CN1274994A - 压电器件 - Google Patents

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Abstract

利用具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷,通过能量捕集效应获得可以实际使用的、具有某机电系数的压电器件,该器件具有较强的高温耐热性,并且几乎没有高频损耗。形成该压电器件衬底的压电陶瓷具有层状钙钛矿结构。衬底的c轴沿其宽度方向优先取向,并且衬底沿长度方向极化。在衬底的两个主表面上形成两个电极,以便在衬底中心部分附近彼此相对。作为衬底材料,最好使用这样的压电陶瓷组合物,其主要组分是用通用化学式CaBi4Ti4O15表示的陶瓷组分。

Description

压电器件
本发明涉及压电器件，尤其涉及一种这样的压电器件，它可用作在通信滤波器和时钟发生器中使用的振荡器。
通常，作为通信滤波器和时钟发生器中振荡器使用的压电谐振器，广泛地使用由压电陶瓷制成的压电器件，压电陶瓷的主要组分是钛锆酸铅(Pb(TixZr1-x)O3)或钛酸铅(PbTiO3)，而压电器件则利用压电陶瓷的切变振动。一般地说，压电器件具有由压电陶瓷制成的矩形衬底，以及位于衬底两个主表面上的电极。电极并不覆盖衬底的整个表面，而是覆盖部分表面，致使部分电极彼此相对。
在如此描述的压电器件中，通过适当地选择压电陶瓷的类型以及电极的形状，可以获得下述现象，即压电陶瓷的压电振动能量局限于电极彼此相对的区域内，即可以实现能量捕集。因此，可以获得单模压电振动，并且获得一种有用的压电器件，用作通信滤波器和时钟发生器中振荡器使用的压电谐振器。但是，压电陶瓷存在高温耐热性差以及高频区损耗大等问题。
与主要组分为钛锆酸铅(Pb(TixZr1-x)O3)或钛酸铅(PbTiO3)的压电陶瓷相比，诸如CaBi4Ti4O15和PhBi4Ti4O15等具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷具有高温耐热性强以及几乎没有高频损耗等特点。因此，希望上述压电陶瓷材料能成为适合在高温条件下或高频区中工作的压电谐振器。但是，由于压电陶瓷具有很强的晶体各向异性特征，所以使用一般的压电陶瓷制造方法不能获得较高的机电系数。因此，已提出各种方法，将具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷的c轴优先取向于一个方向，以便获得较大的机电系统。例如，T.Takenaka等人指出，可以在使用PhBi4Ti4O15取向陶瓷的圆柱形振荡器的垂直基本振动中获得用传统制造方法生产的压电陶瓷之机电系数的1.6倍，其中PhBi4Ti4O15取向陶瓷用热铸造法制成(参见1984年的应用物理杂志，vol.55，No.4.15)。
一般地说，为了获得通信滤波器和时钟发生器中振荡器所用的压电谐振器，单模压电振动必然会有轻微的乱真振动。在使用垂直振动和切变振动的压电器件中，一般用相对电极捕集能量。但是，已经知道，当压电陶瓷的泊松比(Poissonratio)为三分之一或更小时，垂直基本振动不能捕集能量。几乎所有具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷(诸如，CaBi4Ti4O15和PhBi4Ti4O15)，其泊松比都为1/3或更小，所以很难捕集能量。
关于高次谐波垂直振动，由于对泊松比的限制与基波相比不那么严格，所以可能可以捕集能量；但是一般来说，其机电系数与基波的机电系数相比会大大减小。因此，即使获得单模振动，作为压电谐振器的应用也会受到限制。相对，关于切变振动，其机电系数与垂直振动的机电系数处于相同的水平，并不会受泊松比的限制。
但是，没有人实验过用具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷捕集切变振动的能量，这里压电陶瓷的c轴优先取向于一个方向。即使诸如CaBi4Ti4O15和PhBi4Ti4O15等具有层状钙钛矿结构压电陶瓷耐高温性强并且几乎没有高频损耗(这些是传统压电材料所没有的)，但仍没有制造出可以实际使用的、在通信滤波器和时钟发生器中振荡器所使用的压电谐振器。
因此，本发明的一个主要目的是，使用具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷，通过能量捕集效应，提供一种可以实际使用的、具有某机电系数(不小于20％)的压电器件，该压电器件具有较强的高温耐热性，并且几乎没有高频损耗。
本发明的压电器件包括：衬底，它包括具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷，以及多个位于衬底上的电极。其中，对衬底的一个晶轴作优先取向，并且沿大致正交于晶轴优先取向的方向使衬底极化；并且在大致平行于晶轴优先取向且大致平行于衬底极化方向的衬底表面上，形成多个电极。
在上述压电器件中，衬底最好由一种压电陶瓷制成，所用压电陶瓷的组分主要为用化学式CaBi4Ti4O15表示的陶瓷组分。
当在具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷所组成的衬底上形成电极时，并且当衬底中一晶轴的优先取向大致垂直于衬底的极化方向，以及在大致平行于衬底晶轴优先取向且大致平行于衬底极化方向的衬底表面上形成电极时，可以获得这样的器件，它具有较强的高温耐热性，并且几乎没有高频损耗。另外，如此获得的器件具有可以实际使用的机电系数。
在上述压电器件中，当所用压电陶瓷的组分主要为具体由化学式CaBi4Ti4O15表示的陶瓷组分时，共振频率的温度稳定性较佳。
结合附图阅读以下对较佳实施例的详细描述，将清楚本发明的上述目的、其它目的、特征和优点。
图1是一透视图，例示了依照本发明的压电器件；
图2A是一透视图，示出了c轴优先取向的烧结产品；
图2B-2D是透视图，示出了由图2A所示烧结产品切割得到的衬底；和
图3是一透视图，例示了具有电极的衬底。
图1是一透视图，示出了依照本发明的压电器件。压电器件10包括衬底12，例如呈直角平行六面体的形状。作为衬底12的材料，使用CaBi4Ti4O15或类似材料。衬底12为层状钙钛矿结构，如实线箭头所示，c轴优先取向衬底12的宽度方向。另外，如虚线箭头所示，衬底12沿其长度方向极化。第一电极14和第二电极16沿衬底12的厚度方向分别形成于两个主表面上。第一电极14从一个长度端延伸至衬底12的中心部分。第二电极16从另一个长度端延伸到衬底12的中心部分。第一电极14和第二电极16在衬底12之中心部分附近彼此相对。因此，第一电极14和第二电极16所在的主表面平行于c轴优先取向的方向(以下称为c轴的优先取向)，并且平行于衬底的极化方向(以下称为极化方向)。
在压电器件10中，由于c轴的优先取向和极化方向正交，并且第一电极14和第二电极16所在的表面平行于上述两个方向，所以可以实现切变振动的能量捕集，并且可以获得没有乱真振动的单模压电振动。与以下两种情况相比，本发明压电器件10的机电系数较大，并且共振频率随温度的变化率较大，所述情况是形成衬底12的压电陶瓷中c轴没有优先取向的情况，或者c轴优先取向和极化方向之间的关系或上述方向之间的关系与上述不同的情况。另外，由于压电器件10的衬底由诸如CaBi4Ti4O15等具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷组成，所以可以获得较佳的高温耐热性，并且几乎没有高频损耗。
c轴的优选取向和极化方向可以大致相互正交，并且当它们相交的角度相对正交点的偏离不大于10°时，即当相交角度在80°至100°之间时，可以获得本发明的优点。另外，第一电极14和第二电极16所在的表面可以大致平行于c轴的优先取向和极化方向，并且当电极相对平行于这些方向的表面倾斜不大于10°的角度时，可以获得本发明的优点。
举例
准备和称量CaO、Bi2O3和TiO2等起始原料，形成CaBi4Ti4O15的组成成份然后用球磨机将起始原料进行4小时的湿混合，获得混合物。等干燥后，在900℃下对混合物预烧结，并且进行粗研磨。在对混合物添加适量的有机粘结剂之后，用球磨机进行4小时的湿研磨。用#40的筛网对如此制备的产品筛分，以便控制颗粒的大小。接下来，在1000kg/cm2的压力下对产品模压，形成直径为20毫米、厚度为10毫米的圆柱体。在600℃的温度下，对如此形成的圆柱体热处理，以便去除有机粘结剂，从而获得经预处理的产品。
当用1吨总压力沿厚度方向对经预处理的产品进行单轴施压时，在1200℃温度下对预处理产品烧结2小时，然后获得经烧结的产品。当用X射线分析评估经烧结的产品时，证明获得了c轴沿单轴施压方向优先取向的烧结产品，见图2A的箭头。用下述三种不同的方式将经烧结的产品切割成长度为10毫米、宽度为2.5毫米、厚度为0.25毫米的矩形衬底。如图2B所示，该衬底标号为样品1，在该衬底中，两个主表面平行于c轴的取向(烧结产品的厚度方向)，并且长度方向与c轴的取向正交。如图2C所示，该衬底标号为样品2，在该衬底中，两个主表面平行于c轴的取向，并且长度方向与c轴的取向平行。另外，如图2D所示，该衬底标号为样品3，在该衬底中，两个主表面与c轴的取向垂直。在图2B至2D中，实线箭头表示c轴的取向。
另外，在无压力的情况下，在1200℃温度下对经预处理的产品烧结2小时。当用x射线分析对所得的经烧结的产品进行评价时，没有观察到任何取向。同样，将经烧结的产品切割成长度为10毫米、宽度为2.5毫米、厚度为0.25毫米的、矩形衬底，它们类似于从c轴优先取向的烧结产品上切割下来的样品1至3。在标号为样品4的衬底中，两个主表面平行于烧结产品的厚度方向，并且长度方向与烧结产品的厚度方向正交。在标号为样品5的衬底中，两个主表面平行于烧结产品的厚度方向，并且长度方向与烧结产品的厚度方向平行。在标号为样品6的衬底中，两个主表面与烧结产品的厚度方向正交。
沿样品1至6的长度方向，在整个相对的边界面上形成银电极，其方法是在涂覆银糊后进行烧结。并且进行极化，即在200℃下，对绝缘油中的诸样品施加1小时5kV/mm的直流电。因此，衬底沿其长度方向极化，也就是说，样品1至3沿图2B至2D中虚线箭头所示的方向极化。如图3所示，在对样品去除银电极之后，在衬底的两个主表面上形成电极。在衬底的一个主表面上形成长度为7.5毫米的电极，沿长度方向从一端延伸到中心部分。另外，在样品的另一主表面上形成长度为7.5毫米的电极，沿长度方向从另一端延伸到中心部分。因此，在样品中心部分沿长度方向长度为5毫米的区域中，两个电极彼此相对。
如图3所示，通过在样品1至6的各个衬底上提供电极，形成了压电器件，并且将由样品1、2、3、4、5和6形成的压电器件分别称为a、b、c、d、e和f。对所得样品a-f测量机电系数以及共振频率随温度(fr-TC)的变化率，其中温度从-20℃变化到80℃。表2给出了测量结果。共振频率随温度的变化率可以用下式表示：
(fr-TC)＝{(80℃时的共振频率)-(-20℃时的共振频率)}/{(20℃时的共振频率)×100}。
                     表1
    机电系数K(％)   共振频率随温度的变化率fr-TC(ppm)
    样品a     28.0     -30
    样品b     不可测     不可测
    样品c     5.1     -139
    样品d     12.1     -69
    样品e     12.4     -73
    样品f     11.9     -72
由表1可见，对于样品a以及c-f，获得了没有乱真振动的单模压电振动。但是，对于样品b，压电振动如此地弱，以致于不能测量。对于样品c-f，机电系数K大约为5-10％，并且测量结果不足以进行实际应用。相反，样品a的机电系数K为20％或更大，所以所得结果足以进行实际应用。另外，对于样品a，其共振频率随温度的变化率明显小于样品c-f的变化率。作为通信滤波器和时钟发生器中振荡器所用的压电谐振器，共振频率随温度的变化率的绝对值最好较小。从这一点来看，样品a优越于样品c-f。
如上所述，在具有层状钙钛矿结构的陶瓷中，当c轴优先取向时，沿正交于c轴之优先取向的方向进行极化，并且在平行于c轴优先取向和极化方向的表面上形成电极，由此可以实现切变振动的能量捕集，并且获得没有乱真振动的单模压电振动。另外，与c轴没有优先取向以及不满足上述条件的情况相比，可以获得较大的机电系数以及较佳的共振频率温度特征。结果，本发明压电器件的性能足以用作通信滤波器和时钟发生器中振荡器所用的压电谐振器。另外，电极的形状和大小不限于图3所示的情况。当使用能够实现切变振动能量捕集的具有可选择形状和尺寸的电极时，可以观察到上述优点。
另外，对c轴的优先取向与极化方向成90°、80°和70°角度的样品测量机电系数和共振频率随温度的变化率。另外，对于上述样品，还在c轴的优先取向与电极成0°(平行)、10°和20°角度的情况下，极化方向与电极成0°(平行)、10°和20°角度的情况下，以及两个角度组合的情况下，测量机电系数和共振频率随温度的变化率。表2示出了测量结果。
                                  表2
  优先取向、极化方向以及电极之间的关系   机电系数K(％) 共振频率随温度的变化率fr-TC(ppm)
优先取向vs.极化方向  优先取向vs.电极  极化方向vs.电极
90°(正交)     0°(平行)     0°(平行)     28.0     30
    10°     24.2     41
    20°     18.2     51
    10°     0°(平行)     23.2     45
    10°     22.8     53
    20°     14.9     63
    20°     0°(平行)     16.6     51
    10°     13.8     61
    20°     13.1     72
80°     0°(平行)     0°(平行)     24.8     40
    10°     22.6     52
    20°     15.8     65
    10°     0°(平行)     22.8     48
    10°     20.2     59
    20°     13.4     72
    20°     0°(平行)     15.8     60
    10°     12.7     72
    20°     10.3     78
70°     0°(平行)     0°(平行)     19.4     53
    10°     14.8     66
    20°     13.1     71
    10°     0°(平行)     15.2     61
    10°     13.1     72
    20°     12.8     75
    20°     0°(平行)     13.4     67
    10°     12.8     72
    20°     12.2     79
由表2可见，当样品中c轴优先取向与极化方向所成的角度为90°和80°，c轴优先取向与电极所成的角度为0°和10°，并且极化方向与电极所成的角度为0°和10°时，机电系数为20％或更大，而且共振频率随温度的变化率也较小。相反，其它样品的机电系数小于20％。如上所述，当c轴优先取向与极化方向所成的角度相对正交点不大于10°时，以及当电极相对c轴优先取向的倾斜角度不大于10°，相对极化方向的倾斜角度不大于10°时，可以获得较大的机电系数，并且共振频率随温度的变化率较小。
作为衬底材料，有效地使用这样的压电陶瓷，其主要组分为具有层状钙钛矿结构的化合物，并且在c轴方向具有明显的各向异性。除了CaBi4Ti4O15之外，例如还可以是Bi3TiNbO9、Bi4Ti3O12、PbBi3Ti2NbO12、BaBi3Ti2NbO12、SrBi3Ti2NbO12、CaBi3Ti2NbO12、PbBi4Ti4O15、SrBi4Ti4O15、BaBi4Ti4O15、Na0.5Bi4.5Ti5O15、K0.5Bi4.5Ti5O15、Sr2Bi4Ti5O18、Ba2Bi4Ti5O18、Pb2Bi4Ti5O18、Ca2Bi4Ti5O18、Bi6Ti3WO18、Bi7Ti4NbO21和Bi10Ti3W3O30。
但是，由于CaBi4Ti4O15具有特别高的居里温度(约为790°)，并且在具有层状钙钛矿结构的化合物之间温度稳定性很好，所以用CaBi4Ti4O15制作压电器件特别有效。
依照本发明，利用切变振动的能量捕集效应，可以获得用作有效压电谐振器的压电器件，用于通信滤波器和时钟发生器的振荡器中。另外，这种压电器件具有可以实际使用的机电系数，并且具有诸如高温耐热性较强以及几乎没有高频损耗的特征，这些特征是具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷所具有的。另外，通过将CaBi4Ti4O15用作压电陶瓷材料，可以获得共振频率随温度的变化率较小的压电器件。

Claims (2)

1.一种压电器件，其特征在于，包括：
衬底，它包括具有层状钙钛矿结构的压电陶瓷；和
多个电极，它们形成于衬底上；
其中，对衬底的一个晶轴作优先取向，并且沿大致正交于晶轴优先取向的方向使衬底极化；并且
在大致平行于晶轴优先取向且大致平行于衬底极化方向的衬底表面上，形成多个电极。
2.如权利要求1所述的压电器件，其特征在于，衬底由一种压电陶瓷制成，所用压电陶瓷的组分主要为用化学式CaBi4Ti4O15表示的陶瓷组分。
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