[发明专利]压电陶瓷多层元件

说明书

本发明涉及一种用于制备压电陶瓷多层元件的材料、一种制备该材料的方法、一种制备多层元件的方法以及一种用于多层元件中的内电极材料。

在附图中示出如现有技术已知的压电陶瓷多层元件。多层元件1由叠置的压电活性材料2如锆钛酸铅(PZT)的薄层组成，其具有配置于上述薄层之间的导电内电极4，该内电极交替地引向元件表面。外电极3连接内电极4。由此该内电极4平行地电连接，并总汇成两组，其示为多层元件1的两连接极(Anschlusspol)7和8。如果在连接极7和8加电压，则其平行传送到所有内电极4上，并在活性材料的所有层中产生电场，由此引发机械变形。所有机械变形的总和在该元件的端面上成为可利用的延伸6和/或力。

按现有技术，压电陶瓷多层元件在约1100℃或更高的温度下在空气中烧结。因此仅可用具有高熔点的贵金属作为内电极。非贵金属会发生氧化。所以通常使用含至多40重量％(重量百分比)钯的银-钯合金。但这又伴随着高的材料成本问题。内电极材料的低熔点也需具有相应低的烧结温度的陶瓷材料。

本发明的目的在于消除现有技术的缺点，并通过其烧结温度比通常要低的陶瓷材料以及不含贵金属或至少含明显更少量贵金属的内电极来降低压电陶瓷多层元件的成本。

本发明的目的是借助于下列实现：由权利要求1-10之一的PZT-材料作为母材(Grundwerkstoff)制备压电陶瓷多层元件的材料、权利要求11-21之一的制备该材料的方法、权利要求22的制备多层元件的方法和权利要求23-28之一的用于该压电陶瓷多层元件的内电极材料组成。

本发明的有利实施方案于从属权利要求中被要求保护。

虽然从电化学考虑银属于贵金属，但在下面描述中银不归类为贵金属。

本发明的多层元件含内电极，该内电极的主材料成分由不含其它贵金属的纯银组成。因为银在961℃熔化且在有压电陶瓷材料存在时该温度还要再降低，所以烧结温度不应超过950℃。该目的可通过下列三个措施实现：

a)必须使用在低温下烧结的PZT-陶瓷。

b)该PZT-材料在烧结时对银的扩散必须是健壮的(robust)。该由内电极扩散的银进一步显著降低了烧结温度。但其要尽可能小地影响该材料的压电特性。

c)该内电极必须通过加入PZT或相关的陶瓷类型和/或金属合金和/或金属氧化物混合物来稳定，否则其继续扩散进陶瓷，改变其特性或失去其导电性。

本发明的陶瓷材料优选由锆钛酸铅、钛酸钡或钛酸铋组成。该烧结温度的降低通过向母材PZT中加入非导电烧结助剂实现，该烧结助剂以所述物质总和计的浓度为≤5重量％，优选＜1重量％，特别优选＜0.5重量％。

本发明使用下列烧结助剂：

烧结助剂选自一价、两价或三价的金属氧化物如Na₂O、K₂O、MgO、CaO、SrO、Al₂O₃、Fe₂O₃、NiO、Mn₂O₃或Cr₂O₃。

使用含四价阳离子的烧结助剂，优选使用SiO₂、GeO₂、InO₂、TlO₂或SnO₂。

使用含五价阳离子的烧结助剂，优选使用P₂O₅、As₂O₅、Sb₂O₅或Bi₂O₅。

该烧结助剂可由一种物质或一组的前述物质的组合或不同组的前述物质的组合组成。

该烧结助剂以所述物质总和计的浓度为≤5重量％，优选＜2重量％，特别优选＜1重量％。

烧结助剂的各个物质的浓度是≤3重量％，优选＜1重量％，特别优选＜0.5重量％。

如果在煅烧前或煅烧后的原料混合过程中加入所述量的该烧结助剂，可以在配方中已经考虑所述量的该烧结助剂的加入。

所述量的该烧结助剂的加入通过测量和计量加入到目标值来实施，以考虑到原料和制备方法的波动。

也可在煅烧前或煅烧后用烧结助剂的液态添加物进行涂覆。

通过本发明的PZT-材料可将烧结温度降到低于900℃，并可制备其特性与现有技术的含贵金属的元件相同的多层元件。