DE1541523B1

DE1541523B1 - Piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1541523B1
Application number: DE19661541523
Authority: DE
Inventors: Morimasa Nagao; Naotaka Sakakibara
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1965-12-21
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1970-07-09
Also published as: US3469120A; GB1174909A

Description

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Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches elektro- 1. Die Oberfläche der Auflageelektrode ist rauh und akustisches Wandlerelement mit einem mindestens ungleichförmig gewölbt. Dadurch liegen solche

eine ebene Oberfläche aufweisenden akustischen Be- Kristallachsen auf dieser Oberfläche frei, die nor-

lastungskörper mit einer darauf befindlichen metal- malerweise nicht erscheinen, wenn die Elektrode

lischen Auflageelektrode, mit einer dieselbe bedecken- 5 mit senkrechter Einfallsrichtung aufgedampft wird, den Wandlerschicht aus piezoelektrischen Mikro- _Λ . . . ,,·,,-, ~

kristallen und mit einer zweiten Metallelektrode, wo ²· Die Mikroknstalle eines piezoelektrischen Stoffes jeweils mindestens eine Kristallhauptachse aller Mikro- ^des hexagonalen Systems, z. B. ZnO CdS, haben

kristalle der Wandlerschicht unter einem beliebig vor- ^lhre ^-Achsen m einer geneigten Richtung hegen,

gegebenen Winkel gegenüber der Normalen der Ober- ίο ™&8& ^{dle anderen ema}?^der entsprechenden fläche eeneiet ist Kristallachsen nicht notwendigerweise zueinander

Es hlndelt sich beim Gegenstand der Erfindung um P^aralJ^{el si}"^d- Y^en".^di? Mikrokristalle dem tetraein Wandlerelement, dessen Grundresonanzfrequenz gonalen oder rhombischen System angehören, wei-

zwischen 50 und 2 000 MHz liegt. ^sen J^ewei!^s Knstallachsen einer Orientierung m

Für ein piezoelektrisches elektroakustisches Wand- 15 ^eme &nn& Achtung und die übrigen einander lerelement, dessen Ultraschallgrundfrequenz im Hoch- entsprechenden Knstallachsen sind zueinander

frequenzgebiet liegt, muß der eigentliche Wandler- parallel.

körper sehr dünn sein. Deshalb wird ein solcher piezo- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

elektrischer Körper normalerweise durch epitaxiales folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Wachstum oder durch Vakuumaufdampfung herge- 20 Zeichnung erläutert, die einen Längsschnitt durch ein stellt. Wenn man zu der Epitaxialtechnik greift, muß piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement man sowohl die Auflageelektrode als auch den piezo- nach der Erfindung zeigt.

elektrischen Stoff so auswählen, daß beide Stoffe gleich- Nach der Zeichnung umfaßt ein piezoelektrisches {

artige Kristallstruktur und gleichartige Gitterkon- elektroakustisches Wandlerelement 10 einen akustistanten aufweisen. Außerdem muß man die Ausrich- 25 sehen Belastungskörper 11, eine Auflageelektrode 13 tung der Kristallachsen des piezoelektrischen Stoffes auf einer Oberfläche 12 des Belastungskörpers, eine so festlegen, daß der entstehende piezoelektrische Kör- piezoelektrische Wandlerschicht 14, die auf der Elekper in dem gewünschten Schwingungsmodus schwingt. trode durch Vakuumaufdampfung gebildet ist, und Die Einschränkungen hinsichtlich der Auflageelek- eine der Elektrode 13 gegenüberstehende Gegenelektrode sind so einschneidend, daß dieselbe häufig als 30 trode 15. Die Elektroden 13 und 15 sind jeweils über akustische Belastung ungeeignet ist. Außerdem führt Kontaktbeläge 16 und 17 mit Anschlußleitern 18 und die dann zusätzlich erforderliche akustische Belastung 18' verbunden, die an eine Wechselspannungsquelle 19 normalerweise zu einer Vergrößerung der Wandlerver- angeschlossen sind. In dieser Ausführungsform des luste, wodurch der Wirkungsgrad des Wandlers herab- Wandlerelementes nach der Erfindung bestehen der gesetzt wird. Bei Anwendung der Vakuumaufdampf- 35 akustische Belastungskörper 11 aus geschmolzenem technik kann man ein Wandlerelement dadurch her- Quarz, die Auflageelektrode 13 aus Aluminium und stellen, daß man unmittelbar auf einer akustischen die Wandlerschicht 14 aus Cadmiumsulfid. Die Gegen-Belastung eine Leiterschicht bildet und darauf eine elektrode 15 ist ein dünner Aufdampfungsbelag aus piezoelektrische Schicht anordnet. Gold in einer entsprechenden Dicke. Die Wandler-

Aus der belgischen Patentschrift 654 914 ist ein 40 schicht 14 aus Cadmiumsulfid besteht aus Mikrokripiezoelektrischer Wandler bekannt, bei dem die Mikro- stallen des hexagonalen Kristallsystems, kristalle der Wandlerschicht gegenüber der Erstrek- Wenn die Aufdampfung des Cadmiumsulfids in be-

kungsrichtung der Auflageelektrode und damit gegen- kannter Weise in einer Richtung 21 unter einem Winüber der diese tragenden Belastungskörper-Oberfläche kel α gegenüber der Normalen 20 der Oberfläche 12 ( geneigt ausgerichtet sind. Diese Neigung hängt von 45 erfolgt, stellen sich die C-Achsen der Cadmiumsulfiddem Werkstoff der Auflageelektrode ab. Durch die mikrokristalle der Wandlerschicht 14 geneigt zur Nor-Neigung der Mikrokristalle in der Wandlerschicht läßt malen 20 ein. Untersuchungen haben ergeben, daß sich der Ausbreitungsmodus der Ultraschallwellen be- die Richtung der C-Achsen der Mikrokristalle von der einflussen. Vor allem stellt sich bei einer bestimmten Richtung der Normalen 20 innerhalb eines bestimm-Neigung eine Komponente des Schermodus ein. Aller- 5° ten Streubereichs abweichen, so daß die parallelen Gedings zeigt die Ausrichtung der Mikrokristalle der raden zur Normalen 20 nicht unbedingt den gleichen Wandlerschicht eine Streuung, so daß nur ein begrenzter oder den äquivalenten Satz von Millerindizies haben. Wirkungsgrad für den Schermodus erzielbar ist. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verfahren die Herstel-

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines lung eines elektroakustischen Wandlerelements er-Wandlerelements der genannten Art mit hohem Wir- 55. möglicht, das in gewissem Grade im Schermodus kungsgrad für die Erzeugung des Schermodus. schwingen kann, es ist jedoch schwierig, einen aus-

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch ge- reichend hohen Wirkungsgrad für den Schermodus zu löst, daß auch die Mikrokristalle der Auflageelektrode erzielen.

geneigt gegenüber der Oberfläche ausgerichtet sind. Demgegenüber sieht die Erfindung vor, daß nicht

Die geneigte Ausrichtung der Mikrokristalle der 60 nur die Cadmiumsulfidschicht, sondern auch die Alu-Auflageelektrode bedingt bereits eine Orientierung der miniumelektrode 13 in geneigter Richtung aufge-Wachstumsfläche für die Kristalle der Wandlerschicht. dampft wird. Wenn Aluminium in geneigter Rich-Dadurch erreicht man eine Ausrichtung der Mikro- tung 22 unter einem Winkel b gegenüber der Normakristalle der Wandlerschicht in zwei Achsrichtungen. len 20 und darauf auch Cadmiumsulfid in der bereits Dies bedingt eine erhebliche Verbesserung des Wir- 65 genannten geneigten Richtung aufgedampft wird, läßt kungsgrades bei der Erzeugung des Schermodus. sich bestätigen, daß bei nahezu allen Cadmiumsulfid-

Im einzelnen ergeben sich folgende Vorteile der Aus- mikrokristallen der Wandlerschicht 14 die jeweilige richtung der Mikrokristalle: C-Achse in eine feste Richtung unter einem vorgege-

benen Winkel gegenüber der Normalen 20 weist und Quarz an einem Ende und der Schwefel am anderen daß eine Gerade parallel zur Normalen 20 einen vor- Ende des Gefäßes befindet. Das Gefäß wird in einen gegebenen oder einen äquivalenten Satz von Miller- Zweistufenofen eingestellt, womit der Quarz auf einer indizies besitzt. Es ist anzunehmen, daß die Aluminium- Temperatur zwischen 200 und 450° C und der Schwefel elektrode, die durch Vakuumaufdampfung in geneigter 5 auf einer niedrigeren Temperatur zwischen 20 und Richtung gebildet ist und die geneigten Kristallachsen 100° C gehalten werden kann. Auf diese Weise wird die sowie eine rauhe und wellenförmige Oberfläche auf- Wandlerschicht 14 in einer Schwefelatmosphäre weist, eine Ausrichtung aller C-Achsen der Cadmium- wärmebehandelt. Bei einer dickeren Wandlerschicht 14 sulfidmikrokristalle in ein und derselben Richtung be- muß man die Wärmebehandlung bei höherer Tempedingt. Die Cadmiumsulfidschicht 14 ist dadurch für io ratur während einer längeren Zeitdauer durchführen, elektroakustische Wandlerelemente mit hohem Wir- Temperaturen oberhalb 450° C sind ungünstig, da sich kungsgrad zur Erzeugung von Schwerschwingungen eine Reaktion zwischen den Schichten 13 und 14 ausgeeignet. Die durch Vakuumauf dampf ung in geeigneter bildet. Temperaturen unter 200° C ergeben ein sehr Richtung erhaltene Aluminiumschicht 13 enthält die schlechtes Endprodukt der Wärmebehandlung. In das (lll)-Achsen geneigt gegenüber der Normalen 20. 15 Gefäß muß man eine genügende Schwefelmenge ein-Diese Neigung der (lll)-Achsen der Aluminiumschicht geben, damit nicht der gesamte Schwefel während der 13 bildet vermutlich den Grund für die Ausrichtung der Wärmebehandlung verdampft. Nach Beendigung der Kristallachsen der Cadmiumsulfidschicht 14 in der ge- Wärmebehandlung ist der spezifische Widerstand der nannten Weise. Die Winkel α und b können nach Cadmiumsulfidschicht 10 ΜΩ cm. Auf die wärmebe-Wunsch zwischen 0 und 90° ausgewählt werden. Gros- 20 handelte Cadmiumsulfidschicht wird in üblicher Weise sere Werte für die Winkel α und b ergeben bessere Er- in Vakuum Gold aufgedampft, so daß man die Elek-

. gebnisse, doch wird die Herstellung der Schichten in trode 15 mit einer Mindestdicke von 3 000 Ä erhält.

ψ der erforderlichen Dicke unwirtschaftlich. Deshalb er- Das auf diese Weise hergestellte piezoelektrische weist sich ein Wert von etwa 60° für beide Winkel als elektroakustische Wandlerelement 10 erzeugt Scheroptimal. 25 schwingungen mit hohem Wirkungsgrad und zeigt bei Die Cadmiumsulfidschicht 14 muß nicht nur in der der Resonanzfrequenz einen Einfügungsverlust von beschriebenen Weise eine gerichtete Anordnung der weniger als 15 db. Obgleich auch Longitudinalschwin-Kristallachsen aufweisen, damit man den gewünschten gungen entstehen, spielt dieses keine Rolle, da die Ein-Schwingungsmodus erhält, sondern die Wandler- fügungsdämpfung für Longitudinalschwingungen um schicht 14 muß auch einen ausreichend hohen spezi- 30 mehr als 30 db größer als die Einfügungsdämpfung der fischen Widerstand besitzen, damit eine anliegende Scherschwingungen bei der Resonanzfrequenz der elektrische Spannung einen genügenden piezoelektri- Scherschwingungen ist.

sehen Effekt erzeugt. Die durch Vakuumaufdampfung Ein abgewandeltes Verfahren zur Herstellung eines

erzeugte Cadmiumsulfidschicht besitzt jedoch im all- elektroakustischen Wandlerelementes nach der Erfin-

gemeinen einen geringen spezifischen Widerstand. Zur 35 dung wird nunmehr dargestellt.

Vergrößerung des spezifischen Widerstandes führt man Auf eine Oberfläche der Größe 8 · 8 mm² eines Qua-

nach der Erfindung eine Wärmebehandlung der Cad- ders der Größe 8 · 8 mm³ aus erschmolzenem Quarz,

miumsulfidschicht in einer Schwefelatmosphäre durch. der als akustischer Belastungskörper 11 dient, wird in

Ein akustischer Belastungskörper 11 aus erschmölze- einem Vakuum von 10~⁵ Torr eine Aluminiumschicht

nem Quarz wird so aufgestellt, daß die Vakuumauf- 40 13 in einer Dicke von 3 500 Ä aufgedampft. Dar Win-

dampfung in Richtung 22, wobei der Winkel b bei 60° kel b wird auf 60° eingestellt. Dar geschmolzene Quarz

einen Optimalwert erreicht, erfolgen kann. Dann wird 11 mit der Schicht 13 wird nunmehr im Vakuum bei

Aluminium auf die Oberfläche 12 im Vakuum auf ge- 400° C während 15 Minuten entgast. Die Temperatur

dampft. In dieser Verfahrensstufe ist das Vakuum vor- des Quarzes wird dann auf 150° C abgesenkt, und eine

zugsweise kleiner als 10~⁵Torr, die Temperatur des 45 Cadmiumsulfidschicht wird in einem Vakuum von

geschmolzenen Quarzes liegt unter 100°C, und die weniger als 5-10~⁵Torr aufgedampft. D sr Winkele

Aluminiumschicht 13 ist dicker als 3000 Ä. Der Be- wird auf 60° eingestellt. Die Cadmiumsulfidquelle be-

lastungskörper 11 bleibt unter diesem Winkel aufge- steht aus einem Pulver, das unter einem Druck von

stellt, und nunmehr wird Cadmiumsulfid auf die Elek- 1 t/cm² und 2 t/cm² zu Pillen geformt ist. Die Masse

trodenschicht 13 in einem Vakuum aufgedampft, das 50 einer Pille beträgt 0,5 g. Sechs derartige Pillen werden

besser als 5 · 10~⁵ Torr ist. in ein Heizgefäß mit einer Wolframspirale eingelegt,

Während dieser Auf dampf stufe hält man den Quarz das mit Aluminium überzogen ist und im Durchmesser

auf einer Temperatur zwischen 120 und 300° C, da sich 2 cm und in der Tiefe 1 cm mißt sowie in einer Ent-

Cadmiumsulfid im allgemeinen nicht auf einem Körper fernung von 10 cm vor dem Quarz 11 aufgestellt wird,

niederschlägt, dessen Temperatur oberhalb 200° C 55 Die Temperatur des Heizgefäßes wird zur Verdampfung

liegt, und da Cadmiumsulfid auf der Aluminium- des Cadmiumsulfids auf 900° C erhöht. Nahezu alle

schicht 13 keine gute Haftverbindung ergibt, wenn die Mikrokristalle der Cadmiumsulfidschicht 14 liegen mit

Temperatur unter 120° C liegt. Damit die Arbeitsfre- ihren C-Achsen in einer Richtung unter etwa 32° gegen-

quenz des Wandlers in dem gewünschten Frequenzbe- über der Normalen 20 und die (103)-Achsen erstrecken

reich liegt, muß die Dicke der Wandlerschicht 14 60 sich parallel zur Normalen 20. Dsr Quarz 11 mit den

zwischen 0,5 und 18 μ liegen. Die Verdampfungsquelle Schichten 13 und 14 sowie 0,5 g Schwefel werden in ein

des Cadmiumsulfids wird auf einer Temperatur zwi- Vakuumgefäß aus Quarz dicht eingeschlossen und in

sehen 650 und 1 000° C gehalten, da die Verdampfung einem Zweistufenofen mit jeweiligen Temperaturen

von Cadmiumsulfid oberhalb 1000° C zu schnell und von 400 und 350° C etwa 5 Stunden lang behandelt,

unterhalb 650°C zu langsam ist. Dar Quarz 11 mit den 65 D arch diese Wärmebehandlung steigt der spezifische

Aufdampfungsschichten 13 und 14 wird nunmehr zu- Widerstand der Cadmiumsulfidschicht 14 auf über

sammen mit Schwefel in ein Vakuumgefäß aus Quarz 10 ΜΩ cm an. Nach der Wärmebehandlung wird bei

oder Hartglas dicht eingeschlossen, wobei sich der Zimmertemperatur eine Goldschicht in einer Dicke

von 3 000 Ä auf die Cadmiumsulfidschicht aufgedampft. Das auf diese Weise erhaltene Wandlerelement arbeitet im Schermodus und besitzt eine Resonanzfrequenz bei 130 MHz sowie eine Einfügungsdämpfung von 13 db.

Bei einem jeden der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde erschmolzener Quarz für den akustischen Belastungskörper 11 benutzt. Der Belastungskörper 11 kann jedoch auch aus einem anderen Stoff, z. B. Glas, Bergkristall, Rubin, Cadmiumsulfid od. dgl., bestehen, das der Temperatur der Wärmebehandlung standhält und nicht mit dem Stoff der Elektrode 13 reagiert. Die Elektrode 13 braucht auch nicht aus Aluminium zu bestehen, sie kann aus jedem anderen Metall hergestellt sein, das den akustischen Belastungskörper 11 fest mit der piezoelektrischen Wandlerschicht 14 bei allen Temperaturen bis zur Temperatur der Wärmebehandlung berbindet und nicht mit den anderen Stoffen reagiert. Die Elektrode 13 braucht auch nicht einschichtig zu sein, sondern sie kann aus ao mehreren Schichten aus verschiedenen Metallen aufgebaut sein. Man kann Gold oder ein anderes Metall für den Kontaktbelag 16 der Elektrode 13 benutzen, um die elektrische Verbindung zu verbessern. Die Wandlerschicht 14 kann auch aus einem anderen piezoelektrischen Stoff, z. B. Zinksulfid oder einer anderen II-VT-Verbindung bestehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement mit einem mindestens eine ebene Oberfläche aufweisenden akustischen Belastungskörper mit einer darauf befindlichen metallischen Auflageelektrode, mit einer dieselbe bedeckenden Wandlerschicht aus piezoelektrischen Mikrokristallen und mit einer zweiten Metallelektrode, wo jeweils mindestens eine Kristallhauptachse aller Mikrokristalle der Wandlerschicht unter einem beliebig vorgegebenen Winkel gegenüber der Normalen der Oberfläche geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Mikrokristalle der Auflageelektrode geneigt gegenüber der Oberfläche ausgerichtet sind.

2. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Kristallachsen der Mikrokristalle der Wandlerschicht jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Wandlerelements nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Auflageelektrode und die Wandlerschicht nacheinander auf die ebene Oberfläche des Belastungskörpers aufgedampft werden, die Wandlerschicht jedoch in geneigter Richtung gegenüber der Normalen der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Auflageelektrode in geneigter Richtung gegenüber der Normalen der Oberfläche aufgedampft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Aufdampfneigungswinkel von 60° gegenüber der Normalen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Wärmebehandlung der Wandlerschicht in einer Schwefelatmosphäre.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen