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WO2017032868A1 - Feuchtigkeitsbeständige schutzschicht - Google Patents

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WO2017032868A1
WO2017032868A1 PCT/EP2016/070163 EP2016070163W WO2017032868A1 WO 2017032868 A1 WO2017032868 A1 WO 2017032868A1 EP 2016070163 W EP2016070163 W EP 2016070163W WO 2017032868 A1 WO2017032868 A1 WO 2017032868A1
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piezoceramic
particles
actuator
moisture
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Tanja Einhellinger-Müller
Tobias Schmidt
Ralf Moos
Michael Schubert
Reiner Bindig
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    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based

Definitions

  • Piezoceramic multilayer actuators consist of stacked thin layers of piezoelectrically active material (2), z.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the outer electrodes (3), (4) connect the inner electrodes, whereby the inner electrodes are electrically connected in parallel and combined into two groups, which represent the two terminal poles of the actuator. Applying an electrical voltage to the terminal poles, this is transmitted in parallel to all internal electrodes and causes an electric field in all layers of active material, thereby mechanically deformed. The sum of all these mechanical deformations is available at the end faces of the actuator as usable strain (6) and / or force.
  • Such a layer structure is usually produced by the cofiring method.
  • the active material is provided before sintering as a so-called green film by a screen printing by means of noble metal paste with internal electrodes, pressed into actuator stacks, pyrolysed and then sintered, whereby the monolithic actuator is formed.
  • the surfaces of the actuator body are then processed by a molding process, generally by grinding.
  • This base metallization is by the application of a metallic material (4), z. B. by soldering a wire mesh reinforced. At this reinforced layer of the electrical connection wire (5) is soldered.
  • the structure and production of such actuators and external electrodes is z.
  • Piezoceramic actuators therefore react very sensitively to ambient humidity for the reasons stated, and can only be operated in pulsed mode during humid environments, so that the moisture can be desorbed again in the pulse pauses, or operated at a sufficiently high frequency.
  • Actuators are always coated with an insulating layer to prevent electrical flashovers on the actuator surface. These coatings are mostly unfilled or filled polymers and are good to very well permeable to water vapor. There is no known polymeric coating that could solve the leakage problem. Previous possibilities to counteract the problem have not achieved satisfactory results.
  • the inner electrodes can be slightly withdrawn into the interior of the actuator, so that a closed ceramic layer is formed on the actuator surface (buried electrodes, eg US2008048528). However, due to manufacturing tolerances, the closed ceramic layer must be at least about 0.2 mm thick. In operation, it is passively stretched and inevitably cracks, thereby losing its protective effect.
  • actuator sections can be made with buried electrodes having a height of only about 2 mm. Since not enough mechanical tension can build up in such a short section during operation of the actuator, the sections theoretically do not crack (eg JP 8-236828). However, the freedom from cracking is only guaranteed theoretically (statistically). Examining such actuators, one finds quite a high proportion of actuators are still sensitive to moisture.
  • an unsintered piezoceramic film onto the actuator surface and then sinter it (for example DE10021919).
  • a layer of piezoceramic paste e.g. Apply by stencil printing and sinter. In both cases there is also a statistical risk of crack formation in the coating due to the operation of the actuator.
  • a layer produced on the actuator surface by means of an air-flow deposition method is used as a protective layer against moisture (FIG. 2).
  • the protective layer is preferably a ceramic layer, wherein the ceramic may preferably be selected from piezoceramic, aluminum oxide, zirconium oxide, or titanium oxide or other inorganic substances.
  • the ceramic may preferably be selected from piezoceramic, aluminum oxide, zirconium oxide, or titanium oxide or other inorganic substances.
  • RTIC Room Temperature Impact Consolidation
  • the protective layer therefore basically consists of (broken and interconnected) particles.
  • This particle layer can be annealed after application, in particular at temperatures ⁇ 800 ° C., preferably ⁇ 600 ° C., more preferably 300 ° C.
  • the layer thicknesses of the layers thus produced can be in the range between 1 and 100 ⁇ m, with the range of 5 to 30 ⁇ m being particularly preferred.
  • ADM-generated layers are very dense (relative density> 95% preferably> 98%), non-porous and do not contain any "grain boundaries" as they are produced by sintering processes Electrochemical conductivities such as occur in a sintered ceramic do not occur high density with sufficient protective effect be very thin and thus remain free of cracks during operation of the actuator.
  • the moisture-protecting protective layer of the piezoceramic multilayer actuator consists according to a preferred embodiment of particles, preferably ceramic particles
  • the protective layer of ceramic particles is preferably applied at temperatures ⁇ 600 ° C., preferably ⁇ 300 ° C., and at temperatures ⁇ 800 ° C., preferably ⁇ 600 ° C., particularly preferably after-treatment at 300 ° C.
  • the protective layer of ceramic particles is applied by means of air-flow separation method, particularly preferably by means of aerosol deposition.
  • the protective layer of ceramic particles surrounds the entire actuator with the exception of the end sides, wherein only protective layer-free locations for soldering the leads are kept open. In a further preferred embodiment, the protective layer of ceramic particles covers only the side surfaces of the actuator, which do not carry outer electrode layer. In a further preferred embodiment, the protective layer of ceramic particles does not conduct the electric current.
  • the protective layer of ceramic particles does not undergo chemical reactions with water vapor.
  • the protective layer consists of piezoceramic particles, aluminum oxide particles, zirconium oxide particles or titanium oxide particles.
  • the protective layer has a layer thickness of 5-100 ⁇ , particularly preferably the range of 10-30 ⁇ on.
  • the invention also encompasses a method for producing a piezoceramic multilayer actuator wherein the moisture-protecting protective layer is applied by means of an air-flow separation method, particularly preferably by means of aerosol deposition.
  • the ceramic bodies for monolithic, piezoceramic multilayer actuators with dimensions of 7 ⁇ 7 ⁇ 30 mm 3 were produced and provided with outer electrode strips.
  • Comparative Example 1 The actuators were washed with a nonaqueous medium, dried and coated with a conformal coating for isolation.
  • Example 3 The actuators were washed with demineralised water, dried, and coated with a silicone coating (conformal coating) for insulation.
  • Example 3 The actuators were coated with an ADM layer of piezoceramic. (SP505, layer thickness 10 ⁇ )
  • the actuators were coated with an ADM layer of piezoceramic. (SP505, layer thickness 30 ⁇ )
  • the actuators were coated with an ADM layer of piezoceramic (SP53, layer thickness 20 ⁇ ).
  • the actuators manufactured according to the above procedure were connected to a voltage of 200 V (normal operating voltage) and the current was measured.
  • the actuators were exposed to a temperature of 25 ° C and a humidity of 30% RH.
  • the current first decreases rapidly (charge and polarization processes), reaches a minimum (Imin) and then increases rapidly (moisture ingress into the actuator).
  • Imin a minimum
  • moisture ingress into the actuator As a measure of the moisture resistance is the time until the current exceeds the value of 1 ⁇ for the first time (ta).

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein piezokeramischer Vielschichtaktor mit einer feuchtigkeitsbeständigen Schutzschicht und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Feuchtigkeitsbeständige Schutzschicht
Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist ein piezokeramischer Vielschichtaktor mit einer feuchtigkeitsbeständigen Schutzschicht und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Piezokeramische Vielschichtaktoren (Fig. 1 ) bestehen aus gestapelten dünnen Schichten piezoelektrisch aktiven Materials (2), z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), mit dazwischen angeordneten leitfähigen Innenelektroden (7), die alternierend an die Aktoroberfläche geführt werden. Die Außenelektroden (3), (4) verbinden die Innenelektroden, wodurch die Innenelektroden elektrisch parallel geschaltet und zu zwei Gruppen zusammengefasst werden, welche die beiden Anschlusspole des Aktors darstellen. Legt man eine elektrische Spannung an die Anschlusspole, so wird diese auf alle Innenelektroden parallel übertragen und verursacht ein elektrisches Feld in allen Schichten aktiven Materials, das sich dadurch mechanisch verformt. Die Summe aller dieser mechanischen Verformungen steht an den Endflächen des Aktors als nutzbare Dehnung (6) und/oder Kraft zur Verfügung.
Ein derartiger Schichtaufbau wird üblicherweise nach dem Cofiring-Verfahren hergestellt. Das aktive Material wird dabei vor dem Sintern als sogenannte Grün- Folie durch ein Siebdruckverfahren mittels Edelmetallpaste mit Innenelektroden versehen, zu Aktorstapeln verpresst, pyrolysiert und dann gesintert, wodurch der monolithische Aktor entsteht.
Die Oberflächen des Aktorkörpers werden danach durch ein formgebendes Verfahren, im Allgemeinen durch Schleifen bearbeitet. Auf den Aktor (1 ) wird im Bereich der herausgeführten Innenelektroden (7) eine Grundmetallisierung (3), z. B. durch galvanische Verfahren oder durch Siebdruck einer Metallpaste, aufgebracht. Diese Grundmetallisierung wird durch das Aufbringen eines metallischen Werkstoffes (4), z. B. durch Anlöten eines Drahtgeflechtes, verstärkt. An diese verstärkte Schicht wird der elektrische Anschlussdraht (5) gelötet. Der Aufbau und die Herstellung derartiger Aktoren und Außenelektroden wird z. B. in den Druckschriften DE 33 30538 A1 , DE 40 36 287 C2, US 5 281 885, US 4 845 399, US 5 406 164 und JP 07-226541 A ausführlich beschrieben.
An den Seitenflächen des Aktors, die nicht mit einer Metallisierung versehen werden, treten alle Elektroden an die Bauteiloberfläche. Die elektrische Feldstärke ist dort genauso hoch wie im Bauteilinneren und beträgt mehrere tausend Volt pro Millimeter.
Polare Moleküle aus der Umgebung des Aktors, die in die Nähe der Oberfläche geraten, beispielsweise Wasserdampf, werden in diesem elektrischen Feld polarisiert, ausgerichtet und an die Oberfläche gezogen. Dort werden sie an der Keramikoberfläche adsorbiert und führen durch verschiedene elektrochemische Reaktionen dazu, dass zwischen den an die Oberfläche tretenden Elektroden ein Strom fließt. Die elektrochemischen Reaktionen finden direkt an der Keramikoberfläche aber nach einigen Minuten auch entlang der oberflächennahen Korngrenzen statt. Einige dieser elektrochemischen Reaktionen sind zudem irreversibel und führen zur Degradation und schlimmstenfalls zum Ausfall des Aktors. Die Art dieser elektrochemischen Reaktionen ist nicht endgültig geklärt, jedoch scheinen die elektrochemische Wasserzersetzung und eine lonenmigration an der Aktoroberfläche und entlang hydratisierter Korngrenzen eine dominante Rolle zu spielen.
Piezokeramische Aktoren reagieren deshalb aus den genannten Gründen sehr empfindlich auf Umgebungsfeuchtigkeit, und können in feuchter Umgebung nur im Pulsbetrieb, damit in den Pulspausen die Feuchtigkeit wieder desorbiert werden kann, oder mit ausreichend hoher Frequenz betrieben werden. Aktoren werden grundsätzlich mit einer Isolierschicht überzogen, um elektrische Überschläge an der Aktor-Oberfläche zu verhindern. Diese Überzüge sind meist ungefüllte oder gefüllte Polymere und sind für Wasserdampf gut bis sehr gut durchlässig. Es ist keine polymere Beschichtung bekannt, die das Leckstromproblem lösen könnte. Bisherige Möglichkeiten dem Problem entgegenzuwirken haben keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt. Beispielsweise können die Innen- Elektroden etwas ins Innere des Aktors zurückgezogen werden, so dass an der Aktoroberfläche eine geschlossene Keramikschicht entsteht (vergrabene Elektroden, z.B. US2008048528). Jedoch muss die geschlossene Keramikschicht aufgrund von Fertigungstoleranzen mindestens etwa 0,2 mm dick sein. Im Betrieb wird sie passiv gedehnt und bekommt unvermeidlich Risse, wodurch sie ihre Schutzwirkung verliert.
Andererseits können Aktor-Teilstücke mit vergrabenen Elektroden anfertigt werden, die eine Höhe von nur etwa 2 mm haben. Da sich in einem derart kurzen Teilstück beim Betrieb des Aktors nicht genug mechanische Zugspannung aufbauen kann, bekommen die Teilstücke theoretisch keine Risse (z. B. JP 8- 236828).. Die Rissfreiheit ist allerdings nur theoretisch (statistisch) gewährleistet. Untersucht man derartige Aktoren, so findet man durchaus einen hohen Anteil von Aktoren die trotzdem feuchteempfindlich sind.
Um die Toleranzprobleme der vergrabenen Elektroden zu umgehen kann man auf die Aktoroberfläche eine ungesinterte Piezokeramik-Folie auflaminieren und anschließend sintern (z. B. DE10021919). Auch kann man eine Schicht aus Piezokeramik-Paste z.B. mittels Schablonendruck aufbringen und sintern. In beiden Fällen besteht statistisch gesehen ebenfalls die Gefahr der Rissbildung in der Beschichtung durch den Betrieb des Aktors.
Alle Aktoren, die mit gesinterten Keramik Schutzschichten versehen sind können deshalb nicht mit der ihnen möglichen vollen Leistung betrieben werden. Es muss darauf geachtet werden, dass die Schutzschicht im Betrieb rissfrei bleibt. Bei sehr dünnen piezokeramischen Schutzschichten treten außerdem die Folgen der elektrochemischen Reaktionen von Feuchtigkeit entlang der Korngrenzen in den Vordergrund. Je dünner die Schicht ist, desto deutlicher sind die auftretenden Reaktionen. Selbst bei einer relativ dicken Keramikschicht von 0,2 mm lassen sich diese Reaktionen als Leckstrom nachweisen. Die einzige derzeit bekannte und wirksame Methode ist die Verkapselung der Aktoren in ein hermetisch dichtes Metallgehäuse, wobei dafür gesorgt werden muss, dass adsorbierte Feuchtigkeit innerhalb des Gehäuses durch ein geeignetes Füllmedium chemisch zersetzt wird (US2014368086). Nachteilig sind dabei der nicht unbeträchtliche zusätzliche Aufwand bei der Herstellung, die erhöhten Kosten und der deutlich vergrößerte Bauraum der Aktoren.
Daraus ergab sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vielschichtaktor mit einer feuchtigkeitsbeständigen Schutzschicht bereitzustellen, der relativ einfach gefertigt werden kann, kostengünstig zu produzieren ist und einen geringstmöglichen Bauraum aufweist. Zudem soll der Aktor im Betrieb möglichst geringe Leckströme zeigen. Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäßen Vielschichtaktor nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird eine mittels eines Luftstromabscheideverfahrens, besonders bevorzugt mittels eines ADM-Verfahrens erzeugte Schicht auf der Aktoroberfläche als Schutzschicht vor Feuchtigkeit (Fig. 2) verwendet.
Die Schutzschicht ist bevorzugt eine Keramikschicht, wobei die Keramik bevorzugt ausgewählt sein kann aus Piezokeramik, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, oder Titanoxid oder anderen anorganischen Stoffen. Beim ADM-Verfahren (Aerosol Deposition Method oder auch RTIC = Room Temperature Impact Consolidation) werden Partikel in einem Gasstrom auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf und auf der Aktoroberfläche abgeschieden. Dabei erfolgt neben einer plastischen Verformung auch ein Aufbrechen der Partikel in Nanometer große Bruchstücke, die sich zu einer dichten und gut haftenden Schicht anordnen. Das gesamte Verfahren findet bei Raumtemperatur statt. Die Temperaturen während des Aufbringens der Partikel beträgt <600°C, bevorzugt <300°C.
Die Schutzschicht besteht daher grundsätzlich aus (aufgebrochenen und miteinander verbundenen) Partikeln. Diese Partikelschicht kann mittels Tempern nach dem Aufbringen nachbehandelt werden, insbesondere bei Temperaturen <800°C, bevorzugt <600°C besonders bevorzugt 300°C
Die Schichtdicken der so erzeugten Schichten können im Bereich zwischen 1 - 100 μιτι liegen, wobei der Bereich von 5 - 30 μιτι besonders bevorzugt ist. Mittels ADM erzeugte Schichten sind sehr dicht (relative Dichte >95% bevorzugt >98%), porenfrei und enthalten keine „Korngrenzen" wie sie durch Sintervorgänge entstehen. Elektrochemische Leitvorgänge wie sie in einer gesinterten Keramik auftreten finden nicht statt. Die Schichten können aufgrund ihrer hohen Dichte bei ausreichender Schutzwirkung sehr dünn sein und bleiben damit beim Betrieb des Aktors rissfrei.
Die vor Feuchtigkeit schützende Schutzschicht des piezokeramischen Vielschichtaktors besteht nach einer bevorzugten Ausführungsform aus Partikeln, bevorzugt Keramikpartikeln
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schutzschicht aus Keramikpartikeln bevorzugt bei Temperaturen <600°C, bevorzugt <300°C aufgebracht und bei Temperaturen <800°C, bevorzugt <600°C besonders bevorzugt 300°C nachbehandelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Schutzschicht aus Keramikpartikeln mittels Luftstromabscheideverfahrens, besonders bevorzugt mittels Aerosol Deposition aufgebracht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgibt die Schutzschicht aus Keramikpartikeln den gesamten Aktor mit Ausnahme der Stirnseiten, wobei lediglich schutzschichtfreie Stellen zum Anlöten der Anschlussdrähte offen gehalten werden In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bedeckt die Schutzschicht aus Keramikpartikeln lediglich die Seitenflächen des Aktors, die keine Außenelektrodenschicht tragen. ln einer weiteren bevorzugten Ausführungsform leitet die Schutzschicht aus Keramikpartikeln den elektrischen Strom nicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform geht die Schutzschicht aus Keramikpartikeln keine chemischen Reaktionen mit Wasserdampf ein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Schutzschicht aus Piezokeramik-Partikeln, Aluminiumoxid-Partikeln, Zirkonoxid-Partikeln oder Titanoxid-Partikeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Schutzschicht eine Schichtdicke von 5 - 100 μιτι, besonders bevorzugt ist der Bereich von 10 - 30 μιτι auf.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Vielschichtaktors wobei die vor Feuchtigkeit schützende Schutzschicht mittels Luftstromabscheideverfahrens, besonders bevorzugt mittels Aerosol Deposition aufgebracht wird. Beispiele:
Es wurden die Keramikkörper für monolithische, piezokeramische Vielschichtaktoren mit den Abmessungen 7 x 7 x 30 mm3 hergestellt und mit Außenelektrodenstreifen versehen.
Vergleichsbeispiel 1 Die Aktoren wurden mit einem nicht-wässrigen Medium gewaschen, getrocknet und mit einem Silikonlack (conformal coating) zur Isolation überzogen.
Vergleichsbeispiel 2:
Die Aktoren wurden mit entmineralisiertem Wasser gewaschen, getrocknet, und mit einem Silikonlack (conformal coating) zur Isolation überzogen. Beispiel 3: Die Aktoren wurden mit einer ADM-Schicht aus Piezokeramik überzogen. (SP505, Schichtstärke 10 μηη)
Beispiel 4:
Die Aktoren wurden mit einer ADM-Schicht aus Piezokeramik überzogen. (SP505, Schichtstärke 30 μηη)
Beispiel 5:
Die Aktoren wurden mit einer ADM-Schicht aus Piezokeramik überzogen (SP53, Schichtstärke 20 μιτι).
Messung des Leckstromes: Die Aktoren, die nach den oben genannten Verfahrne hergestellt wurden, wurden an eine Spannung von 200 V (normale Betriebsspannung) angeschlossen und der Strom gemessen. Die Aktoren waren dabei einer Temperatur von 25 °C und einer Feuchtigkeit von 30% rF ausgesetzt.
Der Strom nimmt zunächst schnell ab (Lade und Polarisationsvorgänge), erreicht ein Minimum (Imin) und steigt danach rasch an (Eindringen von Feuchtigkeit in den Aktor). Als Maß für die Feuchtigkeitsbeständigkeit dient die Zeit bis der Strom zum ersten Mal den Wert von 1 μΑ überschreitet (ta).
Imin /nA ta /h
Vergleichsbeispiel 1 8 10
Vergleichsbeispiel 2 35 0,5
Beispiel 3 6 28
Beispiel 4 15 > 2000
Beispiel 5 2 > 2000 Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Beschichtung mit einer ausreichend dichten und dicken ADM-Schicht eine hervorragende Schutzwirkung gegen Feuchtigkeit erzielt werden kann, insbesondere im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Silikonlacken.

Claims

Patentansprüche
1 . Piezokerannischer Vielschichtaktor mit einer vor Feuchtigkeit schützenden Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet dass die Schutzschicht aus Partikeln, bevorzugt Keramikpartikeln besteht.
2. Piezokeramischer Vielschichtaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die Schutzschicht aus Keramikpartikeln besteht und bevorzugt bei Temperaturen <600°C, bevorzugt <300°C aufgebracht und bei Temperaturen <800°C, bevorzugt <600°C besonders bevorzugt 300°C nachbehandelt wird.
3. Piezokeramischer Vielschichtaktor mit einer vor Feuchtigkeit schützenden Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Schutzschicht aus Keramikpartikeln besteht und mittels Luftstromabscheideverfahrens, besonders bevorzugt mittels Aerosol Deposition aufgebracht wird.
4. Piezokeramischer Vielschichtaktor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Keramikpartikeln den gesamten Aktor mit Ausnahme der Stirnseiten umgibt, wobei lediglich schutzschichtfreie Stellen zum Anlöten der Anschlussdrähte offen gehalten werden. 6.
5. Piezokeramischer Vielschichtaktor einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Keramikpartikeln lediglich die Seitenflächen des Aktors bedeckt, die keine Außenelektrodenschicht tragen.
6. Piezokeramischer Vielschichtaktor einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Keramikpartikeln den elektrischen Strom nicht leitet.
7. Piezokeramischer Vielschichtaktor einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Keramikpartikeln keine chemischen Reaktionen mit Wasserdampf eingeht.
8. Piezokeramischer Vielschichtaktor einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus Piezokeramik- Partikeln, Aluminiumoxid-Partikeln, Zirkonoxid-Partikeln oder Titanoxid- Partikeln besteht.
9. Piezokeramischer Vielschichtaktor nach Anspruch 1 , ,2 oder 3, wobei die Schutzschicht eine Schichtdicke von 5 - 100 μιτι aufweist, besonders bevorzugt ist der Bereich von 10 - 30 μιτι.
10. Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Vielschichtaktors nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vor Feuchtigkeit schützende Schutzschicht mittels Luftstromabscheideverfahrens, besonders bevorzugt mittels Aerosol Deposition aufgebracht wird.
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