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壓電 元件
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摘要
申請專利號:

CN201180007532.2

申請日:

2011.01.26

公開號:

CN102714273B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 41/083申請日:20110126|||公開
IPC分類號: H01L41/083 主分類號: H01L41/083
申請人: 埃普科斯股份有限公司
發明人: A.格拉朱諾夫; O.德諾夫塞克
地址: 德國慕尼黑
優先權: 2010.01.27 DE 102010005906.4
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 張濤;劉春元
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201180007532.2

授權公告號:

102714273B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.11.28|||2012.10.03

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種壓電元件(1),具有由上下疊置的壓電層(2,2’,2’’,2’’’,3,3’,3’’,3’’’)和設置在其間的電極層(4,5)組成的堆(1a)。該堆(1a)具有至少一個帶有第一壓電充電常數的第一壓電層(2)和至少一個直接與第一壓電層(2)相鄰的、帶有第二壓電充電常數的第二壓電層(3)。所述壓電充電常數描述當在所述電極層(4,5)上施加電壓時壓電層(2,3)垂直于電場的伸展。所述第一壓電充電常數與所述第二壓電充電常數不同。

權利要求書

權利要求書
1.    一種壓電元件(1),具有由上下疊置的壓電層(2,2’,2’’,2’’’,3,3’,3’’,3’’’)和設置在壓電層間的電極層(4,5)組成的堆(1a),其中,該堆(1a)具有至少一個帶有第一壓電充電常數的第一壓電層(2)和至少一個直接與第一壓電層(2)相鄰的、帶有第二壓電充電常數的第二壓電層(3),其中,所述壓電充電常數描述當在所述電極層(4, 5)上施加電壓時壓電層(2, 3)垂直于電場的伸展,以及其中,所述第一壓電充電常數與所述第二壓電充電常數不同。

2.    如權利要求1所述的壓電元件(1),其中,分別將第一和第二壓電層(2, 3)選擇為:在該兩個壓電層(2, 3)之間構成接觸邊界(6),并且其中所述第一壓電層(2)的壓電充電常數和所述第二壓電層(3)的壓電充電常數的差別大到足以使得當在所述電極層(4,5)上施加電壓時壓電層(2, 3)的伸展導致形成裂縫,所述裂縫位于接觸邊界(6)的區域內并基本上平行于電極層(4,5)延伸。

3.    如權利要求1或2所述的壓電元件(1),其中,所述兩個壓電充電常數中的一個壓電充電常數是兩個壓電充電常數中另一個壓電充電常數的1.2至3.0倍。

4.    如權利要求1至3中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述第一壓電層(2)和所述第二壓電層(3)具有不同的居里溫度。

5.    如權利要求4所述的壓電元件(1),其中,所述第一壓電層(2)和所述第二壓電層(3)的居里溫度之間的差別是20℃至200℃。

6.    如權利要求1至5中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述第一壓電層(2)和所述第二壓電層(3)在至少一個下述特性上不同:陶瓷材料、摻雜物質、摻雜物質濃度、原材料的顆粒大小、層厚。

7.    如權利要求6所述的壓電元件(1),其中,第一和第二壓電層(2, 3)分別具有由多種元素形成的陶瓷材料,其中這些元素分別處于特定的濃度下,以及其中第一和第二壓電層(2, 3)在所述陶瓷材料的至少一種元素的濃度方面不同。

8.    如權利要求7所述的壓電元件(1),其中,第一和第二壓電層(2, 3)分別由具有相同元素的陶瓷材料形成,其中,該陶瓷材料根據該陶瓷材料中至少一種元素的濃度具有兩種不同的結構,以及其中,分別這樣選擇第一和第二壓電層(2, 3)中陶瓷材料的至少一種元素的濃度:使得所述第一壓電層(2)包括具有第一種結構的陶瓷材料,而所述第二壓電層(3)包括具有第二種結構的陶瓷材料。

9.    如權利要求6至8中任一項所述的壓電元件(1),其中,第一和第二壓電層(2, 3)具有由具有不同顆粒大小的原材料粉末制成的陶瓷材料,其中,該原材料粉末的顆粒大小為大于或等于0.3μm以及小于或等于2.0μm,以及其中,原材料粉末的顆粒大小的差別為大于或等于0.1μm以及小于或等于1.5μm。

10.    如權利要求6至9中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述第一壓電層(2)具有第一層厚,所述第二壓電層(3)具有第二層厚,其中,該第一層厚和第二層厚彼此不同,并且其中該第一層厚和第二層厚的比大于或等于1.1以及小于或等于3.0。

11.    如權利要求1至10中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述堆(1a)具有直接上下疊置的層的序列,其中,該序列由當在所述電極層(4,5)上施加電壓時具有第一極性的第一電極層(4)、所述第一壓電層(2)、當在所述電極層(4,5)上施加電壓時具有第二極性的第二電極層(5)、所述第二壓電層(3)以及另一第一電極層(4)形成。

12.    如權利要求1至10中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述堆(1a)具有直接上下疊置的層的序列,其中,該序列由當在所述電極層(4,5)上施加電壓時具有第一極性的第一電極層(4)、所述第一壓電層(2)、所述第二壓電層(3)、以及與第一電極層相鄰的當在所述電極層(4,5)上施加電壓時具有第二極性的第二電極層(5)形成。

13.    如權利要求1至12中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述第一壓電層(2)的數量與所述第二壓電層(3)的數量不同。

14.    如權利要求1至12中任一項所述的壓電元件(1),其中,所述堆具有同樣多的第一和第二壓電層(2, 3)。

說明書

說明書壓電元件
技術領域
本發明涉及一種具有壓電層的壓電元件。
背景技術
多層壓電元件,如多層壓電執行器(piezoelektrische Aktoren),包括多個壓電材料層。通常在整個執行器中使用同一種壓電材料。
在DE 102 34 787 C1和DE 103 07 825 A1中公開了壓電執行器。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于,描述一種具有改進的特性的壓電元件。
說明一種壓電元件,其具有由上下疊置的壓電層和設置在其間的電極層組成的堆,其中,該堆具有至少一個帶有第一壓電充電常數的第一壓電層和至少一個直接與第一壓電層相鄰的、帶有第二壓電充電常數的第二壓電層。該壓電充電常數描述當在電極層上施加電壓時壓電層垂直于電場的伸展。第一壓電充電常數與第二壓電充電常數不同。
特別是,該壓電元件可以作為壓電執行器以多層構造方式構成。
壓電充電常數用作對壓電層當在電極層上施加預定電壓時垂直于電場的伸展到底有多強的度量。如果將兩種具有不同壓電充電常數的材料彼此相接觸,則由于兩種材料在極化期間的不同伸展會在它們的接觸邊界處出現機械應力的差別。這將促使在兩種材料的接觸邊界處形成裂縫。
這些裂縫可能在執行器的所謂的非活躍區域(即其中僅有被分配了相同極性的電極的區域)內,例如在兩個壓電層的邊界處并由此在電極層的平面內延伸。對于裂縫在過渡到執行器的所謂的活躍區域(其中具有相反極性的電極交替地上下疊置)時不受控地折斷的情況,裂縫可能跨接兩個或更多電極層。在這種情況下,可能會出現短接,而這可能導致壓電執行器的失效。因此多層壓電執行器的可靠性和壽命決定性地取決于對可能出現的裂縫的控制。出現的裂縫的折斷可以通過第一和第二層的不同的壓電充電常數來防止。
對于在此描述的壓電元件來說,優選分別這樣選擇第一和第二壓電層:在該兩個壓電層之間構成接觸邊界,其中第一壓電層的壓電充電常數和第二壓電層的壓電充電常數的差別要大到足以使得當在所述電極層上施加電壓時引起這樣的裂縫,這些裂縫優選位于接觸邊界的區域內并基本上平行于電極層延伸。
因此,所述壓電元件具有能夠預先給定其中產生裂縫的區域的優點。此外可以預先給定出現的裂縫的延伸。特別是通過使用具有不同壓電充電常數的壓電層可以消減在壓電材料中出現的機械應力,使得能夠產生受控的并且特別是平行于電極層延伸的裂縫以及能夠避免裂縫的非受控折斷。由此,能夠避免通過非受控出現且延伸的裂縫對兩個或更多電極層的跨接。
在一種有利的實施方式中,壓電元件不具有多孔的結構。
與壓電材料中跨接至少兩個電極層的裂縫相反,平行于或至少基本上平行于內部電極延伸的裂縫對執行器的壽命幾乎沒有限制。在此,“基本上平行”是指,盡管裂縫不必一定完全是直線的并且是數學意義上平行的,但盡管如此以一個主延伸方向沿電極層延伸,并且在此特別是不具有能夠跨接兩個或更多電極層的延伸。
在壓電元件的一種優選實施方式中,兩個壓電充電常數中的一個壓電充電常數是兩個壓電充電常數中另一個壓電充電常數的1.2至3.0倍。
壓電層的壓電充電常數越大,相應的層垂直于由施加在電極層上的電壓產生的具有預先給定強度的電場的伸展就越大。兩個充電常數中的一個充電常數是兩個充電常數中另一個充電常數的1.2至3.0倍,優選是1.3至2.0倍。基于由此出現的壓電層的不同伸展,可以有目的地產生局部應力并再使其消減,使得實現在壓電層之間的接觸邊界上裂縫的有目的的形成和有目的的延伸。由此可以顯著提高壓電材料的壽命。
第一壓電層和第二壓電層可以具有不同的居里溫度,這可以導致所涉及的層的不同壓電充電常數。
居里溫度用作對壓電層的可極化性的度量并因此作為對該層在預定強度的電場中的可伸展性的度量。壓電層的居里溫度與所涉及的層的壓電充電常數直接相關。特別是隨著壓電材料的居里溫度上升,壓電材料的壓電充電常數下降,由此該壓電材料的可伸展性下降。
在所述元件的一種優選實施方式中,第一壓電層和第二壓電層的居里溫度之間的差別是20℃至200℃。
因此,通過所涉及的對壓電層居里溫度的選擇可以實現壓電層在電場中的不同伸展,這導致有目的地形成裂縫,特別是在壓電層之間的接觸邊界上,以及導致裂縫基本上平行于電極層的延伸。第一壓電層和第二壓電層的居里溫度之間的差別可以是20℃至200℃,優選20℃至80℃。居里溫度的差別例如可以通過對壓電層的、優選不同的摻雜來實現。
在所述元件的一種優選實施方式中,第一壓電層和第二壓電層在至少一個下述特性上不同:陶瓷材料、摻雜物質、摻雜物質濃度、分別使用的原材料的顆粒大小、層厚。
為了制造具有不同壓電充電常數的第一和第二壓電層,可以使這些層恰好在上述特性中的一個上不同,或者也可以在上述特性中的多個上不同。在此,如果使第一和第二壓電層在恰好一個上述特性上或若干上述特性上不同,則對于制造過程的可處理性以及經濟性來說都是有利的。
第一壓電層例如可以具有含鉛的陶瓷材料,如基于鉛?鋯?鈦酸(PZT)的陶瓷材料。第二壓電層可以具有無鉛的陶瓷材料。替代地,第一和第二壓電層可以分別具有無鉛的陶瓷材料并且在上述特性之一上、例如陶瓷材料的摻雜上不同。
所述元件的一種實施方式規定,第一和第二壓電層分別具有由多種化學元素形成的陶瓷材料,其中這些元素分別處于特定的濃度下。第一和第二壓電層可以在陶瓷材料的至少一種元素的濃度方面不同。
對于第一壓電層和第二壓電層分別由作為陶瓷材料的PZT構成的情況,第一和第二壓電層例如可以在鈦含量上、即元素鈦的相應濃度上彼此不同。
所述元件的一種實施方式規定,第一和第二壓電層分別具有由相同化學元素形成的陶瓷材料,其中,陶瓷材料根據該陶瓷材料中至少一種元素的濃度而具有兩種不同的結構。分別這樣選擇第一和第二壓電層中陶瓷材料的至少一種元素的濃度:使得第一壓電層包括具有第一種結構的陶瓷材料,而第二壓電層包括具有第二種結構的陶瓷材料。
換言之,陶瓷材料可以具有所謂的準同形相界,其位于陶瓷材料的第一種結構和第二種結構之間。由此,第一和第二壓電層具有一種元素濃度不同的陶瓷材料,從而使所涉及的陶瓷材料根據該一種元素的濃度而具有相變(Phasenübergang),并使第一壓電層中的陶瓷材料以不同于第二壓電層中陶瓷材料的結構存在。在此準同形相界不必標識嚴格定義的相變,而是還可以表示在兩個晶體結構之間的連續過渡。優選第一和第二結構的不同導致第一和第二壓電層中壓電充電常數的不同。
PZT例如具有在約50 mol%鈦和約50 mol%鋯的區域內的準同形相界,在此,這些值取決于陶瓷材料的確切組成。隨著鈦含量的增加,從約46 mol%鈦開始,壓電充電常數一直升高至超過該準同形相界,從而對于壓電元件來說,例如可以選擇第一壓電層具有少于46 mol%的鈦含量而第二壓電層具有約48 mol%的鈦含量。
通過對第一和第二壓電層選擇其元素相同的陶瓷材料,并且該陶瓷材料對于第一和第二壓電層來說至少有一種元素在濃度上不同,得到這樣的優點:能夠準確地控制壓電層中的、在第一和第二壓電層之間的接觸邊界上的應力。特別是通過陶瓷材料中至少一種元素的濃度的不同、也就是在上述例子中例如通過改變陶瓷材料中的鈦含量,可以匹配第一和第二壓電充電常數。
在此可以存在摻雜物質,優選分別相同的摻雜物質以及摻雜物質濃度相同的摻雜物質。對于第一和第二壓電層使用相同的摻雜物質特別是在處理壓電元件時具有優點,因為用這種方式可以使第一和第二壓電層之間的化學異質性保持得很低,并因此對所涉及的壓電層的燒結特性沒有影響。在這種情況下對第一和第二壓電層之間的燒結收縮(Sinterschwund)的特殊匹配是不必要的。
另一實施方式規定,第一和第二壓電層具有由不同顆粒大小的原材料粉末制成的陶瓷材料,其中,該原材料粉末的顆粒大小為大于或等于0.3μm以及小于或等于2.0μm,以及其中,原材料粉末顆粒大小的差別為大于或等于0.1μm以及小于或等于1.5μm。
壓電元件的陶瓷層可以由所謂的生坯膜(Grünfolien)來制造,其除了如燒結輔助物的其它組成部分外還具有陶瓷粉末。可以例如在絲網印刷方法中將電極層敷設在生坯膜上。然后將生坯膜摞成堆并一起進行燒結。在此,盡管在其化學組成上相同但在燒結過程前原材料粉末的顆粒大小不同的陶瓷材料對于制造具有不同壓電充電常數的第一和第二壓電層來說可能是合適的。特別是具有較粗原材料粉末的陶瓷材料在燒結過程結束之后通常具有較粗的顆粒,這可以導致壓電充電常數的提高并可以由此使壓電材料垂直于具有預定強度的電場的伸展更大。
在此,對于顆粒大小優選給出顆粒大小在相應陶瓷材料中的分布的中間值d50。以下將該中間值d50稱為顆粒大小d50。第一和第二壓電層的原材料粉末的顆粒大小d50在燒結過程之前可以大于或等于0.3μm以及小于或等于2.0μm,并優選大于或等于0.4μm以及小于或等于1.2μm。第一壓電層的顆粒大小d50與第二壓電層的d50值的差別可以大于或等于0.1μm以及小于或等于1.5μm,并優選大于或等于0.3μm以及小于或等于1.0μm。所述的顆粒大小和顆粒大小差別在同時適當選擇第一和第二壓電充電常數的情況下尤其對于壓電元件的可處理性來說是非常有利的。
此外,第一和第二壓電層可以在加入其中的摻雜物質上有所不同。特別是在此第一和第二壓電層可以包括具有相同元素和相同的相應元素的濃度的陶瓷材料,其中,向第一壓電層的陶瓷材料和向第二壓電層的陶瓷材料添加不同的摻雜物質。在此,例如第一壓電層可以用釹(Nd)摻雜,而第二壓電層則可以用鋅(Zn)和鈮(Nb)的混合物摻雜。這樣的摻雜物質的組合對于PZT的情況是特別有利的,但對于其它陶瓷材料的情況也是有利的。
此外第一和第二壓電層可以具有不同的摻雜物質濃度。在此兩個層也可以具有相同的摻雜物質。對于PZT作為陶瓷材料以及Zn和Nb的混合物作為摻雜物質的情況,例如第一壓電層的摻雜物質濃度可以為2 mol%,而第二壓電層的摻雜物質濃度可以為5 mol%。在此,相應的摻雜物質和摻雜物質濃度取決于相應的陶瓷材料和對于第一壓電層和第二壓電層的優選的壓電充電常數。
所述元件的另一實施方式規定,第一壓電層具有第一層厚,第二壓電層具有第二層厚,其中,該第一層厚和第二層厚彼此不同,并且其中該第一層厚和第二層厚的比大于或等于1.1并小于或等于3.0。
通過設置第一和第二層厚使得能夠匹配層中的第一和第二壓電充電常數。第一層厚和第二層厚的差別相對于普通層厚來說可以大于或等于1.1并小于或等于3.0,并且優選大于或等于1.3并小于或等于2.5。
根據所述元件的至少一個實施方式,壓電元件的堆具有直接上下疊置的層的序列,其中,該序列由當在電極層上施加電壓時具有第一極性的第一電極層、第一壓電層、當在電極層上施加電壓時具有第二極性的第二電極層、第二壓電層以及另一第一電極層形成。
因此,在各個在堆方向上相鄰的第一和第二電極層之間設置第一壓電層,而在相同的第二電極層和另一個與第二電極層相鄰的第一電極層之間設置第二壓電層。
根據至少一個另外的實施方式,壓電元件的堆具有直接上下疊置的層的序列,其中,該序列由當在電極層上施加電壓時具有第一極性的第一電極層、第一壓電層、第二壓電層以及與第一電極層相鄰的當在電極層上施加電壓時具有第二極性的第二電極層形成。因此,第一和第二壓電層都位于一個第一電極層和一個與之相鄰的第二電極層之間。
此外,可以將所述的兩種直接上下疊置的序列設置在唯一的一個壓電元件中。
一種所述壓電元件的實施方式規定,第一壓電層的數量與第二壓電層的數量不同。
壓電元件特別可以具有恰好包括一個第二壓電層和多個第一壓電層的堆。替代地,壓電元件還可以具有多個第二壓電層。優選堆中所有層的5%?20%是第二壓電層。
本發明的一種實施方式規定,堆具有同樣多的第一和第二壓電層,從而堆中所有壓電層的一半是第一或第二壓電層。
附圖說明
以下為了闡述在此描述的實施方式,結合圖1至圖10舉例描述本發明的壓電元件。
圖中:
圖1示出壓電執行器的示意圖; 
圖2A和2B示出壓電執行器的示意圖;
圖3A至3C示出根據實施方式的壓電材料的示意圖;
圖4示出根據實施方式的壓電元件的示意圖;
圖5示出根據另一實施方式的壓電元件的示意圖;
圖6示出根據又一實施方式的壓電元件的示意圖;
圖7示出根據另一實施方式的壓電元件的示意圖;
圖8示出作為電場場強E的函數的、兩種不同壓電材料的伸展D的圖;
圖9示出作為相應的居里溫度TC的函數的、不同壓電材料的壓電充電常數d31的圖;
圖10示出作為在基于鉛?鋯?鈦酸的壓電材料中鈦含量T的函數的壓電充電常數d31的圖。
具體實施方式
在實施例和附圖中,對相同或作用相同的組件分別設置相同的附圖標記。所示出的元件及其彼此間的大小比例原則上不視為是按比例的,更確切地說,為了更好的可視性或更好的理解,可將各元件,如層、構件、元件以及區域以夸張的厚度或大小示出。
圖1示出一個多層的壓電執行器,其具有包括多個壓電材料層100和設置于壓電層100之間的內電極92、93的堆91。在此,在整個執行器中使用相同的壓電材料。
為了能夠與內電極92、93簡單地接觸,這樣構成執行器:僅使分別被分配了相同電極性的內電極93、92延伸至執行器的邊緣區域,即所謂的非活躍區域97。被分配了另一電極性的內電極93、92在該位置上不完全延伸至執行器的邊緣。在執行器的一個內部區域中,即所謂的活躍區域96中,具有相反極性的內電極92、93交替地上下疊置。因此內電極92、93分別以梳形結構以彼此交錯的梳子的形式構成。通過以在堆91外側上的金屬化結構94、95的形式構成的接觸面,可以在內電極92、93上施加電壓。
在其中內電極92、93交替地上下疊置的堆91的活躍區域96中,通過在內電極92、93上施加電壓構建電場。由此造成執行器的壓電材料的伸展。在堆91的非活躍區域97中,通過在內電極92、93上施加電壓僅構建起非常小的電場,由此在這些區域中壓電材料幾乎不伸展。由此特別在非活躍區域97中產生能夠引起裂縫的拉應力(參見圖2A和2B中的裂縫98和99)。
圖2A和2B示出壓電執行器的示意圖。圖2A和2B特別是示出圖1中示出的堆91的部分區域。
如圖2B所示,在內電極92、93上施加電壓時,由于壓電材料在活躍區域和非活躍區域中的不同伸展而可以產生裂縫,這些裂縫最大程度地平行于內電極92、93延伸。與圖2A中示出的實施例不同,這些最大程度地平行于內電極92、93延伸的裂縫不會導致執行器的失效。
但此外在壓電執行器中還產生裂縫98,如圖2A所示,這些裂縫在從非活躍區域97過渡到活躍區域96中時斷開并且在此如圖2A所示可能跨接內電極92、93,從而產生短接。這樣的裂縫98將導致壓電執行器失效。
圖3A至3C示出根據一種實施方式的壓電材料的示意圖。所述壓電材料適合于應用在多層壓電執行器中。
在此,如圖3A所示,第一壓電材料101具有第一壓電充電常數d31。第二壓電材料102具有第二壓電充電常數d31。優選兩個充電常數d31中的一個是兩個充電常數d31中另一個的1.3至2.0倍。在所示出的實施例中,第二壓電充電常數d31大于第一壓電充電常數d31。例如,第二壓電充電常數d31是第一壓電充電常數d31的兩倍。但替代地,第一壓電充電常數d31也可以具有比第二壓電充電常數d31大的值。
在此,壓電充電常數d31是對當在電極層(在此未明顯示出)上施加電壓時壓電材料垂直于電場的伸展的度量。
圖3B示意性示出在電極層上施加電壓之后,當在第一和第二壓電材料101、102之間不存在機械接觸時第一和第二壓電材料101、102的變形。在此,在施加電壓時產生的電場通過正號和負號來表示,為簡單起見未示出電極層。通過電場引起的變形舉例地對壓電材料102通過箭頭103、104示出。在此箭頭103表示材料102垂直于電場的場力線的變形,箭頭104表示材料102平行于電場的場力線的變形。在此,具有較大壓電充電常數的第二壓電材料102較之于第一壓電材料101伸展得更多。
如果使壓電材料101、102彼此接觸并然后一起燒結,則當在(在此未示出的)電極層上施加電壓時第一和第二壓電材料101、102產生變形,如圖3C所示。由于第一和第二壓電材料101、102彼此固定連接,因此在兩種材料101、102之間的接觸邊界上由于材料101、102在電場中的不同伸展以及由此在材料101中產生的壓應力106和在材料102中產生的拉應力105而產生機械應力。因此在第一和第二壓電材料101、102之間的接觸邊界上形成要在該區域內導致裂縫形成的應力梯度。在此產生的裂縫基本上平行于接觸邊界并且特別是平行于電極層延伸,從而防止了跨接兩個或更多電極層。因此通過不同的壓電充電常數d31以及由此而不同的材料101、102的伸展產生機械應力,使得避免和控制非受控地折斷的裂縫(參見例如圖2A的裂縫98),特別是使平行于電極層延伸的裂縫處于第一和第二壓電材料101、102之間的接觸邊界上。
圖4示出根據實施方式的壓電元件的示意圖。
在圖4中示出了壓電元件1,其作為壓電執行器以多層形式構成并具有由上下疊置的壓電層2、2’、3以及設置于其間的第一和第二電極層4、5構成的堆1a。為清楚起見僅有壓電層2、2’、3和第一電極層4和第二電極層5的一部分配備了附圖標記。虛線用于示出壓電層。
堆1a具有至少一個具有第一壓電充電常數d31的第一壓電層2,和與其直接相鄰的至少一個具有第二壓電充電常數d31的第二壓電層3。第一和第二壓電充電常數d31彼此不同。例如,第二壓電充電常數d31是第一壓電充電常數d31的兩倍。但是替代地,還可以使第一壓電充電常數d31大于第二壓電充電常數d31。為清楚起見未示出堆1外側上用于使第一和第二電極層4、5相接觸并連接到電壓的金屬化結構。在該實施例中電極層4、5由銅制成。替代地,電極層4、5例如還可以具有以下材料之一或以下材料的混合物:銀、鉑、銅和鈀的合金或混合物、銀和鈀的合金或混合物、鉑和銀的混合物或合金。
第一壓電層2和第二壓電層3分別設置在兩個相鄰的電極層4、5之間,從而在該實施例中堆1a具有如下層的序列,該序列由當在電極層4、5上施加電壓時具有第一極性的第一電極層4、第一壓電層2、當在電極層4、5上施加電壓時具有第二極性的第二電極層5、第二壓電層3和另一第一電極層4形成。在圖4示出的實施例中,第一壓電層2、2’的數量與第二壓電層3的數量不同。特別是壓電元件具有恰好一個第二壓電層3和多個第一壓電層2、2’。此外,該壓電元件還可以具有多個第二壓電層3(例如參見圖5)。
如結合圖3A 至3C所述,第一壓電層2和第二壓電層3的壓電充電常數d31不同,使得在第一壓電層2和第二壓電層3之間的接觸邊界6上在熱處理、金屬化、焊劑焊接、極化處理時或在壓電元件的運行中通過壓電層2、3的垂直于電場的不同伸展產生局部應力。該局部應力導致在接觸邊界6的區域內形成裂縫。在此這些裂縫基本上平行于電極層4、5延伸。
此外堆1a具有另一個第一壓電層2’,其同樣直接相鄰于第二壓電層3設置并與第二壓電層3具有另一接觸邊界6’,在該接觸邊界上同樣可以有目的地形成基本上平行于電極層4、5延伸的裂縫。
在該實施例中,第一壓電層2、2’和第二壓電層3分別具有基于鉛?鋯?鈦酸(PZT)的陶瓷材料。第二壓電層3包括具有與第一壓電層2、2’不同的成分鈦濃度的組成,這導致第一和第二層2、2’、3的壓電充電常數d31不同。在示出的實施例中,壓電層2、2’、3的層厚相同,但也可以彼此不同。
附加地或替代地,第一和第二壓電層2、2’、3在該實施例和其它實施例中在相應的陶瓷材料、摻雜物質、摻雜物質濃度或分別使用的原材料的顆粒大小方面可以不同,以實現第一壓電層2、2’和第二壓電層3的不同的壓電充電常數d31。例如第一壓電層2、2’可以具有含鉛的陶瓷材料,例如PZT。第二壓電層3可以具有無鉛的陶瓷材料。
附加地或替代地,通過使第一壓電層2、2’和第二壓電層3具有不同的居里溫度,可以使它們具有不同的壓電充電常數d31。
以下還將結合圖8至10描述對于壓電材料的伸展、相應壓電材料的居里溫度和壓電充電常數d31的實施例。
圖5示出根據另一實施方式的壓電元件的示意圖。
與圖4所示的實施例相比,壓電元件的堆1a除了具有多個第一壓電層2,2’,2’’,2’’’外,還具有多個第二壓電層3,3’,3’’,3’’’,其中,第一和第二壓電層交替地上下疊置,從而得到多個接觸邊界6,6’,6’’,6’’’,在這些接觸邊界上可能有目的地形成裂縫。在示出的實施例中,堆1a具有同樣多的第一和第二壓電層,從而堆1a中所有壓電層的50%構成為第二壓電層3。
在該實施例中,堆1a也具有層序列,該序列由當在電極層4、5上施加電壓時具有第一極性的第一電極層4、第一壓電層2、當在電極層4、5上施加電壓時具有第二極性的第二電極層5、第二壓電層3和另一第一電極層4形成。
圖6和圖7示出根據其它實施方式的壓電元件的示意圖。
在圖6和圖7中,示出其它壓電元件的其它實施例,它們與圖4和圖5示出的實施例的不同之處在于,第一和第二壓電層2、3彼此直接相鄰,并且特別是共同設置在第一電極層4和與其相鄰的電極層5之間。
根據圖6所示的實施例,堆1a中僅一次性在兩個相鄰的電極層4、5之間設置一個第一壓電層2和與其相鄰的一個第二壓電層3。此外堆1a還包括多個在兩個相鄰的電極層4、5之間的第一壓電層2。
根據圖7示出的實施例,在所有相鄰的電極層4、5之間都設置有第一和第二壓電層2,2’,2’’,2’’’,3,3’,3’’,3’’’。由此在兩個相鄰的電極層4、5之間分別得到接觸邊界6,6’,6’’,6’’’,在所述接觸邊界上可以有目的地形成裂縫。
替代圖6和圖7所示的實施例,在相鄰的電極層4、5之間還可以設置多于一個第一壓電層和第二壓電層。此外,結合圖4和圖5所示實施例描述的所有特征也適用于在圖6和圖7中描述的實施例。
圖8以kV/mm示出作為電場場強E的函數的、兩種不同的舉例示出的壓電材料垂直于電場的百分比伸展D的具有曲線7、7’、8和8’的圖。由這些壓電材料可以制造以上所述實施例的第一和第二壓電層。
其垂直于電場的伸展D在曲線7、7’中示出的壓電材料具有290 pC/N的壓電充電常數d31。其垂直于電場的伸展D在曲線8、8’中示出的壓電材料具有170 pC/N的壓電充電常數d31。曲線7、8分別示出對應壓電材料在構建電場時的伸展D。曲線7’、8’分別示出對應壓電材料在電場關閉時的伸展D。因此,在給定的場強E下對于兩種壓電材料垂直于電場的伸展D在電場關閉時要大于在電場構建時,從而對于相應的壓電材料可以觀察到磁滯曲線7、7’或8、8’。
對于兩種壓電材料,伸展D隨著電場場強E的上升而增長,直到達到在此示出的約為3 kV/mm的最大場強E。對應于曲線7、7’的材料的壓電充電常數d31大于對應于曲線8、8’的材料的壓電充電常數d31,在3 kV/mm的最大電場場強E下在垂直于電場的方向上達到直至0.085%的高的伸展D。而具有較小壓電充電常數d31的對應于曲線8、8’的材料在3 kV/mm的最大電場場強E下相反具有明顯更小的、為0.045%的伸展D。因此,在該實施例中,壓電充電常數d31的差別以及由此的各壓電材料在最大伸展D上的差別約為2的倍數。
圖9示出以pC/N表示的基于PZT的不同壓電材料的壓電充電常數d31與相應居里溫度TC的依賴性。在此壓電材料的居里溫度TC在約150℃和約350℃之間。充電常數d31的值隨著相應材料的居里溫度TC的上升而下降。也就是壓電材料的居里溫度TC越高,該材料在預先給定強度的電場中的伸展就越小。因此通過適當選擇壓電層的居里溫度TC,可以實現層在具有預先給定強度的電場中的不同伸展,這使得可以有目的地形成裂縫,特別是在壓電層之間的接觸邊界上,以及使裂縫基本上平行于電極層延伸。
從圖9可以看出,對于具有相同居里溫度TC的壓電材料,壓電充電常數d31的值出現分散,該分散在300℃下位于150 pC/N和240 pC/N之間。這種分散可以由物理效應(如由于陶瓷材料中的缺陷而導致的域轉換的阻塞(Blockierung von Dom?nenumwandlungen))引起。
圖10示出表示按照實施例的壓電充電常數d31與基于鉛?鋯?鈦酸的壓電材料中鈦含量T的關系的圖10。附圖標記11表示在鈦濃度約為48 mol%時壓電材料的準同形相界。可以看到,隨著鈦含量T的上升在超越準同形相界后壓電充電常數d31下降。
對于第一壓電層和第二壓電層可以選擇具有相同組成的陶瓷材料,例如PZT,它們由于陶瓷材料中的相應鈦含量T而在準同形相界11的不同側具有不同的壓電充電常數d31。因此例如對于第一壓電層可以選擇鈦含量T小于約48 mol%、優選46mol%(由圖10中的點12示出)的材料,而對于第二壓電層可以選擇鈦含量T約為48 mol%(由圖10中準同形相界11附近的點示出)的材料,從而使第一壓電充電常數d31小于第二壓電充電常數d31。
以上明確提到的陶瓷材料僅為示例性的,不應理解為對所述實施方式的限制。更確切地說,以上所述的實施方式和實施例還可以具有與所提到的陶瓷材料不同的壓電陶瓷材料。
附圖標記列表
1                壓電元件
1a               堆
2,2’,2’’,2’’’第一壓電層
3,3’,3’’,3’’’第二壓電層
4                第一電極層
5                第二電極層
6, 6’             接觸邊界
7,7’            伸展
8,8’            伸展
9                 壓電充電常數
10                壓電充電常數
11                準同形相界
12                點
91                堆
92                內電極
93                內電極
94                金屬化結構
95                金屬化結構
96                活躍區域
97                非活躍區域
98                裂縫
99                裂縫
100               壓電層
101               壓電材料
102               壓電材料
103               垂直于電場場力線的材料變形
104               平行于電場場力線的材料變形
105               拉應力
106               壓應力

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