Flache Aktoren und Sensoren sind unter der Bezeichnung Bimorph oder Biegewandler bekannt. Sie bestehen üblicherweise aus zwei miteinander verbundenen aktiven Schichten, insbesondere aus Keramik auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat. Als Mittellage kann ein inertes Material, beispielsweise ein Metall oder ein faserverstärkter Kunststoff, eingesetzt werden. Wird eine Schicht derart angesteuert, dass sich diese in ihrer Länge verkürzt und wird gleichzeitig die andere Schicht nicht angesteuert oder durch die Ansteuerung gelängt, so ergibt sich aufgrund der innigen Schichtenver- bindung eine Verbiegung des gesamten Verbundes. Da diese Konstruktion zur Mittel- lage symmetrisch ist heben sich Unterschiede in der thermischen Dehnung auf und der Verbund verändert seine Form nicht mit der Temperatur.

In der US 5,632, 841 und in der US 6,060, 811 ist eine asymmetrische, gekrümmte An- ordnung beschrieben, bei der durch die Unterschiede in der thermischen Dehnung ein flacher Verbund aus einem Metall und einer aktiven Keramik, insbesondere Piezo- keramik auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat, vorgespannt wird. Der Verbund wird bei hoher Temperatur gefügt. Nach dem Erstarren des für die Verbindung eingesetzten Polymers entstehen in der Keramik und im Metall aufgrund deren unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen, so dass die Keramik unter Druck gesetzt wird.

Bei einem aus der US 5,632, 841 bekannten Herstellungsverfahren wird ein zweilagiger Verbund mittels eines zusätzlichen Formträgers ("mold") mit gebogener Oberfläche in eine gekrümmte Form gebracht, wobei eine Erwärmung mit anschließender Abkühlung eine Vorspannung induziert.

Die US 6,060, 811 beschreibt ein gekrümmtes Element mit schichtartigem Aufbau, wobei die durch deren Krümmung vorgespannten, einzelnen Bestandteile nach der aus der US 5,632, 841 bekannten Methode miteinander verbunden werden.

In der US 5,849, 125 wird ein Verfahren zur Herstellung eines gekrümmten, elektrisch aktivierbaren Verbundelementes beschrieben, bei dem gekrümmte Elemente in einer ebenfalls gekrümmten Form unter Druck und bei einer bestimmten Temperatur gefügt werden.

Aus der US 6,030, 480 ist ein aus einer Keramik und aus bis zu drei Metalllagen be- stehendes flaches Bauelement bekannt. Eine zwischen der Keramik und einem aus Stahl bestehenden Metallträger vorgesehene Metalllage, die größer als der Metallträger ist, dient zur Fixierung des Lagen-oder Schichtaufbaus des Verbundes in einer Presse.

In der US 5,471, 721 wird als"Rainbow"ein Aktor beschrieben, der durch partielle chemische Reduktion einen inneren Schichtaufbau hat, wobei die reduzierte Schicht die Funktion des Metalls bei anderen Konstruktionen erfüllt.

Der gemeinsame Vorteil dieser bekannten Konstruktionen besteht darin, dass durch die thermische Vorspannung die Effektivität der Keramik und deren Widerstand gegen Brüche gesteigert wird, da diese mit einer Druckspannung beaufschlagt wird. Nachteilig an diesen Konstruktionen ist jedoch, dass durch die Unterschiede der thermischen Dehnung nicht nur bei der elektrischen Ansteuerung, sondern auch bei einer Änderung der Umgebungstemperatur eine Änderung der Form auftritt. Diese Änderung ist in der gleichen Größenordnung wie die Formänderung aufgrund der elektrischen Ansteuer- ung. Dadurch ist entweder der Temperaturbereich, in dem die Bauelemente oder Wandler eingesetzt werden können, stark eingeschränkt, oder es sind zusätzliche Maß- nahmen zur Kompensation notwendig.

In der DE 100 23 556 A1 ist weiterhin ein mehrschichtiger Wandler mit einem aktiven Piezokörper und einem Tragkörper beschrieben. Zur Verhinderung einer Formänderung des Wandlers bei einer Änderung der Umgebungstemperatur ist hier ein auf der dem aktiven Piezokörper gegenüberliegenden Seite des Tragkörpers angeordneter

Anpasskörper vorgesehen, dessen Ausdehnungsverhalten dem des aktiven Piezo- körpers entspricht. Insbesondere ist der Anpasskörper aus dem gleichen Material wie der aktive Piezokörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement anzugeben, welches unter Vermeidung der genannten Nachteile einen einfachen Aufbau und eine innere Vor- spannung aufweist, insbesondere entsprechend einem asymmetrischen Element.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dazu ist ein flaches, mehrschichtiges Bauelement zum Einsatz als Aktor oder Sensor vorgesehen, das aus einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht und einer zweck- mäßigerweise passiven Mittellage aus einem Material mit einem im Vergleich zur aktivierbaren Materialschicht hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie einer weiteren, ebenfalls passiven Materialschicht besteht, deren linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient zumindest annähernd ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten der aktiverbaren Materialschicht ist. Die elektrisch aktivierbare Materialschicht ist vorzugsweise eine Piezokeramik.

Diese Konstruktion ermöglicht, die Änderung der Form des Bauelementes mit der Temperatur definiert einzustellen. Diese Eigenschaft ist insbesondere vorteilhaft für die bestimmungsgemäße Anwendung des Bauelementes, da Veränderungen der Um- gebung, z. B. eines das Bauelement aufnehmenden Gehäuses, durch den Einfluss der Umgebungstemperatur ausgeglichen werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, durch Änderung der Prozessparameter die Form des Bauelementes bei Raumtem- peratur beeinflussen zu können.

Die beiden nicht aktiven (passiven) Schichten, nämlich die Mittellage und die weitere Materialschicht, sind vorzugsweise ein durch Walzen oder einen anderen industriellen Prozess hergestelltes metallisches Verbundelement, insbesondere ein Thermobimetall.

Ein solches Verbundelement ist besonders kostengünstig zu realisieren.

Durch diese Anordnung mit einer aktivierbaren und zwei passiven Schichten oder Lagen wird erreicht, dass der daraus gebildete Verbund unter dem Gesichtspunkt der

thermischen Dehnungen symmetrisch aufgebaut ist. Als zusätzliche Elektrode kann auf der freien Oberfläche der aktiven oder aktivierbaren Materialschicht eine weitere Metall- schicht angebracht sein, deren Dicke im Vergleich zu den anderen Schichten sehr dünn ist.

Die Herstellung eines derartigen Bauelementes erfolgt dadurch, dass der Verbund zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur eines Klebers erwärmt wird. Dabei wird Druck orthogonal zur Hauptebene des Verbundes aufgebracht, wobei unter Druck der Verbund bis unter- halb der Erweichungstemperatur abgekühlt wird.

Wird als passive Schicht ein fester Verbund zweier Metalle mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient verwendet, so erfolgt während der Erwärmung des Verbundes unter Druck eine zumindest teilweise plastische Deformation der passiven Schicht. Der dadurch geänderte innere Spannungszustand bewirkt eine Änderung des statischen Spannungszustandes und damit der Form des Bauelementes. Dadurch wird die Herstellung eines flachen, ebenen Bauelementes ermöglicht.

Die Dimensionierung der Schichten und die Auswahl der Materialien kann mittels der technischen Mechanik, insbesondere analog zur Berechnung der Thermobimetalle her- geleitet werden. Berechnungsbeispiele finden sich unter anderem in der Darstellung der Laminatgruppentheorie von Timoshenko,"Analysis of Bi-metal Thermostats", Journal of Optical Society of America, Vol. 2, pp. 233-255,1925, und der erweiterten Laminatgruppentheorie nach Arndt Stephan,"Thermische Verformung von unsym- metrischen Mehrschichtverbundwerkstoffen", VDI-Reihe 2, Nr. 500, Düsseldorf (DE), 1999.

Wird als Material der weiteren Schicht ein Metall gewählt, so kann dies auf die Mittel- lage oder-schicht aufgeklebt werden. Vorteilhafter ist jedoch die Verwendung einer metallischen Verbindung, insbesondere durch walzen, da ein solches Verbundmetall vorteilhafterweise bereits als Endprodukt (Thermobimetall) erhältlich ist. Der Einsatz eines solchen Thermobimetalls stellt insbesondere eine deutliche Vereinfachung bei der Herstellung dar.

Eine andere mögliche Konstruktion ist die Verwendung von elektrisch leitenden Fasern in einer Kunststoffmatrix als Mittellage. Für die Verwendung als zusätzliche Material- schicht ist der Einsatz von Fasern ebenfalls möglich, wenn auch-aufgrund der Druck- belastung-nicht unbedingt optimal.

Bei einer weiteren möglichen Konstruktion wird ein nichtmetallischer Werkstoff mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Aluminiumoxid, als äußere inaktive Materialschicht verwendet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : Fig. 1 schematisch in einem Schnitt bzw. einer Seitenansicht ein erfindungsgemäß dreischichtiges Bauelement mit zusätzlicher Elektrodenschicht in unge- fügtem Zustand, Fig. 2 schematisch einen Fertigungsschritt mit erwärmungsbedingt gewölbtem passivem Verbundmaterial und daran anliegender aktiver Materialschicht, Fig. 3 schematisch eine Anordnung zur Messung der Auslenkung unterschiedlicher Bauelemente, und Fig. 4 in einem Auslenkungs-/Temperaturdiagramm die unterschiedlichen Aus- lenkungen in Abhängigkeit der Temperatur.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Herstellung des nachfolgend auch als Verbund bezeichneten Bau-oder Verbund- elementes 1 erfolgt durch Fügen unter Druck F und Temperatur. Dazu werden Mater- ialien in Form einer Keramik 2 und einer Mittellage 3 sowie einem Zusatzmaterial 4, soweit die Mittellage 3 und das Zusatzmaterial 4 nicht bereits durch andere Methoden zu einem Verbundmaterial 5 miteinander verbunden sind, mit einem Klebstoff 6 beschichtet. Auf der dem Verbundmaterial 5 abgewandten freien Oberfläche der

aktiven Materialschicht oder Keramik 2 kann mittels eines Klebstoffs 6'als zusätzliche Elektrode eine weitere Material-oder Metallschicht 7 angebracht sein.

Die Keramik 2 ist ein aus elektrisch aktivierbarem z. B. piezoelektrischem, elektrostrik- tivem oder magnetostriktivem Material bestehendes Plättchen. Vorzugsweise wird eine Piezokeramik auf der Basis Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) eingesetzt. Die Keramik 2 kann auf zumindest einer der großen Flächen 2a, 2b-entsprechende der Notwendigkeit zur Ansteuerung eines elektroaktiven Materials-mit einer Metallschicht 9 versehen sein.

Diese kann durch sputtern oder aufdampfen, Siebdruck oder andere Methoden aufgebracht sein.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines mehrschichtigen Bauelementes als aktivierbare Schicht. Diese in der Technik als Multilayer bekannten Elemente weisen einen inneren Aufbau aus mehreren dünnen Schichten aktivierbaren Materials mit dazwischenliegenden Elektroden auf. Die Elektroden können in der Ebene der aktivierbaren Schicht unter Nutzung des Längseffektes oder quer dazu unter Nutzung des Dickeneffektes liegen.

Der aus der Keramik 2, der Mittellage 3 sowie dem Zusatzmaterial 4-bzw. dem Verbundmaterial 5-und gegebenenfalls der zusätzlichen Metallschicht 7 gebildete Verbund 1 inklusive des Klebstoffs 6, 6'wird zum Fügen zwischen zwei im Wesent- lichen ebenen Platten P1 und P2 auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungs- temperatur des Klebers 6, 6' erwärmt. Dabei wird eine Druckkraft F orthogonal zur Hauptebene des Verbundes 1 aufgebracht. Unter dem Druck F wird dann der Verbund 1 bis unterhalb der Erweichung-oder Reaktionstemperatur abgekühlt.

Die passive oder inaktive Mittellage 3 weist einen größeren linearen thermischen Aus- dehnungskoeffizienten auf als die Materialien der beiden benachbarten Schichten, d. h. der aktiven Keramik 2 einerseits und der weiteren, passiven oder inaktiven Material- schicht 4 andererseits. Als Klebstoff 6, 6'besonders geeignet sind thermoplastische Kunststoffe (z. B. Polyimide) oder noch nicht ausgehärtete duroplastische Kunststoffe (z. B. Epoxyharze) mit einer möglichst hohen Erweichungs-bzw. Reaktionstemperatur.

Andere Verfahren zum Fügen flächiger Elemente (z. B. Löten) sind ebenfalls möglich.

Auch kann zwischen die Platte P1 und die Keramik 2 eine nachgiebige Schicht einge- bracht werden, um eventuell vorhandene Unterschiede in der Dicke des Verbundes 1 auszugleichen.

Wird als Verbundmaterial 5 ein handelsüblicher Thermobimetall eingesetzt, so wird der fertigungstechnische Vorteil erzielt, dass sich bei Erwärmung des Verbundes 1 vor dem Aufbringen der Druckkraft bzw. des Drucks F das Verbundmaterial oder Substrat 5 stark wölbt. Durch ein vorheriges Biegen des Substrates 5 kann diese Durchbiegung reduziert werden. In jedem Fall wird nur das Substrat 5, nicht aber die Keramik 2 gebogen.

Wie in Fig. 2 angedeutet ist, hat diese Wölbung des Verbundmaterial 5 zur Folge, dass die aktivierbare Materialschicht oder Keramik 2 lediglich an einer linienförmigen Berühr- ungsstelle 8 an der Mittelage 3 und damit am Verbundmaterial 5 aufliegt, das die Mittellage 3 und die weitere Materialschicht 4 umfasst. Beim anschließenden Aufbrin- gen des Drucks F wird das Verbundmaterial 5 flachgedrückt, so dass die Keramik 2 in einer aufrollartigen Bewegung auf die durch die entsprechende Schicht des Verbund- metalls 5 gebildete Mittellage 3 gefügt wird. Dadurch wird eine sehr gleichmäßige Verbindung innerhalb des Verbundes 1 erreicht.

Beim Aufbringen des Drucks F und dem Aufschmelzen bzw. der Reaktion des Klebers 6, 6'wird der bei entsprechend hoher Temperatur herrschende Spannungszustand ein- gefroren. Da die Materialien 2,3, 4 sich beim weiteren Abkühlen nicht mehr gegenein- ander bewegen können, führen die inneren Spannungen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien 2,3, 4 zu der gewünschten mechanischen Vorspannung. Dabei kann es zu einer teilweisen plastischen Verfor- mung einzelner Schichten, insbesondere der unter Zugspannung stehenden Mittel- schicht 3 und der zusätzlichen Elektrodenschicht 7, kommen.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion 1 ist somit eine zusätzliche Materialschicht 4 vorgesehen. Diese, zweckmäßigerweise auf der der Keramik 2 abgewandten Seite aufgebrachte zusätzliche Materialschicht 4 ist in deren Dicke und deren Elastizitäts-

oder E-Modul sowie deren thermischen Ausdehnung derart auf die als Trägermetall wirksame Mittellage 3 und die Keramik 2 abgestimmt, dass durch Änderung der Tem- peratur eine mechanische Spannung induziert wird, welche die Biegung aufhebt oder auf einen in Betrag und Richtung gewünschten Wert einstellt. Durch den dann symmetrischen Aufbau der inneren Spannungen tritt nach außen keine Biegung auf, auch wenn die Keramik 2, das Metall 3 und die zusätzliche Materialschicht 4 unter mechanischer Spannung stehen.

Praktisch muss dabei gelten, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Träger- metalls und damit der Mittellage 3 größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient sowohl der Keramik 2 als auch des Zusatzmaterials der Materialschicht 4. Die Dicke der Keramik 2 und der Mittellage 3 sowie des Zusatzmaterials 4 und der zusätzlichen Elektrodenschicht 7 kann aufgrund deren E-Module und deren thermischen Aus- dehnungskoeffizienten derart gewählt werden, dass bei einer gegebenen Temperatur- differenz in der Keramik 2 und in der Materialschicht 4 die gleiche mechanische Dehnung entsteht und daher nach außen keine Biegung des Verbundes 1 erfolgt.

Die den eigentlichen Träger der Keramikschicht 2 bildenden Materialien, d. h. die Mittel- lage 3 und das Zusatzmaterial 4, sind zweckmäßigerweise bereits ein Verbünd-oder Bimetall, d. h. bimetallartig gefügt oder aufeinandergewalzt.

Anhand der Figuren 3 und 4 werden nachfolgend die Ergebnisse einer Messung und Untersuchung der Eigenschaften unterschiedlicher Bauelemente beschrieben und erläutert.

In einem ersten Beispiel wurden Bau-oder Verbundelemente 1 in der Dimension 37mm x 13mm x 0,4mm (Länge, Breite, Dicke) hergestellt. Dabei wurde eine handelsübliche Keramik 2 (PI Ceramic, PIC 255) der Dicke 0,2mm mit einem Thermobimetall 5 (TP 155/78, Aurhammer Metallwerke) mit der Dicke 0,2mm verklebt.

Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve A dargestellt. Dazu wurde ein Messaufbau gemäß Figur 3 realisiert, bei dem das Verbundelement 1 mit dem Thermobimetall 5 auf zwei Auflagen 10 und 11

ruht. Dabei wurde zur besseren Vergleichbarkeit die Spannweite a zwischen den Auf- lagen 10 und 11 bei allen Beispielen auf einem Wert a = 30mm konstant gehalten. Die Auslenkung b wurde in der Mitte zwischen den beiden Auflagen 10,11-beginnend bei Raumtemperatur-gemessen. Eine Auslenkung oder Änderung b der Wölbung nach oben ist dabei-gemäß der Pfeilrichtung R-als positiv aufgetragen.

In einem zweiten Beispiel wurden Bau-oder Verbundelemente 1 in der Dimension 62mm x 15mm x 0,65mm aus den gleichen Materialien mit einer Keramik 2 der Dicke 0,45mm hergestellt. Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve B dargestellt.

Zum Vergleich wurden Bauelemente mit der gleichen Keramiken 2 in den Dicken 0,2 mm und 0,45 mm mit einem Stahl 1.4310 mit der Dicke 0,20mm verklebt, so dass diese Elemente der Beschreibung der US 5,632, 841 und der US 6,060, 811 entspricht. Nach- folgend werden diese Elemente als"konventionelle Elemente"bezeichnet. Zusätzlich wurde auf die Keramik 2 eine Aluminiumfolie 9 mit einer Dicke von 10um geklebt. Die Verklebung 6, 6'erfolgte mit einem Polyimide mit einer Erweichungstemperatur Tg von 260°C. Das Ergebniss einer Vermessung der Formänderung durch die Temperatur ist in Fig. 4 durch die Kurve C für die Keramik 2 der Dicke 0,2mm und durch die Kurve D für die Keramik 2 der Dicke 0,45mm dargestellt.

Theoretische Berechnungen zeigen für das Beispiel gemäß der Kurve A, dass eine Keramik 2 der Dicke 0, 15mm bei Verwendung des Thermobimetalls TB 155/78 die Durchbiegung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Dehnungen exakt aus- gleicht.

Die konventionellen Elemente gemäß den Kurven C und D haben eine in Abhängigkeit von deren Geometrie-in dem dargestellten Beispiel der Dicken der verwendeten Materialien-unterschiedlich starke Abnahme der Wölbung, d. h. eine Änderung b der Wölbung nach unten und damit entgegen der Richtung R bei zunehmender Tempera- tur. Die erfindungsgemäß hergestellten Bauelemente zeigen dagegen gemäß der Kurven A eine positive Änderung b der Wölbung mit der Temperatur in Richtung R oder

gemäß der Kurve B eine zumindest nur sehr geringe negative Änderung b der Wölbung mit der Temperatur.

Die Vermessung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften zeigte, dass sich die Auslenkung des erfindungsgemäßen Bauelementes 1 um etwa 20% und dessen Steifigkeit um nahezu 80% im Vergleich zum konventionellen Element gleicher Dimension erhöht.

Bezugszeichenliste Verbundelement Keramik Mittellage Zusatzmaterial Verbundmaterial Klebstoff Metallschicht Berührungsstelle Metallschicht Auflage Auflage Platte Platte Druckkraft Pfeilrichtung Kurve Kurve Kurve Kurve