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Title:
CERAMIC MATERIAL CONTAINING PZT, COMPONENT COMPRISING THE CERAMIC MATERIAL CONTAINING PZT, USE OF THE COMPONENT, AND METHOD FOR PRODUCING THE CERAMIC MATERIAL CONTAINING PZT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/138323
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a ceramic material containing lead zirconate titanate having a perovskite structure, a first doping material system DS1 having a cryolith structure, and a second doping material system DS2 having a perovskite structure. The invention further relates to a component (1) containing the material and to the use thereof as well as to a method for producing the material. The component (1) comprises a plurality of ceramic layers (2) disposed one above the other having electrodes (3) disposed therebetween leading out of the ceramic layers (2) disposed one above the other and contacted by outer electrodes (4) mounted on the sides.

Inventors:
HOFFMANN CHRISTIAN (AT)
SCHMIDT-WINKEL PATRICK (AT)
Application Number:
PCT/EP2011/057048
Publication Date:
November 10, 2011
Filing Date:
May 03, 2011
Export Citation:
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Assignee:
EPCOS AG (DE)
HOFFMANN CHRISTIAN (AT)
SCHMIDT-WINKEL PATRICK (AT)
International Classes:
C04B35/491; H01L41/083; C04B35/493; H01L41/187
Foreign References:
DE102007010239A12008-09-04
DE102004002204A12005-08-11
DE10326041A12004-12-30
DE102006057691A12008-06-12
DE102007012915A12007-10-25
Other References:
FELTZ A ET AL: "Remarkable strontium B-site occupancy in ferroelectric Pb(Zr 1-xTix)O3 solid solutions doped with cryolite-type strontium niobate", JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY DECEMBER 2007 BLACKWELL PUBLISHING INC.; COMMERCE PLACE US, vol. 90, no. 12, December 2007 (2007-12-01), pages 3959 - 3967, XP002647235, DOI: DOI:10.1111/J.1551-2916.2007.02027.X
Attorney, Agent or Firm:
EPPING HERMANN FISCHER PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Keramischer Werkstoff umfassend:

- Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) , aufweisend eine

Perowskitstruktur,

- ein erstes DotierstoffSystem DSi, aufweisend eine

Kryolithstruktur, und

- ein zweites DotierstoffSystem DS2, aufweisend eine Perowskitstruktur .

2. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das PZT formal die Formel Pb ( Zri_yTiy) O3 mit

0,3 ^ 1-y < 0,6 aufweist.

3. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei das erste DotierstoffSystem DSi formal die allgemeine Formel [ ( ^O) i_p (M20) p] a [Nb205 ] i-a aufweist, wobei M1 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ba und Sr umfasst, und M2 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ca und Sr umfasst, und wobei gilt 1 > a > 2/3 und 1 > p > 0.

4. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, wobei das zweite DotierstoffSystem DS2 formal die allgemeine Formel Pb(M3,M4)03 aufweist, wobei M3 aus einer Gruppe, die Mg, Mn, Fe, Zn, Ni und Sc umfasst, ausgewählt ist, und M4 mindestens aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Nb, Ta, Sb und W umfasst.

5. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, weiterhin umfassend ein Additiv A.

6. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Additiv A ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Li20, CU2O und Ag20 umfasst.

7. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, aufweisend die allgemeine Formel

[PZT] 1_c[DS1]b[DS2]c[PbO]d[A]m,

wobei 0 < m < 0,01, 0 < c < 0,5, 0,005(l-c) < b < 0,01 und 0, 002 < d < 0, 05 ist.

8. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, der für m + 0 eine Sintertemperatur von < 1000°C

aufweist .

9. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden

Ansprüche aufweisend einen piezoelektrischen

Dehnungskoeffizienten d33 von > 780 pm/V bei einem Feld E = 2 kV/mm.

10. Bauelement (1), das zumindest einen keramischen

Grundkörper und zumindest zwei auf dem Grundkörper angeordnete Elektroden (3) aufweist, wobei der

Grundkörper mindestens einen keramischen Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 aufweist.

11. Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Grundkörper eine Vielzahl von übereinander

angeordneten Keramikschichten (2) mit dazwischen

angeordneten Elektroden (3) umfasst, wobei die Elektroden (3) aus den übereinander angeordneten Keramikschichten (2) herausführen und über Außenelektroden (4) kontaktiert sind .

12. Verwendung des Bauelements (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 als Piezoaktuator .

13. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in einem modulartigen Komponentensystem.

14. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend die Verfahrensschritte

A) Mischen und Kalzinieren von Ausgangsstoffen und/oder Precursorn des ersten DotierstoffSystems DSi, des zweiten DotierstoffSystems DS2 und des Blei-Zirkonat-Titanats (PZT) ,

B) Sintern des im Verfahrensschritt A) hergestellten Materials .

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, weiterhin aufweisend den Verfahrensschritt AI) nach dem

Verfahrensschritt A) , in dem dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material das Additiv A zugegeben wird.

Description:
PZT ENTHALTENDER, KERAMISCHER WERKSTOFF, BAUELEMENT AUFWEISEND DEN PZT

ENTHALTENDEN, KERAMISCHEN WERKSTOFF, VERWENDUNG DES BAUELEMENTS UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES PZT ENTHALTENDEN, KERAMISCHEN WERKSTOFFS

Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff und ein Bauelement, das den keramischen Werkstoff enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauelements sowie ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs.

Keramische Werkstoffe werden beispielsweise bei der Herstel ¬ lung piezoelektrischer Mehrlagenbauelemente verwendet, die mittels eines Co-Firing-Verfahrens hergestellt werden und zum Beispiel Ag-, Ag/Pd- oder Cu-Innenelektroden enthalten, die zwischen keramischen Schichten angeordnet sind.

Piezoelektrische Mehrlagenbauelemente können beispielsweise piezoelektrische Aktuatoren, im Folgenden Piezoaktuatoren, sein, die unter anderem zur KraftstoffZuführung in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Solche Piezoaktuatoren enthalten typischerweise eine Perowskitkeramik mit einer AB03~Struktur, die Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, Pb(Zr 1--y

Tiy)03) sein kann.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen keramischen Werkstoff anzugeben, der gegenüber bekannten keramischen Werkstoffen verbesserte Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen keramischen Werkstoff gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des keramischen Werkstoffs, ein Verfahren zu seiner Herstellung, ein Bauelement

enthaltend den keramischen Werkstoff sowie die Verwendung des Bauelements sind Gegenstand weiterer Ansprüche. Gemäß einer Ausführungsform wird ein keramischer Werkstoff bereitgestellt, der Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) , das als Wirtsgitter fungiert und eine Perowskitstruktur aufweist, umfasst. Der keramische Werkstoff umfasst weiterhin ein erstes DotierstoffSystem DS ] _, das eine Kryolithstruktur aufweist, sowie ein zweites DotierstoffSystem DS2, das eine Perowskitstruktur aufweist.

Der keramische Werkstoff weist eine verbesserte Gefügestruk ¬ tur auf. Die Gefügestruktur bildet sich während der

thermischen Prozessierung aus, typischerweise in einem

Temperaturbereich von etwa 900°C bis 1150°C.

Die Sintertemperatur wird bei der Herstellung von Mehrlagenbauelementen dabei bevorzugt an das Innenelektrodenmaterial angepasst, zum Beispiel ca. 900°C für Ag-Innenelektroden, ca. 1000°C für Cu-Innenelektroden und bis zu etwa 1150°C für Ag/Pd-Innenelektroden . Werden Cu-Innenelektroden verwendet, ist zudem eine sauerstoffarme thermische Prozessführung erforderlich, die eine nahezu vollständige Eliminierung der organischen Bestandteile, wie beispielsweise Binder, aus entsprechenden Mehrlagengrünkörpern, das heißt den Schichten aus dem noch ungesinterten keramischen Werkstoff, ermöglicht.

Weiterhin kann die Sinteraktivität des keramischen Werkstoffs höher eingestellt werden, womit die Ausbildung eines Keramik- gefüges mit hoher Dichte, beispielsweise größer als 95%, ermöglicht wird. Gleichzeitig kann eine ausreichende Korn ¬ größe des piezoelektrischen Materials von beispielsweise > 1 ym unter den Bedingungen eines Co-Firing-Verfahrens mit den verschiedenen Innenelektroden-Materialien bei

entsprechenden Temperaturen ermöglicht werden. Der keramische Werkstoff kann ein ferroelektrisches ,

piezoelektrisches Material sein, das weitgehend frei von ungewünschten Defekten ist und ausreichend mobile

Domänenwände, deren Mobilität weitgehend reversibel ist, im elektrischen Feld aufweist.

Die ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften des keramischen Werkstoffs sind weitgehend stabil.

In dem ferroelektrischen piezoelektrischen keramischen

Werkstoff, können eine hohe dynamische Dehnung, eine hohe Steifigkeit, geringe dielektrische Verluste, eine angemessene Kapazität, eine angemessene Curie-Temperatur sowie eine niedrige Sintertemperatur kombiniert sein.

Das Blei-Zirkonat-Titanat , also das PZT Material, das in dem keramischen Werkstoff enthalten ist, weist formal die Formel Pb (Zr ] __yTiy) O3 mit 0,3 ^ 1 - y ^ 0,6 auf. y kann auch aus dem Bereich 0,4 < 1-y < 0,6 ausgewählt sein. Dieses PZT Material ist das die ferroelektrische Eigenschaft maßgeblich tragende Material in dem keramischen Werkstoff, dem die Dotierstoff ¬ systeme zugesetzt werden. Der Wert von y kann dabei auf die morphotrope Phasengrenze (MPB) eingestellt werden, bei der der keramische Werkstoff besonders vorteilhafte piezoelek ¬ trische und ferroelektrische Eigenschaften aufweist.

Das erste DotierstoffSystem DS ] _ kann formal die allgemeine Formel [ (M^-O) i_ p (M 2 0) p ] a [ b2Ü5 ] ] __ a aufweisen. M 1 ist

ausgewählt aus einer Gruppe, die Ba und Sr umfasst, und M 2 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Ca und Sr umfasst. Es gilt 1 > a > 2/3 und 1 > p > 0. Durch die Zugabe des ersten DotierstoffSystems DS]_, das eine große Phasenbreite aufweist, kann während des Sinterns der Ausgangsmaterialien des keramischen Werkstoffs eine

vergleichsweise hohe, temporäre Sauerstoffleerstellenkonzen- tration ausgebildet werden, die zu einer genügend großen Korngröße und der Ausbildung eines defektarmen Gefüges führt. Während des Abkühlens nach dem Sintern ist die Sauerstoff ¬ leerstellenkonzentration rückläufig und kann im fertigen keramischen Werkstoff weitgehend aufgehoben werden.

Durch vorwiegend temperaturabhängige, chemische Reaktionen zwischen dem PZT Material und dem ersten DotierstoffSystem DS]_ wird ein PZT-Mischkristallsystem mit verbesserten

ferroelektrischen Eigenschaften und sehr niedriger Sauerstoffleerstellenkonzentration gebildet .

Das zweite DotierstoffSystem DS2 kann formal die allgemeine Formel für auf Pb basierende Relaxor-Systeme mit komplexer Perowskitstruktur kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Mg, Fe, Mn, Zn, Ni und Sc

umfasst, M^ kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Nb, Ta, Sb und W umfasst. M-^ kann zum Beispiel ein zweiwertiges oder dreiwertiges Metallkation sein, während M^ ein fünfwer- tiges oder sechswertiges Metallkation sein kann. Auch die Kombination von anderweitigen Metallkation-Kombinationen aus M-3 und M^ ist denkbar. Beispiele für solche Systeme sind Pb (Zn 1 3 b2/3) O3, Pb ( Sc l /2 Ta l /2 ) °3 oder Pb (Mqi / 2 ^i /2 ) °3 ·

Das zweite DotierstoffSystem DS2, das eine Perowskitstruktur aufweist, passt sich besonders gut an das Wirtsgitter des PZT an, sodass keine oder zumindest nur eine geringfügige Störung des Wirtsgitters durch die Zugabe des zweiten

DotierstoffSystems DS2 auftritt. Durch die zusätzliche Dotierung des keramischen Werkstoffs, der das PZT Material und das erste DotierstoffSystem DS ] _ enthält, mit dem DotierstoffSystem DS2 können die piezoelek ¬ trischen und ferroelektrischen Materialeigenschaften der gesinterten Keramik beispielsweise im Hinblick auf eine höhere dynamische Dehnung im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Werkstoffen verbessert werden.

Das zweite DotierstoffSystem DS2 mit komplexer Perowskit- struktur weist Relaxor-Eigenschaften auf, was bei Dotierung des Werkstoffs mit dem zweiten DotierstoffSystem DS2 zu einem komplexen perowskitartigen PZT-Mischkristallsystem führt. Unter Relaxor-Eigenschaften wird beispielsweise eine breite, stark frequenzabhängige hohe dielektrische Permittivität verstanden .

In dem keramischen Werkstoff kann weiterhin ein Additiv A vorhanden sein. Das Additiv A kann aus einer Gruppe

ausgewählt sein, die L12O, CU2O und Ag2<0 umfasst. Anstatt der Oxide können als Ausgangsstoffe für den keramischen Werkstoff beispielsweise auch die Carbonate der entsprechenden Metalle für die Herstellung des keramischen Werkstoffs bereitgestellt werden, die sich dann während der thermischen Prozessierung (beispielsweise während des Kalzinierens und/oder des

Sinterns) in die entsprechenden Oxide umwandeln.

Wird dem keramischen Werkstoff zusätzlich zu den Dotierstoff ¬ systemen ein Additiv A hinzugefügt, erhält man ein Material, das eine hohe dynamische Dehnung aufweist und gleichzeitig bei niedrigeren Temperaturen als die herkömmlichen keramischen Werkstoffe gesintert werden kann. Es wird also eine Kombination von verbesserten ferroelektrischen und

piezoelektrischen Eigenschaften mit hoher Stabilität dieser Eigenschaften bei gleichzeitig niedriger Sintertemperatur von weniger als 1000 °C bereitgestellt. Die Sintertemperatur für die Ausgangsmaterialien des keramischen Werkstoffs kann beispielsweise auf weniger als 1000°C, bevorzugt auf weniger als 900°C abgesenkt werden. Durch die niedrigere Sintertem ¬ peratur kann beispielsweise Pd-armes Ag, reines Ag oder Cu für die Herstellung von zwischen den Keramikschichten

angeordneten Elektroden eines Piezoaktuators verwendet werden. Weiterhin bewirkt eine niedrigere Sintertemperatur eine Energieersparnis im Herstellungsverfahren der Keramik bzw. der Piezoakturatoren .

Der keramische Werkstoff kann die allgemeine Formel [PZT] ] __ c [DSilb [DS2] c [PbO] d[A] m aufweisen. In der Formel gilt 0 < m < 0,01, 0 < c < 0,5, 0,005(l-c) < b < 0,01 und 0,002 < d < 0,05. Es liegt also ein komplexer keramischer Werkstoff vor, der ein PZT, ein erstes DotierstoffSystem DS ] _, ein zweites DotierstoffSystem DS2 und optional ein Additiv A enthält. Das erste DotierstoffSystem DS ] _ weist eine Kryolithstruktur auf, das zweite DotierstoffSystem DS2 eine Perowskitstruktur .

Die oben angegebenen formalen Strukturformeln der einzelnen Bestandteile des keramischen Werkstoffs sind im gesinterten Zustand des Werkstoffs typischerweise mit Standardanalyse ¬ methoden nicht unterscheidbar, da die einzelnen Komponenten weitgehend eine feste Lösung, also ein Mischkristallsystem bilden. Vielmehr kann die allgemeine Formel der gesinterten Keramik festgestellt werden. Das Additiv A kann sich, wenn es im Überschuss zugegeben wurde, unter Umständen phasenseparie- ren .

Der keramische Werkstoff kann mit weiteren Komponenten, die mit der Perowskitstruktur des PZT Materials kompatibel sind, Mischkristalle bilden, die in Kombination mit den Dotier StoffSystemen DS ] _ und DS2 sowie dem optionalen Additiv A in weiten Grenzen variable Zusammensetzung ermöglicht.

Beispielsweise kann dem Werkstoff Pb(Fe

zugesetzt werden.

Der keramische Werkstoff kann bei Zusatz eines Additivs A, in der oben genannten allgemeinen Formel bei m + 0, eine Sintertemperatur von weniger oder gleich 1000°C, auch von weniger oder gleich 900°C aufweisen.

Der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d33 gemessen bei einem elektrischen Feld E = 2 kV/mm, der ein Maß für die dynamische Dehnung des Werkstoffs ist, kann größer als 780 pm/V sein. Beispielsweise kann er nach Sinterung bei 1100 bis 1150°C größer als 900 pm/V sein, wenn der keramische

Werkstoff wie oben erläutert zusammengesetzt ist. Ist ein Additiv A vorhanden, kann nach Sinterung bei 900 °C der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d33 größer als 780 pm/V, insbesondere größer als 790 pm/V, sein (jeweils gemessen bei E = 2 kV/mm) .

Es wird weiterhin ein Bauelement bereitgestellt, das

zumindest einen keramischen Grundkörper und zumindest zwei auf dem Grundkörper angeordnete Elektroden aufweist, wobei der Grundkörper mindestens einen keramischen Werkstoff gemäß den obigen Ausführungen aufweist.

Der Grundkörper kann eine Vielzahl von übereinander

angeordneten Keramikschichten enthaltend den keramischen Werkstoff mit dazwischen angeordneten Elektroden umfassen, wobei die Elektroden aus den übereinander angeordneten Keramikschichten herausführen und über Außenelektroden kontaktiert sind.

Ein solches Bauelement kann beispielsweise als Piezoaktuator verwendet werden. Weiterhin kann ein solches Bauelement innerhalb eines modulartigen Komponentensystems, beispielsweise eines Arrays, vorhanden sein.

Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines

keramischen Werkstoffs mit den oben genannten Eigenschaften bereitgestellt. Das Verfahren weist die Verfahrensschritte A) Mischen und Kalzinieren von Ausgangsstoffen und/oder

Precursoren des ersten DotierstoffSystems DS]_, des zweiten DotierstoffSystems DS2 und des Blei-Zirkonat-Titanats (PZT) und den Verfahrensschritt B) Sintern des im Verfahrensschritt A) hergestellten Materials auf.

Der Verfahrensschritt A) kann in drei Varianten durchgeführt werden .

In einer ersten Variante werden alle Ausgangsstoffe, also die Ausgangsstoffe des PZT, die des ersten DotierstoffSystems DS]_ und die des zweiten DotierstoffSystems DS2 gemischt,

homogenisiert und kalziniert.

Ausgangsstoffe für das PZT umfassen beispielsweise Pb3<D4, PbO, ZrC>2 und T1O2 · Für das erste DotierstoffSystem DS]_ sind beispielhafte Ausgangsstoffe SrCC>3 und b2Ü5.

Für das zweite DotierstoffSystem DS2 können Ausgangsstoffe Pb3<D4, PbO, b2Ü5 und N1CO3 umfassen, wenn das zweite

DotierstoffSystem DS2 Pb (Ni]_/3Nb2/3) O3 enthält. Wenn das zweite DotierstoffSystem DS2 Pb (Mg]_ /3 b273 ) O3 aufweist, umfassen die Ausgangsstoffe Pb3<D4, PbO, b2Ü5 und MgCC>3. Für Pb ( Zn ] _ /3 b2 /3 ) O3 als zweites DotierstoffSystem DS2 umfassen die Ausgangsstoffe Pb3<D4, PbO, b2Ü5 und ZnO. Dementsprechend werden weitere Ausgangsstoffe für weitere zweite Dotierstoff ¬ systeme DS2 ausgewählt.

In einer zweiten Variante werden die Ausgangsstoffe des PZT, des ersten und des zweiten DotierstoffSystems getrennt voneinander gemischt, homogenisiert und kalziniert. Danach werden alle Materialien gemischt, homogenisiert und im

Verfahrensschritt B) gesintert.

Die dritte Variante sieht vor, die Ausgangsstoffe des PZT und des ersten DotierstoffSystems DS ] _ zusammen mit einem

Precursor des zweiten DotierstoffSystems DS2 zu mischen und zu kalzinieren. Unter Precursor ist in diesem Zusammenhang eine Vorstufe des zweiten DotierstoffSystems zu verstehen, in dem die Perowskitstruktur bereits weitgehend vorgegeben ist. Das hat den Vorteil, dass beim Kalzinieren nicht ungewollt andere Strukturtypen als die Perowskitstruktur entstehen. Beispielsweise kann die Entstehung einer nicht piezoelektrischen Pyrochlorstruktur zumindest weitgehend verhindert werden .

Als Precursor für ein zweites DotierstoffSystem DS2, das die Formel Pb (Ni ] _/3Nb2/3) O3 aufweist, kann NiM^Og eingesetzt werden .

Weist das zweite DotierstoffSystem DS2 die Formel

Pb (Mg ] _ /3 b2 /3 ) O3 auf, kann als Precursor MgM^Og eingesetzt werden . Für ein zweites DotierstoffSystem DS2, das die Formel

Pb ( Zn ] _ /3 b2 /3 ) O3 aufweist, kann als Precursor ZnM^Og eingesetzt werden.

Diese dritte Variante des Verfahrens kann beliebig variiert werden. So können Precursor für das erste DotierstoffSystem DS ] _ und/oder das zweite DotierstoffSystem DS2 und/oder das PZT-Material darin eingesetzt werden.

Das Verfahren kann weiterhin den Verfahrensschritt AI) nach dem Verfahrensschritt A) aufweisen, in dem zu dem im

Verfahrensschritt A) hergestellten Material das Additiv A oder ein Ausgangsstoff des Additivs A zugegeben wird. Das Additiv A wird mit dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material homogenisiert.

Damit wird das Additiv A im Verfahrensschritt A) erst zugegeben, wenn die Mischung im Verfahrensschritt A) bereits kalziniert worden ist. Damit wird die Eigenschaft des

Additivs A, die Sintertemperatur zu erniedrigen, für das Sintern im Verfahrensschritt B) weitgehend erhalten.

Mit einem analogen Verfahren kann auch ein Bauelement hergestellt werden. Dabei wird vor dem Verfahrensschritt B) in einem Verfahrensschritt A2) aus dem kalzinierten Material eine keramische Folie hergestellt. Diese Folie wird mit Elektrodenmaterial, beispielsweise Pd-armes Ag, reines Ag, oder Cu, strukturiert oder unstrukturiert bedruckt und die Folien dann laminiert. Schließlich werden die laminierten keramischen Folien entbindert und zusammen mit dem

Elektrodenmaterial, beispielsweise in einem Co-Firing- Verfahren, gesintert. Anhand der Figur und der Ausführungsbeispiele sollen die beschriebenen Gegenstände noch näher erläutert werden.

Figur 1 schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen

Bauelements .

Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht eines

piezoelektrischen Bauelements 1, das eine Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten 2 mit dazwischen angeordneten Elektroden 3 umfasst. Die Elektroden 3 führen aus den übereinander angeordneten Keramikschichten 2 heraus und sind über seitlich angebrachte Außenelektroden 4

kontaktiert. Die übereinander angeordneten Keramikschichten weisen eine Keramik auf, die aus dem keramischen Werkstoff, der ein PZT Material, ein erstes DotierstoffSystem DS ] _, ein zweites DotierstoffSystem DS 2 und optional ein Additiv A umfasst. Durch die verbesserten Eigenschaften des keramischen Werkstoffs, wie sie oben erläutert worden sind, weist auch der Piezoaktuator verbesserte Eigenschaften auf.

Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele und deren Eigenschaften im Vergleich zu einer Referenzkeramik dargestellt (VQ bezeichnet darin jeweils eine Sauerstoffleer ¬ steile) . Ein Beispiel für eine Referenzkeramik lautet

[ pb < Zr 0,53 Ti 0, 47)03] 1 t Sr 4 (Sr 5 /3 b 7 /3)0 lli 5 V O;0i 5 ] 0 0 0 5

[PbO]Q^ Q 2 auf, was einer allgemeinen Strukturformel

[PZT] 1 [DS]_] 0 005 [ PbO] 0 , 02 entspricht. Diese Zusammensetzung ist bei 1100°C gesintert. An daraus hergestellten keramischen Plättchen wird bei einer Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 780 pm/V gemessen . Im Vergleich dazu weist ein ferroelektrischer keramischer Werkstoff mit einem ersten und einem zweiten DotierstoffSys ¬ tem DS ] _ und DS2 die Zusammensetzung

[Pb(Zr 0 , 48 Ti 0/ 52 ) 0 3 ] 0,8 [P ( i 1/3 b2/3)03] 0 ,2 [Sr 4 ^5/3^7/3) Oll, 5 v O; 0, 5] 0, 005 [PbO] g 02 auf. An daraus hergestellten keramischen Plättchen wird bei einer Feldstärke von

E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 900 pm/V gemessen. Damit wird der Wert von d33

gegenüber der Referenzkeramik um zirka 15,4 % erhöht.

Ein Beispiel für einen ferroelektrischen keramischen

Werkstoff mit erstem und zweitem DotierstoffSystem DS ] _ und DS2 und einem Additiv A ist folgende Zusammensetzung:

[Pb(Zr 0 , 4 55 Ti 0i 545)03] 0,7 [Pb( i 1/3 b2/3)03] 0,3^4 (Sr 5/3

Nb 7/3)°11, 5 v O;0, 5] 0, 005 [ pb °] 0, 02 [Cu 2 0] 0, 0025· Dieser

Werkstoff kann bei 900°C gesintert werden und weist bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von d33 = 790 pm/V auf.

Ein weiteres Beispiel dazu weist folgende Zusammensetzungen auf: [Pb(Zr 0i 45 5 Ti 0i 545)03] 0 , 7 [ p b (Ni 1/3 Nb 2 /3) 0 3 ] 0,3^4 (Sr 5/3

N b7/3)°ll,5 v O' " 0,5]0, 005[ p bO]0,02[ Li 2°]0, 0025- Nach einer Sinterung bei 900°C kann an dieser Keramik bei einer

Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 805 pm/V gemessen werden.

Eine weiterer beispielhafter ferroelektrischer keramischer Werkstoff mit erstem und zweitem DotierstoffSystem DS ] _ und DS2 und dem Additiv A weist folgende Zusammensetzungen auf: [Pb(Zr 0 , 4 55 Ti 0i 545)03] 0,7 [Pb( i 1/3 b2/3)03] 0,3^4 (Sr 5/3

N b7/3)°ll,5 v O' " 0,5]0, 005[ p bO]0,02[ A g2°]0, 0025- Diese Keramik weist nach einer Sinterung bei 1000°C und bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von d33 = 810 pm/V auf.

Ein weiteres Beispiel dazu weist folgende Zusammensetzung auf: [Pb(Zr 0i 45 5 i 0i 545)03] 0 , 7 [Pb (Ni 1/3 Nb 2 /3) 0 3 ] 0,3^4 (Sr 5/3

Nb 7/3) o ll,5 v OO,5]0,005[ pbo ]0,02[ Li 2°]0, 00125· Nach einer Sinterung bei 1000°C und bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm wird ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 830 pm/V gemessen.

Es konnte also gezeigt werden, dass bei niedrigen Sinter ¬ temperaturen keramische Werkstoffe hergestellt werden können, die verbesserte piezoelektrische und ferroelektrische

Eigenschaften und insbesondere eine hohe dynamische Dehnung aufweisen .

Die in der Figur gezeigte Ausführungsform kann beliebig variiert werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern weitere, hier nicht aufgeführte Ausgestaltungen zulässt .

Bezugs zeichenliste

1 Piezoelektrisches Bauelement

2 Keramische Schicht

3 Elektrode

4 Außenelektrode