CN1156922C - 压电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够激励厚度延伸三次谐波振动的压电装置，它能够实现具有极好热稳定性的高性能振荡器。这种压电装置包含压电基片。压电基片由含有SrBi₂Nb₂O₉作为主成份的压电材料形成。振动电极形成在压电基片的两个表面上。在位于振动电极之间并由重叠的振动电极确定的范围构成能量陷阱范围。将L/t值设置得小于9，其中，L表示平行于振动电极的直线与能量陷阱范围外周相交叉的两点之间的最大距离，t表示振动电极之间的距离。

Description

压电装置

技术领域

本发明涉及一种压电装置，本发明尤其涉及一种能够使用例如厚度延伸三次谐波振动的能量陷阱型压电装置。

背景技术

传统上一直来推荐能量陷阱压电装置，每一种都具有一对形成在压电基片的两个表面上的能量陷阱振动电极，用于激励厚度延伸三次谐波振动。对于相同的材料，厚度延伸三次谐波振动具有比基波大3倍左右的频率常数。

相应地，对于可以使用基波工作的压电装置，考虑到压电基片强度的限制，中心频率的上限是大约15MHz。另一方面，能够使用三次谐波的压电装置的中心频率中的上限是大约30到40MHz。即，压电装置可以应用于更高的频率范围。

但是，对于能够激励厚度延伸三次谐波振动的能量陷阱压电装置，最适宜的电极结构根据材料的类型而不同。即，必须为每一种材料类型确定最适宜的电极尺寸。特别地，熟知在能量陷阱压电装置中，被称为非谐波的寄生振动的谐振频率出现在主振动的谐振频率附近。当电极尺寸，即能量陷阱范围小时，非谐波不被激励。不激励非谐波的电极尺寸范围中的最大值依赖于材料的类型。相应地，必须为每一种材料类型确定最大电极尺寸。无定向铋层结构化合物型陶瓷材料具有极好的热稳定性。因此，可望实现高性能压电装置。但是，对于能够激励厚度延伸三次谐波振动的能量陷阱压电装置来说，还未发现不被激励非谐波的电极尺寸范围中的最大值。

发明内容

相应地，本发明的一个目的是提供一种压电装置，通过这种压电装置，可以实现具有极好的热稳定性的高性能振荡器。

为了达到上述目的，根据本发明，提供了一种压电装置，它包含含有Sr，Bi，Nb，和O作为主成份的压电基片，以及至少一对形成在压电基片的两个表面上互相相对的振动电极，它们可以用于激励能量陷阱范围内的厚度延伸三次谐波，该能量陷阱范围是通过将形成在压电基片的两个表面上的电极相对层叠而确定的，L/t的值小于9，其中L表示平行于振动电极的直线与能量陷阱范围的外围交叉的点之间的最大距离，t表示振动电极之间的距离。

较好地，在压电装置中将SrBi₂Nb₂O₉用作主成份。

含有Sr，Bi，Nb，和O作为主成份的压电材料如SrBi₂Nb₂O₉是热稳定的。如果将这种材料用于制造能够激励厚度延伸三次谐波振动的压电装置，将值L/t设置得小于9，可以避免非谐波的重叠，并且可以实现良好的能量陷阱。

这里，如果能量陷阱范围的平面形状是圆形的，则标号L表示圆的直径。如果形状是椭圆的，则L表示其长轴。如果形状是矩形或方形的，则L表示对角线的长度。另外，使用含有Ca，Bi，Ti，和O作为主成份的压电材料，以及含有Sr，Bi，Ti，和O作为主成份的压电材料。

附图说明

图1说明了本发明的压电装置的一个例子；

图2说明了图1的压电装置的侧面；

图3说明了用于估计压电装置的电路图；

图4是示出能量陷阱范围直径为3.6mm的阻抗的频率特性的曲线图；

图5是示出例子1的压电装置中在不同L/t值时的电阻的峰值-谷值比；

图6说明了本发明的压电装置的另外一个例子；

图7是示出例子2中在能量陷阱范围直径为3.6mm时阻抗的峰值-谷值比；

图8是例子2的压电装置在不同L/t值时的阻抗的峰值-谷值的比的曲线图；

图9是例子3中的能量陷阱范围直径为3.6mm时阻抗的频率特性的曲线图；

图10是例子3的压电装置在不同L/t值时阻抗的峰值-谷值比的曲线图。

具体实施方式

图1说明了本发明的压电装置的一个例子。图2说明了压电装置的侧面。压电装置10包含压电基片12。压电基片12由含有Sr，Bi，Nb，和O作为主成份的压电陶瓷材料形成。将例如含有SrBi₂Nb₂O₉作为主成份的材料用作压电材料。在压电基片12的两个表面的大致中心形成圆形的振动电极14和16，互相相对。振动电极14和16被引出至压电基片12的相对的端部。形成振动电极14和16，以便具有基本上相等的直径。压电基片12沿着从振动电极16侧到振动电极14侧的方向极化。不需要说明，压电基片12可以沿振动电极14侧到振动电极16侧极化。

这种压电装置10用作能陷型压电装置。位于振动电极14和16之间，并通过重叠振动电极14和16确定的压电装置10的部分构成能量陷阱范围。这里，平行于振动电极14和16的直线与能量陷阱范围的外围交叉的点之间的最大距离L，即，图1的压电装置10中的振动电极14和16中的每一个的圆形部分的直径L，并且振动电极14和16之间的距离t按照如此方式设置，从而值L/t小于9。

可以将由含有Sr，Bi，Nb，和O作为主成份的压电材料(诸如SrBi₂Nb₂O₉等)形成的压电装置10用作具有高热稳定性的高性能振荡器。另外，可以防止L/t的值小于9的压电装置激励非谐波。

例子1

首先，制备SrCO₃，Bi₂O₃，Nb₂O₅，和MnCO₃作为起始材料。这些原材料被称重和混合，以产生SrBi₂Nb₂O₉+1wt.％MnCO₃的合成物。混合的粉末在800到1000摄氏度下煅烧。加入适量的有机粘结剂，并用球磨机进行湿研磨4小时。通过使粉末通过40网眼筛调节微粒尺寸。

微粒尺寸经过调节的原材料在1000kg/cm²的压力下模制为矩形生片，尺寸为30mm×20mm×1.0mm厚，并且在大气中在1250到1300摄氏度下进行烧制1至5小时，以生产具有矩形生片形状的瓷品。对瓷品进行切割和抛光，以形成5mm×5mm×0.4mm厚的矩形生片。将矩形生片沿厚度方向极化。另外，如图3中所示，通过在两个主表面上进行气相沉积形成银电极。由此，形成具有如图1和2所示的结构的压电装置。形成的瓷品基片的厚度是0.4mm。相应地，形成在两个主表面上的振动电极之间的距离是0.4mm。在得到的压电装置中，能量陷阱范围的直径，即，每一个振动电极的圆形部分的直径设置在1.0到5.2mm的范围内。

为了估计所述压电装置对三次谐波的能量陷阱性能，如图4所示，连接阻抗分析器20，并且测量阻抗的频率特性。图4是示出电极直径为3.6mm时的阻抗-频率特性的曲线图。在这种情况下，L是3.6，而t是0.4mm，即，值L/t的值是9。可见，在压电装置中，非谐波重叠在主振动的谐振频率上。

图5示出L/t的值与主振动与非谐波的峰值-谷值比值(谐振阻抗和反谐振阻抗的比值)之间的关系。如图5所示，当L/t的值为9或更高时，非谐波重叠。当将压电装置用作振荡器时，非谐波引起异常振荡，振荡终止等。另外，当将压电装置用作滤波器时，非谐波引起一个问题，即，衰减减小等。

如上所述，关于具有至少一对形成在压电基片(该压电基片包含诸如铋层结构混合物型材料的SrBi₂Nb₂O₉之类的含有Sr，Bi，Nb，和O作为主成份的材料，)的两个相对的表面上的能量陷阱振动电极，并激励厚度延伸三次谐波的压电装置，可以通过将电极的尺寸设置得具有小于9的L/t的值，用于具有极好的热阻的高性能压电谐振器中。

在图1的压电装置中，能量陷阱电极具有圆形形状。形状可以是椭圆的，或可以是正方形的、长方形的或其它多边形的。在这些情况下，L表示最长部分的长度。即，在这些形状中，标号L分别表示最长部分放大长度。在椭圆中，L表示长轴的长度。在正方形或长方形中，L表示对角线的长度。另外，包含引出部分的电极可以具有如图6所示的长方形。在这种情况下，由相互重叠的电极14和16确定的装置的部分构成能量陷阱范围。

在上述例子中，使用所是含有SrBi₂Nb₂O₉作为主成份的合成物的材料，其中加入Mn。可以使用这种加入Si和W的材料。这种材料是能够得到的，在Sr和N的一部分中，构成其它元素。但是，为了改进陶瓷的烧制特性，可以将诸如玻璃成份之类的辅助剂加入到含有Sr，Bi，Nb，和O作为主成份的合成物中。

用于压电装置的压电材料的主成份在这个例子中是SrBi₂Nb₂O₉。但是，只要主成份主要取SrBi₂Nb₂O₉的晶体结构，元素量的比与上述合成物有些差别，这不背离本发明的范围。在这种情况下，也可以得到本发明的优点。

在本发明中，至少一对振动电极形成在压电基片的两个表面上，互相相对。但是，不必将电极设置在整个装置的最外面的部分上。例如，压电层可以沿厚度方向形成在振动电极的外侧。但是，较好的，振动电极或外部电极，即，电极形成在整个装置的最外面部分上，而没有设置在电极外侧上的压电层。特别地，在将压电装置用于振荡器或滤波器的情况下，必须将谐振频率调节到所要的值。压电装置的谐振频率依赖于构成压电装置的压电材料，电极的类型、装置的厚度等。在许多情况下，为了最后的调节，使用将涂敷材料等施于振动电极上，并干燥以为振动电极提供惯性负载的方法。因此，当振动电极是外部电极，并暴露于装置的外侧时，上述用于调节谐振频率的技术可以被容易地应用。另外，类似地，还有一些对于寄生振动的抑制的情况，通过应用涂敷材料等将质量负载提供到振动电极上。较好地，振动电极形成为外部电极。如上所述，如果最外部振动电极是外部电极，可以在振动电极上采取各种动作。

通过使用本发明的压电装置，可以提供具有极好的热阻的高性能谐振器。

例子2

首先，制备SrCO₃、Bi₂O₃，TiO₂，和MnCO₃作为起始材料。这些原材料被称重，并混合，以产生SrBi₄Ti₄O₁₅+1wt.％MnCO₃。将混合的粉末在800到1000摄氏度下煅烧。此后，加入适量的有机粘结剂，并由球磨机湿研磨4小时。通过使粉末通过40网眼筛调节微粒尺寸。

其微粒尺寸经过调节的原材料在1000kg/cm²的压力下调节为尺寸为40mm×25mm×1.2mm厚的长方形生片，并在大气中在1150到1300摄氏度的温度下烧制1到5小时，制成矩形片状的瓷品。对瓷品进行切割和抛光，以形成5mm×5mm×0.4mm厚的瓷品。沿厚度方向极化正方形生片。另外，如图3所示，通过在两个主表面上气相沉淀形成银电极。由此，形成具有如图1和2说明的结构的压电装置。在制造的压电装置中，能量陷阱范围的直径，即，每一个振动电极的圆形部分的直径设置在1.0到5.2mm的范围内。

为了估计压电装置对三次谐波的能量陷阱性能，如图3所示，连接阻抗分析器20，并且测量阻抗的频率特性。图7是曲线图，示出在电极直径为3.6时的阻抗频率特性。在这种情况下，L是3.6mm，t是0.4mm，即值L/t的值是9。可见，在压电装置中，将非谐波重叠在主振动的谐振频率上。

图8示出了L/t的值与主振动和反谐振的峰值-谷值比(谐振阻抗与反谐振阻抗的比值)的关系。如图8所示，当L/t的值更高时，非谐波被重叠。如果将压电装置用作振荡器，则非谐波将引起异常振荡、振荡的终止等等。另外，如果将压电装置用作滤波器，则非谐波引起一个问题，即衰减减小等。

如上所述，具有至少一对形成在压电基片(该压电基片包含含有铋层结构混合物型材料的SrBi₄Ti₄O₁₅作为主成份的材料)的两个相对表面上的能量陷阱振动电极，并且激励厚度延伸三次谐波的压电装置，通过将电极的尺寸设置得L/t值小于9，可以用于具有极好的热阻的高性能压电谐振器。

使用加入Mn的含有SrBi₄Ti₄O₁₅作为主成份的合成物。可以使用这种材料，其中加入了Si和W。另外，这种材料是能够得到的，其中在一部分Sr和Ti位置上，其它元素被替代了。另外，为了改进陶瓷的烧结特性，可以将诸如玻璃成份之类的辅助剂加入含有SrBi₄Ti₄O₁₅作为主成份的合成物中。

用于这个例子的压电装置的压电材料的主成份包含Sr，Bi，Ti，和O，并且是例如SrBi₄Ti₄O₁₅。但是，只要混合物基本上取SrBi₄Ti₄O₁₅的晶体结构，元素量的比值可以与上述合成物有些不同，这并不背离本发明的范围。还有，在这种情况下，可以达到本发明的优点。

例子3

例如，制备CaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂和MnCO₃作为起始材料。这些原材料被称量，并混合，以便生产合成物CaBi₄Ti₄O₁₅+1wt.％MnCO₃。在800到1000摄氏度煅烧混合的粉末。此后，加入适量的有机粘结剂，并且用球磨机湿研磨4小时。通过使粉末通过40网眼筛调节微粒尺寸。

将微粒尺寸结果调节的原材料在1000kg/cm²的压力下模制成长方形生片，其尺寸为40mm×30mm×1.0mm厚度，并且在大气下，在1100到1300摄氏度下烧制1到5小时，以产生具有长方形生片形状的瓷品。瓷品被切割并抛光，形成正方形生片，尺寸为5.5mm×5.5mm×0.4mm厚。正方形生片沿厚度方向极化。另外，通过如图3所示，在两个主表面上进行气相沉淀形成银电极。由此，形成具有如图1和2所说明的结构的压电装置。在产生的压电装置中，能量陷阱范围的直径，即每一个振动电极的圆形部分的直径设置在1.0到5.2mm的范围内。

为了估计压电装置对三次谐波的能量陷阱性能，如图3所示连接一阻抗分析器20，并且测量阻抗的频率特性。图9是曲线图，示出电极直径为3.6mm时阻抗频率特性。在这种情况下，L是3.6mm，而t是0.4mm，即，L/t的值是9。可见，在压电装置中，非谐波重叠在主振动的谐振频率上。

图10示出了L/t的值与主振动和非谐波的峰值-谷值比(谐振阻抗与反谐振阻抗比值)的关系。如图10所示，当L/t的值是9以及更高时，非谐波重叠。如果将压电装置用于振荡器，则非谐波可能引起异常振荡、振荡终止等。另外，如果将压电装置用于滤波器，则非谐波引起衰减减小等问题。

如上所述，具有至少一对形成在包含铋层结构混合物型材料的含有CaBi₄Ti₄O₁₅作为主成份的材料的压电基片的两个表面上的相对的能量陷阱振动电极，并且激励厚度延伸三次谐波的压电装置，通过将电极的尺寸设置得L/t的值小于9而用于具有极好的热阻的高性能压电谐振器。

使用加入Mn的含有CaBi₂Ti₄O₁₅的合成物。可以使用这种加入例如Si和W的材料。另外，可以使用在一部分Ca和Ti位置其它元素被替代的材料。另外，加入诸如玻璃成份之类的辅助剂(以改进陶瓷的烧结特性)的含有CaBi₂Ti₄O₁₅作为主成份的合成物是可以得到的。

用于根据本发明的压电装置中的压电材料的主成份包含Ca，Bi，Ti，和O，并且是例如Ca₂Bi₄Ti₄O₁₅。但是，只要材料基本上取晶体结构的CaBi₄Ti₄O₁₅，元素的量的比可以与上述合成物不同，这不背离本发明的范围。在这种情况下，仍可以得到本发明的优点。

Claims (3)

1.一种压电装置，其特征在于包含含有压电材料的压电基片，所述压电材料的主成份是SrBi₂Nb₂O₉，及

至少一对相对地形成在压电基片的两个表面上的振动电极，

所述振动电极能够激励能量陷阱范围内的厚度延伸三次谐波，所述能量陷阱范围由形成在所述压电基片的两个表面上的彼此相对的重叠电极确定，

L/t值小于9，其中L表示平行于振动电极的直线与所述能量陷阱范围外周相交叉的两点之间的最大距离，而t表示所述振动电极之间的距离。

2.一种压电装置，其特征在于包含含有压电材料的压电基片，所述压电材料的主成份是SrBi₄Ti₄O₁₅，及

至少一对相对地形成在压电基片的两个表面上的振动电极，

所述振动电极能够激励在能量陷阱范围内的厚度延伸三次谐波，其中所述能量陷阱范围由形成在所述压电基片的两个表面上的彼此相对的重叠电极确定，

L/t值小于9，其中L表示平行于振动电极的直线与能量陷阱范围外周相交叉的两点之间的最大距离，t表示振动电极之间的距离。

3.一种压电装置，其特征在于包含含有压电材料的压电基片，所述压电材料的主成份是CaBi₄Ti₄O₁₅，及

至少一对相对地形成在所述压电基片的两个表面上的振动电极，

所述振动电极能够激励能量陷阱范围内的厚度延伸三次谐波，所述能量陷阱范围由形成在压电基片的两个表面上的彼此相对的重叠电极确定，

L/t值小于9，其中L表示平行于所述振动电极的直线与能量陷阱范围外周相交叉的两点之间的最大距离，t表示所述振动电极之间的距离。

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