[发明专利]陶瓷膜结构体及其制造方法

说明书

本发明涉及一种陶瓷膜结构体及制造该陶瓷膜结构体的方法。特别是，本发明涉及一种具有薄膜部分特殊构型的陶瓷膜结构体和有利地制造该陶瓷膜的方法。

按常规已经将膜结构体用于各种传感器的部件或类似部件。最近人们已将注意力集中到作为压电/电致伸缩致动器部件的膜结构体上。该膜结构体包括一个具有至少一个窗口部分的基体和一个由覆盖该窗口部分的韧性的薄膜材料形成的薄膜。当该膜结构体被用作传感器部件时，将该膜结构体如此构成以便用适当的方法探测由用膜部分测量的标的物(object)引起的弯曲位移。当该膜结构体被用作压电/电致伸缩致动器部件时，该膜结构体应用条件是：通过压电/电致伸缩元件使该膜部分变形，在膜结构体内形成的空部分中产生一个压力。

将基体与形成膜的膜部件整体复合来生产这样的膜结构体。出于可靠性，热阻性，抗腐蚀能力等方面的考虑，人们曾考虑通过整体烧成一种陶瓷来形成这样的膜结构体。在JP(特开)63-292032，和JP(特开)5-49270中，本发明人已公开了一种压力探测器或一种压电/电致伸缩致动器，其中使用了一由整体烧成获得的陶瓷膜结构体。

通常通过烧成一种整体层压物来获得该陶瓷膜结构体，而该层压物组成为：(1)一具有预定构型和一窗口部分的基体陶瓷坯，(2)一覆盖该窗口部分的薄片陶瓷坯。然而，本发明人发现：在整体烧成操作中有些问题，即由片陶瓷坯形成的并位于基体陶瓷坯窗口部分的膜部分变形为凹下(沉陷)形状(膜部分在窗口部分相反方向上凸起的形状为凸出形状)或有裂纹。在膜部分中，这样的沉陷或裂纹阻碍该膜的功能和操作并使该膜的可靠性减小。

另外，就这种陶瓷膜结构体来说，通常尽量使膜部分变平。然而，在这样的平面膜部分中，还有些问题。因为强度不足，所以增加共振频率和使该部分变薄是困难的。还有，在表面上形成的电极膜或压电/电致伸缩膜不能被满意地烧结。

因此，在JP(申请)6-122733中，本发明人已在先公开了一种陶瓷薄膜结构体。该膜结构体在膜部分中不会沉陷，开裂等，并能增加该膜的共振频率。还有，该膜结构体强度优异，并能满意地烧结在该膜部分的表面上形成的各种膜而烧结不会受阻。

通过控制基体陶瓷坯和覆盖窗口部分的薄片陶瓷坯之间的烧结速度和烧成收缩率来生产该陶瓷膜结构体。然而，当一个基体由许多结构体组成，而每个结构体有大量的窗口部分时，膜部分有时有沉陷或有凸出高度的变化。

本发明是在这种情况做为背景的条件下完成的。本发明的一个目的是提供一具有高度可靠性的陶瓷薄膜结构体。即该膜结构体具有一由许多膜结构体组成，而每个膜结构体又有大量的窗口部分(膜部分)的基体时，该膜部分也不会有任何沉陷或开裂，并且能增加共振频率。该膜部分强度优异，并能烧结在膜部分的表面上形成的各种膜。本发明另一个目的是提供一种有利地生产该膜结构体的方法。

本发明的一个方面是提供一种陶瓷膜结构体，它包括：具有至少一个窗口部分的陶瓷基体；一被层压以便覆盖窗口部分的陶瓷薄膜片，其中整体形成陶瓷膜结构体以便使陶瓷薄膜部分在窗口部分的相反方向上凸起，并且陶瓷连接层将陶瓷薄膜片连接到该陶瓷基体上。

该陶瓷膜片优选地由做为主要成分含有稳定氧化锆部分稳定氧化锆、氧化铝或它们的混合物的材料组成。

每个陶瓷基体，陶瓷膜片，陶瓷连接层的平均晶体颗粒尺寸最好是5μm或更小。还有，该膜部分具有30μm或更小的厚度。该陶瓷连接层具有50μm或更小的厚度。该膜部分由相对密度至少为90％的致密材料组成。

本发明的另一个方面是提供一种制造陶瓷膜结构体的方法，它包括步骤：(a)制备一基体陶瓷坯；(b)在基体陶瓷坯上形成一具有预定厚度的连接层陶瓷坯；(c)在其上形成连接层陶瓷坯的基体陶瓷坯上形成至少一个窗口部分；(d)制备一具有预定厚度的薄片陶瓷坯；(e)通过将该片陶瓷坯层压在具有至少一个窗口部分的基体陶瓷坯上面以便覆盖在连接层陶瓷坯一面的窗口部分来制备整体形成的层压体；(f)烧成该层压体以获得整体的烧结体，其中在基体陶瓷坯的窗口部分形成薄膜部分，且与层压体的烧成同时发生，该膜部分在窗口部分的相反方向上凸起。

在该方法中，调整基体陶瓷坯，片陶瓷坯和连接层陶瓷坯以便使中等烧结温度和收缩率满足公式：

S(基体)－S(片)≥-0.08{T(基体)－T(片)}－1

0≤T(基体)－T(片)≤300

S(基体)－S(片)≤20和

300≥T(基体)－T(连接层)≥20

或

-350≤T(基体)－T(连接层)≤-50