CN1286475A - 压电陶瓷组合物和使用该组合物的压电器件 - Google Patents
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Abstract
一种压电陶瓷组合物,主要包含由式SrBi2Nb2O9表示的组分,并至少包含Si,相对于该式所示主组分中1摩尔Bi,Si的比例为大于0摩尔但等于或小于0.15摩尔。主要包含SrBi2Nb2O9的压电陶瓷组合物可以在较低温度下焙烧,即使在1100℃或更低温度下焙烧,仍具有实用的机电系数kt,可用作压电陶瓷滤波器、压电陶瓷振荡器、压电陶瓷谐振器以及其它压电陶瓷器件的材料。使用这种压电陶瓷组合物,可制得满意的压电陶瓷。
Description
本发明涉及压电陶瓷组合物以及使用该组合物的压电陶瓷器件。具体而言,本发明涉及可用作压电陶瓷滤波器、压电陶瓷振荡器、压电陶瓷谐振器和其它压电陶瓷器件的压电陶瓷组合物,还涉及使用该组合物的压电陶瓷器件。
主要包含钛锆酸铅(Pb(TixZr1-x)O3)或钛酸铅(PbTiO3)的压电陶瓷组合物广泛地用于压电陶瓷滤波器、压电陶瓷振荡器、压电陶瓷谐振器以及其它压电陶瓷器件。然而,这类主要包含钛锆酸铅或钛酸铅的压电陶瓷组合物,不可避免地含有大量铅组分,氧化铅在制备步骤中会由于蒸发而损耗,影响所制器件性能的均匀性。为避免这个问题,优选使用不含或含少量铅的压电陶瓷组合物。
与此相反,主要包含SrBi2Nb2O9或其它层状铋化合物的压电陶瓷组合物,因其组成中不含氧化铅,不会引起上述问题。
然而,主要包含SrBi2Nb2O9或其它层状铋化合物的这类压电陶瓷组合物,必须在1250℃或更高的温度下烧制,以便获得具有实用的机电系数kt(10%或更大)。因此需要能在如此高温下进行焙烧的窑炉,而这种窑炉的成本很高。在具有内电极的压电陶瓷滤波器或其它压电陶瓷器件中,电极材料应具有高于焙烧温度的熔点。因此,这样的压电陶瓷器件也需要昂贵的电极材料如铂或钯,会使生产成本增加。
因此,本发明的一个主要目的是提供主要包含SrBi2Nb2O9的压电陶瓷组合物,它可以在较低温度下焙烧,即使在1100℃或更低温度下焙烧,仍具有实用的机电系数,这类压电陶瓷组合物可用作如压电陶瓷滤波器、压电陶瓷振荡器、压电陶瓷谐振器、以及其它压电陶瓷器件的材料,本发明还提供使用这类组合物的压电陶瓷器件。
第一方面,本发明提供一种压电陶瓷组合物,主要包含由式SrBi2Nb2O9表示的组分。这种组合物中,相对于上式所示的主组分中1摩尔Bi,至少包含大于0但等于或小于0.3摩尔的Si。本发明的压电陶瓷组合物可主要包含如式SrBi2(Nb1-ySiy)O9所示的组分,其中y大于0但等于或小于0.3。
本发明的压电陶瓷组合物还可包含一种Sr之外的其它二价金属,其比例为,相对于1摩尔Bi,该二价金属的量大于0但等于或小于0.25摩尔。这种情况下,除Sr外的其它二价金属是至少一种选自Mg、Ca或Ba的金属。
本发明的压电陶瓷组合物还可包含一种除Bi之外的其它三价金属,其比例为,相对于1摩尔Bi,该三价金属的量大于0但等于或小于0.15摩尔。这种情况下,除Bi外的其它三价金属元素是至少一种选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Sc或Y的金属。
本发明的压电陶瓷组合物最好还包含锰,按MnCO3计,其含量为大于0%(重量)但等于或小于1.0%(重量)。
第二方面,本发明提供一种压电陶瓷器件和在压电陶瓷体上形成的电极,所述压电陶瓷器件包括由压电陶瓷组合物组成的压电陶瓷体。
本发明的压电陶瓷组合物,相对于1摩尔Bi,应包含大于0摩尔但等于或小于0.3摩尔的Si。如果Si含量超出该范围,机电系数kt减小,不能获得实用的机电系数。
本发明还对主组分中各自包含Mg、Ca、B、或其它二价金属元素,或者包含La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Sc、Y或其它三价金属元素的压电陶瓷组合物有效。尤其是主组分包含至少一种选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Sc或Y的元素,其比例相对1摩尔Bi为大于0但等于或小于0.15摩尔的情况,在-20℃至80℃范围内,由下面公式所示的谐振频率温度依赖因子frTc下降,这种现象的原因不明。因此,配成的压电陶瓷组合物可以在1100℃或更低温度下焙烧,获得有实用的机电系数和较小的谐振频率温度依赖因子frTc。这些压电陶瓷组合物可以用作如压电陶瓷谐振器以及其它压电陶瓷器件的材料。这种情况下,主组分应包含至少一种选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Sc或Y的元素,其比例为相对1摩尔Bi,大于0但等于或小于0.15摩尔。如果这些元素的含量超出上述范围,与不含上述任一元素的组合物相比,机电系数kt下降,加入这些元素就未显示令人满意的优点。
frTc=(fr(max)-fr(min))/(fr(20℃)×100)其中,fr(max)是-20至80℃范围内的最大谐振频率;fr(min)是-20至80℃范围内的最小谐振频率;fr(20℃)是20℃的谐振频率。
本发明人还发现,在主要包含SrBi2Nb2O9的压电陶瓷组合物中,按照MnCO3计,以1.0%(重量)或更小的含量加入锰,可提高机电系数(日本专利申请10-156648)。本发明对这类压电陶瓷组合物也有效,配成的压电陶瓷组合物可以在1100℃或更低温度下焙烧,具有实用的机电系数,可用作压电陶瓷的材料。
参考附图,对一些优选实施方案的描述可有助于进一步理解本发明的目的、特征和优点。
图1是本发明压电陶瓷谐振器一个实施方案的透视图。
图2是图1所示压电陶瓷谐振器的截面图。
实施例1
称取原料SrCO3、Bi2O3、Nb2O5、MgCO3、CaCO3、BaCO3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Y2O3、SiO2或MnCO3,配成(Sr1-xMx)Bi2(Nb1-ySiy)2O9+z%(重量)MnCO3的组合物,其中M选自Mg、Ca、Ba、La、Nd、Sm或Y的一种;y和z满足下列条件:0≤y≤0.35和0≤z≤1.1;x满足下列条件:当M是Mg、Ca或Ba时,0≤x≤0.6,当M是La、Nd、Sm或Y时,0≤x≤0.4,。称重后的各种原料在球磨中湿混合约4小时,获得一混合物。干燥该混合物,然后在700-900℃煅烧,制得煅烧产物。将煅烧产物粗粉碎,再用适量有机粘合剂在球磨机中湿磨4小时。经球磨的粉末通过一个40目筛,控制粉末的粒度。然后在1000kg/cm2压力下将粉末压制成直径12.5mm,厚1mm的圆片。圆片在1100-1250℃,空气焙烧,获得陶瓷圆片。以常规方式,在陶瓷圆片表面(两个主平面)上施加银浆然后进行烘焙,形成银电极。最后将陶瓷圆片在150-200℃绝缘油中,施加10kv/mm直流电压10-30分钟,进行极化处理,制得一系列压电陶瓷(样品)。
测定上述样品的密度、谐振频率温度依赖因子frTc和机电系数kt。结果列于表1-3。表1-3中还给出各样品组成中M的元素符号、x/2、y和z的数值以及焙烧温度。表1-3中,“样品号”一栏中符号“*”指该样品超出本发明范围。
表3
应注意,公式中x的一半即x/2对应于M相对1摩尔Bi的含量(摩尔),公式中的y对应于表1-3中的Si相对1摩尔Bi的含量(摩尔)。
表1-3表明了本发明中规定各组分比例范围的原因。具体而言,上述公式中y规定为0<y≤0.3,因为如果y的含量小于该范围,组合物不能在1100℃或更低温度下充分烧结,不能达到极化。与之相反,如果y含量超过该范围,不能获得实用的机电系数kt。
当M是至少一个选自Mg、Ca或Ba的元素,在本发明中规定x的一半即x/2的范围为0<x/2≤0.25。这是因为当M含量超出这一范围时,与不含M的组合物相比,机电系数下降,加入M不能获得明显的优点。
当M是至少一种选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Sc或Y的元素时,在本发明中规定x/2范围为0<x/2≤0.15。这是因为当M含量超出这一范围时,与不含M的组合物相比,机电系数下降,加入M不能获得明显的优点。
本发明中,锰的含量按照MnCO3计,较好为1.0%(重量)或更小。如果锰含量超出该范围,与不含锰的组合物相比,机电系数kt和谐振频率温度依赖因子frTc下降,加入Mn不能获得明显的优点。
表1-3表明,本发明实施例的各样品,即使在1100℃或更低温度下焙烧,仍具有实用的机电系数。
表1-3还表明当本发明实施例的样品中,M是选自La、Nd、Sm或Y中至少一种时,配成的压电陶瓷组合物,即使在1100℃或更低温度下焙烧,仍具有实用的机电系数,具有小的谐振频率温度依赖因子frTc,可用作压电陶瓷材料。
当M是Nd或Y的至少一种时,制成的压电陶瓷组合物,具有很小的谐振频率温度依赖因子frTc。
本发明压电陶瓷组合物的组成不限于上述实施例中的那些组成,本发明范围内的任何组成都是有效的。
本发明主要包含SrBi2Nb2O9的压电陶瓷组合物只要基本上具有上述组成,组分元素的摩尔比值可以有一些偏差。
图1是本发明压电陶瓷谐振器一个实施方案的透视图,图2是该压电陶瓷谐振器的截面图。图1和图2所示的压电陶瓷谐振器10包括一个压电陶瓷体12,例如是直角棱柱形。压电陶瓷体12包括两层压电陶瓷层12a和12b。这些压电陶瓷层由本发明的压电陶瓷组合物构成,层叠成一体。压电陶瓷层12a和12b按照图2中箭头所示在同一厚度方向极化。
在压电陶瓷层12a和12b之间的中心,形成例如圆形的振动电极14a,并形成字母T形的引导电极16a,从振动电极14a伸出到压电陶瓷体中12的一个端面。在压电陶瓷层12a表面的中心,形成例如圆形的振动电极14b,并形成字母T形的引导电极16b,从振动电极14b伸出到压电陶瓷体12的另一个端面。在压电陶瓷层12b表面中心,形成例如圆形的振动电极14c,并形成字母T形的引导电极16c,从振动电极14c伸出到压电陶瓷12的另一个端面。
一个外电极20a通过引线18a连接到引导电极16a,另一个外电极20b通过另根导线18b连接到引导电极16b和16c。
除了上述压电陶瓷谐振器10外,本发明可应用于其它压电陶瓷谐振器、压电陶瓷滤波器、压电陶瓷振荡器以及其它压电陶瓷器件。
如上所述,本发明提供了主要包含SrBi2Nb2O9的压电陶瓷组合物,可以在较低温度下焙烧,即使在1100℃或更低温度进行焙烧仍具有实用的机电系数,这种组合物可用作如压电陶瓷滤波器、压电陶瓷振荡器、压电陶瓷谐振器以及其它压电陶瓷器件的材料。本发明还提供了使用这种压电陶瓷组合物的压电陶瓷器件。
本领域的技术人员可以理解其它的实施方案和变动,本发明不受上述具体细节的限制。
Claims (8)
1.一种压电陶瓷组合物,主要包含由式SrBi2Nb2O9表示的组分,并至少包含Si,相对于该式所示主组分中1摩尔Bi,Si的比例为大于0摩尔但等于或小于0.3摩尔。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷组合物,其特征还在于所述压电陶瓷组合物主要包含由式SrBi2(Nb1-ySiy)2O9所示的组分,其中y大于0但等于或小于0.3。
3.如权利要求1或2所述的压电陶瓷组合物,其特征在于所述压电陶瓷组合物还包含除Sr外的其它二价金属元素,相对1摩尔Bi,其比例为大于0但等于或小于0.25摩尔。
4.如权利要求3所述的压电陶瓷组合物,其特征还在于所述除Sr外的其它二价金属元素是至少一种选自Mg、Ca或Ba的元素。
5.如权利要求1或2所述的压电陶瓷组合物,其特征在于所述压电陶瓷组合物还包含除Bi外的其它三价金属元素,相对1摩尔Bi,其比例为大于0但等于或小于0.15摩尔。
6.如权利要求5所述的压电陶瓷组合物,其特征还在于所述除Bi外的其它三价金属元素是至少一种选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Sc或Y的元素。
7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的压电陶瓷组合物,其特征在于所述压电陶瓷组合物还包含锰,按照MnCO3计,其含量为大于0%重量但等于或小于1%重量。
8.一种压电陶瓷器件,包括:
如权利要求1-7中任一权利要求所述的压电陶瓷组合物制成的压电陶瓷体,
在所述压电陶瓷体上形成的电极。
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