Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung Die Erfindung betrifft einen Piezoaktuator mit Schutz vor

Einflüssen der Umgebung, insbesondere mit Schutz vor flüssigen oder gasförmigen Substanzen. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung, insbesondere mit Schutz vor flüssigen oder gasförmigen Substanzen.

Ein Piezoaktuator weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten auf, zwischen denen jeweils Elektrodenschichten angeordnet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten tritt eine Verformung der piezoelektrischen Schichten aus. Die piezoelektrischen Schichten können sich beispielsweise in einer Hauptverformungsrichtung entlang der Aktorachse ausdehnen, wodurch ein Hub erzeugt wird. Piezoaktuatoren werden oftmals in der Umgebung von flüssigen oder gasförmigen Substanzen eingesetzt. Beispielhafte Anwendungen sind die Steuerung von Einspritzventilen in Motoren. Ein Kontakt der piezoelektrischen Schichten und der Elektrodenschichten mit den vielfach aggressiven flüssigen bezie- hungsweise gasförmigen Substanzen führt in den meisten Fällen zur Zerstörung des Piezoaktuators oder zumindest zu einer Re ^¬ duzierung seiner Lebensdauer. Für die Anwendung von Piezoaktuatoren in Einspritzventilen sind relevante Substanzen beispielsweise Wasser beziehungsweise Feuchte oder auch

Treibstoffe wie Diesel oder Benzin.

In heutigen Anwendungen wird insbesondere der Schutz gegenüber Treibstoffen dadurch bewirkt, dass der Aktuator in einem Metallzylinder gehaust wird, wobei das Innere des Metallzy ^¬ linders, insbesondere im Bereich der Kontaktanschlüsse des Aktuators, aufwändig abgedichtet wird. Obgleich die dadurch erhaltene Kapselung in den meisten Fällen hermetisch dicht ausgeführt werden kann, hat die Gehäuseform durch das Aufmaß an den Stirnseiten als auch an den Seitenflächen des Aktuators eine nicht für alle Anwendungen geeigneten Platzbedarf zur Folge.

Vorwiegend motiviert durch die Reduktion der Anzahl der Bau ^¬ teil eines Injektors und der damit zusammenhängenden Kosteneinsparung ergibt sich zunehmend der Trend, den Piezoaktuator direkt treibstoffumspült, im so genannten Nassbetrieb, unter hohem Umgebungsdruck zu betreiben. Diese Betriebsbedingung erfordert eine möglichst dichte, vorzugsweise hermetische und zugleich möglichst platzsparende Abdichtung des Aktuators. Um den Platzbedarf für die Abdichtung des Piezoaktuators möglichst gering zu halten, kann der Aktuator in den meisten Fällen nicht in einem separaten Gehäuse angeordnet werden.

Es ist wünschenswert, einen Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung anzugeben, der möglichst platzsparend ausgeführt ist und dennoch eine hohe Dichtigkeit bezüglich flüssiger oder gasförmiger Substanzen aufweist. Desweiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung angegeben werden, wobei der Piezoaktuator möglichst platzsparend ausgeführt ist und dennoch eine hohe Dichtigkeit in Bezug auf flüssige oder gas ^¬ förmige Substanzen aufweist.

Ein Piezoaktuator mit Schutz vor Einflüssen der Umgebung um- fasst einen Schichtstapel aus piezoelektrischen Material ^¬ schichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten. Desweiteren umfasst der Piezoaktuator eine erste und zweite Materiallage aus jeweils einem Material, das beim Anlegen ei ^¬ ner Spannung an die Elektrodenschichten eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Materialschichten aufweist, und eine Deckschicht aus einem Material aus Metall. Der

Schichtstapel ist zwischen der ersten und zweiten Materialla ^¬ ge angeordnet. Die Deckschicht umgibt den Schichtstapel und ist auf die erste und zweite Materiallage aufgesputtert .

Durch das Sputtern der Deckschicht über den Schichtstapel und insbesondere durch das Sputtern der Deckschicht auf die Mate ^¬ riallagen, die beispielsweise piezoelektrisch inaktive Mate ^¬ rialien enthalten können, entsteht eine nahezu hermetisch dichte und feste Verbindung zwischen der Deckschicht und den Materiallagen. Da durch die durchgehende Metall- beziehungs ^¬ weise Keramikumhüllung eine feste Verbindung zwischen den Materialien und keine Stoßstellen zwischen den Materialien geschaffen wird, lässt sich eine nahezu völlig dichte Versiege ^¬ lung des Schichtstapels aus den piezoelektrischen Schichten gegenüber einem Kontakt mit flüssigen oder gasförmigen Substanzen erzielen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators mit einem Schutz vor Einflüssen der Umgebung umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Schichtstapels aus piezoelektrischen Ma ^¬ terialschichten und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten und einer ersten und zweiten Materiallage aus jeweils ei ^¬ nem Material, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten eine geringere Ausdehnung als die piezoelektri- sehen Materialschichten aufweist, wobei der Schichtstapel zwischen der ersten und zweiten Materiallage angeordnet ist. Über dem Schichtstapel wird eine Deckschicht aus einem Mate- rial aus Metall angeordnet. Die Deckschicht wird auf die ers- te und zweite Materiallage gesputtert.

Weitere Aus führungs formen des Piezokatuators und des Verfah ^¬ rens zur Herstellung des Piezoaktuators sind den Unteransprü ^¬ chen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen aus der Umgebung,

Figur 2 eine Aus führungs form einer Deckschicht zur Abdichtung eines Piezoaktors gegenüber der Umgebung,

Figur 3 eine weitere Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen aus der Umgebung,

Figur 4 eine weitere Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Schutz vor Einflüssen aus der Umgebung,

Figur 5 eine Aus führungs form eines gegenüber der Umgebung abgedichteten Piezoaktuators mit einer Aussparung zur Kontak- tierung des Piezoaktuators,

Figur 6 eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit Kon ^¬ taktanschlüssen auf einer Stirnseite des Piezoaktuators, Figur 7A eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit einer Leiterbahn zur Kontaktierung von Elektrodenschichten des Piezoaktuators, Figur 7B eine weitere Aus führungs form eines Piezoaktuators mit einer Leiterbahn zur Kontaktierung von Elektrodenschichten des Piezoaktuators,

Figur 8 eine Aus führungs form eines Piezoaktuators mit einer Schutz vor Einflüssen der Umgebung.

Figur 1 zeigt eine Aus führungs form 1000 eines Piezoaktuators mit einem Schichtstapel 1 aus piezoelektrischen Material ^¬ schichten 10 und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 20. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten dehnen sich die piezoelektrischen Schichten aus, wodurch ein Hub erzeugt wird. Der Schichtstapel 1 ist zwischen einer Ma ^¬ teriallage 31 und einer Materiallage 32 angeordnet. Die Mate ^¬ riallage 31 und die Materiallage 32 schließen den Schichtsta- pel beidseitig in Richtung der Aktorlängsachse ab. Die Mate ^¬ riallagen 31 und 32 können als Materialblöcke aus einem Mate ^¬ rial ausgebildet sein, das beim Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 20 eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Schichten 10 aufweist. Unter einer geringeren Ausdehnung im Sinne der Aus führungs formen des Piezoaktuators ist auch zu verstehen, dass die Materiallagen beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Schichten keine Ausdehnung zeigen. Die Materiallagen 31 und 32 können beispielsweise jeweils als eine passive Decklage aus einer inaktiven Keramik beziehungsweise einer nicht piezoelektrischen Keramik ausgebildet sein. Zur Isolation des Schichtstapels 1, insbesondere der Elektro ^¬ denschichten 20, ist über dem Schichtstapel 1 eine Isolati- ons- beziehungsweise Passivierungsschicht 40 angeordnet. Die Isolationsschicht 40 ist aus einem nicht leitenden Material ausgebildet. Als Isolationsschicht kann beispielsweise eine Folie verwendet werden, die auf den Schichtstapel aufgeklebt oder auflaminiert wird. Die Isolationsschicht 40 kann ein Ma ^¬ terial aus einem Polymer, beispielsweise aus Polyimid aufwei ^¬ sen. Ein derartiges Material wird beispielsweise unter dem Handelsnamen Kapton vertrieben. Alternativ dazu können Materialien verwendet werden, die durch Sprühen, Tauchen oder Lackieren auf den Schichtstapel 1 aufgebracht werden können.

Über dem Schichtstapel wird des Weiteren eine Deckschicht 50 aufgebracht. Gemäß der in Figur 1 gezeigten Aus führungs form ist die Deckschicht 50 auf der Isolationsschicht 40 angeord ^¬ net. Die Deckschicht 50 kann ein Material aus Metall aufwei ^¬ sen. Die Deckschicht kann beispielsweise eine Teilschicht 51 umfassen, die auf die Isolationsschicht 40 aufgesputtert ist. Die Isolationsschicht ist einerseits dazu ausgebildet, die

Elektrodenschichten 20 des Schichtstapels 1 von der Umgebung zu isolieren und andererseits geeignet ausgeführt, um als Un ^¬ terlage für die Sputterschicht 51 zu dienen. Die Isolations ^¬ schicht weist dazu vorzugsweise eine Dicke von 10 μπι bis 500 μπι auf. Die Teilschicht 51 erstreckt sich über den Endbereich der Isolationsschicht 40 hinaus und ist auf die Materiallagen 31 und 32 aufgesputtert . Die Sputterschicht 51 kann mit einer Dicke von einigen 100 nm bis wenigen Mikrometern über die I- solationsschicht 40 und die an den Schichtstapel 1 angrenzen- den Materiallagen 31 und 32 gesputtert sein. Über der Sputterschicht 51 kann eine weitere Teilschicht 52 angeordnet sein. Die Teilschicht 52 wird vorzugsweise durch galvanische Abscheidung eines Metalls, beispielsweise von Kupfer, auf der Sputterschicht 51 angeordnet. Die Deckschicht 50 umgibt somit den Schichtstapel 1.

Durch den Sputterprozess entsteht an einem Bereich A zwischen der Deckschicht 50 aus dem Metall und den Materiallagen 31 und 32 eine dichte Verbindung. Die Sputterschicht 51 und die darauf angeordnete galvanische Verstärkungsschicht 52 ermög ^¬ lichen somit eine hermetische Kapselung des Schichtstapels 1. Die piezoelektrischen Materialschichten 10 und die Elektro- denschichten 20 sind dadurch weitestgehend vor dem Eindringen beziehungsweise dem Kontakt von schädlichen Substanzen, insbesondere von flüssigen oder gasförmigen Substanzen, geschützt . Figur 2 zeigt eine Aus führungs form der Deckschicht 50 aus verschiedenen Schichten. Die Teilschicht 51 kann eine Haftvermittlerschicht 511, beispielsweise eine Schicht aus Titan oder Chrom, aufweisen, über der nachfolgend eine Verstärkungsschicht 512, beispielsweise eine Schicht aus Kupfer, an- geordnet ist. Die Dicke der Sputterschicht 51 beträgt bei ^¬ spielsweise einige Zehntel μπι bis wenige μπι, beispielsweise zwischen 10 μπι und 100 μπι. Über der Sputterschicht 51 wird die Teilschicht 52 galvanisch in einem nachfolgenden Prozess abgeschieden. Als Material für die Galvanikschicht 52 kann beispielsweise Kupfer verwendet werden. Die Teilschichten 51 und 52 können zusammen beispielsweise eine Schichtdicke zwi ^¬ schen 10 μπι bis 100 μπι aufweisen. Zum Schutz der Galvanikschicht 52 vor Korrosion kann die Deckschicht 50 eine weitere Teilschicht 53 aufweisen. Die Teilschicht 53 kann beispiels- weise eine Schicht aus Nickel sein, die auf der Teilschicht 52 ebenfalls galvanisch abgeschieden wird. Figur 3 zeigt eine Aus führungs form 2000 des Piezoaktuators . Gleiche Komponenten wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Aus führungs form ist bei der Aus führungs form gemäß Figur 3 zwischen der Isolationsschicht 40 und der Deckschicht 50 eine Zwischenschicht 70 vorgesehen. Die Zwischenschicht 70 kann beispielsweise eine Folie aus einem thermoplastischen Material sein, die als Unterlage zum Aufbringen der Sputterschicht 51 dient. Bei der in Figur 3 gezeigten Aus führungs form ist es möglich, die Isolationseigenschaften der Passivierungsschicht 40 und die Oberflächeneigenschaften der Zwischenschicht 70 getrennt zu optimieren.

Figur 4 zeigt eine Aus führungs form 3000 des Piezoaktuators mit einer Abdichtung des Schichtstapels 1 gegenüber der Umgebung. Gleiche Komponenten wie bei den Aus führungs formen der Figuren 1 und 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Aus führungs form ist über der Deckschicht 50 und den Materiallagen 31 und 32 ein Material 80 aus einem Polymer angeordnet. Beispielsweise kann ein Schlauch aus einem Polymermaterial, insbesondere aus Tef ^¬ lon, als äußere Umhüllung der Deckschicht 50 und der Materiallagen 31 und 32 aufgebracht sein. Der Polymerschlauch kann beispielsweise ein Schrumpfschlauch sein, der durch Wärmeein- Wirkung auf die Deckschicht 50 und die passiven Decklagen 31 und 32 aufgeschrumpft wird.

Der Schlauch aus dem Polymermaterial kann in den passiven Bereichen des Piezoaktors, das heißt im Bereich der passiven Decklagen 31 und 32, mit Klemmen, beispielsweise mit Dicht ^¬ ringen 90, abgedichtet werden. Durch das Anordnen des Materials aus Polymer als äußere Schicht des Piezoaktuators wird ein Schutz der Deckschicht 50 gegenüber Beschädigungen, die _

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möglicherweise eine Undichtigkeit zur Folge hätten, erreicht. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass auch über die in Figur 3 gezeigte Aus führungs form eines Piezoaktors als äu ^¬ ßere Schutzschicht ein Material aus einem Polymer aufgebracht werden kann.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Aus führungs form 4000 des Piezoaktuators , bei der der Schichtstapel 1 durch die Deckschicht 50 gegenüber Einflüssen aus der Umgebung versiegelt ist. Gleiche Komponenten des Piezoaktuators wie in den vorangehenden Figuren sind wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsformen ist in der Deckschicht 50 eine Aussparung 60 zur Kontak- tierung der Elektrodenschichten des Schichtstapels 1 vorgesehen. Da die Aussparung 60 kleinflächig gestaltet ist kann das Fenster für die Kontaktierung durch Wahl entsprechender

Dichtmaterialien, die für die gesamte Passivierung des Aktua- tors nicht in Frage kommen würden, abgedichtet werden, um ei ^¬ ne bestmögliche Dichtheit zu erreichen. Beispielsweise kann hierfür ein Material aus Epoxid verwendet werden.

Figur 6 zeigt eine Aus führungs form 5000 des Piezoaktuators. Zur besseren Darstellung der gezeigten Aus führungs form sind die Isolationsschicht 40 und die Deckschicht 50 nicht in Fi- gur 6 dargestellt. Der Piezoaktuator weist den Schichtstapel 1 aus den piezoelektrischen Materialschichten 10 und den dazwischen angeordneten Elektrodenschichten 20 auf. An der 0- ber- und Unterseite des Schichtstapels 1 sind die Materialla ^¬ gen 31 und 32 als passive Decklagen, beispielsweise aus einer inaktiven Keramik, angeordnet. Das inaktive keramische Mate ^¬ rial der Decklagen 31 und 32 zeigt beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Schichten 10 eine geringere Ausdehnung als die piezoelektrischen Schichten, was im Sinne der Aus führungs formen des Piezoaktuators den Fall, dass die Decklagen überhaupt keine Ausdehnung zeigen, mit einschließt. Die passiven Decklagen sind als Endkappen des Piezoaktuators ausgebildet .

Zur Kontaktierung der Elektrodenschichten 20 mit einer anregenden Spannung ist eine Verdrahtungsschicht 100, beispiels ^¬ weise eine Schicht aus einem leitfähigen Material, auf der Oberseite des Schichtstapels 1 vorgesehen. Die Verdrahtungs- schicht 100 kann zwei voneinander isoliert angeordnete Teil ^¬ schichten 101 und 102 aufweisen. Jede der Teilschichten 101 und 102 ist mit einem Kontaktanschluss 120 zum Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktuator verbunden. Die Verbindung zwischen den Kontaktanschlüssen 120 und den Teil- schichten 101 und 102 der Verdrahtungsschicht 100 erfolgt durch Bohrungen 110, so genannten Vias, die ein leitfähiges Material enthalten. Zum Anschließen eines Steckverbinders an den Piezoaktuator ist ein Lotdichtring 130 auf der passiven Decklage 31 vorgesehen, mit dem der Steckverbinder beispiels- weise verlötet werden kann.

Figur 7A zeigt für die Aus führungs form 5000 eine Ausführungsvariante zum Anschluss der Elektrodenschichten 20 an die voneinander isolierten Abschnitte 101 und 102 der Verdrahtungs- schicht 100. Entlang verschiedener Seitenflächen des Piezoaktuators sind eine Leiterbahn 141 und eine Leiterbahn 142 vorgesehen. Die Leiterbahnen können beispielsweise jeweils als eine flexible Kupfer-Sammelschiene ausgebildet sein. Jede der Leiterbahnen 141 und 142 verbindet jede zweite und somit ü- bernächste Elektrodenschicht 20. Zur Zuführung der Spannung sind die Leiterbahnen mit den beiden Abschnitten 101 und 102 der Verdrahtungsschicht 100 verbunden. Um der dynamischen Belastung während einer Ausdehnung des Schichtstapels 1 standzuhalten, sind die Leiterbahnen 141 und 142 jeweils raupenartig beziehungsweise mit bogenförmigen Ab ^¬ schnitten 143 ausgebildet. Die bogenförmigen Abschnitte kön- nen gerundet oder eckig ausgebildet sein. Insbesondere sind die Leiterbahnen derart ausgeführt, dass jeweils ein Bogen der Leiterbahn 141, 142 jede übernächste Elektrodenschicht 20 verbindet. Da durch die bogenförmige Wölbung der Leiterbahnen 141 und 142 nur jede zweite Elektrodenschicht mit einer der Leiterbahnen kontaktiert ist, wird es ermöglicht, die Elekt ^¬ rodenschichten 20 zwischen den piezoelektrischen Schichten 10 derart auszubilden, dass die Elektrodenschichten jeweils die gesamte Fläche der piezoelektrischen Schichten überdecken. Somit ist die Fertigung des Schichtstapels 1 ohne größeren Aufwand möglich. Zudem ist die piezoelektrische Kopplung ef ^¬ fektiver, da der gesamte Stapelquerschnitt ohne Randausspa ^¬ rungen angetrieben wird.

Zur Fertigung der Leiterbahn 141 und 142 kann auf den

Schichtstapel 1 zunächst eine Fotoresistschicht aufgebracht werden. Anschließend werden die Bereiche der Elektrodenschichten durch Laserbestrahlung freigelegt. Über die Resistschicht und die freigelegten Elektrodenschichten wird eine Unterschicht (Seed Layer) gesputtert. Der Seed Layer kann laserstrukturiert werden, so dass lediglich die Bereiche, an denen die Leiterbahnen 141 und 142 ausgebildet werden, übrig bleiben. Der Schichtaufbau der Leiterbahnen 141 und 142 kann anschließend durch galvanische Schichtabscheidung erfolgen. Das Resist kann unter den brückenförmigen Wölbungen 143 der Leiterbahnen 141 und 142 verbleiben oder entfernt werden. Die Resistschicht unter den Leiterbahnen kann als Verstärkungs ^¬ schicht für die Sammelschienen 141 und 142 dienen. Figur 7B zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Ausfüh- rungsform 5000 des Piezoaktuators . Bei der in Figur 7B gezeigten Ausführungsvariante sind die beiden Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Seite des Piezoaktors angeordnet. Diese Aus führungs form hat den Vorteil, dass die beiden Sammelschie ^¬ nen auf der gemeinsamen Oberfläche einer Seitenfläche des Piezoaktuators gemeinsam prozessiert werden können.

Figur 8 zeigt den Piezoaktuator der Aus führungs form 5000, bei dem der Schichtstapel 1 und die Leiterbahnen 141 und 142 zu ^¬ nächst von einer Isolationsschicht und einer Deckschicht um ^¬ geben sind. In Figur 8 ist lediglich die äußere Deckschicht 50 dargestellt. Die Deckschicht weist eine Sputterschicht auf, die über der Isolationsschicht und über den an den

Schichtstapel 1 angrenzenden passiven Decklagen aufgesputtert ist. Über der Sputterschicht kann eine Verstärkungsschicht durch galvanische Schichtabscheidung erzeugt werden. Durch die Sputterschicht und die galvanische Verstärkung ist der komplette Schichtstapel hermetisch gekapselt. Die in Figur 8 gezeigte Kontur der Deckschicht 50 ermöglicht eine gute elas ^¬ tische Verformbarkeit in Richtung der Aktorlängsachse. Diese Kontur kann zum Beispiel erzielt werden durch ein entsprechendes Spritz-/Moldwerkzeug für die darunter liegende Isola ^¬ tionsschicht. Alternativ kann auch eine Tauch-Resistbeschich- tung aufgetragen werden.

Die gezeigten Aus führungs formen des Piezoaktuators erfordern einen minimalen Platzbedarf bei größtmöglicher Dichtheit gegenüber der Umgebung. Dies wird dadurch realisiert, dass um- laufend um den Schichtstapel und die angrenzenden Materialla ^¬ gen eine durchgehende Metall- beziehungsweise Keramik ^¬ umhüllung ohne Stoßstellen realisiert wird. Wesentlich dabei ist insbesondere die feste und dichte Verbindung am Übergang zwischen der inaktiven Keramik der Materiallagen und der Deckschicht aus Metall, welche mittels des Sputterprozesses realisiert wird.

Bezugs zeichenliste

1 Schichtstapel

10 piezoelektrische Materialschichten 20 Elektrodenschichten

31, 32 Materiallagen/passive Decklagen

40 IsolationsSchicht/PassivierungsSchicht

50 Deckschicht

51 Teilschicht/Sputterschicht

52 Teilschicht/Galvanikschicht

60 Aussparung für Kontaktierung

70 Zwischenschicht

80 Polymerschlauch

90 Dichtring

100 Verdrahtungsschicht

101, 102 Abschnitte der Verdrahtungsschicht

110 Bohrung/Via

120 Kontaktanschluss

130 Lotdichtring

141, 142 Leiterbahnen