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Die Erfindung betrifft piezoelektrische, elektroakustische Bauelemente wie sie für ver- schiedenste Geräte, insbesonders Ultraschallwandler, Ultraschallsensoren, Schallpulsgeneratoren, akustische Deflektoren, akustische Modulatoren, Kristalloszillatoren, Frequenznormale, Uhren, Zeit- geber, Oberflächenwellengeräte, Aerosolzerstäuber, Sputter-Geräte, Digitalthermometer, Mikrowaagen,
Mikrophone und Hydrophone Verwendung finden.
An piezoelektrische Geräte bzw. Einrichtungen gestellte Anforderungen können oft durch für den Anwendungszweck angepasste Konstruktionen und Technologien erfüllt werden. Die Problemstellungen sind dabei von Fall zu Fall verschieden. Einige, das verwendete Piezoelemente betreffende Anforderungen, sind jedoch allen piezoelektrischen Einrichtungen gemeinsam :
Es sind dies folgende Kriterien für Piezoelement :
1.
Temperaturbeständigkeit
2. geringe Temperaturabhängigkeit der "Figure of Merit" (Es handelt sich dabei um eine Art Bewertungszahl, in der die für den jeweiligen Anwen- dungsfall relevanten Eigenschaften des jeweiligen Materials nach einer, beispielsweise ge- mäss IRE-Standards festgelegten, Rechenoperation verknüpft sind)
3. hoher Q-Faktor (Qualitätsfaktor ; charakteristisch für die Resonanzdämpfung von elasti- schen Wellen im Material bzw. für die innere Dämpfung bei der Wellenausbreitung)
4. mechanische und chemische Stabilität
5. leichte Bearbeitbarkeit
6. kostengünstige, synthetische Herstellbarkeit
Die Temperaturbeständigkeit betrifft dabei nicht nur diejenige der piezoelektrischen Eigenschaften allein, sondern auch andere physikalische Eigenschaften des Piezomaterials. Besonders zu nennen sind dabei die elastischen und dielektrischen Eigenschaften.
Eine Erhöhung der Temperaturbeständigkeit gegenüber jetzigen bekannten Piezoelementen ist vom Standpunkt der Ausdehnung des Anwendungstemperaturbereichs der betreffenden piezoelektrischen Einrichtung wünschenswert und ein Teil des mit der Erfindung gelösten Problems. Es ist dabei zu beachten, dass ein Teilproblem der eben genannten Art für einzelne der oben angeführten piezoelektrischen Einrichtungen auch anders lösbar sein kann.
Ziel der Erfindung ist die Angabe von Piezomaterialien, welche nicht nur in allen piezoelektrischen Einrichtungen einsetzbar sind, sondern welche auch die andern oben genannten Kriterien erfüllen.
Das bisher am meisten eingesetzte Material, welches am ehesten die Kriterien 1 bis 6 gemeinsam erfüllt, ist die a-Modifikation von Quarz. Bezüglich der Kriterien 3 bis 6 ist Quarz als konkurrenzlos zu bezeichnen. Auf Grund seines a-ss-Phasenüberganges bei 573 C ist der Bereich der Temperaturbeständigkeit jedoch beschränkt. Weiters ist die Temperaturabhängigkeit der "Figure of Merit" von piezoelektrischen Einrichtungen, welche Quarz enthalten, zu beachten. Insbesondere bei Zeitgebern, Frequenznormalen, Frequenzfiltern usw. sind optimierte Kristallschnitte und entsprechende Thermostatisierungen vorgesehen. Auch weitere einzelne der Kriterien 3 bis 6 könnten für sich ohne weiteres erfüllt werden. Erwähnt seien Kristalle der KDP-Familie, für
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welchen bei isomorpher Struktur K durch Rb, Cs und/oder P durch As ersetzt wird).
Bezüglich der Punkte 1, 2 und vor allem 4 bleiben jedoch diese Kristalle weit hinter den üblichen Anforderungen zurück.
Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht somit in der Angabe von Materialien, welche in bezug auf die Kriterien 3 bis 6 dem Quarz weitgehend äquivalent sind, ihm jedoch in bezug auf 1 und 2 entscheidend überlegen sind.
Die Erfindung geht davon aus, dass die Temperaturstabilität und die Temperaturabhängigkeit von physikalischen Eigenschaften, welche sich in jener der "Figure of Merit" der entsprechenden piezoelektrischen Einrichtung niederschlagen, durch Gegebenheiten im optischen Phononenspektrum der verwendeten Piezokristalle erkennbar ist.
Dieser aus einer empirischen Beobachtung folgende Sachverhalt sei im folgenden kurz erläutert :
Der Piezokristall kann mit einem einfallenden Lichtstrahl derart in Wechselwirkung treten,
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dass er einen geringen Teil der Lichtenergie aufnimmt und diesen Teil des Lichts auf einer andern
Frequenz mit einer andern Polarisation in einer relativ beliebigen Richtung wieder abstrahlt.
In einem typischen Experiment dieser Art wird ein intensiver Laserstrahl auf den Piezokristall fokusiert, das in ihm derart gestreute Licht wird gesammelt, gebündelt und nach Durchgang durch ein Spektrometer in einem Fotomultiplier in Strompulse umgewandelt. Diese Strompulse werden so- dann gezählt oder integriert.
Da als physikalische Ursache für die Frequenzänderung des gestreuten
Lichts gegenüber dem einfallenden Licht die Übertragung oder die Aufnahme von Energie und
Impuls von Gitterwellen (Phononen) des Piezokristalls auf das Licht angesehen wird, bezeichnet man die Intensitätskurve des gestreuten Lichts über der Frequenzdifferenz als Spektrum inelastisch gestreuter optischer Phononen. Sowohl die Anzahl als auch die Lage von Intensitätsmaxima sind charakteristisch für einen Piezokristall.
Von allen Phononen, welche in einem Kristall angeregt werden können, muss nicht jedes in diesem Spektrum aufscheinen. Von Bedeutung ist die Tatsache, dass zumindest für denjenigen dielektrischen Tensor, der der Punktgruppe des Kristalls entspricht, auf jeden Fall Intensitäts- maxima im Spektrum existieren. Diese sogenannten totalsymmetrischen Phononen-Moden weisen meist auch höhere Intensitäten als Phononen-Moden anderer Symmetrien auf (s. auch "Bergmann-Schaefer :
Lehrbuch der Experimentalphysik", Bd. III, 6. Auflage, W. de Gruyter, Berlin 1974, S 775 ff ; dabei ist noch die Entsprechung : Phononen-Mode im Einkristall = Molekülschwingung in Gasen, zu beachten). Die erwähnte Gegebenheit besteht nun im Temperaturverhalten der totalsymmetrischen
Phononen-Mode mit der niedrigsten Energie.
Der erste Grundgedanke zur überraschend einfachen Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe liegt nun darin, das Temperaturverhalten dieses Phononen-Modes mit dem Tem- peraturverhalten von physikalischen Eigenschaften des Piezokristalls, insbesondere den piezoelektri- schen, elastischen und dielektrischen Eigenschaften, in Zusammenhang zu bringen. Sofern diese
Frequenz dieses Phononen-Modes im Temperaturbereich von 20 bis 500 C sich um nicht mehr als
15% ändert, so ist eine erhebliche Verbesserung sowohl der Temperaturbeständigkeit als auch der
Temperaturabhängigkeit von physikalischen Grössen gegenüber dem Quarz gegeben.
Der zweite einfache Grundgedanke zur Bewältigung der gestellten Aufgabe besteht in der
Sicherung der Punkte 3 bis 6 durch Beibehaltung der strukturellen Gegebenheiten des Quarzes, welcher die Forderungen gemäss Punkt 3 bis 6 ausgezeichnet erfüllt.
Demgemäss besteht die Erfindung in der Verwendung von piezoelektrischen Einkristallen der Punktsymmetrieklasse --32-- und der chemischen Summenformel ABO 4 - wobei A ein dreiwertiges, Bein fünfwertiges Element und 0 Sauerstoff ist-, welche im Temperaturbereich von 20 bis 500 C eine Frequenzverschiebung des totalsymmetrischen Phononen-Modes mit der niedrigsten Frequenz um höchstens 15% aufweisen. Mit dem Fachbegriff "Kristalle der Punktsymmetrieklasse 32" wird ausgedrückt, dass der Kristall eine und nur eine dreizählige Symmetrieachse besitzt, sowie senkrecht dazu zweizählige Symmetrieachsen. Siehe dazu beispielsweise H. P. Megaw, Crystal Structures, a working approach, Saunders, Philadelphia (1973) Kapitel 6.
Im Kapitel 12 dieser Literaturstelle ist weiters auch beispielsweise das unter obige Summenformel fallende AlSbO, als an sich bekannt angegeben.
Dieses Material erfüllt aber nicht die genannte Bedingung der Stabilität der Frequenz des totalsymmetrischen Phononen-Modes mit der niedrigsten Frequenz, was im übrigen auch bei dem beispielsweise aus der US-PS Nr. 4, 109, 172 oder der US-PS Nr. 4, 109, 173 im Zusammenhang mit piezoelektrischen Einrichtungen an sich bekannten Berlinit (A1PO4) nicht der Fall ist. Bei AIPO 4 beträgt beispielsweise die genannte Frequenzverschiebung fast 30%.
Die für die Eigenschaften 3 bis 6 besonders günstige tetraedrische Konfiguration, welche auch beim Quarz gegeben ist, wird in sehr einfacher und vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass, zusätzlich zu den oben genannten Bedingungen, A aus der Gruppe B, AI, Ga, In, Tl, Fe, Mn, Y und B aus der Gruppe P, As, Sb, Bi, V, Nb stammt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist schliesslich vorgesehen, dass Einkristalle aus der Gruppe GaAs0 41 GaP04, AlAs04 verwendet werden. Diese Kristalle sind in bezug auf Punkt 6 dem Quarz nicht nur gleichwertig, sondern sogar als überlegen anzusehen. Diese Kristalle sind nämlich hydrothermal synthetisch herstellbar. Dieses Verfahren ist wesentlich billiger und energie-
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Weitere piezoelektrische Einrichtungen, wo die Vorteile der erfindungsgemässen Kristalle zum
Tragen kommen, sind Mikrowägeeinrichtungen, welche piezoelektrische Resonatoren mit von der
Beladung einer Elektrodenschicht oder auch Kristallschicht abhängigen Resonanz oder Antiresonanz- frequenz enthalten. Für den Einsatz in Sputter- oder Aufdampfanlagen, sowie Oberflächenanalysen- geräten fallen die für Quarz notwendigen Vorsichtsmassnahmen (s. beispielsweise US-PS Nr. 3, 113, 224) weg, welche bei Betrieb bei höheren Temperaturen, wie sie in den genannten Geräten erwünscht sind, getroffen werden müssen.
Mit den gemäss der Erfindung verwendeten Kristallen werden auch Ultraschallgeneratoren und Sensoren für Laufzeit-, Durchfluss- und Schallmessungen in heissen Medien ohne bei zur Zeit bekannten Geräten nötigen thermischen Schutz möglich.
In Fig. 2a bis 2c sind entsprechende Beispiele angegeben. Gemäss Fig. 2a ist die Anordnung von zwei piezoelektrischen Schallwandlern--11--zum Zweck der optimalen Übertragung direkt am heissen Medium möglich. Thermischer Schutz bei Pulslaufzeitmessungen bekannter Art bei heissen Durchflussmedien --12-- und Temperaturkompensation bei wechselnden Temperaturen wird unnötig oder wenigstens erheblich erleichtert.
Dasselbe gilt für Ultraschallpulsgeber oder-empfänger--21--, wie in Fig. 2b dargestellt, die an heissen Festkörpern --22-- Aufgaben übernehmen sollen, z. B. Empfang von gestreuten Schallwellen von Mikrorissen in Hochtemperaturkesselanlagen.
Fig. 2c stellt eine Anwendung an heissen gasförmigen Medien --32-- dar. Eine bekannte Anordnung zur Messung der Partikelkonzentrationen in Gasen kann mit Verwendung von Schallwellengeneratoren und -empfängern --31-- auf der Basis von Kristallen gemäss der Erfindung auch zur Partikelmessung an heussen Abgasen eingesetzt werden. Mit C. U. ist hier die Steuer-bzw.
Auswerteeinheit für die Messung bezeichnet.
Die Beispiele zeigen die Vielfalt der Einsatzbereiche von Materialien, welche durch die mit der Erfindung angegebenen Kennzeichen charakterisiert sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Piezoelektrische, elektroakustische Bauelemente, gekennzeichnet durch die Verwendung von piezoelektrischen Einkristallen der Punktsymmetrieklasse 32 und der chemischen Summenformel ABO 4 - wobei A ein dreiwertiges, Bein fünfwertiges Element und 0 Sauerstoff ist -, welche im Temperaturbereich von 20 bis 500 C eine Frequenzverschiebung des totalsymmetrischen Phononen-Modes mit der niedrigsten Frequenz um höchstens 15% aufweisen.