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Piezoelektrische Einrichtung
Die Erfindung betrifft piezoelektrische Elemente, deren aktives Material aus Zinkoxyd besteht, und Einrichtungen, die solche piezoelektrische Elemente enthalten.
Es erscheint nicht erforderlich, die grosse Bedeutung von piezoelektrischen Einrichtungen in der mo-
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filter und Resonatoren eine bedeutende Rolle. In der Literatur werden zahlreiche piezoelektrische Mate- rialien, wie E. D. T., A. D. P. usw. angegeben, die für piezoelektrische Einrichtungen, wie Unterwasserschallgeräte, Echolotgeräte, Verzögerungsleitungen, elektro-akustische Wandler sowie Generatoren und Empfänger für Ultraschall, brauchbar sind. Quarz ist vermutlich das bestbekannte piezoelektrische Ma- terial. Seine umfangreiche Verwendung beruht zum Grossteil auf seiner physikalischen und chemischen Stabilität. Quarz reagiert nämlich im allgemeinen nicht mit Bestandteilen der Atmosphäre, ist über lange Gebrauchsdauer stabil und kann hohen physikalischen Beanspruchungen widerstehen.
Die organischen piezoelektrischen Materialien, die vorwiegend während des zweiten Weltkrieges im Hinblick auf den Mangel anQuarzmaterial entwickelt worden sind, haben zwar erheblich höhere Kopplungskoeffizienten, sind aber in Wasser löslich, chemisch unstabil und auch in anderer Hinsicht für viele Anwendungsfälle, in denen der Quarz entspricht, ungeeignet.
Für viele Anwendungsfälle besteht somit ein Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Material, das einen höheren Kopplungskoeffizienten als Quarz hat, anderseits aber die ausgezeichneten physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Materials aufweist. Bisher war man zuweilen versucht, diese Erfordernisse durch Verwendung von hermetisch abgeschlossenen organischen Kristallen zu befriedigen. Die Gehäuse sind dabei so ausgebildet, dass sie eine Einwirkung von Bestandteilen der äusseren Atmosphäre verhindern, anderseits aber eine mechanische Kopplung mit dem Kristall ermöglichen, u. zw. gewöhnlich durch Verwendung von Gummi oder ähnlichem nachgiebigem Material für das Gehäuse oder für Abschnitte desselben.
In den meisten Fällen hat es sich aber als erforderlich erwiesen, weiterhin Quarz trotz seiner unbefriedigenden Energieumwandlung zu verwenden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Zinkoxyd viele günstige Eigenschaften der beiden geschildertenKlassen von piezoelektrischen Materialien in sich vereinigt. Dieses Material reagiert nämlich nicht mit den normalen Bestandteilen der Atmosphäre, ist nicht in Wasser löslich und ist überdies bekanntlich chemisch und physikalisch stabil. Sein maximaler elektromechanischer Kopplungskoeffizient liegt über 0, 3 und ist daher sehr günstig im Vergleich zu dem maximalen Kopplungskoeffizienten von
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gen auch andere Eigenschaften, die in piezoelektrischen Einrichtungen eine Rolle spielen, bei Zinkoxyd im allgemeinen günstig, was nachfolgend noch erläutert wird.
Zinkoxyd ist ein 11-VI-HalbleitermateriaI der Leitfähigkeitstype n, das auf verschiedene Arten Kd. h. aus der Dampfphase, aus einer Schmelze oder durch hydrothermische Methoden) in Kristallform gezüchtet werden kann und schon für Halbleitereinrichtungen in Betracht gezogen worden ist. Es sind insbesondere schon Verfahren zur Kompensation der ausgeprägten n-Type der Leitfähigkeit entwickelt worden, doch ist es, soweit bekannt, noch nicht gelungen, die Leitfähigkeitstype p in diesem Material hervorzurufen.
Einige der Verfahrensweisen, die im Verlaufe dieser Untersuchungen entwickelt worden sind, sind aber auch für die nachfolgend beschriebene Erfindung von Bedeutung.
Für eine erfolgreiche Verwendung eines piezoelektrischen Materials in piezoelektrischenEinrich-
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tangen ist es zunächst erforderlich, einen gesunden Kristall herzustellen (an Zinkoxyd sind bisher keine ferroelektrischen Eigenschaften festgestellt worden, so dass eine Orientierung von polykristallinen Körpern nicht erzielbar erscheint). Gesunde Kristalle sind nach jedem der schon erwähnten Verfahren gezüchtet worden. Da ein Grossteil der diesbezüglichen Arbeiten in der Literatur nicht veröffentlicht worden ist, wird in der nachfolgenden Beschreibung ein Verfahrensbeispiel für die Züchtung von Zinkoxyd aus der Dampfphase gebracht. Überdies können Zinkoxydkristalle, die eine ungewöhnliche plattenähnliche Gestalt haben, unter besonderen Bedingungen aus einer Schmelze gewonnen werden.
Kristalle, die nach einem dieser Verfahren hergestellt worden sind, können als Keime in einem hydrothermischen Verfahren verwendet werden, das von R. A. Laudise entwickelt und im "Journal of Physical Chemistry", April 1960, beschrieben worden ist.
Die Einverleibung von gewissen Materialien, die als wirksame Elemente in einer piezoelektrischen Einrichtung dienen, erfordert die scheinbare Beseitigung jedes natürlichen Leitfähigkeitsmechanismus, der ansonsten einen Dämpfungseffekt auf die im Kristall erzeugten Felder ausüben würde. Wie schon er- wähnt, zeigt Zinkoxyd im gezüchteten Zustand eine stark ausgeprägte Leitfähigkeit der Type n, wobei die spezifische Leitfähigkeit in der Grössenordnung von wenigstens 0, 01 Ohm cm liegt. Es wurde gefunden, dass eine befriedigende Verwendung von Zinkoxyd piezoelektrische Elemente erst nach Herabsetzung der spezifischenLeitfähigkeit auf 10-Ohm-cm (gemessenbeiRaumtemperatur) erzielbarist.
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chen dieses Elementes Kontaktelektroden vorgesehen sind.
Obzwar alle zur Herabsetzung der Leitfähigkeit auf einen gewünschten Wert dienenden Verfahren im Rahmen der Erfindung brauchbar sind, hat es sich doch als zweckmässig erwiesen, die Herabsetzung der Leitfähigkeit durch Verwendung von Lithium zu. bewirken. Ein im. Rahmen der Erfindung geeignetes Verfahren dieser Art wird noch beschrieben.
Dem Fachmann ist eine grosse Klasse von Einrichtungen erkennbar, in welchen Zinkoxyd im Hinblick auf die geschilderten Eigenschaften verwendbar ist. Zur Erläuterung dieser Einrichtungen soll auf die Zeichnung Bezug genommen werden, die in Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Unterwasserschallgerätes mit einer gestapelten Gruppe von Zinkoxydkristallen als aktives Element zeigt, in Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines federnd montierten bimorphen Biegelementes, für das ein piezoelektrisches Material gemäss der Erfindung verwendet ist, und in Fig. 3 schliesslich eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallverzögerungsleitung mit einem piezoelektrischen Element aus erfindungsgemässem Material.
Da sich in der Literatur nur spärliche Hinweise auf Zinkoxyd finden, erscheint es zur Erleichterung der Reproduktion der Erfindung zweckmässig, ein günstiges Verfahren der Kristallzüchtung sowie ein Verfahren zur Leitfähigkeitskompensation im gezüchteten Kristall zu beschreiben ; die beschriebenen Verfahren ergeben solche Kristalle, an denen einige der nachfolgend beschriebenen Messungen durchgeführt worden sind. Die folgende Erläuterung bezieht sich also auf ein spezielles Verfahren zur Züchtung eines Zink- oxydkristalls und erörtert auch ein Verfahren, das zur Herabsetzung der spezifischen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von einem Anfangswert der n-Type in der Grössenordnung von 0, 2 Ohm-l. cm-l auf einen Endwert von etwa 10-Ohm.-cm brauchbar ist.
Der Einfachheit halber werden bei dieser Diskussion spezielle Verfahrensbedingungen angegeben, doch werden auch Bereiche für diese Bedingungen erwähnt, wobei sich aber versteht, dass innerhalb dieser Bereiche nicht gleich gute Zinkoxydkristalle erhalten werden ; die beschriebenen Verfahrensweisen bilden für sich nicht Teile der Erfindung und deshalb ist auch kein Versuch unternommen worden, die günstigen Verfahrensbedingungenhinsichtlich ihrer Grenzwerte festzulegen.
Züchtung von Zinkoxydkristallen aus einer Dampfphase Zur Züchtung von Zinkoxydkristallen aus einer Dampfphase wurden Zinkdämpfe und Sauerstoff in der heissen Zone eines Ofens, die auf einer Temperatur zwischen 1250 und 13000C gehalten wurde, kombiniert. In dem verwendeten Ofen befand sich ein Einsatz mit einer zylindrischen Hauptkammer aus Aluminiumoxyd und einem kleineren koaxialen zylindrischen Rohr aus gleichem Material. Das kleinere Rohr war an den Enden offen und endete an einer Stelle. die ungefähr der Zone höchster Temperatur des Ofens entsprach. Die gesamte Apparatur war horizontal angeordnet. Nahe dem Rohrende wurde auf die untere [nnenfläche des kleinerenRohres Zinkoxydpulver aufgebracht. Sodannwurdein den Ofen durch einen getrennen Einlass Luft eingeleitet.
Das Zinkoxydpulver wurde zunächst im Ofen bis zum Temperaturgleich-
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gewicht erwärmt, worauf ein Trägergasgemisch aus Stickstoff und einem geringen Anteil an feuchtem Wasserstoff (1500-2000 cm/min N2 ; 0, 5- 1, 0 cm/min feuchtes H) lndas IdeinereRohr eingeleitet wurde, so dass es über das Zinkoxydpulver strich. Dieses Gasgemisch hatte den Zweck, das Zinkoxyd zu reduzieren und sodann als Träger für den Transport des reduzierten Zinkdampfes aus dem inneren Rohr in den zentralen Bereich des Ofens zu dienen, wo der Zinkdampf in Reaktion mit der Sauerstoffkomponente der Luft trat, was zur Züchtung von kristallinem Zinkoxyd in der Nähe des Endes des inneren koaxialen Rohres führte.
Das Längenwachstum erfolgte mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 cm je Stunde. Die Kernbildung trat hauptsächlich am Ende des inneren koaxialen Rohres ein, so dass die Entnahme einfach durch Herausnehmen dieses Rohres erfolgen konnte.
Bei einem typischen Arbeitsvorgang wurden 30 g Zinkoxydpulver verwendet, was ungefähr 1 g kristallines Zinkoxyd ergab, das sich aus ungefähr 100 Kristallen zusammensetzte, von denen die grösseren in der Grössenordnung von 1 bis 2 cm Länge und 0, 3 mm Dicke waren. Diese Kristalle waren Im allgemeinen nadelförmig und hatten Sechseckquerschnitt. In elektrischer Hinsicht zeigten alle Kristalle eine ausgeprägte Leitfähigkeit der Type n ; die spezifische Leitfähigkeit betrug bei Raumtemperatur ungefähr 0,2 Ohm-cm
Kompensation der extrinsischen Leitfähigkeit
Aus einem längeren Kristall wurde unter Verwendung einer Diamantsäge ein 2, 96 mm langer Abschnitt mit ebenen, parallelen Stirnflächen herausgeschnitten.
Der zugeschnittene Kristall wurde zunächst im Tauchverfahren mit einer wässerigen Lösung von Lithiumhydroxyd überzogen. Der überzogene Kristall wurde in ein kleines Magnesiumschiffchen eingelegt, das seinerseits in einen kleinen Ofenmit Widerstandsheizung eingebracht und über Nacht in atmosphärischer Luft einer Temperatur von 750 C ausgesetzt wurde. Das Lithiumhydroxyd liess nach dem Tauchen einen weissen Rückstand am Kristall zurück, von dem ein Teil auch nach der Wärmebehandlung verblieb.
Die Menge an Lithium, die so in das System eingeführt wurde, war grösser als jene Menge, die erforderlich gewesen wäre, um die vorhandene Anzahl von Ladungsträgern der n-Type zu kompensieren. Überlegungen hinsichtlich der minimalen Menge von Akzeptoren, die erforderlich ist, um den üblichen Donatorpegel in gewachsenen Kristallen zu kompensieren, werden später angestellt ; ebenso werden noch die tolerierbaren Leitfähigkeitswerte für verschiedene Anwendungsfälle erfindungsgemässer piezoelektrischer Einrichtungen angegeben. Messungen
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Ermittlung der elektrischen Eigenschaften
Hierauf wurden zweierlei Arten von Messungen am Kristall vorgenommen. Bei der ersten Messung wurde eine Kristallprobe von zwei parallelen, horizontalen Nylonfasein abgestützt und kapazitiv mit einem Apparat gekoppelt, der aus einem Hochfrequenz-Signalgeiicrator und einem Oszilloskop bestand.
Die kapazitive Kopplung erfolgte mit Hilfe von abgeschirmten Elektroden. Diese Elektroden wurden durch übliche koaxiale Anschlussstücke gebildet, die an jedemEnde durch mit denAussenleitem verlötete Ringscheiben abgeschirmt waren. Der Innenleiter eines solchen Anschlussstückes wurde mit dem Generator verbunden, die Innenleiter des zweiten Anschlussstückes mit dem Oszilloskop, während die Aussenleiter geerdet wurden, ebenso wie die zweiten Klemmen von Generator und Oszilloskop.
Während dieser Messung wurde die Ausgangsfrequenz des Generators allmählich über einen Bereich von 100 kHz auf 10 MHz erhöht und es wurden die entsprechenden Ausgangsspannungen am Oszilloskop beobachtet. Unterhalb der Resonanz wirkte der Kristall als gewöhnliches dielektrisches Material und es konnte keine Änderung der Ausgangsspannung beobachtet werden. Anderseits traten bei diesem Kristall spitzen der Ausgangsspannung bei einer Frequenz von 866 kHz und ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz auf. Die erste dieser Spitzen entsprach der Grundfrequenz der Resonanz des Zinkoxydstabes. Baiierend auf der Gleichung
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Der piezoelektrische Kopplungseffekt wurde auf Grund von Messungen nach der Resonanz-Antire- (onanz-Methode ermittelt. Diesbezüglich wird auf das Kapitel 5 des Buches"Piezoelecttic Crystals and rheir Application to Ultrasonics"von W. P. Mason, D. van Nostrand Company, Inc., 1950, verwiesen.
! s wurde speziell ein Messverfahren angewendet, bei dem der Einfluss störender Randfelder sehr gering ist,
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was notwendig war, weil tatsächlich ein erhebliches Randfeld vorhanden war. Die Messung war hauptsäch- lich insofern von Bedeutung, als sie erwies, dass der gewonnene Kristall eine Resonanz hatte, d. h., dass er ein piezoelektrischer Kristall war: ferner diente sie als Basis für die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in diesem Material. Die tatsächlichen Kopplungskoeffizienten wurden genauer durch direkte Messungen der piezoelektrischen Konstanten d,d und du ermittelt.
Diese Konstanten definieren das gesamte hexagonale Wurtzite-System, da die einzigen Tensorkomponenten, die nicht verschwinden, gleich dem einen oder andern dieser Werte sind ; es ist also d, ! gleich d32 und d15 gleich d. Das Verfahren, das für diese Messungen angewendet wurde, wird nachfolgend beschrieben.
Direkte Messung der piezoelektrischen Konstanten
Der zu messende Kristall wurde in einer Apparatur zwischen einer einstellbaren unteren Elektrode und einer beweglichen oberen Elektrode angeordnet und elektrisch mit diesen Elektroden verbunden. Die obere Elektrode war am Ende einer Blattfeder aus Phosphorbronze befestigt und elektrisch geerdet. Die untere
Elektrode wurde so eingestellt, dass der Kristall die obere Elektrode berührte. Die Apparatur war ferner mit Einrichtungen zum Anlegen einer errechenbaren Kraft am oberen Ende des Kristalls, einem Luftkondensator bekannter Kapazität zur Verminderung der Abklingzeit und einem Vibrationszungen-Elektro- meter zur Messung der erzeugten Spannung ausgestattet.
Eine Klemme eines jeden dieser drei Teile war geerdet ; die andemKlemmen waren elektrisch so geschaltet, dass der Kristall, der Luftkondensator und das Elektrometer elektrisch parallel lagen. Beim Einwirken einer Kraft auf den Kristall ergab sich infolge des piezoelektrischen Effektes eine Änderung der Ladung des Kondensators. Diese Ladungsänderung wurde aus der mit dem Elektrometer gemessenen Spannungsänderung ermittelt.
ZurVermeidung von gerätebedingten Fehlern wurden zwei Massnahmen getroffen. Es wurden drei verschiedene Kräfte bzw. Belastungen angewendet und die entsprechenden Ablesungen ausgewertet, um so Fehler auszuschalten, die auf der Federspannung beruhen. Die piezoelektrischen Konstanten, die aus den auftretenden Feldern ermittelt werden konnten, zeigten maximale Abweichungen von 5%. Um eine Basis für die Ermittlung von Streukapazitäten im Messstromkreis zu gewinnen, wurde der Kapazitätswert des Kondensators im Bereich von 200 bis 1600 g g F variiert. Es hat sich ergeben, dass die von Streukapazitäten verursachten Fehler innerhalb der Messgenauigkeit lagen und daher unberücksichtigt bleiben konnten.
Auf Grund dieser Messungen konnte die piezoelektrische Konstante d mit 3, 6. ; 1. 0¯7 stat. Coulomb/Dyn ermittelt werden.
Zur Messung der piezoelektrischen Konstante d wurde ein Stab aus Zinkoxyd verwendet, der aus einem Plättchen zugeschnitten wurde, welches aus einer Schmelze gezüchtet und mit Lithium behandelt worden war. Der Stab hatte längs der hexagonalenC-Achse eine Dicke von 0,28 mm und, gemessen senkrecht zur C-Achse, eine Länge von 7, 09 mm und eine Breite von 3,7 mm. An den gegenüberliegenden, zur C-Achse senkrechten Stirnflächen wurden auf chemischem Wege Silberelektroden niedergeschlagen.
Unter Anwendung eines Hochfrequenz-Signalgenerators, eines Oszilloskops als Verstärker und Detektor und eines gut abgeschirmten KristalIhaIters, in dem die Nebenschlusskapazität zum Kristall vernachlässigbar war, wurden die Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen gemessen, welche der Grundschwingung in Längsrichtung dieses Stabes entsprachen. Nach der im bereits zitierten Aufsatz von W. P. Mason angegebenenMethode wurden auf Grund dieser Messung eine elektromechanische Kopplungskonstante von 0, 18
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sich das Vorzeichen für d31 = d32 auf Grund der nachfolgend angegebenen weitereu Untersuchung als negativ.
Ein Stab aus Zinkoxyd wurde aus einem massiven, aus der Dampfphase gezüchteten Kristall so geschnitten, dass seine Längenabmessung einen Winke] von 200 mit der hexagonalen Achse einschloss und seine Breitenabmessung senkrecht zur hexagonalen Achse verlief.DerStab hatte eine Länge von 3, 89 mm, eine Breite von 1, 54 mm und eine Dicke von 0,52 mm. An den Hauptflächen des Stabes wurden wieder Silberelektroden aufgebracht und sodann wurden in der bereits beschriebenen Weise die Resonanz-v und Antiresonanzfrequenzen gemessen. Es ergab sich eine elektromechanische Kopplungskonstante von 0, 25 und die piezoelektrischen Konstanten d24 = dol5 wurden nach der von Mason angegebenen Methode mit - 2, 9. 10* stat.
Coulomb/Dyn. ermittelt (wobei die schon ermittelten Werte für d und d benutzt wur- den).
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Zur Ermittlung des Kopplungskoeffizienten k mussten verschiedene weitere Grössen gemessen werden.
Es zeigte sich, dass alle diese Grössen für einen hohen k-Wert günstig lagen. So ergab sich der Elastizi-
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ungefähr mit 6, 7. 10-13 cm/Dyn.8, 15. Nach den Lehren von Mason (vgl."Electromechanical Transducers and Wave Filters", 2. Ausgabe, Van Nostrand 1948, Abschnitt 6.32, und"Piezoelectric Crystals and Their Applications to Ultrasonics", Seite 452, Van Nostrand 1950) lässt sich der elektromechanische Kopplungskoeffizient für eine Platte aus Zinkoxyd, deren hexagonale Achse senkrecht zur Hauptfläche der Platte verläuft, für Dickenschwingungen wie folgt anschreiben :
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wobei die verwendeten Symbole die gleiche Bedeutung haben wie in dem zitierten Aufsatz "Piezoelectric Crystals" von Mason. 1
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mit 0, 33.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Zinkoxyd sind bekannt. Im allgemeinen reagiert dieses Material nicht mit den normalen Bestandteilen der Atmosphäre und es kann Temperaturen bis zu seinem Zersetzungspunkt von etwa 16000C standhalten. Diese Eigenschaften erweisen die Brauchbarkeit von piezoelektrischem Zinkoxyd in zahlreichen piezoelektrischen Einrichtungen. Eine umfassende Detailbeschreibung solcher Einrichtungen erscheint zwar nicht erforderlich, doch sollen zur Erleichterung des Verständnisses drei Einrichtungen mit verschiedenen piezoelektrischen Elementen gemäss der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben werden. Die Einrichtungen selbst haben üblichen Aufbau.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung ist ein typisches Unterwasserschallgerät 1 mit einem Stapel 2 aus dünnen, parallelgeschalteten Zinkoxydplättchen 3. Der Zweck des Stapelaufbaues und de. Parallelschaltung mit Hilfe von nichtdargestellten Faltelektroden liegt darin, eine höhere Kapazität bzw. eine geringere Impedanz zu'erhalten, als dies mit einem einzigen, dicken Kristallblock mit gleichen Abmes- sungen möglich wäre. Die Kappe 4 des Gehäuses besteht aus Gummi oder einem andern biegsamen Material und ist so angeordnet, dass sie unter dem Einfluss des einwirkenden hydrostatischen Druckes nachgeben kann. Die Kopplung mit dem Kristallstapel 2 erfolgt über Öl oder ein anderes flüssiges Medium 5, welches den gesamten freien Raum zwischen dem Stapel 2 und der Kappe 4 ausfüllt.
Alle Plättchen 3 sind gleich orientiert ; ihre C-Achse oder 3-Richtung verläuft senkrecht zu den Hauptflächen, die in der Zeichnung horizontal liegen. Die Elektroden sind so angeordnet, dass sie ein in der C-Richtung verlaufendes Feld erzeugen bzw. abtasten. Die dargestellte piezoelektrische Einrichtung nützt somit die piezoelek-
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Das Unterwasserschallgerät nach Fig. 1 kann natürlich sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden. Bei seiner Verwendung als Sender wird im Kristallstapel mit Hilfe der Elektroden ein Feld erzeugt und die dadurch hervorgerufenen mechanischen Schwingungen werden über das Öl oder sonstige Medium 5 und die Gummikappe 4 in das umgebende Medium, insbesondere Wasser, übertragen.
In Fig. 2 ist ein freitragend gelagerter Doppelplatten-Biegekristall dargestellt, der als Kristall-Tonabnehmer verwendbar ist. Das dargestellte piezoelektrische Element wird von zwei Zinkoxydplatten 10 und 11 gebildet, die so angeordnet sind, dass ihre C-Achsen mit der Längenabmessung zusammenfallen, aber gegensinnig orientiert sind, so dass eine Druckbeanspruchung des Elementes 10 und eine Zugbeanspruchung des Elementes 11 zu einem elektrischen Feld gleicher Richtung führt. Die Platten 10 und 11 sind an einem Ende zwischen Polstern 12 und 13 aus Weichgummi oder Kunststoff eingespannt. Die Einwirkung einer variablen Kraft im Punkt 14, etwa durch die Schwingbewegungen einer die Rillen einer Schallplatte abtastenden Nadel, führt dazu, dass zwischen den Elektroden 15 und 16 eine Wechselspannung auftritt.
An die Elektroden 15 und 16 sind nichtdargestellte Eingangsleitungen zu einem nachgeschalteten Niederfrequenzverstärker angeschlossen.
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In Fig. 3 ist eine Ultraschall-Verzögerungsleitung dargestellt, die mit Scherungsschwingungen ar- beitet. Diese Anordnung führt zu einem längeren Schwingungsweg und ergibt somit eine stärkere Verzö- gerung bei vorgegebener Länge des Leitungselementes. Die Einrichtung umfasst zwei Zinkoxydelemente 22 und 24. In jedem dieser Elemente liegt die kristallographische C-Achse in der Plattenebene. An jedem der Elemente 22 und 24 sind Elektroden niedergeschlagen oder auf andere Weise an den Hauptflächen an- gebracht, und die Elektroden sind ihrerseits elektrisch mit Leitungsdrähten 20,23 für das Element 22 und 21, 25 für das Element 24 verbunden.
Die Elemente 22 und 24 sind an einen Verzögerungsstab 26 aus Quarz angekittet, der zur Übertragung der mechanischen Schwingungen von dem einen piezoelektrischen Ele- ment zum andern dient. Im Betrieb bewirkt ein Signal, das beispielsweise an die Leitungen 20 und 23 des Elementes 22 angelegt wird, dass in der 1-Richtung in diesem Element ein Feld entsteht, das zu einer Scherungsschwingung in der 1-3 Ebene führt, d. h. in der Ebene der Hauptflächen dieses Elementes. Diese Scherungsschwingung, deren Frequenz mit derSignalfrequenz übereinstimmt, wird über den Verzcgerungs- stab 26 übertragen und bewirkt seinerseits in ähnlicher Weise eine Scherungsschwingung im piezoelektri- schen Element 24.
Das an den Leitungen 21,25 auftretende Signal hat die gleiche Frequenz wie das an den Leitungen 20,23 anliegende Signal. Eine typische Einrichtung dieser Art kann eine Länge in der Grö- ssenordnung von 13 cm und im Querschnitt eine Seitenlänge von je 2 cm haben.
Es ist schon erwähnt worden, dass Zinkoxyd, wahrscheinlich infolge eines Überschusses von Zink im Kristallgitter, die Leitfähigkeitstype n aufweist. Ferner ist ein Verfahren zur Kompensation dieses Leitfähigkeitsmechanismus beschrieben worden. Im Rahmen der Erfindung können aber zur Erzielung dieses Ergebnisses natürlich auch andere Verfahren angewendet werden. Bezüglich des genauen Mechanismus der Kompensation der Leitfähigkeitstype n bestehen zwar einander widersprechende Theorien, doch hat die. Praxis erwiesen, dass leicht eine hinreichend niedrige spezifische Leitfähigkeit erreicht werden kann.
Ferner hat es sich gezeigt, dass unabhängig davon, welche Methode angewendet wird, bei diesem Kompensationsvorgang das Auftreten der Leitfähigkeitstype p unwahrscheinlich ist, dass vielmehr alle diese Methoden nur zu einer sehr weitgehenden Kompensation bzw. bis zu einem sehr geringen Leitfähigkeitswert und zu einemAuftreten eines Überschusses an Akzeptoren an der Oberfläche des Kristalls führen. Die Untersuchungen sind zum Grossteil an Kristallen mit so geringer spezifischer Leitfähigkeit vorgenommen worden, dass bei Raumtemperatur mit den üblichen Widerstandsmessmethoden eine Leitfähigkeit nicht mehr
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der Beziehung
Q = RwCl, (3) ermittelt werden.
Hiebei ist Q der Gütefaktor, R der Widerstand des Kristalls, w/2. 7r= f die Betriebsfrequenz und Cl die Bewegungskapazität des Kristalls, die durch die elektrische Kapazität und den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten wie folgt ausgedrückt werden kann :
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Wenn man k = 0, 45 wählt und die Dielektrizitätskonstante 8, 2 einsetzt, so ergibt sich
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Ohm -1. cm -1 ist.entspricht. In den meisten Anwendungsfällen ist eine spezifische Leitfähigkeit in dieser niedrigen Grössenordnung erforderlich, so dass im Rahmen der Erfindung eine spezifische Leitfähigkeit von höchstens 10 Ohm-. cm als notwendig angesehen werden kann. In zahlreichen piezoelektrischen Einrichtun-
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die Grenze des im Rahmen der Erfindung bevorzugten Bereiches dar.
Bei der Einführung von Akzeptoren ist es im allgemeinen unbedenklich, wenn oberflächlich am Kristall ein stärkerer Rückstand an Akzeptoren verbleibt. So wurde beispielsweise gefunden, dass bei Einführung von Akzeptoren mit Hilfe von Lithiumhydroxyd ein solcher oberflächlicher Rückstand zur Vermeidung von chemischen oder elektrischen Beeinflussungen durch die geringe Lichtempfindlichkeit des
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higkeitswertaufGrundeinerExtrapolationbeiRaumtemperaturlnderGrössenordnungvonlO'angenommen werden kann. Vor der Behandlung zeigen diese Kristalle bei Raumtemperatur eine spezifische Leitfähigkeit in der Grössenordnung von 5 bis 0, 1 Ohm-. cm, was ungefähr dem Gleichgewichts- bereich des gewachsenen Zinkoxyds zu entsprechen scheint.
Im allgemeinen eignen sich piezoelektrische Materialien gemäss der Erfindung für alle bekannten piezoelektrischenEinrichtungen und sie eröffnen darüber hinaus noch neue Anwendungsmöglichkeiten, bei
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weise zum Zwecke der Herabsetzung des piezoelektrischen Temperaturkoeffizienten.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Verfahren zur Züchtung und Leitfähigkeitskompensation in den Kristallen nur Beispiele darstellen sollen. Die erforderlichen Kristalleigenschaften sind so charakterisiert worden, dass die Brauchbarkeit jedes beliebigen andern Verfahrens überprüft werden kann. Ein alternatives Verfahren zur Kristallzüchtung besteht darin, dass ein Kristall hergestellt wird, dessen grösste Abmessung senkrecht zur C-Achse verläuft. Die piezoelektrischen Konstanten, die In solchen Kristallen gemessen werden, stimmen, wie Versuche erwiesen haben, mit den entsprechenden Konstanten von aus der Dampfphase gezüchteten Kristallen überein. Es ist somit jedes der Züchtungsverfahren brauchbar, das gute Kristalle mit dem gewünschten Leitfähigkeitspegel ergibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Piezoelektrische Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element derselben im
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vorgesehen sind.