DE69410918T2

DE69410918T2 - Zirconiummembranstruktur, Herstellungsverfahren hierfür, und Piezoelektrisch/Elektrostriktives Dünnfilmelement mit dieser Struktur

Info

Publication number: DE69410918T2
Application number: DE69410918T
Authority: DE
Inventors: Hideo C/O Ngk Insulators Ltd. Nagoya City Aichi Pref. Masumori; Tsutomu C/O Ngk Insulators Ltd. Nagoya City Aichi Pref. Nanataki; Katsuyuki C/O Ngk Insulators Ltd. Nagoya City Aichi Pref. Takeuchi; Yukihisa C/O Ngk Insulators Ltd. Nagoya City Aichi Pref. Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-10-14
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2014-10-14
Also published as: US5517076A; US5733670A; EP0649008B1; EP0649008A3; EP0649008A2; DE69410918D1; JPH07162048A; JP3280799B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifif eine Zirconiumdioxid-Membranstruktur, ein Verfahren für deren Herstellung sowie ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement, das die Zirconiumdioxid-Membranstruktur umfaßt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Membranstruktur, die eine dünne Zirconiumdioxidmembran aufweist, die frei von Verziehen, Rissen und anderen Defekten ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Membranstruktur, und sie betrifif auch ein qualitativ hochwertiges piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement, das eine solche Zirconiumdioxid- Membranstruktur umfaßt.

Erörterung des Standes der Technik

Eine Membranstruktur, die ein Substrat oder eine Basis mit zumindest einem/einer durch es/sie hindurchgehenden Fenster oder Öffnung und eine dünne Membranplatte umfaßt, die aus einem flexiblen Material gebildet ist, um das oder die Fenster zu verschließen, findet für verschiedene Arten von Sensoren weitverbreitet Verwendung. In den letzten Jahren ist diese Membranstruktur zunehmend für piezoelektrische/elektrostriktive Aktuatoren verwendet worden. Wenn die Membranstruktur als Komponente für einen Sensor verwendet wird, weist der Sensor geeignete Mittel zum Detektieren des Ausmaßes an Biegen oder Biegeverlagerung einer Membran der Membranstruktur auf, welche Verlagerung durch ein vom Sensor zu messendes Objekt (z.B. eine elektrische Spannung) verursacht wird. Wenn die Membranstruktur als Komponente eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuators verwendet wird, wird die Membran der Membranstruktur durch ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element verformt oder verbogen, das auf der Membran ausgebildet ist. Beispielsweise nutzt der Aktuator eine Änderung im Druck in einer Druckkammer, die innerhalb der Membranstruktur ausgebildet ist.
Die Membranstruktur, wie oben beschrieben, kann hergestellt werden, indem ein einstückiger Körper ausgebildet wird, der aus dem als Basis oder Träger dienenden Substrat und einem Filmelement besteht, das vom Substrat getragen wird und die Membran bereitstellt. Für verbesserte Zuverlässigkeit im Betrieb und erhöhte Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist die Membranstruktur wünschenswert aus einem gebrannten einstückigen Keramikkörper gebildet, wie im US-Patent Nr. 4.894.635 (entspricht der JP-A-63-292032), die sich im Besitz des Zessionärs der vorliegenden Anmeldung befindet, und der an den Zessionär der vorliegenden Anmeldung abgetretenen parallelen europäischen Patentan meldung Nr. 92306517.1 (die der JP-A-5-29675 entspricht) vorgeschlagen. Diese Dokumente offenbaren ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement in Form eines gebrannten einstückigen Körpers aus einem Keramikmaterial, das für einen Drucksensor und einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Aktuator verwendet wird.
Die einstückige Keramik-Membran-Struktur, wie oben beschrieben wird allgemein durch Laminieren eines grünen Keramiksubstrats, das ein Fenster aufweist, mit einer dünnen grünen Keramikplatte zum Verschließen des Fensters ausgebildet, um so einen einstückigen grünen Laminatkeramikkörper zu bilden&sub1; der einen Membranabschnitt aufweist, der das Fenster an einem der gegenüberliegenden offenen Enden des Fensters verschließt. Der grüne Laminatkeramikkörper wird dann zur einstückigen Membranstruktur gebrannt. Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben festgestellt, daß die so hergestellte Membranstruktur dazu tendiert, Verziehen und Rißbildung am Membranabschnitt zu erleiden. Das Verziehen und die Rißbildung am Membranabschnitt beeinträchtigen die/den beabsichtigte(n) Funktion oder Betrieb der Membran, was zu verringerter Zuverlässigkeit beim Betrieb führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zirconiumdioxid- Membranstruktur bereitzustellen, die verringerte(s) Verziehen, Rißbildung und andere physikalische Defekte an ihrem Membranabschnitt aufweist und verbesserte Zuverlässigkeit beim Betrieb gewährleistet.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, das sich zur Herstellung einer solchen Membranstruktur eignet.
Es ist ein drittes Ziel der Erfindung, unter Einsatz der oben beschriebenen Membranstruktur ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement bereitzustellen, insbesondere ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement mit hervorragender Qualität.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zirconiumdioxid- Membranstruktur bereitgestellt, die umfaßt: ein Zirconiumdioxidsubstrat, das zumindest ein Fenster aufweist und 0,1 bis 5,0 Gew.-% einer aus folgenden Kombinationen enthält, die bestehen aus (i) Aluminiumoxid und Calciumoxid, (ii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid, (iii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Siliziumoxid, und (iv) Aluminiumoxid, Calcziumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid; eine Zirconiumdioxid-Membranplatte, die einstückig mit dem Zirconiumdioxidsubstrat ausgebildet ist, um jedes Fenster des Zirconiumdioxidsubstrats an einem offenen Ende eines jeden Fensters zu schließen. Die Membranplatte umfaßt zumindest einen Membranabschnitt, der dem oben angegebenen zumindest einen Fenster entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zirconiumdioxid- Membranstruktur bereitgestellt, umfassend ein Zirconiumdioxidsubstrat mit zumindest einem Fenster und eine Zirconiumdioxid-Membranplatte, die einstückig mit dem Zirconiumdioxidsubstrat ausgebildet ist, um jedes Fenster an einem offenen Ende des Fensters zu schließen, wobei die Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach einem Verfahren hergestellt wird, das folgende Schritte umfaßt: das Herstellen eines grünen Zirconiumdioxidsubstrats mit zumindest einem Fenster, das ein Ausgangsmaterial enthält, das nach dem Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 0,1 bis 5, Gew.-% einer der Kombinationen ergibt, die bestehen aus (i) Aluminiumoxid und Calciumoxid, (ii), Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid, (iii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Siliziumoxid, und (iv) Aluminiumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid; das Ausbilden einer grünen Zirconiumdioxidplatte auf dem grünen Zirconiumdioxidsubstrat, um eine einstückige grüne Laminatstruktur bereitzustellen, bei der das oder die Fenster des grünen Zirconiumdioxidsubstrats durch die grüne Zirconiumdioxidplatte geschlossen wird/werden; und das Brennen der einstückigen grünen Laminatstruktur zu einem einstückigen Sinterkörper in Form der Zirconiumdioxid-Membranstruktur, worin die durch Brennen der grünen Zirconiumdioxidplatte gebildete Zirconiumdioxid-Membranplatte zumindest einen Membranabschnitt bereitstellt, der das oder die Fenster des durch Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats gebildeten Zirconiumdioxidsubstrats schließt.
Bei der wie oben beschrieben konstruierten oder hergestellten Zirconiumdioxid- Membranstruktur gemäß vorliegender Erfindung kann/können der/die Membranabschnitt(e), der/die das Fenster oder die Fenster des Substrats schließt/schließen, kein oder wenig Verziehen, Rißbildung und andere Fehler aufweisen. Daher weist die erfindungsgemäße Membranstruktur verbesserte Qualität und erhöhte Zuverlässigkeit beim Betrieb auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das Zirconiumdioxidsubstrat und die Zirconiumdioxid-Membranplatte hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirconiumdioxid oder einem Material gebildet, das zum teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid gebrannt wird. In diesem Fall weisen das gebrannte Zirconiumdioxidsubstrat und die Membranplatte hohe physikalische bzw. mechanische Festigkeit sowie einen hohen Grad an Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, und die Membranplatte kann ausreichend dünn ausgebildet werden, wodurch sie hohe Flexibilität aufweist. Daher hat die erfindungsgemäße Membranstruktur einen großen Bereich an Anwendungsmögl ichkeiten.
Das oben beschriebene zweite Ziel kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erreicht werden, der ein Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Membranstruktur bereitstellt, die ein Zirconiumdioxidsubstrat mit zumindest einem Fenster und eine Zirconiumdioxid-Membranplatte umfaßt, die jedes Fenster an einem offenen Ende des Fensters schließt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: (a) die Herstellung eines grünen Zirconiumdioxidsubstrats, das zumindest ein Fenster aufweist und ein Ausgangsmaterial enthält, das nach dem Brennen des grünen Substrats 0,1 bis 5,0 Gew.-% einer aus folgenden Kombinationen ergibt: (i) Aluminiumoxid und Calciumoxid, (ii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid, (iii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Siliziumoxid und (iv) Aluminiumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid; (b) die Herstellung einer grünen Zirconiumdioxidplatte; (c) das Laminieren der dünnen grünen Zirconiumdioxidplatte auf dem grünen Zirconiumdioxidsubstrat, um eine einstückige grüne Laminatstruktur bereitzustellen, bei der zumindest ein Fenster des grünen Zirconiumdioxidsubstrats durch die grüne Zirconiumdioxidplatte geschlossen ist; und (d) das Brennen der einstückigen grünen Laminatstruktur zu einem einstückigen Sinterkörper in Form der Zirconiumdioxid-Membranstruktur, worin die durch Brennen der grünen Zirconiumdioxidplatte gebildete Zirconiumdioxid-Membranplatte zumindest einen Membranabschnitt bereitstellt, der das zumindest eine Fenster des durch Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats gebildeten Zirconiumdioxidsubstrats schließt.
Die grüne Zirconiumdioxidplatte und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat können aus einem Zirconiumdioxidmaterial gebildet werden, das teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid umfaßt oder zu einem teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid gebrannt wird. Vorzugsweise hat das Zirconiumdioxidmaterial für die grüne Zirconiumdioxidplatte eine durchschnittliche Teilchengröße, die geringer als jene des zweiten Zirconiumdioxidmaterials für das grüne Zirconiumdioxidsubstrat ist. Beispielsweise hat das Zirconiumdioxidmaterial für die grüne Zirconiu mdioxidplatte vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,05 bis 0,5 um, und das Zirconiumdioxidmaterial für das grüne Zirconiumdioxidsubstrat hat vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 1,0 um. Die Dicke der grünen Zirconiumdioxidplatte kann so bestimmt werden, daß der oben angeführte zumindest eine Membranabschnitt eine Dicke nicht über 30 um aufweist.
Gemäß wieder einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement bereitgestellt, das eine Zirconiumdioxid- Membranstruktur und zumindest eine auf der Zirconiumdioxid-Membranstruktur ausgebildete piezoelektrische/elektrostriktive Einheit umfaßt, wobei die Zirconiumdioxid-Membranstruktur ein Zirconiumdioxidsubstrat mit zumindest einem Fenster sowie eine Zirconiumdioxid-Membranplatte umfaßt, die einstückig mit dem Zirconiumdioxidsubstrat ausgebildet ist, so daß jedes Fenster an einem offenen Ende davon geschlossen wird, wobei jede der oben angeführten zumindest einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit eine untere und eine obere Elektrode sowie eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht umfaßt, die zwischen der unteren und der oberen Elektrode angeordnet ist, wobei das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement nach einem Verfahren hergestellt wird, das folgende Schritte umfaßt: (a) das Herstellen eines grünen Zirconiumdioxidsubstrats, das zumindest ein Fenster aufweist und ein Ausgangsmaterial enthält, das nach dem Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 0,1 bis 5,0 Gew.-% von einem aus (i) Aluminiumoxid und Calciumoxid, (ii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid, (iii) Aluminiumoxid, Calciumoxid und Siliziumoxid und (iv) Aluminiumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid ergibt; (b) das Ausbilden einer grünen Zirconiumdioxidplatte auf dem grünen Zirconiumdioxidsubstrat, um eine einstückige grüne Laminatstruktur bereitzustellen, bei der das zumindest eine Fenster des grünen Zirconiumdioxidsubstrats durch die grüne Zirconiumdioxidplatte geschlossen ist; (c) das Brennen der einstückigen grünen Laminatstruktur zu einem einstückigen Sinterkörper in Form der Zirconiumdioxid-Membranstruktur, worin die durch Brennen der grünen Zirconiumdioxidplatte gebildete Zirconiumdioxid-Membranplatte zumindest einen Membranabschnitt bereitstellt, der das oder die Fenster des durch Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats gebildeten Zirconiumdioxidsubstrats schließt; und (d) das Ausbilden einer jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit an einer Außenfläche des entsprechenden Membranabschnitts der Zirconiumdioxidmembranplatte der Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach einem Filmbildungsverfahren.
Beim so konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelement werden das Zirconiumdioxidsubstrat und die Zirconiumdioxid-Membranplatte der Membranstruktur vorzugsweise hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirconiumdioxid oder einem Material gebildet, das zum teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid gebrannt wird.
Da die Membranstruktur des oben beschriebenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements frei von Verziehen und Rißbildung am Membranabschnitt oder an den Membranabschnitten ist, weist das Filmelement beträchtlich verbesserte Zuverlässigkeit beim Betrieb auf und kann daher für verschiedene Aktuatoren, Anzeigevorrichtungen, Sensoren, Mikrophone, Schallkörper (wie Lautsprecher) und verschiedene Resonatoren oder Oszillatoren für Leistungsbaugruppen und Kommunikationsgeräte verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und fakultative Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht ist, die eine Ausführungsform einer Zirconiumdioxid- Membranstruktur gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Untersicht der Membranstruktur von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Schritt beim Verfahren zur Herstellung der Membranstruktur von Fig. 1 darstellt;
Fig. 4 eine Querschnittansicht ist, die ein Beispiel für ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement zeigt, bei dem die Zirconiumdioxid-Membranstruktur gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird; und
Fig. 5 eine perspektivische Explosionsansicht des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements von Fig. 4 ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie oben beschrieben, wird die Zircon iumdioxid-Membranstruktur durch Brennen einer einstückigen Laminatstruktur gebildet, die aus einem grünen Zirconiumdioxidsubstrat, wodurch ein(e) Zirconiumdioxidsubstrat oder -basis mit einem oder mehreren Fenster(n) bereitgestellt wird, und einer dünnen grünen Zirconiumdioxidplatte besteht, deren Innenteil als Membranabschnitt dient, der eines der gegenüberliegenden offenen Enden eines jeden Fensters des Substrats schließt. Gemäß vorliegender Erfindung wird/werden dem grünen Zirconiumdioxidsubstrat (ein(e)) spezielle(s) Substanz(en) oder Material(ien) zugegeben, das dann einstückig mit der dünnen grünen Zirconiumdioxidplatte gebrannt wird, um die Zirconiumdioxid- Membranstruktur bereitzustellen, die frei von Verziehen und/oder Rißbildung ist, die ansonsten im Membranabschnitt auifreten würden. Auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend wird im Detail ein Beispiel für die nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung konstruierte Membranstruktur beschrieben. Diese Ausführungsform weist ein Fenster auf, das durch die Dicke des Zirconiumdioxidsubstrats hindurch ausgebildet ist.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, besteht eine einstückig ausgebildete Membranstruktur 2 aus einem/einer Zirconiumdioxidsubstrat oder -basis, das/die ein(e) rechteckige(s) Fenster oder Öffnung 6 mit geeigneter Größe aufweist, und einer dünnen Zirconiumdioxid-Membranplatte 8, die auf eine der gegenüberliegenden Hauptflächen des Zirconiumdioxidsubstrats 4 gelegt ist, so daß sie eines der gegenüberliegenden offenen Enden des Fensters 6 schließt. Die so gebildete Membranstruktur 2 weist einen inneren Membranabschnitt 10 auf, der in der Ebene der Struktur 2 gesehen mit dem Fenster 6 des Zirconiumdioxidsubstrats 4 ausgerichtet ist. Um diese Membranstruktur 2 herzustellen, wird eine dünne grüne Zirconiumdioxidplatte 12, die die Zirconiumdioxid-Membranplatte 8 ergibt, auf ein grünes Zirconiumdioxidsubstrat 14 gelegt, das das Zirconiumdioxidsubstrat 4 ergibt, wie in Fig. 3 gezeigt, um eine einstückige grüne Laminatstruktur zu bilden, die dann zu der einstückigen Membranstruktur 2 gebrannt wird. Die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und/oder das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 können gebildet werden, indem eine Vielzahl von Platten oder Substraten mit einem geringeren Dickenwert aufeinander laminiert werden. Es versteht sich, daß die Gestalt des Fensters 6 der Membranstruktur 2, mit anderen Worten die Gestalt des Membranabschnitts 10 keineswegs auf die rechteckige Gestalt beschränkt ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, sondern je nach der Anwendung der Membranstruktur 2 auf geeignete Weise ausgewählt werden kann. Beispielsweise kann der Membranabschnitt 10 kreisförmige, polygonale oder elliptische Gestalt oder eine Kombination aus solchen verschiedenen Gestalten aufweisen.
Die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14, die kooperieren, um die erfindungsgemäße Membranstruktur 2 zu ergeben, sind beide aus einem bekannten Zirconiumdioxidmaterial gebildet. Die Verwendung von Zirconiumdioxid ist vorteilhaft, weil die erhaltene Membranstruktur 2 einen hohen Grad an physikalischer Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist und der Membranabschnitt 10 mit ausreichend geringer Dicke ausgebildet werden kann und hohe Flexibilität aufweist. Diese Eigenschaften können weiter verstärkt werden, wenn die grüne Platte 12 und das grüne Substrat 13 aus teilweise stabilisiertem Zirconiumdioxid gebildet sind, dessen Kristallphase durch eine geeignete Verbindung teilweise stabilisiert ist, oder aus einem Material gebildet sind, das zu einem teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid gebrannt wird.
Mit dem Begriff "teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid", wie hierin verwendet, ist Zirconiumdioxid gemeint, dessen Kristallphase durch die Zugabe einer einzelnen Verbindung oder eines Gemisches aus Verbindungen teilweise stabilisiert ist, so daß nur ein Teil des Zirconiumdioxids Phasentransformation erfährt, wenn das Zirconiumdioxid Hitze, Spannung oder dergleichen ausgesetzt ist. Die Verbindung oder Verbindungen für teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid kann/können aus Yttriumoxid, Ceroxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid und anderen ausgewählt werden. Die Zugabemenge dieser Verbindungen wird vorzugsweise so bestimmt, daß (a) Yttriumoxid 2 bis 7 Mol-% des Materials für die grüne Platte oder das grüne Substrat ausmacht, (b) Ceroxid 6 bis 15 Mol-% des Materials für die grüne Platte oder das grüne Substrat ausmacht, und (c) Magnesiumoxid oder Calciumoxid 5 bis 12 Mol-% des Materials für die grüne Platte oder das grüne Substrat ausmacht. Von diesen Verbindungen wird besonders bevorzugt Yttriumoxid als Mittel zum teilweisen Stabilisieren in einer Menge von 2 bis 7 Mol-%, mehr bevorzugt in einer Menge von 2 bis 4 Mol-% verwendet. Durch die Zugabe von Yttrium in einer Menge im obigen Bereich wird die primäre Kristaliphase des Zirconiumdioxids teilweise stabilisiert, wodurch das tetragonale System oder eine Kombination aus zwei oder drei Systemen bereitgestellt wird, die aus dem kubischen, dem tetragonalen und dem monoklinen System ausgewählt sind. Das so teilweise stabilisierte Zirconiumdioxid gewährleistet hervorragende Eigenschaifen der resultierenden Membranstruktur. Während es wünschenswert ist, daß die Membranplatte 8 der Membranstruktur 2 vollständig aus dem teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid gebildet ist, können dem Zirconiumdioxidmaterial für die Membranplatte 8 nicht mehr als 10 Gew.-% eines Additivs oder einer Sinterhilfe zugegeben werden. Ebenso kann das Zirconiumdioxidmaterial für das Zirconiumdioxidsubstrat 4 ein solches Additiv oder eine solche Hilfe bis zu einem Ausmaß enthalten, in dem das Additiv die oben beschriebenen Wirkungen oder Vorteile des verwendeten teilweise stabil isierten Zirconiumdioxids nicht verringert.
Es ist wünschenswert, daß das teilweise stabilisierte Zirconiumdioxidmaterial oder das Material, das gebrannt wird, um das teilweise stabilisierte Zirconiumdioxid zu ergeben, um die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 zu bilden, eine entsprechend gewählte Korngröße aufweist, um das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Im spezielleren erklärt ist die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 wünschenswert aus einem teilweise stabilisierten Zirconiumdioxidmaterial oder einem Material gebildet, das durch Brennen teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid ergibt, das die durchschnittliche Teilchengröße von 0,05 bis 0,5 um, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 pm aufweist. Das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 ist wünschenswert aus einem teilweise stabilisierten Zirconiumdioxidmaterial oder einem Material gebildet, das durch Brennen ein teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid ergibt, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 1,0 pm, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 um aufweist. Vorzugsweise ist die durchschnittliche Teilchengröße des Materials für die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 so bestimmt, daß sie kleiner als jene des Materials für das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 ist.
Durch entsprechendes Auswählen der durchschnittlichen Teilchengrößen der jeweiligen Materialien für die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14, wie oben beschrieben, können diese(s) grüne Platte und Substrat 12, 14 vorteilhaft zu einer einstiickigen Struktur gebrannt werden, ohne daß es im inneren Membranabschnitt 10 zu Verziehen oder Rißbildung kommt, wodurch die Membranstruktur 2 mit hervorragenden Eigenschaifen, wie erhöhter Festigkeit des Membranabschnitts 10, bereitgestellt wird. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße des teilweise stabilisierten Zirconiumdioxidmaterials oder des Materials, das gebrannt wird, um das teilweise stabilisierte Zirconiumdioxid zu ergeben, kleiner ist als die oben angeführten Untergrenzen, wäre es aufgrund der erhöhten chronologischen Änderungen der zum Ausbilden der Platten verwendeten Aufschlämmungen schwierig, die grüne Platte 12 und das grüne Substrat 14 ohne Rißbildung an den Platten 12, 14 auszubilden. Als Ergebnis unterliegt die erhaltene Membranstruktur 2, wenn sie für Sensoren oder Aktuatoren verwendet wird, unerwünscht geringer Betriebsstabilität. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße der Materialien für die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Substrat 14 größer als die oben angeführten Obergrenzen ist, weisen das Substrat 4 und der Membranabschnitt 10 der erhaltenen Membranstruktur 2 verringerte Festigkeit auf, und es ist wahrscheinlich, daß sie Verziehen, Rißbildung und andere Defekte erleiden.
Die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14, die geeignete Dicke aufweisen, werden auf die nach dem Stand der Technik bekannte Weise ausgebildet, indem den jeweiligen Zirconiumdioxidmaterialien für die grüne Platte 12 und das Substrat 14 ein geeignetes Bindemittel oder organisches Lösungsmittel zugegeben wird, um Aufschlämmungen oder Pasten zu bilden. Gemäß vorliegender Erfindung enthält das Zirconiumdioxidmaterial für das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 eine der folgenden Kombinationen aus Ausgangsmaterialien für zusätzliche Komponenten: ein Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial und ein Calciumoxid- Ausgangsmaterial; ein Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial, ein Calciumoxid Ausgangsmaterial und ein Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial; ein Aluminiumoxid- Ausgangsmaterial, ein Calciumoxid-Ausgangsmaterial und ein Siliziumoxid- Ausgangsmaterial; und ein Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial, ein Calciumoxid- Ausgangsmaterial, ein Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial und ein Siliziumoxid- Ausgangsmaterial. Das Aluminumoxid-Ausgangsmaterial, das Calciumoxid- Ausgangsmaterial, das Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial und das Si 1 iziumoxid Ausgangsmaterial ergeben Aluminiumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid bzw.
Siliziumoxid im durch Brennen des grünen Substrats 14 gebildeten gebrannten Zirconiumdioxidsubstrat 4. Die Mengen dieser Ausgangsmaterialien werden so bestimmt, daß die Gesamtmenge der zusätzlichen Komponenten, d.h. Aluminiumoxid und Calciumoxid, oder Aluminiumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid und/oder Siliziumoxid, im Bereich von 0,1 bis 5,0 Gew.-% gehalten wird. Die Verwendung des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 14, das eine der oben angeführten Kombinationen an Ausgangsmaterialien enthält, ist von Vorteil, weil das Brennen der einstückigen grünen Laminatstruktur, die aus der grünen Zirconiumdioxidplatte 12 und dem grünen Substrat 14 besteht, so durchgeführt werden kann, daß die Sinterbedingung (Sintergeschwindigkeit) und Sintereigenschaften der grünen Platte 12 jenen des grünen Substrats 14 angenähert oder ähnlich gemacht werden, um Verziehen und Rißbildung am Membranabschnitt 10 der so erhaltenen Membranstruktur 2 wirksam zu vermeiden.
Die zugegebene Menge der Ausgangsmaterialien (Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial und Calciumoxid-Ausgangsmaterial, oder Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial, Calciumoxid-Ausgangsmaterial und Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial und/oder Siliziumoxid-Ausgangsmaterial) zum grünen Zirconiumdioxidsubstrat 14 sollte ausreichen, um die oben beschriebenen Wirkungen zu gewährleisten, die die Zugabe eines solchen Ausgangsmaterials bietet. Wenn jedoch der Gehalt der Ausgangsmaterialien im grünen Zirconiumdioxidsubstrat 14 übermäßig hoch ist, wird die Sintergeschwindigkeit des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 14 negativ beeinflußt, mit dem Ergebnis, daß im Membranabschnitt 10 Knittern, Verziehen und andere Defekte auifreten. Demgemäß sollte die Gesamtmenge der Ausgangsmaterialien, die im grünen Zirconiumdioxidsubstrat 14 enthalten sind, so reguliert werden, daß das durch Brennen des grünen Substrats 14 gebildete Zirconiumdioxidsubstrat 4 enthält: eine Aluminiumoxidkomponente und eine Calciumoxidkomponente in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 3,0 Gew.-%, wenn das Aluminiumoxid- Ausgangsmaterial und das Calciumoxid-Ausgangsmaterial verwendet werden; eine Aluminiumoxidkomponente, eine Calciumoxidkomponente, eine Magnesiumoxidkomponente in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 3,0 Gew.-%, wenn das Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial, das Calciumoxid-Ausgangsmaterial und das Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial verwendet werden; eine Aluminiumoxidkomponente, eine Calciumoxidkomponente, eine Siliziumoxidkomponente in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 5,0 Cew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 3,0 Gew.-%, wenn das Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial, das Calciumoxid- Ausgangsmaterial und das Siliziumoxid-Ausgangsmaterial verwendet werden; oder eine Aluminiumoxidkomponente, eine Calciumoxidkomponente, eine Magnesiumoxidkomponente und eine Siliziumoxidkomponente in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 5, Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 3,0 Gew.-%, wenn das Aluminiumoxid- Ausgangsmaterial, das Calciumoxid-Ausgangsmaterial, das Magnesiumoxid- Ausgangsmaterial und das Siliziumoxid-Ausgangsmaterial verwendet werden. Wenn das Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial und das Calciumoxid-Ausgangsmaterial gemeinsam mit dem Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial und/oder dem Siliziumoxid- Ausgangsmaterial verwendet werden, ist es wünschenswert, daß der Gehalt sowohl von Aluminiumoxid als auch von Calciumoxid zumindest 1 %, vorzugsweise zumindest 10 % des Gesamtgehalts der Komponenten ausmacht, die durch die oben angeführten Ausgangsmaterialien gegeben sind. Wenn die Membranstruktur für ein piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement verwendet wird, werden vorzugsweise das Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial, das Calciumoxid-Ausgangsmaterial und das Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial verwendet, um bessere piezoelektrische Eigenschaften des Elements zu gewährleisten.
Unter den Ausgangsmaterialien, wie oben angeführt, kann das Aluminiumoxid- Ausgangsmaterial ausgewählt werden aus: Aluminiumoxid; anorganischen Aluminiumverbindungen, wie Aluminiumchlorid und Aluminiumnitrat; organischen Aluminiumverbindungen, wie Aluminiumalkoxid und Aluminiumacetylacetonat. Das Magnesiumoxid-Ausgangsmaterial und das Calciumoxid-Ausgangsmaterial werden vorzugsweise in Form anderer Verbindungen als jener von Oxiden zugegeben, weil Magnesiumoxide und Calciumoxide eine unerwünscht hohe hygroskopische Eigenschaft aufweisen. Beispielsweise wird das Magnesiumoxid-/Calciumoxid-Ausgangsmaterial vorteilhaft aus anorganischen Magnesium-/Calcium-Verbindungen, wie Carbonat, Nitrat und Chlorid, und organischen Magnesium-/Calcium-Verbindungen, wie Alkoxid und Acetylacetonat, ausgewählt. Das Siliziumoxid-Ausgangsmaterial kann ausgewählt werden aus: Siliziumoxidpulver, anorganischen Siliziumverbindungen, wie Kieselsäuregel und Siliziumchlorid; organischen Siliziumverbindungen, wie Siliziumalkoxid und Siliziumphenoxid. Die oben angeführten Ausgangsmaterial ien werden im obigen Fall zwar unabhängig voneinander zugegeben, um die entsprechenden Komponenten, d.h. Aluminiumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid, bereitzustellen, es ist aber auch möglich, ein einzelnes Ausgangsmaterial in Form einer Verbindung zuzugeben, um zwei oder mehr der obigen Komponenten bereitzustellen. Beispielsweise können die Aluminiumoxid- und die Siliziumoxidkomponente durch die Zugabe eines einzigen Ausgangsmaterials geliefert werden, das aus Tonerden, wie Kaolin und Kibushiton, und Mullit ausgewählt ist. Weiters kann Cordierit als Ausgangsmaterial für die Aluminiumoxid-, die Siliziumoxidund die Magnesiumoxidkomponente zugegeben werden, und Spinell kann als Ausgangsmaterial für die Aluminiumoxid- und die Magnesiumoxidkomponente zugegeben werden. Es kann auch Calciumsilikat als Ausgangsmaterial für die Calciumoxid- und die Siliziumoxidkomponente zugegeben werden.
Um die grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 auszubilden, die verwendet werden, um die erfindungsgemäße Zirconiumdioxid- Membranstruktur 2 herzustellen, werden zunächst mit einer allgemein verwendeten Maschine, wie einer Rakelmaschine oder einem Umkehrwalzenbeschichter, grüne Platten gebildet, wobei Aufschlämmungen oder Pasten verwendet werden, die nach einem herkömmlichen Verfahren aus den oben angeführten Materialien hergestellt wurden. Wenn notwendig, kann eine Vielzahl dünner grüner Platten aufeinanderlaminiert oder -gestapelt werden, oder zunächst hergestellte grüne Platten können geschnitten, maschinell bearbeitet, gestanzt oder anders verarbeitet werden, um eine grüne Platte 12 oder ein grünes Substrat 14 mit einer gewünschten Dicke und Gestalt bereitzustellen. Bei der Herstellung der Aufschlämmungen oder Pasten für die grünen Platten können Phthalester, wie Dioctylphthalat und Dibutylphthalat, als Plastifikator verwendet werden, und es kann ein Dispergiermittel, wie Sorbitanmonooleat und Sorbitanlaurat verwendet werden, wie nach dem Stand der Technik wohlbekannt. Weiters umfassen die Aufschlämmungen oder Pasten ein Lösungsmittel, wie Toluol, Xylol oder Alkohol. Die Dickenwerte der so erhaltenen grünen Zirconiumdioxidplatte 12 und des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 14 werden je nach den gewünschten Dickewerten der Zirconiumdioxid-Membranplatte 8 und des Zirconiumdioxidsubstrats 4 der Membranstruktur 2 angemessen bestimmt. Im spezielleren wird die Dicke des Membranabschnitts 10 als Teil der Membranplatte 8 wünschenswert im Bereich von 1 um bis 30 um, vorzugsweise in einem Bereich von 3 pm bis 15 um, gehalten, um Verziehen, Rißbildung oder dergleichen im Membranabschnitt 10 wirksam zu verhindern. Daher wird die Dicke der grünen Zirconiumdioxidplatte 12 so bestimmt, daß die Dicke der Membranplatte 8 30 um nicht übersteigt. Die Dicke des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 14 wird so bestimmt, daß das durch Brennen des grünen Substrats 14 erhaltene Zirconiumdioxidsubstrat 4 im allgemeinen eine Dicke von zumindest 50 pm, vorzugsweise zumindest 100 um aufweist.
Die so hergestellte grüne Zirconiumdioxidplatte 12 und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat 14 werden nach einem herkömmlichen Verfahren übereinandergelegt und beispielsweise durch Wärme-Kompressionsbindung zu einer einstückigen grünen Laminatstruktur gestapelt. Daraufhin wird die Laminatstruktur bei einer Temperatur von etwa 1.200 bis 1.600 ºC, vorzugsweise 1.300 bis 1.500 ºC, gebrannt, um die Membranstruktur 2 in Form eines einstückigen Sinterkörpers zu bilden. Das Brennen der Laminatstruktur erfolgt im wesentlichen unter den gleichen Bedingungen (einschließlich der Brenntemperatur) wie sie nach dem Stand der Technik für das Brennen von Zirconiumdioxidmaterialien eingesetzt werden.
Die so erhaltene Zirconiumdioxid-Membranstruktur 2 gemäß vorliegender Erfindung ist frei von Verziehen, Rißbildung und anderen Defekten an ihrem Membranabschnitt 10, wodurch hervorragende Qualität und hohe Zuverlässigkeit beim Betrieb gewährleistet werden, und kann daher vorteilhaif für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, wie Sensoren und Aktuatoren. Weiters kann die erfindungsgemäße Zirconiumdioxid- Membranstruktur 2 die vorteilhaifen Eigenschaften von Zirconiumdioxid nutzen, d.h. die hohe mechanische Festigkeit, den hohen Grad an Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sowie die hohe Flexibilität bei Verwendung in geringer Dicke. Daher kann die Zirconiumdioxid-Membranstruktur 2 vorteilhaft als Teil einer Vorrichtung, einer Leitung oder dergleichen eingesetzt werden, die hohe Korrosionsbeständigkeit erfordert, gemeinsam mit verschiedenen Detektionsmitteln, wie einem Dehnungsmeßgerät, um einen korrosionsbeständigen Drucksensor bereitzustellen, der zum Überwachen des lnnendrucks oder eines anderen Parameters der Vorrichtung oder Leitung ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Membranstruktur 2 kann auch mit einer geeigneten Antriebsquelle, wie Luftdruck oder einer Schubstange, verwendet werden, um einen Aktuator bereitzustellen, der für ein relativ großes Ausmaß an Verlagerung bei relativ geringer Frequenz sorgt.
Insbesondere kann die Zirconiumdioxid-Membranstruktur gemäß vorliegender Erfindung vorteilhaft für verschiedene Sensoren und für eine piezoelektrische/elektrostriktive Filmvorrichtung verwendet werden, bei der eine piezoelektrische/elektrostriktive Einheit an einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des Membranabschnitts der Membranstruktur ausgebildet ist. Genauer beschrieben kann die erfindungsgemäße Membranstruktur vorteilhaft für verschiedene unimorphe, bimorphe oder andere Typen von piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmaktuatoren verwendet werden, die Verlagerung in Form von Krümmen, Biegen oder Durchbiegen erfahren. Zu derartigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmaktuatoren gehören beispielsweise Servoverlagerungselemente, impulsgetriebene Motoren und Ultraschallmotoren, wie in "FUNDAMENTALS TO APPLICATIONS OF PIEZOELECTRIC/ELECTROSTRICTIVE ACTUATORS", Kenji Uchini, Japan Industrial Technology Center, beschrieben. Die erfindungsgemäße Membranstruktur kann auch für Anzeigevorrichtungen, Beschleunigungssensoren, Stoßsensoren, Mikrophone, Schallkörper (wie Lautsprecher) und verschiedene Resonatoren und Vibratoren für Leistungsbaugruppen und Kommunikationsgeräte verwendet werden.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Beispiel für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement 20, bei dem eine Ausführungsform der Zirconiumdioxid-Membranstruktur gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird, und Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht dieses Filmelements 20. Element 20 weist eine Membranstruktur 22 auf, mit der eine Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Einheiten 24 einstückig verbunden ist. Jede Einheit 24 ist auf jeweiligen Abschnitten der Außenfläche des Membranabschnitts der Membranstruktur 22 ausgebildet. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten 24 sind so ausgebildet, daß sie beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Einheiten 24 Biegung oder Verformung der entsprechenden Teile des Membranabschnitts der Membranstruktur 22 verursachen.
Im Detail beschrieben weist die gemäß vorliegender Erfindung konstruierte Membranstruktur 22 eine Laminatstruktur auf, die aus einer dünnen Verschlußplatte 26 und einer Verbindungsplatte 28, die jeweils aus einem Zirconiumdioxidmaterjal gebildet sind, sowie einer Abstandshalterplatte 30 besteht, die aus einem Zirconiumdioxidmaterial gebildet und zwischen der Verschluß- und der Verbindungsplatte 26, 28 angeordnet ist. Die Verbindungsplatte 28 weist eine Vielzahl von Kommunikationslöchern 32 (in diesem Beispiel drei Löcher 32) auf, die in der Längsrichtung der Platte 28 um einen vorbestimmten Abstand voneinander entfernt angeordnet sind, wie in Fig. 5 gezeigt. Diese Kommunikationslöcher 32 kommunizieren mit einem Außenraum. Die Abstandshalterplatte 30 weist eine Vielzahl rechteckiger Fenster 36 (in diesem Beispiel drei Fenster 36) auf, die durch sie hindurch ausgebildet sind. Die Fenster 36 sind in Längsrichtung der Abstandshalterplatte 30 um einen vorbestimmten Abstand voneinander entfernt angeordnet. Die Abstandshalterplatte 30 ist so auf die Verbindungsplatte 28 gelegt, daß die Fenster 36 mit den jeweiligen Kommunikationsiöchern 32 der Verbindungsplatte 28 in Kommunikation gehalten werden. Es ist zwar nur ein Kommunikationsloch 32 für jedes der Fenster 36 vorgesehen, aber je nach Anwendung des piezoel ektrischen/elektrostriktiven Filmelements 20 kann eine gewünschte Anzahl an Kommunikationslöchern 32 für jedes Fenster 36 vorgesehen sein. Die Verschlußplatte 26 wird auf eine der gegenüberliegenden Hauptflächen der Abstandshalterplatte 30 entfernt von der Verbindungsplatte 28 gelegt, so daß sie die Fenster 36 der Abstandshalterplatte 30 bedeckt oder schließt. Bei dieser Anordnung sind innerhalb der Membranstruktur 22 Druckkammern 38 ausgebildet, so daß die Druckkammern 38 durch die jeweiligen Kommunikationslöcher 32 in Kommunikation mit dem Raum außerhalb der Struktur 22 gehalten werden.
Wie oben beschrieben, ist die Membranstruktur 22 als einstückiger Sinterkörper ausgebildet, der hauptsächlich aus Zirconiumdioxid besteht. Um die Membranstruktur 22 herzustellen, werden zunächst mit einer allgemein verwendeten Maschine, wie einer Rakelmaschine, einem Umkehrwalzenbeschichter oder einem Siebdruckgerät, grüne Platten ausgebildet, wobei zum Beispiel Aufschlämmungen oder Pasten verwendet werden, die aus geeigneten Zirconiumdioxidmaterialien, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel hergestellt werden. Dann werden die grünen Platten, wie erforderlich, Schneiden, maschinellem Bearbeiten, Stanzen oder anderen Verfahren unterzogen, um die Fenster 36 und die Kommunikationslöcher 32 auszubilden und so Vorläufer bereitzustellen, die die jeweiligen Platten 26, 28, 30 ergeben. Dann werden diese Vorläufer aufeinander laminiert und zur einstückigen Membranstruktur 22 gebrannt.
Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten 24 sind so an der Außenfläche der Verschlußplatte 26 der Membranstruktur 22 ausgebildet, daß die Einheiten 24 mit den jeweiligen Druckkammern 38 ausgerichtet sind, wie in der Ebene parallel zur Außenfläche der Verschlußplatte 26 gesehen. Jede der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten 24 umfaßt eine untere Elektrode 40, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 42 und eine obere Elektrode 44, die durch Laminieren in Reihenfolge der Beschreibung auf der Verschlußplatte 26 nach einem geeigneten Filmbildungsverfahren ausgebildet werden. Für die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten 24 ist es besonders vorzuziehen, ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element einzusetzen, wie in der an den Zessionär der vorliegenden Patentan meldung abgetretenen parallelen US-Patentanmeldung Nr. 08/239.856 vorgeschlagen, die der JP-A-5-29675 entspricht.
Der obere und der untere Elektrodenfilm 44, 40 sowie die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 42 einer jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit 24 werden nach einem der verschiedenen bekannten Verfahren, wie Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdrucken, Sprühen, Tauchen und Beschichten, und Dünnfilm-Ausbildungsverfahren, wie Ionenstrahlverfahren, Sputtern, Vakuumdampfabscheidung, lonenplattierung, CVD und Plattierung, als einstückiger Sinterkörper an der Außenfläche der Verschlußplatte 26 der Membranstruktur 22 ausgebildet. Die Materialien, die zum Ausbilden der Elektrodenfilme 40, 44 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 42 verwendet werden, können auf geeignete Weise aus verschiedenen bekannten Materialien und jenen Materialien ausgewählt werden, die in der oben angeführten US-Patentanmeldung geoffenbart werden. Die Dicke der piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit 24, die aus den Elektrodenfilmen 40, 44 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 42 besteht, beträgt im allgemeinen 100 um oder weniger. Im allgemeinen beträgt die Dicke eines jeden Elektrodenfilms 40, 44 20 um oder weniger, vorzugsweise 5 um oder weniger. Um ein relativ großes Ausmaß an relativer Biegeverlagerung des Membranabschnitts der Membranstruktur 22 zu gewährleisten, beträgt die Dicke der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 42 vorzugsweise 50 um oder weniger, und liegt mehr bevorzugt im Bereich von 3 um bis 40 um.
Beim so konstruierten piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelement 20, worin die piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheiten 24 einstückig auf dem Membranabschnitt der Verschlußplatte 26 der Zirconiumdioxid-Membranstruktur 22 ausgebildet sind, erfährt der Membranabschnitt der Verschlußplatte 26 beim Anlegen einer Spannung Schwingung oder Biegeverlagerung aufgrund des piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekts einer jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Einheit 24, wodurch der Druck eines Fluids innerhalb der Druckkammern 38 geändert werden kann, um das Strömen oder die Abgabe des Fluids aus den jeweiligen Druckkammern 38 wie erforderlich zu bewirken.
Wie oben beschrieben, kann die gemäß vorliegender Erfindung konstruierte Zirconiumdioxid-Membranstruktur auf geeignete Weise als Komponente eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements verwendet werden und kann auch als Komponente verschiedener anderer Vorrichtungen, wie Anzeigevorrichtungen, piezoelektrischer Mikrophone, piezoelektrischer Lautsprecher, Sensoren, Oszillatoren, Resonatoren, Filter und Transformatoren, verwendet werden. Die Konstruktion des piezoelektrischen/elektrostriktiven Filmelements ist nicht auf die Details des Filmelements 20 beschränkt, das oben nur zur Veranschaulichung beschrieben wird, sondern kann geändert oder modifiziert werden, wie für die Verwendung einer Komponente verschiedener Aktuatoren erforderlich.

[Beispiele]

Um die vorliegende Erfindung noch klarer zu machen, werden einige Beispiele für Membranstrukturen gemäß vorliegender Erfindung, die für das in den Fig. 4 und 5 gezeigte piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement 20 verwendet werden können, im Detail beschrieben. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Details der folgenden Beispiele beschränkt ist, sondern mit verschiedenen Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden kann, die Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung einfallen können, ohne daß vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. In der folgenden Beschreibung der Beispiele sind Teile und Prozentsätze, die den Gehalt an verschiedenen Materialien darstellen, wenn nicht anders angegeben, Gewichtsteile und Gew.-%.
Zunächst wurden einige Proben für Zirconiumdioxidmaterialien hergestellt, um einige Beispiele für die Membranstruktur 22 auszubilden, die für das in den Fig. 4 und 5 gezeigte piezoelektrische/elektrostriktive Fi 1 melement 20 verwendet wird. Zirconiumdioxid, das für jede Probe verwendet wurde, war mit 3 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisiert, und die Proben hatten jeweilige durchschnittliche Teilchengrößen, wie in nachstehender TABELLE 1 und TABELLE 2 angegeben. Die Zirconiumdioxidmaterialien für die Abstandshalter- und die Verbindungsplatte 30, 28 enthielten Ausgangsmaterialien, die nach ihrem Brennen zusätzlich zum teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid vorbestimmte Mengen zusätzlicher Komponenten (Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid) ergeben, wie in TABELLE 1 und TABELLE 2 angegeben. Die Aluminiumoxidkomponente wurde durch Kopräzipitation von Aluminiumoxid und Zirconiumdioxid zugegeben, und die Calciumoxidkomponente, die Siliziumoxidkomponente und die Magnesiumoxidkomponente wurden durch das Mischen jeweiliger Ausgangsmaterialien in Form von Calciumcarbonat (CaCO&sub3;)-Pulver, Quarzpulver und Magnesiumcarbonat (MgCO&sub3;)-Pulver mit dem teilweise stabilisierten Zirconiumdioxid zugegeben, um jeweilige Aufschlämmungen zu bilden, so daß gewünschte Mengen der zusätzlichen Komponenten in der gebrannten Abstandshalter- und Verbindungsplatte 30, 28 enthalten waren. Das Calciumcarbonat und das Magnesiumcarbonat wurden so zugegeben, daß der Gehalt an CaO und MgO auf die jeweiligen Werte reguliert wurde, wie in TABELLE 1 und TABELLE 2 angegeben.
Daraufhin wurden nach einem herkömmlichen Verfahren unter Einsatz der oben beschriebenen Proben der Zirconiumdioxidmaterialien grüne Platten mit verschiedenen Dickewerten ausgebildet, und die so gebildeten grünen Platten wurden dann wie erforderlich Schneiden, maschineller Bearbeitung, Stanzen und anderen Verfahren unterzogen, um die Verschlußplatte 26, die Verbindungsplatte 28 und die Abstandshalterplatte 30 auszubilden, die zum Bilden der Membranstruktur 22 für das piezoelektrische/elektrostriktive Filmelement 20 verwendet werden, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt. Als Bindemittel zum Ausbilden der grünen Platten wurden ein Polyvinylbutyralharz, ein Esterphthalat enthaltender Plastifikator, und ein Sorbitan enthaltendes Dispergiermittel in einer Gesamtmenge von 13,4 bis 18,5 Teile pro 100 Teile des Zirconiumdioxidmaterials zugegeben. Als Lösungsmittel wurden Toiuoi und Isopropylalkohol in einem Volumsverhältnis von 50:50 verwendet. Jede Kombination aus der Verschlußplatte 26, der Abstandshalterplatte 30 und der Verbindungsplatte 28, wie in TABELLE 1 und TABELLE 2 gezeigt, wurde verwendet, um eine einstückige grüne Laminatstruktur zu bilden, die dann bei 1.400 ºC gebrannt wurde, um die beabsichtigte Membranstruktur 22 mit acht Fenstern 36 bereitzustellen. Der in TABELLE 1 und TABELLE 2 angeführte Ausdruck "Brennverhältnis" bezeichnet einen Wert, der durch das Dividieren der Abmessungen einer jeden Platte (26, 28, 30) vor dem Brennen durch die Abmessungen derselben nach dem Brennen bei 1.400 ºC ohne Laminieren der Platten (26, 28, 30) erhalten wurde. Tabelle 1
* Vergleichsbeispiele
Anmerkung) Die Gesamtmenge der dem Material für die Abstandshalterplatte und die Verbindungsplatte zugegeben Bindemittel betrug 13,4 Gewichtsteile, und das Brennverhältnis dieser Platten betrug 1,25. Tabelle 2
* Vergleichsbeispiele
Anmerkung) Die Gesamtmenge der dem Material für die Abstandshalterplatte und die Verbindungsplatte zugegeben Bindemittel betrug 13,4 Gewichtsteile, und das Brennverhältnis dieser Platten betrug 1,25.
Jedes der so erhaltenen Beispiele für die Membranstruktur 22 wurde getestet, um das Ausmaß an Verziehen, falls überhaupt, an einem Abschnitt der Verschlußplatte 26 zu messen, der eines der acht Fenster 36 schließt. Die Beispiele wurden auf Rißbildung untersucht. Das Testergebnis ist in nachstehender TABELLE 3 angeführt, in der "GROSS", "MITTEL" und "KLEIN" ein Ausmaß an Verziehen von zumindest 50 um (GROSS), 15 um bis 50 um ("MITTEL") bzw. 10 um bis 15 um (KLEIN) angibt, während "SK-K" (SEHR KLEIN - KEINES) ein Ausmaß an Verziehen von 0 bis 10 um darstellt. Die Proben wurden an acht lokalen Membranabschnitten der Verschlußplatte 26 auf Rißbildung untersucht, die die jeweiligen acht Fenster 36 verschließen. TABELLE 3
SK-K: sehr klein oder fast nicht
* Vergleichsbeispiele
*¹: Das Verziehen wurde am nicht gerissenen Membranabschnitt der Verschlußplatte 26 gemessen.
Aus den Ergebnissen des obigen Tests wird deutlich, daß die Zugabe des/der Ausgangsmaterials/-materialien, um zumindest eine der zusätzlichen Komponenten, d.h. Aluminiumoxid (AL&sub2;O&sub3;), Calciumoxid (CaO), Si liziumoxid (SiO&sub2;) und Magnesiumoxid (MgO) zu ergeben, zu den Zirconiumdioxidmaterialien für die Abstandshalterplatte 30 und die Verbindungsplatte 28 das Ausmaß an Verziehen der dünnen Membranabschnitte der Membranstruktur 22 wirksam verringert oder das Verziehen ausschaltet und Rißbildung der Membranabschnitte vermeidet. So weist die gemäß vorliegender Erfindung konstruierte Membranstruktur 22 an ihren Membranabschnitten hohe Zuverlässigkeit beim Betrieb auf und kann mit hoher Effizienz hergestellt werden.

Claims

1. Zirconiumdioxid-Membranstruktur, die ein Zirconiumdioxidsubstrat (4, 30) mit zumindest einem Fenster (6, 36) und eine Zirconiumdioxidmembranplatte (8, 26) umfaßt, die so einstückig mit dem Zirconiumdioxidsubstrat ausgebildet ist, daß das Fenster an einem offenen Ende davon geschlossen ist, wobei die Membranplatte zumindest einen Membranabschnitt (10) umfaßt, der dem Fenster entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirconiumdioxidsubstrat 0,1-5,0 Gew.-% einer Kombination enthält, die aus (i) Aluminiumoxid und Kalziumoxid oder (ii) Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Magnesiumoxid oder (iii) Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Siliziumoxid oder (iv) Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid besteht, und die Kombination in einer Form vorhanden ist, die die Sintereigenschaifen des Zirconiumdioxidsubstrats beeinflußt.

2. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 1, worin das Zirconiumdioxidsubstrat und die Zirconiumdioxidmembranplatte teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid als Hauptkomponente umfassen.

3. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,1-5,0 Gew.-% Aluminiumoxid und Kalziumoxid enthält.

4. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 3, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,5-3,0 Gew.-% Aluminiumoxid und Kalziumoxid enthält.

5. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,1-5,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Magnesiumoxid enthält.

6. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 5, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,5-3,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Magnesiumoxid enthält.

7. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin däs Zirconiumdioxidsubstrat 0,1-5,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Siliziumoxid enthält.

8. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 7, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,3-3,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Siliziumoxid enthält.

9. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,1-5,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid enthält.

10. Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 9, worin das Zirconiumdioxidsubstrat 0,3-3,0 Gew.-% Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid enthält.

11. Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Membranstruktur (2), umfassend ein Zirconiumdioxidsubstrat (4) mit zumindest einem Fenster (6) und eine Zirconiumdioxidmembranplatte (8), die das Fenster an einem offenen Ende davon schließt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Die Herstellung eines grünen Zirconiumdioxidsubstrats (14) mit zumindest einem Fenster; die Herstellung einer grünen Zirconiumdioxidplatte (12); das Laminieren der dünnen grünen Zirconiumdioxidplatte auf das grüne Zirconiumdioxidsubstrat, um eine einstückige grüne Laminatstruktur bereitzustellen, bei der das Fenster des grünen Zirconiumdioxidsubstrats von der grünen Zirconiumdioxidplatte geschlossen wird; und das Brennen der einstückigen grünen Laminatstruktur zu einem einstückigen Sinterkörper in Form der Zirconium-Membranstruktur, worin die durch Brennen der grünen Zirconiumdioxidplatte gebildete Zirconiumdioxidmembranplatte einen Membranschnitt (10) bereitstellt, der das Fenster des durch Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats gebildeten Zirconiumdioxidsubstrats schließt, dadurch gekennzeichnet, daß

das grüne Zirconiumdioxidsubstrat, das das Zirconiumdioxidsubstrat ergibt, ein Ausgangsmaterial enthält, das nach dem Brennen des grünen Zirconiumdioxidsubstrats 0,1-5,0 Gew.-% einer Kombination ergibt, die aus (i) Aluminiumoxid und Kalziumoxid oder (ii) Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Magnesiumoxid oder (iii) Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Siliziumoxid oder (iv) Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid besteht.

12. Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Menibranstruktur nach Anspruch 11, worin die grüne Zirconiumdioxidplatte und das grüne Zirconiumdioxidsubstrat aus einem ersten bzw. einem zweiten Zirconiumdioxidmaterial gebildet sind, die jeweils teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid umfassen oder nach ihrem Brennen teilweise stabilisiert sind.

13. Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach Anspruch 12, worin das erste Zirconiumdioxidmaterial für die grüne Zirconiumdioxidplatte eine durchschnittliche Teilchengröße aufweist, die kleiner als jene des zweiten Zirconiumdioxidmaterials für das grüne Zirconiumdioxidsubstrat ist.

14. Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Menibranstruktur nach Anspruch 13, worin das erste Zirconiumdioxidmaterial für die grüne Zirconiumdioxidplatte eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,05-0,5 um aufweist und worin das zweite Zirconiumdioxidmaterial für das grüne Zirconiumdioxidsubstrat eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1-1,0 um aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach einem der Ansprüche 11-14, worin die grüne Zirconiumdioxidplatte eine Dicke aufweist, die so bestimmt ist, daß zumindest ein Membranabschnitt eine Dicke nicht über 30 um aufweist.

16. Verfahren zur Herstellung einer Zirconiumdioxid-Membranstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 15, worin die einstückige grüne Laminatstruktur bei einer Temperatur von 1.200-1.600ºC gebrannt wird.

1 7. Piezoelektrisches/elektrostriktives Filmelement, das eine Zirconiumdioxid- Membranstruktur (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und zumindest eine auf der Zircon iumdioxid-Membranstruktur ausgebildete piezoelektrische/elektrostriktive Einheit (24) umfaßt, wobei die piezoelektrische/elektrostriktive Einheit eine untere und eine obere Elektrode (40,44) und eine zwischen der unteren und der oberen Elektrode angeordnete piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (42) umfaßt.