DE69601595T2

DE69601595T2 - Keramischer Körper mit kleinen durchgehenden Löchern

Info

Publication number: DE69601595T2
Application number: DE69601595T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Nagoya-City Aichi-Prefecture 468 Nakao; Tsutomu Esupoa Toyoake 6 Toyoake-City Aichi-Prefecture 470 Nanataki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: EP0744389B1; US5908682A; DE69601595D1; EP0744389A1; JPH08325053A; JP3320947B2

Description

Hintergrund der Erfindung

(1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Keramikelement mit einer Vielzahl feiner Durchgangslöcher.

(2) Beschreibung des Standes der Technik

Elemente mit feinen Durchgangslöchern, die in Produkten wie Codiereinrichtungen, Hochpräzisionsshuttern für elektrische Felder, Ionenstrom-Steuerköpfen, Skalierung u. dgl. verwendet werden, bestanden bislang aus Metallen, synthetischen Harzen usw., da diese eine hervorragende Verarbeitbarkeit aufweisen.
In den obigen Produkten dienen Elemente mit feinen Durchgangslöchern dazu, die Position des zu behandelnden oder aufzuzeichnenden Objekts mit oder ohne Führen eines Gases, einer Flüssigkeit, feiner Teilchen, eines Lichts o. dgl. durch die feinen Durchgangslöcher zu detektieren.
In den letzten Jahren wurden höhere Dichte, höhere Präzision und höhere Zuverlässigkeit für diese Elemente mit Durchgangslöchern zu immer wichtigeren Anforderungen.
Diese Anforderungen werden allerdings mit den herkömmlichen Materialien, d. h. Metallen oder synthetischen Harzen, nicht erfüllt. Daher ist die Entwicklung eines Elements aus einem neuen Material notwendig.

Ziel und Zusammenfassung der Erfindung

In Anbetracht der obigen Gegebenheiten besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Element mit feinen Durchgangslöchern bereitzustellen, das aus einem hitzebeständigen, abriebfesten Material mit geringer Wärmedehnung besteht, das die Anforderungen hoher Dichte, hoher Präzision und erhöhter Zuverlässigkeit erfüllt, die für Vorrichtungen wie Codiereinrichtungen, Hochpräzisionsshuttern für elektrische Felder, Ionenstrom-Steuerköpfe, Skalierung u. dgl. gelten.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Keramikelement aus einem einheitlich gesinterten Material mit feinen Durchgangslöchern bereitgestellt, umfassend: ein Keramiksubstrat, das zumindest ein Fenster aufweist, und eine dünne Keramiktafel, die auf das Substrat laminiert ist, um das Fenster zu bedecken, worin die dünne Keramiktafel eine Vielzahl feiner Durchgangslöcher an dem/den Abschnitt(en) aufweist, der/die dem zumindest einen Fenster entspricht/entsprechen, und jeder Abstand von Loch zu Loch 70 um oder weniger beträgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1A, 1B und 1C zeigen ein Beispiel für das Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern gemäß vorliegender Erfindung. Fig. 1A ist eine Draufsicht; Fig. 1B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 1A; und Fig. 1 C ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B-von Fig. 1A.
Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen ein weiteres Beispiel für das Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern gemäß vorliegender Erfindung. Fig. 2A ist eine Draufsicht; Fig. 2B ist eine Schnittansicht entlang der. Linie A-A von Fig. 2A; und Fig. 2C ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 2A.
Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen wieder ein anderes Beispiel für das Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern gemäß vorliegender Erfindung. Fig. 3A ist eine Draufsicht;
Fig. 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 3A; und Fig. 3C ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 3A.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Konstruktion eines Ionenstrom-Steuerkopfes.
Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen ein Beispiel für die Konstruktion einer Elektrode für einen Feld-Shutter. Fig. 5A ist eine Draufsicht; Fig. 5B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 5A; Fig. 5C ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 5A.
Fig. 6 ist eine Abbildung, die den Abstand "d" zwischen zwei benachbarten feinen Durchgangslöchern veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Zu den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehören jene Keramikelemente mit feinen Durchgangslöchern, worin die dünne Keramiktafel hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht; oder worin die dünne Keramiktafel hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht und Kristallkörner mit Durchmessern von 2 um oder weniger umfaßt; oder worin das teilweise stabilisierte Zirkoniumdioxid in der dünnen Keramiktafel Zirkoniumdioxid ist, das teilweise mit 2-6 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert ist; oder worin die feinen Durchgangslöcher der dünnen Keramiktafel Durchmesser von 70 um oder weniger, aufweisen, oder die dünne Keramiktafel eine Dicke von 50 um oder weniger besitzt, oder das Keramiksubstrat eine Dicke von 80 um oder mehr besitzt.
Der Durchmesser jedes feinen Durchgangslochs bezieht sich hierin auf einen Durchmesser, wenn das Durchgangsloch eine kreisrunde Form besitzt; eine lange Seite, wenn das Durchgangsloch rechteckig ausgebildet ist; eine Hauptachse, wenn das Durchgangsloch elliptisch geformt ist; und die längste Diagonale, wenn das Durchgangsloch eine polygonale Form aufweist. Die Form jedes feinen Durchgangslochs kann eine beliebige der obigen Formen oder eine Kombination daraus sein. Der Durchmesser jedes feinen Durchgangslochs wird als Durchschnitt der Durchmesser jedes feinen Durchgangslochs an beiden Seiten der dünnen Keramiktafel herangezogen.
Der Abstand "d" zwischen zwei angrenzenden feinen Durchgangslöchern bezieht sich auf die geringste Wanddicke zwischen zwei angrenzenden feinen Durchgangslöchern, wie in Fig. 6 gezeigt.
Das Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern gemäß vorliegender Erfindung wird der Anforderung hoher Dichte gerecht, weil bei diesem Element der Abstand "d" von Loch zu Loch 70 um oder weniger beträgt. Das Keramikelement weist weiters hohe Zuverlässigkeit auf, weil es aus einem Keramikmaterial besteht.
Die dünne Keramiktafel besteht vorzugsweise aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid. Teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid besitzt einen kleineren Wärmedehnungskoeffizienten als Metalle und kann selbst bei hohen Temperaturen Durchgangslöchern hohe Positionspräzision verleihen. Außerdem besitzt teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid unter verschiedenen Keramikmaterialien eine hohe Festigkeit und daher eine zufriedenstellende Handhabbarkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit; überdies sind seine Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit und Hitzebeständigkeit hervorragend, weshalb es für verschiedene Medien in einem breiten Temperaturbereich verwendbar ist.
Die vor allem aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid bestehende dünne Keramikplatte umfaßt Kristallkörner mit Durchmessern von 2 um oder weniger, vorzugsweise 1 um oder weniger. Dieser Durchmesserbereich ist wünschenswert, sodaß die vor allem aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid bestehende dünne Keramiktafel eine ausreichende Festigkeit, Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen kann.
2-6 Mol-%, vorzugsweise. 2,5-40 Mol-%, Yttriumoxid werden als Mittel zur Teilstabilisierung von Zirkoniumdioxid verwendet. Diese Menge an Yttriumoxid ist notwendig, damit die dünne Keramiktafel ausreichende Festigkeit und Abriebbeständigkeit aufweisen kann.
Die feinen Durchgangslöcher der dünnen Keramiktafel besitzen Durchmesser von 70 um oder weniger. Solche Durchmesser sorgen dafür, daß das Keramikelement der Erfindung die Kriterien hoher Dichte und Präzision erfüllen kann. Um feine Durchgangslöcher mit Durchmessern von 70 um oder weniger auszubilden, ist es vorzuziehen, daß die dünne Keramiktafel aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht. Jedes der feinen Löcher kann eine andere Größe aufweisen als die anderen feinen Durchgangslöcher. Wenn feine Durchgangslöcher mit jeweils der gleichen Größe ausgebildet werden, beträgt die Varianz der Größen feiner Durchgangslöcher nach dem Brennen günstigerweise ±5 um oder weniger, noch günstiger ±3 um oder weniger, um eine Variation der Eigenschaften zu vermeiden.
Die dünne Keramikplatte besitzt günstigerweise eine Dicke von 50 um oder weniger, vorzugsweise 40 um oder weniger, noch bevorzugter 30 um oder weniger. Diese geringe Dicke erleichtert die Ausbildung feiner Durchgangslöcher. Beim Stanzen mittels eines Stempels oder einer NC-Stanzmaschine kann man Defekte durch abgebrochene Stifte, Variationen des Lochdurchmessers an der Ober- und Unterseite der Tafel und die Ausbildung von Graten auf Tafeloberflächen oder den Innenflächen feiner Durchgangslöcher vermeiden oder verringern; bei der Laserverarbeitung kann man die Variation des Lochdurchmessers und die Ausbildung von Graten vermeiden oder verringern und die Verarbeitungszeit verkürzen. Außerdem kann die geringe Dicke den Widerstand verringern, der einem Medium wie z. B. Pulver, Flüssigkeit o. dgl. entgegengebracht wird, wenn es durch die feinen Durchgangslöcher der Platte geführt wird.
Damit die dünne Keramiktafel eine Dicke von 50 um oder weniger aufweisen kann, wird die Tafel vorzugsweise hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid gefertigt, da für die Tafel Festigkeit, Zähigkeit und Abriebbeständigkeit erforderlich sind.
Das Keramiksubstrat wird verwendet, damit das Keramikelement der Erfindung insgesamt Steifigkeit aufweist. Das Substrat besitzt eine (Gesamt)dicke von 80 um oder mehr, vorzugsweise 100 um oder mehr.
Das Keramiksubstrat kann (eine) andere Funktion(en) aufweisen. Es kann aus einer einzelnen oder aus mehreren Schichten bestehen. Im zweiteren Fall müssen nicht alle Schichten die gleiche Form aufweisen, und jede Schicht kann eine andere Funktion erfüllen. Das in Fig. 2B und 2C gezeigte Keramiksubstrat 10 besitzt kein Fenster.
Beim Sintern eines Laminats aus einer grünen Keramiksubstrattafel und einer dünnen grünen Tafel mit einer Vielzahl feiner Durchgangslöcher darin entsteht eine Spannung zwischen den Materialien, die die beiden grünen Tafeln bilden. Um diese Spannung zu beseitigen, ist es vorzuziehen, daß die kurze Seitenlänge (Breite) "w" in Querrichtung (kurze Seite) des Fensters des Keramiksubstrats in der an die dünne Keramiktafel angrenzenden Schicht und die kürzeste Distanz "d" zwischen zwei benachbarten feinen Durchgangslöchern der dünnen Keramiktafel folgende Beziehung zueinander haben:
w (mm) ≥ 10/d (um)
vorzugsweise w (mm) ≥ 25/d (um)
mehr bevorzugt w (mm) ≥ 50/d (um).
Wenn w (die kurze Seitenlänge des Fensters) kleiner als 10/d ist, besteht aufgrund der Spannung, die während des Sinterns des obengenannten Laminats erzeugt wird, die Tendenz zum Auftreten von Rissen zwischen feinen Durchgangslöchern.
Wenn w (die kurze Seitenlänge des Fensters) zu groß ist, sinken z. B. (1) die Handhabbarkeit des grünen Laminats, (2) die Festigkeit der dünnen Keramiktafel des gesinterten Laminats und (3) die Flachheit der dünnen Keramiktafel des gesinterten Laminats.
Fig. 1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 2C, 3A, 3B und 3C zeigen Beispiele für das erfindungsgemäß hergestellte Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern.
Fig. 1A, 1B und 1C zeigen ein Keramikelement, in dem die dünne Keramiktafel 7 mit feinen Durchgangslöchern 1 auf ein Keramiksubstrat 9 mit Fenstern 3 auflaminiert ist, um ein einstückig gesintertes Material zu bilden. Fig. 2A, 2B und 2C zeigen ein Keramikelement, in dem eine dünne Keramiktafel 7 mit feinen Durchgangslöchern 1, ein Keramiksubstrat 9 mit einem Fenster 3 und ein Keramiksubstrat 10 ohne Fenster in dieser Reihenfolge laminiert sind, um ein einstückig gesintertes Material zu bilden. Fig. 3A, 3B und 3C zeigen ein Keramikelement, in dem eine dünne Keramikplatte 7 mit feinen Durchgangslöchern 1 auf drei Schichten von Keramiksubstraten 9 auflaminiert ist, die jeweils Fenster 3 aufweisen (die Fensterformen eines Substrats unterscheiden sich von jenen anderer Substrate), um ein einstückig gesintertes Material zu bilden.
In der vorliegenden Erfindung werden die erste grüne Platte für die dünne Keramiktafel und die zweite grüne Platte für das Keramiksubstrat wie folgt erzeugt. Eine Aufschlämmung oder Paste für jede grüne Platte wird in herkömmlicher Weise durch Vermischen eines geeigneten Bindemittels, Weichmachers, Dispergiermittels, Sintermittels, organischen Lösungsmittels usw. mit einem Keramikpulver hergestellt. Aus der Aufschlämmung oder Paste wird eine grüne Keramikplatte erwünschter Dicke durch ein bekanntes Verfahren wie z. B. das Abstreichmesserverfahren, Kalandern, Drucken, gegenläufiges Walzenstreichen o. dgl. gefertigt werden. Dann erfolgen gegebenenfalls Schneiden, Stanzen, Ausbilden feiner Durchgangslöcher usw. mehrere grüne Platten werden durch Warmpressen o. dgl. laminiert; dadurch entsteht ein einstückiges Laminat mit erwünschter Form und Dicke. Die Ausbildung feiner Durchgangslöcher erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Stempels oder einer NC-Stanzmaschine oder durch Excimerlaserbearbeiten. Die Ausbildung kann für die grüne Platte vor der Lamination oder für das Laminat durchgeführt werden.
Wenn als dünne Keramiktafel eine Tafel verwendet wird, die hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht, ist es möglich, dem teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxidpulver 30 Gew.-% oder weniger eines Zusatzstoffs wie z. B. Aluminiumdioxid, Siliziumdioxid, Übergangsmetalloxid, Ton, Mullit, Cordierit, Spinell, Titandioxid oder Gemische davon zuzugeben.
Das einstückige Laminat wird dann gesintert und in ein einstückig gesintertes Material umgewandelt. Die Sintertemperatur liegt im allgemeinen bei etwa 1.200-1.700ºC, vorzugsweise bei etwa 1.300-1.600ºC.
Wenn sich das einstückig gesinterte Material verformt, kann die Verformung ausgeglichen werden, indem ein flaches Keramikgewicht o. dgl. auf das gesinterte Material gelegt und ein erneuter Sintervorgang bei einer Temperatur in der Nähe der obigen Sintertemperatur durchgeführt wird.
Günstigerweise erfüllen die Teilchendurchmesser des Pulvers in der grünen Platte für die Keramikpaste die folgenden zwei Bedingungen, damit die Durchmesser feiner Durchgangslöcher und der Abstand zwischen zwei angrenzenden feinen Durchgangslöchern innerhalb jeweilige Zielwerte fallen. Beim Formen feiner Durchgangslöcher in der grünen Platte durch mechanisches Stanzen oder Excimerlaserbearbeiten können im Gegensatz zur Verarbeitung von gesintertem Substrat die Teilchen an sich nicht geschnitten werden. Wenn daher die Teilchendurchmesser des Pulvers groß sind, weisen die Oberfläche der grünen Platte und die Innenflächen der feinen Durchgangslöcher für die dünne Keramiktafel nach der Verarbeitung unzureichende Präzision, Flachheit und Glätte, dafür aber Grate auf.
Außerdem sorgen kleine Teilchendurchmesser des Pulvers dafür, daß die Dehnung der grünen Platte für die dünne Keramiktafel, die während der Ausbildung feiner Durchgangslöcher entsteht, gering ist.

Bedingung 1 für Teilchendurchmesser des Pulvers

Eine grüne Platte für eine dünne Keramiktafel wird 2 Stunden lang bei 500ºC hitzebehandelt, um die darin enthaltenen organischen Komponenten zu entfernen, z. B. Bindemittel, Weichmacher, Dispergiermittel u. dgl., wodurch eine Testprobe hergestellt wird. Diese wird durch BET hinsichtlich ihrer spezifischen Oberfläche gemessen. Auf der Grundlage dieser spezifischen Oberfläche wird ein kugeläquivalenter Durchmesser DBET der Pulverteilchen in der grünen Platte errechnet. Wenn der DBET im nachstehend angeführten Bereich liegt, kann die resultierende grüne Platte verbesserte Verarbeitbarkeit und Handhabbarkeit bei der Bildung feiner Durchgangslöcher aufweisen:
0,02 ≤ DBET ≤ 0,2 [um]
worin DBET = 6/ρS [um]
ρ: theoretische Dichte des Pulvers [g/cm³]
S: spezifische Oberfläche des Pulvers, gemessen durch BET [m²/g]
Wenn DBET kleiner als 0,02 ist, ist es schwierig, eine grüne Platte einheitlicher Qualität zu erzeugen. Mit zunehmender Haftung zwischen den Pulvern verschlechtern sich Präzision, Flachheit und Glätte.

Bedingung 2 für Teilchendurchmesser des Pulvers

Eine Aufschlämmung für die grüne Platte der dünnen Keramiktafel wird mit dem gleichen Lösungsmittel verdünnt wie in der Aufschlämmung oder Paste und dann mittels eines LA-700 (Laserbeugungs-Teilchengrößentestgerät der Firma Horiba) hinsichtlich des durchschnittlichen Teilchendurchmessers gemessen. Je kleiner der durchschnittliche Teilchendurchmesser, desto größer die Flachheit und Glätte der Oberfläche oder Innenfläche der feinen Durchgangslöcher der grünen Platte nach dem Stanzen oder Laserexcimerbearbeiten.
Wenn der Volumsprozentsatz des Keramikpulvers und der Volumsprozentsatz organischer Komponenten, die beide in der grünen Platte für die dünne Keramiktafel enthalten sind, die folgenden Formeln erfüllen, kann man eine höhere Präzision der ausgebildeten feinen Durchgangslöcher, eine verbesserte Flachheit und Glätte der Oberfläche der verarbeiteten grünen Platte oder der Innenflächen der darin ausgebildeten feinen Durchgangslöcher, weniger Erzeugung von Bindungen in der grünen Platte und geringere Dehnung der grünen Platte erwarten. Die organischen Komponenten beziehen sich hierin auf Bindemittel, Weichmacher, Dispergiermittel usw.
0.80 ≤ A+B ≤ 0.98
0.40 ≤ A ≤ 0.55
A = GDx[a/(a+b)]x1/ρce
B = GDxΣ{[b&sub1;/(a+b)]x1/ρi}
worin A: Volumsprozentsatz von Keramikpulver
B: Volumsprozentsatz 21 organischer Komponenten,
a: Gew.-Teile des Keramikpulvers,
b: Gew.-Teile organischer Komponenten (b = Σbi),
b&sub1;: Gew.-Teile der einzelnen organischen Komponente,
GD: Dichte der "wie geformten" grünen Platte [g/cm³]
ρce: theoretische Dichte des Keramikpulvers [g/cm³]
ρi: theoretische Dichte der einzelnen organischen Komponente [g/cm³].
Die Kristallphase von teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid in der dünnen Keramiktafel mit feinen Durchgangslöchern besteht hauptsächlich aus einem tetragonalen System oder zumindest zwei Systemen, die aus dem kubischen, tetragonalen und monoklinen System ausgewählt sind. Die dünne Keramiktafel mit feinen Durchgangslöchern besteht vorzugsweise hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid mit einer derartigen Kristallphase, da eine solche Zusammensetzung der dünnen Keramikplatte hervorragende Festigkeit und Zähigkeit verleihen kann.
Es ist vorteilhaft, eine Kleberschicht zwischen der grünen Platte für die dünne Keramiktafel und der grünen Platte für das Keramiksubstrat vorzusehen. Die Verwendung der Kleberschicht kann den zum Laminieren der zwei grünen Platten erforderlichen Druck reduzieren. Der Laminationsdruck beträgt vorzugweise 100 kg/cm² oder weniger, noch bevorzugter 40 kg/cm² oder weniger. Ein zu großer Laminationsdruck läßt zumeist Risse zwischen feinen Durchgangslöchern entstehen, da der Abstand zwischen feinen Durchgangslöchern gering ist.
Das Material für die Kleberschicht kann die Aufschlämmung, die Paste, das Bindemittel, der Weichmacher, das Lösungsmittel oder das Gemisch davon sein, die alle bei der Herstellung der grünen Platte verwendet werden.
Die Kleberschicht wird vorzugsweise durch Beschichten, Drucken, Sprühen o. dgl. gebildet.
Vorzugsweise erfüllen die Sinterschrumpfkurve der grünen Platte für die Keramiktafel und die Sinterschrumpfkurve der günen Platte für das Keramiksubstrat die folgende Bedingung:
-50ºC ≤ T (dünne Tafel) - T (Substrat) ≤ +50ºC
noch bevorzugter
-20ºC ≤ T (dünne Tafel) - T (Substrat) ≤ +20ºC.
Günstigerweise sind die zwei Kurven identisch, insbesondere in der Anfangsphase des Sinterschrumpfens. In der obigen Formel bezieht sich T (dünne Tafel) auf eine Temperatur (ºC), bei der die grüne Platte für die dünne Keramiktafel, wenn sie für sich dem Sintern unter den gleichen Temperaturbedingungen ausgesetzt ist, wie sie für das Laminat der obigen zwei grünen Platten herrschen, 50% der Schrumpfung S (dünne Tafel) in Oberflächenrichtung aufweist; T (Substrat) bezieht sich auf eine Temperatur (ºC), bei der die grüne Platte für das Keramiksubstrat, wenn sie für sich dem Sintern unter den gleichen Temperaturbedingungen ausgesetzt ist, wie sie für das Laminat der obigen zwei grünen Platten herrschen, 50% der Schrumpfung S (Substrat) in Oberflächenrichtung aufweist.
Wenn die obige Bedingung nicht erfüllt wird, kommt es aufgrund der während des Sinterns entstehenden Spannungen in der dünnen Keramiktafel oft zur Ausbildung von Falten und Einbuchtungen; außerdem entstehen auf der dünnen Keramiktafel, in der der Loch-zu-Loch-Abstand gering ist, oft Risse zwischen den Löchern.
Es folgt eine Beschreibung der Erfindung durch Beispiele.
Zunächst wurde eine dünne grüne Platte wie folgt hergestellt.
In einer Kugelmühle wurden 30 Stunden lang 100 Gew.-Teile eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxidpulvers, enthaltend 3 Mol-%, Y&sub2;O&sub3; (DBET des Pulvers = 0,1 um), 8 Gew.-Teile eines Polyvinylbutyral-Harzes (Bindemittel), 3 Gew.-Teile DOP (Weichmacher), 2 Gew.-Teile eines Sorbitanfettsäureester-Dispergiermittels, 35 Gew.- Teile Xylol (Lösungsmittel) und 35 Gew.-Teile 1-Butanol (Lösungsmittel) vermischt, wodurch eine Aufschlämmung zur Bildung einer grünen Platte mit einer Viskosität von 2.000 cp erhalten wurde. Die Aufschlämmung wurde unter Vakuum entschäumt, um die Viskosität auf 4.000 cp einzustellen. Unter Verwendung der resultierenden Aufschlämmung wurde mittels einer Rakelmesservorrichtung eine dünne grüne Platte geformt, um eine Dicke (nach dem Sintern) von 30 um aufzuweisen.
Die Aufschlämmung wurde nach dem Entschäumen unter Vakuum mit einem Xylol/l- Butanol-Lösungsmittel (1 : 1 Gewichtsverhältnis) verdünnt und hinsichtlich des durchschnittlichen Teilchendurchmessers gemessen, der 0,58 um betrug. Das für die Messung verwendete Testgerät war LA-700 (ein Laserbeugungs-Teilchengrößentestgerät der Firma Horiba).
In der oben erhaltenen dünnen grünen Platte betrug der Volumsprozentsatz von Keramikpulver 49% und die Summe des Volumsprozentsatzes organischer Komponenten mit Ausnahme von Lösungsmittel und des Volumsprozentsatzes von Keramikpulver 88%.
Die dünne grüne Platte wurde mit einer NC-Stanzmaschine gestanzt, um 2.832 feine Durchgangslöcher 1, die einen Lochdurchmesser von 40 um und einen Loch-zu-Loch- Abstand von 36,7 um aufwiesen, in vier Reihen zu jeweils 708 Löchern zu bilden (siehe Fig. 5A, 5B und 5C). Dann wurde die Platte geschnitten, um eine äußere Form von 230 mm · 20 mm zu besitzen.
Als nächstes wurde unter Verwendung der oben erhaltenen Aufschlämmung zur Bildung der grünen Platte eine grüne Platte für das Keramiksubstrat, das eine Dicke (nach dem Sintern) von 150 um aufwies, mittels einer Streichmesservorrichtung hergestellt. Auf dieser grünen Platte für Keramiksubstrat wurde wie folgt eine Kleberschicht ausgebildet. In einer Dreiwalzenmühle wurden 100 Gew.-Teile eines teilweise stabilisierten Zirkoniumdioxid-Pulvers, enthaltend 3 Mol-% Y&sub2;O&sub3; (DBET des Pulvers = 0,1 um), 13 Gew.-Teile eines Polyvinylbutyral-Harzes (Bindemittel), 5 gew.-Teile DOP (Weichmacher) und 50 Gew.-Teile 2-Ethylhexanol geknetet, wodurch eine klebende Paste mit einer Viskosität von 20.000 cp erhalten wurde. Diese Paste wurde mittels einer Siebdruckmaschine auf die grüne Platte für das Keramiksubstrat aufgedruckt, um eine Kleberschicht mit einer Dicke (nach dem Trocknen) von 6 um zu bilden.
Die grüne Platte mit einer darauf ausgebildeten Kleberschicht wurde geschnitten und gestanzt, um eine Form (Fenstergröße: 201 mm · 0,95 mm) zu erhalten, wie sie aus Fig. 5A, 5B und 5C ersichtlich ist.
Die dünne grüne Platte und die grüne Platte mit darauf ausgebildeter Kleberschicht wurden bei 30 kg/cm² und 80ºC 1 min lang laminiert und warmgepreßt, um ein einstückiges Laminat zu erhalten.
Das einstückige Laminat wurde 3 Stunden lang bei 1.500ºC gesintert. Das resultierende einstückig gesinterte Material wurde sandwichartig zwischen flache poröse Aluminiumplatten einer Dicke von 2 mm eingeschoben und 5 Stunden lang erneut bei 1500ºC gesintert, um das Verformen auszugleichen. Im gesinterten Material betrug der durchschnittliche Korndurchmesser der Keramikkörner im dünnen Keramikabschnitt 0,7 um.
Somit kann ein Keramikelement hergestellt werden, das aus einem einstückig gesinterten Material besteht, umfassend eine dünne Keramikplatte 7 mit feinen Durchgangslöchern 1 und ein Keramiksubstrat 9 mit einem Fenster 3. Durch Ausbilden von Goldelektroden 13 auf diesem Keramikelement kann man einen in Fig. 5A, 5B und 5C gezeigten Feld-Shutter erhalten.
Das oben hergestellte Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern kann auch als Ionenstrom-Steuerkopf verwendet werden (siehe Fig. 4).
Durch Kombinieren (1) des oben erzeugten Keramikelements mit darauf ausgebildeten Elektroden 15 für elektrische Feld-Shutter (Goldelektroden mit einer Dicke von 0,3 um), (2) einer Ionenquelle, umfassend eine dünne dielektrische Tafel 21, eine Leitungselektrode 11 und eine Fingerelektrode 12 (auf den beiden Seiten der Platte), und (3) einer dielektrischen Trommel 19 kann ein Ionenstrom-Steuerkopf wie in Fig. 4 zusammengebaut werden.
Die Anwendung des erfindungsgemäß hergestellten Keramikelements ist nicht auf den Ionenstrom-Steuerkopf beschränkt. Das Keramikelement kann auch anderen Verwendungszwecken zugeführt werden, bei denen ein Element mit feinen Durchgangslöchern im dünnen Tafelabschnitt erforderlich ist.
Wie dies aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern, da der dünne Keramiktafelabschnitt aus einem Keramikmaterial mit Hitzebeständigkeit, Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringer Wärmedehnung besteht, für zahlreiche Medien in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt werden und besitzt eine hervorragende Positions- und Dimensionspräzision sowie Haltbarkeit. Daher ist das Keramikelement für eine große Vielzahl an Vorrichtungen geeignet und sehr nützlich.
Obwohl teilweise stabilisiertes Zirkoniumdioxid hierin als bevorzugtes Material zur Verwendung in der Erfindung erwähnt wird, ist es für Fachleute auf dem Gebiet der Keramik offenkundig, daß sich auch andere Keramikmaterialien zu diesem Zweck eignen und eingesetzt werden können.

Claims

1. Keramikelement aus einem einheitlich gesinterten. Material mit feinen Durchgangslöchern, umfassend:

ein Keramiksubstrat, das zumindest ein Fenster aufweist, und

eine dünne Keramiktafel, die auf das Substrat laminiert ist, um das Fenster zu bedecken, worin die dünne Keramiktafel eine Vielzahl feiner Durchgangslöcher an dem/den Abschnitt(en) aufweist, der/die dem zumindest einen Fenster entspricht/entsprechen, und jeder Abstand von Loch zu Loch 70 Nm oder weniger beträgt.

2. Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern nach Anspruch 1, worin die dünne Keramiktafel hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht.

3. Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern nach Anspruch 2, worin die dünne Keramiktafel, die hauptsächlich aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid besteht, Kristallkörner mit einem Durchmesser von 2 um oder weniger umfaßt.

4. Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern nach Anspruch 2 oder 3, worin das teilweise stabilisierte Zirkoniumdioxid Zirkoniumdioxid ist, das mit 2 bis 6 Mol-% Yttriumoxid teilweise stabilisiert ist.

5. Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die feinen Durchgangslöcher der dünnen Keramiktafel einen Durchmesser von 70 um oder weniger aufweisen.

6. Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die dünne Keramiktafel eine Dicke von 50 Nm oder weniger aufweist.

7. Keramikelement mit feinen Durchgangslöchern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Keramiksubstrat eine Dicke von 80 um oder mehr aufweist.