spannung zwischen der äußeren Elektrode 4 und αer inneren Elektrode 5 entsteht am Ort der piezokeramischen
Schicht 1 ein elektrisches Feld. Aufgrund dieses elektrischen Feldes dehnt oder staucht sich je nach Polerisationsπchtung die piezokeramische Schicht 1. Im vorliegenden Fall wird die Dehnung oder Stauchung senkrecht zur Richtung des elektπ- sehen Feldes und m Längsrichtung des Tragers 2 ausgenutzt.
Eine Dehnung oder Stauchung der piezokeramischen Schicht 1 in Längsrichtung des Tragers 2 fuhrt zu einer Verbiegung des Tragers 2 gegenüber seiner Normallage. Wird der Trager 2 an seinem festen Ende fixiert, so kann die Auslenkung des Biege- wandlers am anderen Ende des Tragers 2 zur Steuerung oder zur Betätigung einer weiteren mechanischen Komponente verwendet werden.
Figur 2 zeigt m einem Querschnitt das piezoelektrische Ele- ment gemäß Figur 1. Man erkennt deutlich, daß die äußere Be¬ schichtung P aus Parylene das piezoelektrische Element samt Seitenflachen und der äußeren Elektrode 4 komplett umgibt.
Der gebond^te Kontaktdraht 8 ist mitsamt der Lotstelle 9 ebenfalls mit Parylene beschichtet. Dies erhöht die mechanische Belastbarkeit des Kontaktdrahtes 8. In Figur 3 ist m einem Längsschnitt e weiteres piezoelektrische Element dargestellt. Dieses piezoelektrische Element umfaßt einen ersten Stapel Sl und einen zweiten Stapel S2 mit jeweils einer Vielzahl von piezokeramischen Schichten 10. Die beiden Stapel Sl und S2 sind gegenüberliegend auf einem Tra¬ ger 11 aufgebracht. Je nach Anforderung an das piezoelektrische Element kann der Trager 11 aus den verschiedensten Materialien wie Metall, Stahl, Kunststoff, etc. bestehen. Auch kann der Trager 11 selbst aus einer Piezokeramik gefertigt sein. Der Trager 11 kann dabei zur Verbesserung der Umsetzung von mechanischer elektrische Energie (oder umgekehrt) verwendet sein. Er kann aber auch die Funktion einer bloßen Zwischenschicht zwischen dem ersten Stapel Sl und dem zweiten Stapel S2 aufweisen. Eine derartige Zwischenschicht baut me- chanische Spannungen zwischen dem ersten Stapel Sl und dem zweiten Stapel S2 ab.
Der erste Stapel Sl weist jeweils als Metallisierungsschicht ausgebildete erste Elektroden 12 und diesen benachbarte zwei- te Elektroden 13 auf. Entsprechend weist der zweite Stapel S2 zwischen den piezokeramischen Schichten 10 erste Elektroden 14 und diesen benachbart zweite Elektroden 16 auf.
Die ersten Elektroden 12 sind - nicht naher dargestellt - über den Kontaktdraht 17 kontaktiert. Die zweiten Elektroden 13 sind über eine ebenfalls nicht naher dargestellte äußere Elektrode und einen daran gebondeten zweiten Kontaktdraht 18 kontaktiert. Entsprechend sind die ersten Elektroden 14 des zweiten Stapels S2 über den dritten Kontaktdraht 19 und die zweiten Elektroden 16 des zweiten Stapels S2 über den vierten Kontaktdraht 20 elektrisch kontaktiert. Alle Kontaktdrahte 17,18,19 und 20 sind über eine Lotstelle mit einer entsprechenden Anschlußelektrode gebondet.
Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 3 ist wiederum komplett mit einer äußeren Beschichtung P aus Parylene umhüllt. Auch die aus Kupfer bestehenden und etwa 100 μm dik- ken Kontaktdrahte sind zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mit Parylene beschichtet.
Auch das Figur 3 dargestellte piezoelektrische Element eignet sich als em Biegewandler, weist jedoch gegenüber dem Biegewandler in Figur 1 bei gleicher Versorgungsspannung eine höhere Stellkraft auf.
Figur 4 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt A aus Figur 2 die Beschichtung des piezoelektrischen Elements, wie es m den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. In dem Ausschnitt A ist deutlich zu erkennen, daß die äußere Beschichtung P aus Pary¬ lene C zusätzlich mit einer Metallschicht M umhüllt ist. Die Metallschicht M besteht aus Silber und wurde durch Metallisieren (beispielsweise durch Abscheiden aus der Gasphase) auf die äußere Beschichtung P aus Parylene aufgebracht. Durch die Doppelbeschichtung mit Parylene und Metallschicht M ist das piezoelektrische Element äußerst effektiv gegen äußere Einflüsse und insbesondere gegen eindringenden Wasserdampf geschützt .
Figur 5 zeigt m einem Querschnitt ein weiteres piezoelektrisches Element, welches einen einzelnen Stapel S3 aus einer Anzahl von piezokeramischen Schichten 21 mit dazwischenliegenden ersten Elektroden 22 und zweiten Elektroden 23 auf- weist. Bei einem solchen Element kann insbesondere die Ausdehnung oder Stauchung der piezokeramischen Schichten parallel oder antiparallel zum elektrischen Feld ausgenutzt wer¬ den. Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 5 dehnt oder staucht sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die ersten Elektroden 22 und die zweiten Elektroden 23 m Stapelrichtung.
Zum Anschluß der ersten Elektroden 22 und der zweiten Elek¬ troden 23 sind Kontaktdrahte 25 bzw. 26 vorgesehen. Diese sind über an den Seitenflächen des piezoelektrischen Elements angeordnete und jeweils nur mit jeder zweiten Elektrode kon- taktierte äußeren Elektroden elektrisch kontaktiert. Das Figur 5 dargestellte piezoelektrische Element eignet sich beispielsweise als ein Akcor zur Betätigung eines Stellgliedes in einem Ventil. Das piezoelektrische Element gemäß Figur 5 kann dabei Pneumatik-, Einspritz- oder sonstigen Venti- len eingesetzt werden. Auch dieses Element zeigt aufgrund des Schichtenaufbaus (auch Multilayer-Aufbau genannt) eine hohe Stellkraft.
Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 5 ist mit einer äußeren Beschichtung P aus Parylene N versehen . Dies ermöglicht einen Einsatz bei Temperaturen bis ca. 160 °C. Auch die Kontaktdrahte 25 und 26 sind wiederum mit Parylene beschichtet .
In den Figuren 6, 7 und 8 sind jeweils die chemischen Strukturen von Parylene N, Parylene C bzw. Parylene D dargestellt. Parylene N gemäß Figur 6 weist keine Substitution der aromatischen Wasserstoff-Atome. Bei Parylene C gemäß Figur 7 ist em aromatisches Wasserstoff-Atom durch e Chlor-Atom, wie dargestellt, ersetzt. Parylene D schließlich zeigt gemäß Figur 8 eine Substitution zweier aromatischer Wasserstoff-Atome durch zwei Chlor-Atome. Auf einer äußeren Beschichtung aus Parylene betragt n etwa 5000.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrisches Element mit mindestens einer zwischen Elektroden (4,5,12,13,14,16,22,23) angeordneten piezokerami- sehen Schicht (1,10,21) gekennzeichnet durch eine äußere Beschichtung (P) aus Parylene.
2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, mit einem Trager (2,11), der die piezokeramische Schicht (1,10,21) tragt.
3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens einem Stapel (S1,S2,S3) aus einer Mehrzahl von piezokeramischen Schichten (1,10,21) und dazwischen angeord- neten Elektroden (4,5,12,13,14,16,22,23).
4. Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Kontaktierung der Elektroden
(4,5,12,13,14,16,22,23) über mindestens einen gebondeten Kon- taktdraht (8,17,18,19,20,25,26) erfolgt.
5. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 4, wobei der oder jeder Kontaktdraht (8,17,18,19,20,25,26) eine Dicke von 20 bis 200 μm besitzt.
6. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 4 oder 5, wobei zumindest em Teilstuck des oder jeden Kontaktdrahts (8,17,18,19,20,25,26) ebenfalls mit Parylene beschichtet ist.
7. Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, mit einer äußeren Beschichtung (P) aus Parylene C.
8. Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Beschich- tung (P) 20 bis 50 μm dick aufgebracht ist.
9. Piezoelektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf die äußere Beschichtung (P) aus Pary¬ lene zusatzlich eine Metallschicht (M) aufgebracht ist.
10. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 9, bei dem die Metallschicht (M) aus Silber, Kupfer, Aluminium, Zinn oder Titan besteht.
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