CN1284752A - 压电元件 - Google Patents
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Abstract
一种压电元件,包含多个由含有Sr,Bi,Ti,和O的压电材料构成的压电层,至少3个相对的振动电极,每一个设置在压电层之间,以及形成在振动电极重叠的区域中的能量约束区域,能量约束区域平行于振动电极的平面,并激励n次谐波纵向厚度振动。能量约束区域的外周的两个交叉点之间的割线的最大长度L,和最上面振动电极和最底下振动电极之间的距离t满足nL/t比值小于10。压电元件是热稳定的,并且具有窄的容许误差。
Description
本发明涉及一种压电元件，尤其涉及使用厚度振动模式的能量约束压电元件。
传统地，已经使用了压电体中具有振动电极，并且激励较高模式的厚度振动的能量约束压电元件。和激励基波厚度振动不同，这种压电元件基本上不受泊松比的影响。通常，诸如锆钛酸铅之类的热稳定材料具有小于三分之一的泊松比，并且未达到减小基本厚度振动的能量约束的频率。但是，在厚度振动中，由振动电极结构激励的更高的谐波，减小能量约束的令人满意的频率可以通过使用这样的热稳定材料得到，并且这对于达到高性能压电元件受到瞩目。
但是，对由振动电极结构激励的厚度振动高次谐波的能量约束元件根据材料而具有不同的最优化的电极结构，由此，必需由各自的材料决定最适合的尺寸。即，在能量约束元件中，已知被称为非谐振谐波的寄生振动的谐振频率出现在基本振动的谐振频率附近。当电极的直径，即，能量约束区域减小时，非谐振谐波不激励。由于不引起非谐振谐波激励的最大电极直径依赖于材料，故必须为每一种材料决定最大电极直径。无定向层叠的铋基陶瓷材料是热稳定的，并具有较小的机电耦合常数，由此，希望能够被用作窄容许误差的高性能振荡器。但是，未发现不引起非谐振谐波激励的最大电极直径。
相应地，本发明的一个目的是提供一种热稳定压电元件，其中，可以实现具有窄的容许误差的高性能振荡器。
根据本发明，压电元件包含：多个含有包含Sr、Bi、Ti和O的压电材料的压电层，至少三个相对的振动电极每一个电极设置在压电层之间，以及形成在振动电极重叠的区域中的能量约束区域。能量约束区域平行于振动电极的平面，并激励N次谐波纵向厚度振动。能量约束区域周围的两个交叉点之间的割线的最大长度L和最上面振动电极和最底下振动电极之间的距离t满足nL/t比值小于10。
压电材料最好包含SrBi4Ti4O15。
在压电层的外部表面上形成最上面振动电极和最底下振动电极。
或者，压电材料包含Ca、Bi、Ti和O，并且nL/t的值小于9。在这种情况下，压电材料最好包含CaBi4Ti4O15。
或者，压电材料包含Sr、Bi、Nb和O，并且nL/t的值小于10。在这种情况下，压电材料最好包含SrBi2Nb2O9。
图1是本发明的压电元件的实施例的示图；
图2是图1所示的压电元件的侧视图；
图3是压电元件的制造步骤的分解图；
图4是压电元件的测试电路的示图；
图5是当例子1中能量约束区域的直径是2mm时阻抗对频率特性的曲线图；
图6是当例子1中的nL/t的值变化时，压电元件的阻抗的峰谷比；
图7是本发明的压电元件的另一个实施例的示图；
图8是当例子2中的能量约束区域的直径是2mm时，阻抗对频率特性的曲线图；
图9是当例子2中的nL/t的值变化时，压电元件的阻抗的顶一低比的曲线图；
图10是当例子3中能量约束区域的直径是2mm时，阻抗对频率特性的曲线图；
图11是当例子3中的nL/t的值变化时，压电元件的阻抗的峰谷比的曲线图。
图1是本发明的压电元件的示图，图2是图1中的压电元件的侧视图。压电元件10包含例如两个压电层12和14。压电层12和14由包含Sr，Bi，Ti，和O为主要成份的压电陶瓷材料制成。典型的压电材料是SrBi4Ti4O15。盘状的第一振动电极16设置在这些压电层12和14之间的大致中心。第一振动电极16在压电层12和14的薄片的一端引出。盘状的第二振动电极18形成在压电层12的外部表面上，以便和第一振动电极16相对。第二振动电极18在薄片的相对端引出。在压电层14的外部表面上形成第三振动电极20，以便和第一振动电极16相对。在和第二振动电极18相同的一端引出第三振动电极20。第一振动电极16、第二振动电极18和第三振动电极20具有相同的直径。
将压电元件10用作能量约束压电元件。能量约束区域出现在第一振动电极16和第二振动电极18之间以及第一振动电极16和第三振动电极20之间。即，这些振动电极16、18和20在能量约束区域中重叠。由此，振动电极16、18、20用作能量约束电极。这里，将平行于振动电极16、18和20，并由能量约束区域外周的交叉点定义的割线的最大长度设置为L。在图1所示的压电元件10中，最大长度L对应于盘状振动电极16、18和20的直径。第二振动电极18和第三振动电极20之间，即能量约束区域中相对的外部表面之间的距离设置为t。当N次纵向厚度振动振荡时，尺寸最好如此确定，从而nL/t的值小于10。
在压电元件10中，使用一种含有Sr，Bi，Ti，和O作为主要成份的压电材料。由此，压电元件10是热稳定的，具有较小的机电耦合系数，并且可以用作具有窄容许误差的高性能振荡器。当nL/t的比值小于10时，非谐振谐波被激励。
例子1
制备SrCO3，Bi2O2，TiO2和MnCO3，作为起始材料。这些材料被称重和混合，从而合成物由SrBi4Ti4O15+1％重量的MnO2表示。在800到1000摄氏度煅烧粉末混合物，并且通过刮片处理形成薄片。如图3所示，使用得到的薄片，分别得到具有第二振动电极图案30，第三振动电极图案32和第一振动电极图案34的薄片36、38和40。这些电极图案30、32和34由铂构成，并通过印刷处理形成。将多个薄片42设置在薄片36和薄片40之间，并将多个薄片44设置在薄片38和薄片40之间。这些薄片36、38、40、42和44被层叠，并在200MPa(2×108kg/m2)的压力下压缩，并在1，150到1300摄氏度烧结1到5小时。沿图2中的箭头方向极化烧结的坯块，以制备如图1和2所示的压电元件。
将烧结的压电元件的能量约束区域的直径，即这些振动电极的盘状部分的直径设置为0.4到2.6mm。烧结的压电元件的总的厚度，即，第二振动电极18和第三振动电极20之间的距离设置为0.4mm。如图4所示，将阻抗分析器50连接在第二振动电极18和第一振动电极16之间以及第一振动电极16和第三振动电极20之间，以激励压电振动。
为了估算使用这种压电元件的第二谐波的能量约束，测量阻抗对频率的特性。图5是曲线图，示出电极直径为2mm时的阻抗对频率特性。由于n=2，L=2mm，并且t=0.4mm，nL/t成为10。在这种压电元件中，在基本振动的谐振频率上叠加了非谐振谐波。
图6示出基本振动的峰谷比(谐振阻抗与反谐振阻抗的比)和指数nL/t之间的关系，以及非谐振谐波的峰谷比和指数nL/t之间的关系。非谐振谐波开始在nL/t的比值为10或更大处重叠。当将压电元件用作振荡器时，非谐振谐波引起反常振荡或暂停振荡。
由此，在使用含有Sr，Bi，Ti和O的层叠的铋材料(诸如SrBi4Ti4O15)的压电元件(其中由内部电极结构激励厚度振动高次谐波)中，电极的尺寸如此设置，从而nL/t比值是10或更小。结果，压电元件是热稳定的，并且具有窄的容许误差。
替代如图1所示的盘状形状，能量约束电极的形状可以是椭圆形、正方形、长方形或多边形。在这种情况下，L表示最长的部分，例如椭圆的长轴的长度，或正方形或长方形的对角线的长度。或者，如图7所示，电极可以是含有引出部分的矩形状。在这种情况下，振动电极16、18和20重叠的区域是能量约束区域。
在上述实施例中，将Mn加到含有SrBi4Ti4O15作为主要成份的混合物中。还可以加入Nd和Y。可以用其它元素部分替换Sr和Ti。另外，含有Sr、Bi、Ti和O作为主要成份的压电材料还可以包含辅助成份，诸如玻璃成份，以改进陶瓷的可烧结性。
在三个振动电极中，沿厚度方向的两个外部振动电极不必形成在元件的外部表面上，可以将压电层设置在振动电极的外部。两个外部振动电极最好形成在元件的最外面部分，作为外部电极，换句话说，在振动电极的外部表面上不形成压电层。当将压电元件用作例如振荡器或滤波器时，将谐振频率调节到理想值。虽然压电材料的类型、振动电极以及元件的厚度决定谐振频率，但是常常是通过在振动电极上施加涂料以在振动电极上加以质量负荷完成最终的调节。当最外面的振动电极暴露于外部时，这种方法容易应用。另外，可以在振动电极上由涂料进行质量负荷，以抑制寄生振动。在这种情况下，振动电极最好是外部电极。
例子2
制备起始材料CaCO3，Bi2O3，TiO2和MnCO3。称重和混合这些材料，从而由CaBi4Ti4O15+1％重量的MnO2表示合成物。粉末混合物在800到1000摄氏度烧结，并通过刮片处理形成薄片。使用得到的薄片，如图3所示，分别形成具有第二振动电极图案30、第三振动电极图案32和第一振动电极图案34的薄片36、38和40。这些电极图案30、32和34由铂构成，并通过印刷处理形成。将多个薄片42设置在薄片36和薄片40之间，并将多个薄片44设置在薄片38和薄片40之间。这些薄片36、38、40、42和44层叠，并在200MPa(2×108kg/m2)的压力下压缩，并在1，100到1200摄氏度烧结1到5小时。烧结的坯块沿图2中的箭头的方向极化，以制备如图1和2所示的压电元件。
烧结的压电元件的能量约束区域的直径，即，这些振动电极的盘状部分的直径设置为0.5到2.5mm。烧结的压电元件的总的厚度，即，第二振动电极18和第三振动电极20之间的距离设置为0.4mm。如图4所示，将阻抗分析器50连接在第二振动电极18和第一振动电极16之间以及第一振动电极16和第三振动电极20之间，以激励压电振动。
为了估算使用这种压电元件的二次谐波的能量约束，测量阻抗对频率特性。图8是在电极直径为1.8mm处的阻抗对频率特性的曲线图。由于n=2，L=1.8mm，并且t=0.4mm，nL/t为9。在这种压电元件中，非谐振谐波叠加在基本振动谐振频率上。
图9示出了基本振动的峰谷比(谐振阻抗和反谐振阻抗之间的比)和指数nL/t之间的关系，以及非谐振谐波和指数nL/t之间的关系。非谐振谐波开始在nL/t为9或更大的位置叠加。当将压电元件用作振荡器时，非谐振谐波引起反常振荡或暂停振荡。
由此，在使用含有Ca，Bi，Ti，和O的层叠的铋材料(诸如CaBi4Ti4O15)的压电元件(其中，厚度振动高次谐波由内部电极结构激励)中，如此设计电极的尺寸，从而nL/t比值为9或更小。结果，压电元件是热稳定的且具有窄允许误差。
在上述实施例中，将Mn加入含有CaBi4Ti4O15作为主要成份的合成物中。还可以加入Si和W。Ca和Ti可以由其它元素替代。另外，含有Ca、Bi、Ti和O的压电材料还可以包含辅助成份，诸如玻璃成份，以改进陶瓷的可烧结性。
例子3
制备SrCO3，Bi2O3，Nb2O3和MnCO3，作为起始材料。这些材料被称重和混合，从而合成物由SrBi2Nb2O9+1％重量的MnO2表示。在800到1000摄氏度煅烧粉末混合物，并且通过刮片处理形成薄片。使用得到的薄片，如图3所示，分别形成具有第二振动电极图案30、第三振动电极图案32和第一振动电极图案34的薄片36、38和40。这些电极图案30、32和34由铂构成，并通过印刷处理形成。将多个薄片42设置在薄片36和薄片40之间，并将多个薄片44设置在薄片38和薄片40之间。这些薄片36、38、40、42和44被层叠，并在200MPa(2×108kg/m2)的压力下压缩，并在1000到1200摄氏度下烧结1到5小时。沿图2中的箭头的方向极化烧结的坯块，以制备如图1和2所示的压电元件。
烧结的压电元件的能量约束区域的直径，即这些振动电极的盘状部分的直径设置为0.5到2.5mm。烧结的压电元件的总的厚度，即，第二振动电极18和第三振动电极20之间的距离设置为0.4mm。如图4所示，将阻抗分析器50连接在第一振动电极16和第三振动电极20之间以激励压电振动。
为了估算使用这种压电元件的第二谐波的能量约束，测量阻抗对频率特性。图10是示出在电极直径为2mm处的阻抗对频率特性。由于n=2，L=2mm，并且t=0.4mm，nL/t为10。在这种压电元件中，将非谐振谐波叠加在基本振动的谐振频率上。
图11示出了初级振动的峰谷比(即谐振阻抗与反谐振阻抗的比)与指数nL/t之间的关系，以及非谐振谐波的峰谷比和指数nL/t之间的关系。非谐振谐波开始在nL/t比值为10或更多处叠加。当将压电元件用作振荡器时，非谐振谐波引起反常振荡或暂停振荡。
由此，在使用含有Sr，Bi，Nb，和O的层叠的铋材料(诸如SrBi2Nb2O9)的压电元件(其中，由内部电极结构激励厚度振动高次谐波)中，电极的尺寸如此设置，从而nL/t比值是10或更小。结果，压电元件是热稳定的，并且具有窄的容许误差。
在上述实施例中，将Mn加入含有SrBi2Nb2O9作为主要成份的合成物中。还可以加入Si和W。Sr和Nb可以部分地由其它元素代替。另外，含有Sr，Bi，Nb，和O作为主要成份的压电材料还包含附加成份，诸如玻璃成份，以改进陶瓷的可烧结性。
Claims (7)
1．一种压电元件，其特征在于包含：
多个含有压电材料的压电层，所述压电材料包含Sr，Bi，Ti，和O；
至少三个相对的振动电极，每一个所述振动电极设置在所述压电层之间；和
形成在重叠有振动电极的区域中的能量约束区域，所述能量约束区域平行于振动电极的平面，并且激励n次谐波纵向厚度振动；
其中，在能量约束区域的外周的两个交叉点之间的割线的最大长度L，和最上面振动电极和最底下振动电极之间的距离t满足nL/t比值小于10。
2．如权利要求1所述的压电元件，其特征在于压电材料包含SrBi4Ti4O15。
3．一种压电元件，其特征在于包含：
多个含有压电材料的压电层，所述压电材料包含有Ca，Bi，Ti，和O；
至少三个相对的振动电极，每一个设置在所述压电层之间；和
形成在振动电极重叠的区域中的能量约束区域，所述能量约束区域平行于振动电极的平面，并激励n次谐波纵向厚度振动；
其中，能量约束区域的外周的两个交叉点之间的割线的最大长度L，和最上面振动电极和最底下振动电极之间的距离t满足nL/t比值小于9。
4．如权利要求3所述的压电元件，其特征在于压电材料包含CaBi4Ti4O15。
5．一种压电元件，其特征在于包含：
多个含有压电材料的压电层，所述压电材料含有Sr，Bi，Nb，和O；
至少三个相对的振动电极，每一个设置在压电层之间；和
形成在所述振动电极重叠的区域内的能量约束区域，所述能量约束区域平行于所述振动电极的平面，并激励n次谐波纵向厚度振动；
其中，能量约束区域的外周的两个交叉点之间的割线的最大长度L和最上面振动电极和最底下振动电极之间的距离t满足nL/t比值小于10。
6．如权利要求5所述的压电元件，其特征在于压电材料包含SrBi2Nb2O9。
7．如权利要求1到6任一条所述的压电元件，其特征在于最上面振动电极和最底下振动电极形成在压电层的外部表面上。
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