DE1466166B1

DE1466166B1 - Piezoelektrisch zur dickenscherschwingung anregbares resonator element

Info

Publication number: DE1466166B1
Application number: DE1965M0065411
Authority: DE
Inventors: Shizuo Arimura; Hyogo Hirohata; Michio Ishibashi; Takashi Nagata
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1964-05-30
Filing date: 1965-05-31
Publication date: 1971-12-16
Also published as: GB1104383A; DE1466166C2; US3348078A; NL6506882A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisch Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch

zu Dickenscherschwingungen anregbares Resonator- gelöst, daß das Verhältnis des Durchmessers zur

element für hohe Frequenzen von vorzugsweise über Dicke der Scheibe 7 bis 15 beträgt und daß die Elek-

1 MHz, das aus keramischem Material besteht und trodenbeschichtung ganzflächig ist und jeweils aus

die Form einer Kreisscheibe hat, deren parallele 5 einer zunächst aufgebrachten Kupferschicht und

Hauptflächen mit Elektrodenschichten bedeckt sind, einer darauf aufgebrachten Schicht aus einem dem-

und die parallel zu diesen Hauptflächen in einer gegenüber edleren Material, vorzugsweise Silber oder

Richtung vorpolarisiert ist. Keramische Resonator- Gold, besteht und so aufgebracht ist, daß einerseits

elemente, ζ. B. aus Bleititanat-Zirkonat, sind bekannt Poren in der Keramikoberfläche mit Kupfer ausge-

(USA.-Patentschrift 2 708 244) und haben sich in io füllt werden und andererseits die thermische Belastung

der Praxis sehr bewährt. unter dem Curie-Punkt bleibt.

Bei hohen Frequenzen treten bei piezoelektrisch Durch das angegebene Durchmesser/Dickenver-

zu Dickenscherschwingungen anregbaren keramischen hältnis ist ein optimaler Bereich angegeben, dessen

Resonatorelementen unerwünschte Nebenschwingun- Grenzen experimentell ermittelt wurden. Zwar sind

gen hauptsächlich in Form von Subharmonischen 15 bereits Resonatoren bekanntgeworden (USA.-Patent-

der gewünschten Schwingung und von parasitären schrift 2 343 059), deren Aufbau in diesen Bereich

Schwingungen anderen Typs auf, unter anderem fällt, jedoch werden die Grenzen dieses Bereichs

Biegeschwingungen. Im Fall der Verwendung des erstmals durch die Erfindung angegeben. Die ganz-

Resonatorelements beispielsweise als Tonsperrkreis- flächige Elektrodenbeschichtung erbringt eine niedrige

element in einem Transistorfemsehgerät machen sich ao Resonanzimpedanz, und die Aufbringung der Elek-

diese Nebenschwingungen als sehr störend bemerkbar, trodenbeschichtung führt dazu, daß auf Grund der

und es kann nicht die geforderte Impedanzdifferenz Ausfüllung der Porenoberfläche ohne nennenswerte

zwischen Anregungen bei der gewünschten Resonanz- Erwärmung eine so vollständige Flächenbeschichtung

frequenz einerseits und allen übrigen Frequenzen erzielt wird, daß auch im Bereich der kurzen Wellen-

andererseits erzielt werden. 25 längen, wie sie bei den Hochfrequenzschwingungen

Es ist bekannt (deutsche Patentschrift 1144 793), vorkommen, keine Störeinflüsse von den Scheiben-

daß das Resonatorelement hinsichtlich der Ausbil- oberflächen her auftreten. Die Bedeutung der zweiten

dung parasitärer Schwingungen besser zu beherrschen Elektrodenschicht aus dem edleren Material, insbe-

ist, wenn die Resonatorscheibe parallel zu ihren Haupt- sondere Silber oder Gold, besteht darin, daß sie die

flächen polarisiert ist, als im Fall einer axialen Polari- 30 Kupferoberfläche vor Einwirkungen der Atmosphäre

sierung. Auch eine nur teilweise Belegung der Re- schützt. Sie dient also der Verhinderung einer Ver-

sonatorscheiben-Hauptflächen mit Elektroden er- schlechterung der elektrischen Leitfähigkeit auf Grund

möglicht die Unterdrückung mancher Nebenschwin- von Korrosion oder von eventuellen Löchern in der

gungen. Bei dieser bekannten Ausführung stellen sich Elektrode auf Grund eines mechanischen Angriffs,

jedoch trotzdem noch keine überzeugenden Ergebnisse 35 der zu deren Reinigung zwecks Anbringen eines Zu-

ein; da einerseits die Hauptflächen der Resonator- leitungsdrahts durchgeführt wurde. Das Aufbringen

scheibe nur teilweise mit Elektroden belegt sind, ergibt des Kupfers wird vorteilhafterweise durch stromlose

sich eine hohe Resonanzimpedanz, und andererseits Verkupferung durchgeführt, bei der keine wesentliche

ist hinsichtlich der Oberflächenbearbeitung und der Temperaturerhöhung stattfindet. Dies ist wichtig, da

Gesamtabmessung des radial polarisierten Elements 40 einerseits die die unerwünschten Nebenschwingungen

kein Optimum gewählt. erzeugenden Faktoren ausgeschaltet werden müssen,

Außer den Parametern der Formgebung der Schei- andererseits das Aufbringen der Elektrodenschichten ben haben sich nämlich die unvermeidbaren Unregel- ohne Zerstörung der Polarisation erfolgen muß. mäßigkeiten der Keramikoberfläche, also die Poren Beispielsweise ist Nickel als Material für die Elekin der Oberfläche, als für das Entstehen der störenden 45 troden weniger geeignet, da die optimale Arbeits-Schwingungen verantwortlich erwiesen. Es ist in temperatur für stromlose Vernickelung bei über anderem Zusammenhang bekannt, zur Abdeckung 100⁰C liegt. Für das Aufbringen von Kupfer bedarf der gesamten Oberfläche einer dielektrischen Scheibe es jedoch keiner über 60°C hinausgehenden Temohne Unterbrechungen oder Lufteinschlüsse an Ober- peratur.

flächenporen das aufzubringende Metall aufzudampfen. 50 Durch die Zusammenfassung der erfindungsge-

An Stelle von Metalldampf kann auch der Dampf mäßen Maßnahmen ergibt sich ein Resonatorelement,

einer Metallverbindung verwendet werden (USA.- das auch im beabsichtigten Bereich hoher Frequenzen

Patentschrift 2 833 676), wenn die Oberfläche des einsetzbar ist.

Dielektrikums auf eine Temperatur über der Zer- In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise fallstemperatur der Metallverbindung liegt. Durch 55 veranschaulicht, und zwar zeigt
dieses Verfahren können Elektroden geschaffen werden, Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindie allen Oberflächenunregelmäßigkeiten folgen, so dungsgemäßen Resonatorelements,
daß zwischen den Elektroden und der Oberfläche F i g. 2 eine graphische Darstellung von Resonanzdes beispielsweisen keramischen Dielektrikums keine spektren des Resonatorelements nach F i g. 1,
störenden Erscheinungen auftreten können. Dieses 60 F i g. 3 und 4 graphische Darstellungen der Fre-Verfahren ist jedoch zur Beschichtung von piezo- quenzkennlinien verschiedener erfindungsgemäßer Reelektrisch vorpolarisierten Scheiben nicht anwendbar, sonatorelemente,

da die hierbei auftretende hohe Temperatur die Polari- F i g. 5 eine Ersatzschaltung des erfindungsgemäßen

sation in der Scheibe zerstören würde. Resonatorelements und

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reso- 65 F i g. 6 eine graphische Darstellung der Ausgangs-

natorelement der eingangs genannten Art zu schaffen, Charakteristiken eines mit einem erfindungsgemäßen

bei dem die Voraussetzung für das Entstehen der uner- Resonatorelement bestückten Sperrkreises,

wünschten Nebenschwingungen nicht gegeben sind. F i g. 1 zeigt den Aufbau eines piezoelektrisch

zur Dickenscherschwingung anregbaren keramischen Resonatorelements, das eine im wesentlichen flache, dünne, kreisförmige Scheibe 1 aus einem piezoelektrischen keramischen Material mit einer Dicke T und einem Durchmesser D enthält.

Die piezoelektrische Polarisation der Scheibe 1 ist senkrecht zu ihrer Achse gerade und quer durch sie hindurch gerichtet, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Homogene leitende Kupferelektroden 2 und 2' sind an den beiden Außenflächen der Scheibe 1 durch stromlose Verkupferung und Gold- oder Silberelektroden 3 und 3' durch chemische Ablagerung auf den entsprechenden Elektroden 2 bzw. 2' aufgebracht.

Ein erfindungsgemäßes Resonatorelement nach F i g. 1 mit einem keramischen Material der Scheibe einer Zusammensetzung von 99 Gewichtsprozent Pb (Mg_l/S, Nb_2/3)₀,₄₃₇₅ Ti_0j4375 Zr_0il2S + 1 Gewichtsprozent MnO₂ wies einen elektromechanischen radialen Kopplungskoeffizienten von 38 % und eine Frequenzkonstante von 2490 kHz-mm in radialer Richtung auf. F i g. 2 zeigt Frequenzspektren der Eigenschwingung von piezoelektrischen keramischen Resonatorelementen verschiedener Durchmesser D/Dicke-J"-Verhältnisse unter Verwendung eines an die Elektroden 3 und 3' angelegten elektrischen Wechselfeldes. In F i g. 2 ist das Produkt aus Frequenz/ (kHz) der Eigenschwingung mal Dicke T (mm) des Scheibenresonatorelements, / · T, als eine Funktion von DjT aufgezeichnet. Von R. D. M i η d 1 i η aufgestellte Berechnungswerte (Journal of Applied Physics, Bd. 25, 1954, S. 1329 bis 1332) sind in F i g. 2 durch ausgezogene Linien dargestellt, wobei Biegeschwingungen als stark abfallende Linien und Dickenscherschwingungen als leicht abfallende Linien erscheinen. Mit ο bezeichnete Punkte stellen eine Gruppe von Dickenscherschwingungen und mit ° bezeichnete Punkte eine Gruppe von Biegeschwingungen dar. Im Bereich des Übergangs von Biege- zu Dickenscherschwingungen entlang den durchgehenden Linien erscheinen viele irreguläre Subresonanzschwingungen, die nicht den durchgehenden Linien entsprechen.

F i g. 3 und 4 zeigen Meßwerte für die Impedanz des erfindungsgemäßen Resonatorelements bei verschiedenen Frequenzen. Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) stellen die Impedanzen von piezoelektrischen keramischen Resonatorelementen von 0,254mm Dicke und einem Z)/T-Verhältnis von 11,0, 10,0 bzw. 9,3 dar. Ein Vergleich der F i g. 2 und 3 zeigt, daß in dem Bereich des Übergangs der Biege- zur Dickenscherschwingung, beispielsweise bei einem Durchmesser-Dicke-Verhältnis DjT = 10,0 (Fig. 4 b), viele Subresonanzschwingungen vorhanden sind. Im Gegensatz dazu sind die Subresonanzschwingungen in den Bereichen der Dickenscherschwingung bei einem Verhältnis DjT = 11,0 und DjT = 9,3 (Fig. 3a, 3c) nicht vorhanden. Die Dickenscherschwingung in diesem Bereich wird nur vergrößert und ergibt eine einzige Resonanzcharakteristik, wobei die Resonanzimpedanz der Dickenscherschwingung um 20 db oder mehr verringert ist.

Jede Veränderung der physikalischen Konstanten, z. B. der Poisschonschen Zahl, des Youngschen Moduls, des Scherungsmoduls usw., bringt eine Veränderung des Wertes der durch durchgehende Linien in F i g. 2 dargestellten Kurven. Die gewünschten Charakteristiken nach Fig. 3a oder 3c können jedoch bei geeignetem DjT-Verhältnis in einem Bereich der Dickenscherschwingung erzielt werden. Beispielsweise kann die Dickenscherschwingung bei DjT — 10,2 und DjT = 12,6 mit einem reinen piezoelektrischen Bariumtitanat-Keramikmaterial von 0,3 mm Dicke erzielt werden. F i g. 4 zeigt die Charakteristiken einer piezoelektrischen Keramikscheibe aus reinem Bariumtitanat bei DjT = 10,2. Die in den Fig. 3a, 3c oder 4 dargestellten Ausgangswerte sind im Minimum sehr niedrig, nämlich in der Größenordnung von 0,5 bis 2 Ohm.

Die piezoelektrische Keramikscheibe 1, etwa von 0,1 bis 1 mm Dicke, muß in einem DjT-Verhältnis von 7 bis 15 vorgesehen sein und im Dickenscherschwingungsmodus schwingen, um die Resonanzimpedanz der Grund-Dickenscherschwingung um 20 db kleiner als andere Resonanzimpedanzen zu machen. Bei einem unter 7 liegenden D/T-Wert tritt die Biegeschwingung verstärkt auf, und es ist dann schwierig, einen Unterschied von mehr als 20 db zwischen der Resonanzimpedanz der Dickenscherschwingung und anderen Resonanzimpedanzen zu erzielen. Andererseits treten bei einem über 15 liegenden D/T-Wert unharmonische Oberschwingungen der Dickenscherschwingung in der Nähe der Grund-Dickenscherschwingung hervor. Die durch die verstärkten unharmonischen Oberschwingungen verursachte verstärkte Kopplung macht es schwierig, die Subresonanzschwingungen auszuschalten und einen Unterschied von mehr als 20 db zwischen der Resonanzimpedanz der Dickenscherschwingung und den Subresonanzimpedanzen zu erzielen.

Im allgemeinen wird eine Anzahl von Subresonanzschwingungen, die nahe der Resonanzfrequenz der Grund-Dickenscherschwingung liegen, mit der Vergrößerung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten erhöht. Um ein Resonatorelement mit optimalen Charakteristiken zu erhalten, sollte das piezoelektrische Keramikmaterial einen mechanischen Qualitätsfaktor Q von wenigstens mehr als 300 aufweisen. Im Höchstfrequenzbereich, etwa über 1 MHz, können jedoch Subresonanzen und parasitäre Schwingungen noch von Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Scheibe 1 herrühren. Gemäß der Erfindung bedeckt die Elektrode 2 bzw. 2' die innere Oberfläche der Poren an der Oberfläche, so daß keine Einschlüsse, Unterbrechungen od. dgl. zu solchen störenden Schwingungen führen können. Die Elektroden 2 und 2' bestehen aus stromlos aufgebrachtem Kupfer, da bei einer derartigen Plattierung die Arbeitstemperatur ausreichend niedrig bleibt, um die piezoelektrische Polarisation der Scheibe 1 nicht zu zerstören.

Das Resonatorelement ist demnach in folgender Weise herstellbar: Aus einheitlichem und gleichgerichtet polarisiertem piezoelektrischem Keramikmaterial wird mit einem Diamantschneider eine Platte geschnitten, deren Hauptflächen parallel zur Polarisationsrichtung verlaufen. Um eine genaue Parallelität der Hauptflächen zu erhalten, werden die geschnittenen Flächen poliert. Das geschnittene Stück wird dann auf den Hauptflächen stromlos verkupfert, in dem in bekannter Weise Kupfer durch ein chemisches Reduktionsverfahren ausgefüllt wird. Dann wird das mit den Kupferelektroden versehene Stück in eine wäßrige Lösung von Ionen eines Metalls, das edler ist als Kupfer, beispielsweise Goldoder Silberionen, eingetaucht. Die Oberflächenschichten der Kupferelektrode werden — beispielsweise durch Silber —· abgedeckt. Nach diesem Arbeitsgang wird das Stück zur kreisförmigen Scheibe 1 mit

dem DurchmesserD (Fig. 1) unter Verwendung einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung geformt. Es ist keinesfalls zu befürchten, daß die Polarisation während der obigen Verfahren verschwindet, da das Stück immer in einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 6O⁰C gehalten wird.

Die so geschaffenen Elektroden werden mit einer Salpetersäurelösung leicht korrodiert. Sie können auch wie folgt hergestellt werden. Eine Scheibe mit dem Durchmesser D und der Dicke T wird aus einem vorpolarisierten piezoelektrischen Keramikmaterial wie beschrieben geschnitten und bearbeitet, woraufhin die Metallschicht auf die gesamten Scheibenoberflächen aufgebracht wird. Die stromlos metallisierte Oberfläche wird an den als Elektroden vorgesehenen Flächenteilen mit einem durch Salpetersäure nicht angreifbaren Harz überzogen, und das Stück wird in eine Salpetersäurelösung getaucht, um die überflüssigen Metallteile bei Raumtemperatur ohne Veränderung der Abmessungen des Stücks zu entfernen. Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung der Elektroden ist außerordentlich vorteilhaft bei genauer Einhaltung einer Elektrodendicke von weniger als 1 Mikron. Die Elektroden sind aus feinen Belagteilchen zusammengesetzt und sind auf Grund der noch aufgebrachten edleren Elektrodenschichten 3, 3' zusätzlich zu ihrer bemerkenswert guten Lötbarkeit in gewöhnlicher Atmosphäre stabil.

Die durch das stromlose Verkupfern abgelagerten Kupferteilchen weisen einen Durchmesser von weniger als 1 Mikron auf, während im allgemeinen die Poren auf den polierten Oberflächen der piezoelektrischen Keramikscheibe 1 einen Durchmesser von mehr als einigen Mikron aufweisen. Deshalb werden die polierten Oberflächen der Scheibe einschließlich der Poren durch die stromlose Verkupferung mit einer zusammenhängenden Kupferschicht fest abgedeckt. Dementsprechend werden schädliche irreguläre Subresonanzschwingungen wirksam unterdrückt, während andererseits die in den Oberflächen des piezoelektrisehen Keramikmaterials vorhandenen Unregelmäßigkeiten, wenn sie nicht fest von den Kupferelektroden ausgekleidet sind, zu solchen irregulären Subresonanzschwingungen führen.

Ein genaues Einstellen der gewünschten Charakteristiken auf Grund des Durchmesser-Dicke-Verhältnisses DjT kann dann noch durch Polieren der Umfangsfläche des Scheibenelements bei Drehen des Elements um seine Achse leicht erreicht werden.

F i g. 5 zeigt eine Ersatzschaltung des Dickenscher-Resonatorelements. Hierbei bezeichnet C₁₁ die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden. Lt, Ct bzw. Rt bezeichnen eine äquivalente Masse, äquivalente Steifigkeit bzw. einen äquivalenten Verlust der Dickenscherschwingung, während L₁, L₂, L₃, ..., C₁, C₂, C₃ ... bzw. R₁, R_z, R₃ ... äquivalente Massen äquivalente Steifigkeiten bzw. äquivalente Verluste der Biege- oder Kopplungsschwingungen bezeichnen. Die Impedanz zwischen den Klemmen des Resonatorelements ist gewöhnlich von einer Größenordnung von mehreren 10 Ohm bis mehreren 100 Ohm. Die Resonanzimpedanz Rt der Grund-Dickenscherschwingung kann niedriger als 1 Ohm sein. Durch Bemessen des Durchmessers des Resonatorelements in vorstehend beschriebener Weise ist es möglich, die Resonanzimpedanz der vorhandenen unerwünschten Schwingungen oder eine elektrostatische Kapazitanzimpedanz der Elektroden auf einen Wert von mehr als mehreren 10 Ohm bei Frequenzen zu bringen, die unter der Dickenscher-Resonanzfrequenz liegen.

Beispielsweise wurde ein piezoelektrisches Material einer Zusammensetzung von 99 Gewichtsprozent Pb (Mg_l/8, Nb_2/3) 0,4375 Ti₀₁₄₃₇₅ Zr_0>125 O₃ + 1 Gewichtsprozent MnO₂ zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Resonatorelements mit einem Durchmesser von 2,8 mm und einer Dicke von 0,253 mm verwendet. Dieses Resonatorelement wurde in einer Schaltung zum Filtern einer Zwischenfrequenz von 4,5 MHz verwendet. Das Resonatorelement zeigte ausgezeichnete Sperrkreischarakteristiken, wie in F i g. 6 veranschaulicht ist.

Claims

Patentanspruch:

Piezoelektrisch zu Dickenscherschwingungen anregbares Resonatorelement für hohe Frequenzen von vorzugsweise über 1 MHz, das aus keramischem Material besteht und die Form einer Kreisscheibe hat, deren parallele Hauptflächen mit Elektrodenschichten bedeckt sind, und die parallel zu diesen Hauptflächen in einer Richtung vorpolarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers zur Dicke der Scheibe 7 bis 15 beträgt und daß die Elektrodenbeschichtung ganzflächig ist und jeweils aus einer zunächst aufgebrachten Kupferschicht und einer darauf aufgebrachten Schicht aus einem demgegenüber edleren Material, vorzugsweise Silber oder Gold, besteht und so aufgebracht ist, daß einerseits Poren in der Keramikoberfläche mit Kupfer ausgefüllt werden und andererseits die thermische Belastung unter dem Curie-Punkt bleibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen