Ein piezoelektrisches Element der eingangs genannten Art dient vorrangig zur Ausnutzung des indirekten oder reziproken piezoelektrischen Effekts, d. h. der Umwandlung von elektri- scher in mechanische Energie. Gleichwohl eignet sich ein der- artiges piezoelektrisches Element aber auch dazu, mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Hierbei wird der direkte piezoelektrische Effekt ausgenutzt.

Für ein piezoelektrisches Element, wie es in seinem einfach- sten Aufbau vorstehend beschrieben ist, gibt es eine Vielzahl von technischen Anwendungen. Solche Anwendungen sind z. B. als piezoelektrischer Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker, als Schallaufnehmer oder-erzeuger für Mikrophone bzw. Laut- sprecher, als Sensor für die Beschleunigungs-oder Druckmes- sung, als Stellelement in Braille-Zeilen, in Lesegeräten für Blinde, in Textilmaschinen, in Pneumatikventilen, in Ein- spritzventilen oder in schreibenden Meßgeräten sowie in be- rührungslosen Oberflächenmeßinstrumenten usw.

Gemäß der EP 0 455 342 B1 und der EP 0 468 796 A1 wird ein piezoelektrisches Element in einer Schichtstruktur aufgebaut.

Dabei wird eine piezokeramische Schicht zur Verbesserung der mechanischen Stabilität des Elements oder zum Zwecke einer besseren Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie oder umgekehrt auf einen Träger oder Tragkörper aufgebracht.

Für die elektrische Kontaktierung ist die piezokeramische Schicht beidseitig mit Elektroden in Form einer flächigen Be- legung aus einem leitfähigen Material versehen.

Je nach Anwendung kann der Träger ein-oder zweiseitig mit der beschriebenen Schichtabfolge aus piezokeramischer Schicht und Elektroden versehen sein. Gemaß der DE 34 34 726 C2 kön- nen auch mehrere Lagen piezokeramischer Schichten einschließ- lich der Elektroden übereinander gestapelt sein. Bei einer solchen Stapelung braucht der Tragkörper nicht vorhanden zu sein. Je nach Anzahl der piezoelektrisch aktiven Schichten spricht man von einem mono,-bi,-tri-oder dann multimorphen piezoelektrischen Element.

Ein als Biegewandler ausgestaltetes mono-oder bimorphes pie- zoelektrisches Element findet sich beispielsweise in der DE 196 20 826 C2. Ein ebenfalls als Biegewandler ausgestaltetes multimorphes piezoelektrisches Element ist in der WO 99/17383 A offenbart.

Piezoelektrische Elemente ohne Tragkörper in Vielschichtauf- bau sind beispielsweise aus der DE 196 46 676 Cl oder aus der EP 0 844 678 AI bekannt. Derartige auch als"Aktoren"bekann- te piezoelektrische Elemente werden als Antriebselemente für Pneumatik-oder Einspritzventile eingesetzt.

Als Stellelemente (Biegewandler, Aktoren) ausgestaltete pie- zoelektrische Elemente ersetzen allmählich herkömmliche auf der Magnettechnologie aufbauende Stellelemente. Auch in der Sensorik erschließen sich für piezoelektrische Elemente immer weitere Einsatzmöglichkeiten. Nachteiligerweise zeigen jedoch sowohl die piezokeramischen Schichten als auch die häufig als Metallisierung aufgebrachten Elektroden eine gewisse Empfind- lichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie Wasserdampf oder einer chemisch aggressiven Umgebung. Aus diesem Grund ist die Lebensdauer von piezoelektrischen Elementen, die beispiels- weise in mit Flüssigkeiten, wie Wasser, Kraftstoffen oder Bremsflüssigkeiten sowie mit korrodierenden Gasen beauf- schlagten Ventilen angeordnet sind, noch nicht zufriedenstel- lend lange.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein piezoelektrisches Element anzugeben, das auch in einer feuchten, korrodierenden oder chemisch aggressiven Umgebung eine hohe Lebensdauer auf- weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das piezoelektrische Element eine äußere Beschichtung aus Paryle- ne aufweist. Parylene ist dabei eine Gruppenbezeichnung fur thermoplastische Polymerfilme aus Poly-Para-Xylylen, wobei die aromatischen Wasserstoff-Atome durch Chlor-Atome ersetzt sein können. Entsprechend spricht man bei einem unsubstitu- ierten Poly-Para-Xylylen von Parylene N, im Falle der Substi- tution eines Wasserstoff-Atoms durch ein Chlor-Atom von Pary- lene C und im Falle der'Substitution von zwei aromatischen Wasserstoff-Atomen durch zwei Chlor-Atome von Parylene D.

Parylene entsteht aus p-Xylol, welches in einer ersten Reak- tionsstufe ein dimeres Paracyclophan bildet, welches in einer Sublimationskammer bei ca. 600 bis 680 °C zu monomerem, bira- dikalischem p-Xylylen pyrolisiert wird. Dieses polymerisiert filmartig (der sogenannte Goreham-Prozeß) bei Temperaturen unter 35 °C zu Polymeren mit n von ca. 5000 und einem Moleku- largewicht von etwa 500000.

Zu den chemischen Strukturen von Parylene N, Parylene C und Parylene D siehe auch Figuren 6,7 bzw. 8.

In den Handel gelangt Parylene als das feste Dimer. Zur Be- schichtung unterschiedlichster Materialien wird in einem er- sten Schritt das feste Dimer bei ungefähr 150 °C verdampft.

In einem zweiten Schritt wird das Dimer bei etwa 680 °C pyro- lisiert, wodurch das stabile monomere diradiaklische Para- Xylylen enthalten wird. Dieses Monomer wird anschließend bei Raumtemperaturen und niedrigem Druck in einer Beschichtungs- kammer auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats ad- sorbiert, wobei es polymerisiert.

Das vorstehend beschriebene Beschichtungsverfahren soll dabei keine Einschränkung hinsichtlich des Aufbringens einer äuße- ren Beschichtung aus Parylene auf das piezoelektrische Ele- ment gemäß der Erfindung darstellen. Obschon das beschriebene Verfahren eines der gängigsten Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung aus Parylene ist, gibt es selbstverständlich daneben eine ganze Reihe weiterer Beschichtungsverfahren, die sich in den einzelnen Parametern oder Arbeitsschritten unter- scheiden können.

Hinsichtlich einer guten Umsetzung von elektrischer in mecha- nische Energie ist es vorteilhaft, wenn das piezoelektrische Element einen Träger aufweist, der die piezokeramische Schicht trägt. Ein solches piezoelektrisches Element eignet sich insbesondere als ein Biegewandler, d. h. als ein Stell- oder Steuerelement, in vielerlei technischen Anwendungen, wo ausgehend von einem elektronischen Steuerimpuls eine mechani- sche Auslenkung gefordert ist. Solche Anwendungen sind z. B.

Textilmaschinen, in denen abhängig von der Auslenkung eines Biegewandlers eine Masche geknüpft wird oder nicht oder Ven- tile, in welchen die Auslenkung eines Biegewandlers zum Schließen oder Offnen des Ventils herangezogen wird.

Ebenfalls wird vorteilhafterweise eine gute Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie erzielt, wenn das piezo- elektrische Element mindestens einen Stapel aus einer Mehr- zahl von piezokeramischen Schichten und dazwischen angeordne- ten Elektroden aufweist. Aufgrund der dünnen piezokeramischen Einzelschichten und dem damit verbundenen kleinen Abstand zwischen benachbarten Elektroden kann ein hohes elektrisches Feld am Ort der Piezokeramik erzielt werden. Bei vergleichba- rer Dicke des Stapels und einer einzelnen piezokeramischen Schicht wird demnach bei gleicher Versorgungsspannung von ei- nem piezoelektrischen Element mit einem Stapel aus piezokera- mischen Schichten eine höhere mechanische Energie zur Verfu- gung gestellt.

Hinsichtlich des Anschlußes der Elektroden an eine externe Versorgungsspannung ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Kontaktierung der Elektroden über mindestens einen gebondeten Kontaktdraht erfolgt. Diese Technik ist beispielsweise aus der Mikroelektronik bekannt, wobei die Anschlüsse eines Mi- krochips über daran gebondete feine Kontaktdrähte nach außen zu einem Kontaktstift geführt werden. Dabei wird der Kontakt- draht in der Regel maschinell über eine feine Lötstelle mit den Anschlüssen kontaktiert. Bei diesem Verfahren spricht man von einem Bonding-Verfahren. Ein solches Verfahren bietet sich auch für ein piezoelektrisches Element an, insbesondere dann, wenn es notwendig wird, viele einzelne piezoelektrische Elemente in einem Modul zusammenzufassen. Die Kontaktdrähte können dann ebenfalls maschinell direkt auf die Elektroden gebondet werden und nach außen zu einem Kontaktstift geführt werden.

Falls ein Träger vorhanden ist, können die Elektroden in Form einer Metallisierung auf den freien Teil des Trägers gezogen werden und dort mit dem Kontaktdraht gebondet werden. Falls das piezoelektrische Element keinen Träger aufweist, so wer- den die Elektroden entsprechend der gewunschten Spannungsver- sorgung nach außen mit einer auf einer Seitenfläche des pie- zoelektrischen Elements angeordneten äußeren, flächigen Elek- trode kontaktiert. Diese äußere Elektrode kann dann ebenfalls mit dem Kontaktdraht gebondet werden.

Für einen Kontaktdraht, der gemäß dem Bonding-Verfahren mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elements kontaktiert ist, bietet sich eine Dicke von 20 bis 200 um an. Beim soge- nannten Dünndrahtbonden sind insbesondere Dicken zwischen 20 und 100 um üblich.

Vorteilhafterweise ist ein derartiger Kontaktdraht zumindest auf einem Teilstück ebenfalls mit Parylene beschichtet. Es hat sich nämlich gezeigt, daß aufgrund einer derartigen Be-

schichtung mit Parylene die dünnen Kontaktdrähte eine erhöhte mechanische Festigkeit gegen Bruch aufweisen.

Besonders von Vorteil für ein piezoelektrisches Element in feuchter Umgebung ist eine äußere Beschichtung aus Parylene C. Eine solche Beschichtung zeigt gegenüber einer Beschich- tung mit Parylene D oder Parylene N eine verringerte Wasser- durchlässigkeit. Ist eine hohe Temperaturfestigkeit bis grö- ßer 125 °C gefordert, so empfiehlt sich jedoch Parylene N.

Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der äußeren Beschichtung aus Parylene 20 bis 50 um. Bei einer solchen Dicke ist eine hinreichende Beständigkeit gegen chemische, mechanische, gas- förmige und fluidische Umgebungseinflüsse gegeben. Auch zeigt eine Beschichtung in der angegebenen Dicke aufgrund der gro- ßen Dielektrizitätszahl von Parylene ein hohes Isolationsver- mögen. Auf diese Weise wird eine hohe Durchschlagsfestigkeit und somit eine gute Isolation gegen äußere Berührungen er- zielt. Gegenüber anderen Beschichtungen wie Lacken wird durch die Beschichtung aus Parylene in der angegebenen Dicke die äußere Geometrie des piezoelektrischen Elements nicht veran- dert. Zudem ist das Aufquellverhalten von Parylene auch auf Piezokeramiken unter Wasserdampf minimal.

Eine äußere Beschichtung aus Parylene bietet also nicht nur einen hervorragenden Schutz gegen äußere Einflüsse und eine chemische Beständigkeit gegen eine Vielzahl von gasförmigen, fluidischen und festen Medien, sondern dient gleichzeitig auch zur Isolation des piezoelektrischen Elements und trägt damit zur Erhöhung seiner Berührsicherheit bei. Bei einer du- ßeren Beschichtung mit Parylene kann also auf herkömmliche Beschichtungen zur Isolation wie Lacke und dergleichen ver- zichtet werden.

Sollte dennoch die Wasserdurchlässigkeit von Parylene auf- grund eines Einsatzes des piezoelektrischen Elements in sehr feuchter Umgebung nicht genugen, so ist es vorteilhaft, wenn

auf die äußere Beschichtung aus Parylene zusätzlich eine Me- tallschicht aufgebracht ist. Dies geschieht am einfachsten durch Metallisieren der Oberfläche. Auf diese Weise wird eine kaum noch zu überbietende Barriere für Wasserdampf geschaf- fen, so daß das piezoelektrische Element und insbesondere die piezokeramischen Schichten äußerst effektiv geschützt sind.

Aufgrund der hohen Dielektrizitätszahl von Parylene ist auch bei einer äußeren Metallschicht das piezoelektrische Element weiterhin berührungssicher.

Vorteilhafterweise besteht die Metallschicht aus Silber, Kup- fer, Aluminium, Zinn oder Titan.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Dabei zeigen : FIG 1 in einem Längsschnitt ein monomorphes piezoelektri- sches Element mit einer einzelnen piezokeramischen Schicht, die auf einen Träger aufgebracht ist, FIG 2 in einem Querschnitt das piezoelektrische Element ge- mäß Figur 1, FIG 3 in einem Längsschnitt ein multimorphes piezoelektri- sches Element mit einem Träger, der beidseitig jeweils mit einem Stapel aus piezokeramischen Schichten verse- hen ist, FIG 4 in einem vergrößerten Ausschnitt aus dem Querschnitt gemäß Figur 2, eine äußere Beschichtung aus Parylene, auf welcher zusätzlich eine Metallschicht aufgebracht ist, FIG 5 in einem Querschnitt ein piezoelektrisches Element aus einer Vielzahl von piezokeramischen Schichten, FIG 6 die chemische Struktur von Parylene N,

FIG 7 die chemische von Parylene C und FIG 8 die chemische Struktur von Parylene D.

In Figur 1 ist in einem Längsschnitt ein piezoelektrisches Element mit einer piezokeramischen Schicht 1 auf einem Träger 2 dargestellt. Die piezokeramische Schicht 1 befindet sich dabei zwischen einer äußeren Elektrode 4 und einer inneren Elektrode 5. Beide Elektroden 4,5 sind als Metallisierung flachig aufgebracht. Die mit den Elektroden 4,5 versehene piezokeramische Schicht 1 ist über eine zusätzliche leitfähi- ge Belegung 7 mit dem Tragkörper 2 fest verbunden.

Die piezokeramische Schicht 1 besteht aus einer Blei-Titanat- Zirkonat-Oxidkeramik (PZT-Keramik), deren chemische Zusammen- setzung eine Anpassung an die unterschiedlichsten geforderten elektrischen und mechanischen Eigenschaften erlaubt. Der Trä- ger selbst kann aus einem Metall, einem Kunststoff und insbe- sondere aus einem faserverstärkten Epoxidharz bestehen.

Die zusätzliche leitfähige Belegung 7 zwischen innerer Elek- trode 5 und dem Träger 2 erhöht im Falle eines nicht leiten- den Trägers 2, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz, die Ausfallsicherheit des piezoelektrischen Ele- ments. In diesem Fall-wie dargestellt-ist zur elektri- schen Kontaktierung der inneren Elektrode 5 die zusätzliche leitfähige Belegung 7 auf den freien Teil des nicht leitenden Tragkörpers 2 gefuhrt, und dort mit einem Kontaktdraht 8 über eine Lötstelle 9 gebondet. Die elektrische Kontaktierung der äußeren Elektrode 4 ist nicht dargestellt. Diese kann jedoch über einen direkt mit der äußeren Elektrode 4 gebondeten wei- teren Kontaktdraht erfolgen.

Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 1 wird nach der Verbindung der einzelnen Komponenten inklusive der Kon- taktdrähte 8 auf die in der Beschreibung dargestellte Art und Weise mit einer äußeren Beschichtung P aus Parylene C be-

schichtet. Dabei beträgt die Dicke der Beschichtung P aus Pa- rylene 30 um. Durch das Abscheiden und Polymerisieren von Pa- rylene aus der Gasphase auf der Oberfläche des piezoelektri- schen Elements legt sich die äußere Beschichtung P aus Pary- lene auch problemlos über Kanten und Ecken des piezoelektri- schen Elements. Gerade an diesen Stellen entstehen bei übli- chen Beschichtungen wie Lacken durch das Auftreten von Menis- ken oder"Nasen"erhebliche Probleme, da die äußere Form nicht erhalten bleibt. Gerade dies ist bei einer äußeren Be- schichtung P mit Parylene nicht der Fall.

Das in Figur 1 dargestellte piezoelektrische Element eignet sich insbesondere als ein sogenannter Biegewandler. Beim An- legen einer Spannung zwischen der äußeren Elektrode 4 und der inneren Elektrode 5 entsteht am Ort der piezokeramischen Schicht 1 ein elektrisches Feld. Aufgrund dieses elektrischen Feldes dehnt oder staucht sich je nach Polerisationsrichtung die piezokeramische Schicht l. Im vorliegenden Fall wird die Dehnung oder Stauchung senkrecht zur Richtung des elektri- schen Feldes und in Längsrichtung des Trägers 2 ausgenutzt.

Eine Dehnung oder Stauchung der piezokeramischen Schicht 1 in Langsrichtung des Trägers 2 führt zu einer Verbiegung des Trägers 2 gegenüber seiner Normallage. Wird der Träger 2 an seinem festen Ende fixiert, so kann die Auslenkung des Biege- wandlers am anderen Ende des Trägers 2 zur Steuerung oder zur Betätigung einer weiteren mechanischen Komponente verwendet werden.

Figur 2 zeigt in einem Querschnitt das piezoelektrische Ele- ment gemäß Figur 1. Man erkennt deutlich, daß die äußere Be- schichtung P aus Parylene das piezoelektrische Element samt Seitenflächen und der äußeren Elektrode 4 komplett umgibt.

Der gebondpte Kontaktdraht 8 ist mitsamt der Lötstelle 9 ebenfalls mit Parylene beschichtet. Dies erhöht die mechani- sche Belastbarkeit des Kontaktdrahtes 8.

In Figur 3 ist in einem Längsschnitt ein weiteres piezoelek- trische Element dargestellt. Dieses piezoelektrische Element umfaßt einen ersten Stapel Sl und einen zweiten Stapel S2 mit jeweils einer Vielzahl von piezokeramischen Schichten 10. Die beiden Stapel S1 und S2 sind gegenüberliegend auf einem Trä- ger 11 aufgebracht. Je nach Anforderung an das piezoelektri- sche Element kann der Träger 11 aus den verschiedensten Mate- rialien wie Metall, Stahl, Kunststoff, etc. bestehen. Auch kann der Träger 11 selbst aus einer Piezokeramik gefertigt sein. Der Träger 11 kann dabei zur Verbesserung der Umsetzung von mechanischer in elektrische Energie (oder umgekehrt) ver- wendet sein. Er kann aber auch die Funktion einer bloßen Zwi- schenschicht zwischen dem ersten Stapel Sl und dem zweiten Stapel S2 aufweisen. Eine derartige Zwischenschicht baut me- chanische Spannungen zwischen dem ersten Stapel S1 und dem zweiten Stapel S2 ab.

Der erste Stapel Sl weist jeweils als Metallisierungsschicht ausgebildete erste Elektroden 12 und diesen benachbarte zwei- te Elektroden 13 auf. Entsprechend weist der zweite Stapel S2 zwischen den piezokeramischen Schichten 10 erste Elektroden 14 und diesen benachbart zweite Elektroden 16 auf.

Die ersten Elektroden 12 sind-nicht näher dargestellt- über den Kontaktdraht 17 kontaktiert. Die zweiten Elektroden 13 sind über eine ebenfalls nicht naher dargestellte äußere Elektrode und einen daran gebondeten zweiten Kontaktdraht 18 kontaktiert. Entsprechend sind die ersten Elektroden 14 des zweiten Stapels S2 über den dritten Kontaktdraht 19 und die zweiten Elektroden 16 des zweiten Stapels S2 über den vierten Kontaktdraht 20 elektrisch kontaktiert. Alle Kontaktdrähte 17,18,19 und 20 sind über eine Lötstelle mit einer entspre- chenden Anschlußelektrode gebondet.

Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 3 ist wie- derum komplett mit einer äußeren Beschichtung P aus Parylene umhüllt. Auch die aus Kupfer bestehenden und etwa 100 um dik-

ken Kontaktdrähte sind zur Erhöhung der mechanischen Stabili- tät mit Parylene beschichtet.

Auch das in Figur 3 dargestellte piezoelektrische Element eignet sich als ein Biegewandler, weist jedoch gegenüber dem Biegewandler in Figur 1 bei gleicher Versorgungsspannung eine höhere Stellkraft auf.

Figur 4 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt A aus 2 die Beschichtung des piezoelektrischen Elements, wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. In dem Ausschnitt A ist deutlich zu erkennen, daß die äußere Beschichtung P aus Pary- lene C zusätzlich mit einer Metallschicht M umhüllt ist. Die Metallschicht M besteht aus Silber und wurde durch Metalli- sieren (beispielsweise durch Abscheiden aus der Gasphase) auf die äußere Beschichtung P aus Parylene aufgebracht. Durch die Doppelbeschichtung mit Parylene und Metallschicht M ist das piezoelektrische Element äußerst effektiv gegen äußere Ein- flüsse und insbesondere gegen eindringenden Wasserdampf ge- schützt.

Figur 5 zeigt in einem Querschnitt ein weiteres piezoelektri- sches Element, welches einen einzelnen Stapel S3 aus einer Anzahl von piezokeramischen Schichten 21 mit dazwischenlie- genden ersten Elektroden 22 und zweiten Elektroden 23 auf- weist. Bei einem solchen Element kann insbesondere die Aus- dehnung oder Stauchung der piezokeramischen Schichten paral- lel oder antiparallel zum elektrischen Feld ausgenutzt wer- den. Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 5 dehnt oder staucht sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die ersten Elektroden 22 und die zweiten Elektroden 23 in Stapelrichtung.

Zum Anschluß der ersten Elektroden 22 und der zweiten Elek- troden 23 sind Kontaktdrähte 25 bzw. 26 vorgesehen. Diese sind über an den Seitenflächen des piezoelektrischen Elements angeordnete und jeweils nur mit jeder zweiten Elektrode kon- taktierte äußeren Elektroden elektrisch kontaktiert. Das in

Figur 5 dargestellte piezoelektrische Element eignet sich beispielsweise als ein Akcor zur Betätigung eines Stellglie- des in einem Ventil. Das piezoelektrische Element gemäß Figur 5 kann dabei in Pneumatik-, Einspritz-oder sonstigen Venti- len eingesetzt werden. Auch dieses Element zeigt aufgrund des Schichtenaufbaus (auch Multilayer-Aufbau genannt) eine hohe Stellkraft.

Das gesamte piezoelektrische Element gemäß Figur 5 ist mit einer äußeren Beschichtung P aus Parylene N versehen. Dies er- möglicht einen Einsatz bei Temperaturen bis ca. 160 °C. Auch die Kontaktdrähte 25 und 26 sind wiederum mit Parylene be- schichtet.

In den Figuren 6,7 und 8 sind jeweils die chemischen Struk- turen von Parylene N, Parylene C bzw. Parylene D dargestellt.

Parylene N gemäß Figur 6 weist keine Substitution der aroma- tischen Wasserstoff-Atome. Bei Parylene C gemäß Figur 7 ist ein aromatisches Wasserstoff-Atom durch ein Chlor-Atom, wie dargestellt, ersetzt. Parylene D schließlich zeigt gemäß Fi- gur 8 eine Substitution zweier aromatischer Wasserstoff-Atome durch zwei Chlor-Atome. Auf einer äußeren Beschichtung aus Parylene beträgt n etwa 5000.