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Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Vorrichtung,
bei welcher mindestens ein piezoelektrischer Kristall an zwei Seiten mit Elektroden
zum Abgreifen elektrischer Spannungspotentiale versehen ist.
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Es ist überflüssig, die Rolle piezoelektrischer Geräte in der modernen
Technik des längeren zu diskutieren. Quarzfilter und Resonatoren spielen seit Jahrzehnten
eine wichtige Rolle. In der Literatur finden sich zahlreiche Hinweise auf andere
piezoelektrische Elemente, die in piezoelektrischen Geräten wie Unterwasser-Schallgebern,
Ton-Geräten, Verzögerungs-Strecken, Meßwertwandlern und Ultraschallerzeugern und
-empfängern verwendet werden. Wahrscheinlich ist Quarz das bestbekannte piezoelektrische
Material. Seine Beliebtheit beruht zum großen Teil auf seiner physikalischen und
chemischen Beständigkeit. Es reagiert im allgemeinen nicht mit den Bestandteilen
der Atmosphäre, ist auch bei langem Gebrauch stabil und widersteht verhältnismäßig
hohen physikalischen Beanspruchungen. Die organischen Stoffe, von denen viele während
des zweiten Weltkriegs in Erwartung einer Quarzverknappung entwickelt wurden, besitzen
zwar zum Teil bemerkenswert größere Kopplungs-Koeffizienten, lösen sich aber in
Wasser, sind chemisch instabil und auch sonst für viele Zwecke ungeeignet, . für
die Quarz eingesetzt wird.
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Für manche Zwecke besteht ein Bedürfnis nach einem piezoelektrischen
Material, das einen höheren Kopplungs-Koeffizienten als Quarz besitzt und andererseits
die ausgezeichneten physikalischen und chemischen Eigenschaften dieses Materials
zeigt. In der Vergangenheit war es möglich, einige dieser Bedürfnisse mit hermetisch
eingeschlossenen organischen Kristallen zu befriedigen. Die Gehäuse wurden so gestaltet,
daß eine Umsetzung mit atmosphärischen Bestandteilen vermieden wird, jedoch mechanische
Kopplung gestattet ist, gewöhnlich mittels Gummi oder anderen nachgiebigen Umschließungsteilen.
Von den bisher bekannten Kristallen, die einen piezoelektrischen Effekt zeigen,
sind die meisten technisch nicht anwendbar, da ein großer Teil bereits wegen unzureichender
chemischer Beständigkeit von vornherein -ausscheidet. Andere Kristalle besitzen
einen zu geringen elektromechanischen Kopplungsfaktor und wieder andere einen zu
hohen Temperatur-Koeffizienten. In den meisten Fällen war es daher notwendig, weiterhin
Quarz trotz seiner unzureichenden Energieumwandlung zu verwenden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische
Vorrichtung zu schaffen, die gegen chemische und atmosphärische Einwirkungen ohne
besondere Abschirmungen weitgehend beständig ist und die insbesondere auch hohen
Temperaturen widerstehen kann. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der genannten
Art erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Einkristalls aus Aluminiumnitrid
gelöst.
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Dieses Material reagiert nicht in trockener Atmosphäre und ist auch
sonst von bekannter chemischer und physikalischer Beständigkeit. Seine maximale
elektromechanische Kopplungs-Konstante liegt über 0,2 und liegt günstig im-Vergleich
zum maximalen Koeffizienten von 0,095 für geschnittenen Quarz.
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Andere Eigenschaften, die für piezoelektrische Geräte von Bedeutung
sind, liegen günstig und werden hier beschrieben. Aluminiumnitrid, das nach irgendeinem
der angegebenen Züchtungsverfahren hergestellt wird (beispielsweise Wärmebehandlung
von Aluminiumnitrid-Pulver in. Stickstoff-Atmosphäre bei hoher Temperatur oder Erhitzen
von metallischem Aluminium-Pulver in Stickstoff-Atmosphäre auf genügend hohe Temperatur),
ist eine Verbindung mit ausgezeichnet isolierenden Eigenschaften und wurde als Stoff
betrachtet, der möglicherweise Bedeutung als feuerfestes Material hat. Dies gab
Veranlassung zur Untersuchung verschiedener Eigenschaften, die für diesen Zweck
von Interesse sind, beispielsweise der elektrischen Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstanten.
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Für die Verwendung von Aluminiumnitrid ist wegen der aufgezählten
Eigenschaften eine große Klasse von Geräten geeignet. Bei der Besprechung solcher
Geräte werden die Zeichnungen herangezogen.
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F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines
Unterwasser-Schallgebers mit einem gestapelten Kristall aus Aluminiumnitrid als
aktives Element; F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines freitragend montierten,
biegsamen zweiteiligen Elements, das gleichfalls gemäß Erfindung Aluminiumnitrid
als piezoelektrisches Material verwendet; F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht
einer Ultraschall-Verzögerungsstrecke unter erfindungsgemäßer Verwendung von Elementen
aus Aluminiumnitrid. Bestimmung der elektrischen Eigenschaften Es wurden zwei Arten
von Messungen am Kristall durchgeführt. In der ersten wurde das Muster von zwei
parallelen, horizontalen Nylonfäden getragen und kapazitiv mit einer Vorrichtung
gekoppelt, die zusätzlich aus einem Hochfrequenz-Signalgenerator und -einem Oszillographen
bestand. Die kapazitive Kopplung wurde mit Hilfe abgeschirmter Elektroden bewirkt.
Die Elektroden bestanden aus koaxialen Standard-Klemmen, wobei der Leiter an jedem
Ende durch eine an den äußeren Leiter angelötete Unterlegscheibe abgeschirmt wurde.
Der innere Leiter einer solchen Klemme wurde an den Generator gelegt, der andere
an den Oszillographen und die äußeren Leiter geerdet ebenso wie die zweiten Zuführungen
vom Generator zum Oszillographen.
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Während dieser Messung wurde die abgegebene Frequenz des Generators
allmählich in einem Bereich von 100 Kilohertz auf 10 Megahertz vergrößert; und entsprechende
Impulse am Oszillographen wurden beobachtet. Unterhalb der Resonanz wirkte der Kristall
als einfaches, dielektrisches Material, und am Ausgang wurde keine Änderung beobachtet.
Für diesen Kristall wurden Resonanzspitzen bei Frequenzen von 1.758 kHz und ganzen
Vielfachen dieser Frequenz beobachtet. Die erste Spitze stellt die Resonanz der
Grundwellenlänge für diesen Kristall dar. Aus der Gleichung v = 2fL worin
v = Geschwindigkeit in cm/sec, f = Frequenz in Hertz, L = Kristallänge in cm bedeutet,
wurde die Schallgeschwindigkeit zu 10,4 # 105 cm/sec berechnet.
Der
piezoelektrische Kopplungs-Koeffizient wurde aus diesen Messungen nach der Resonanz-Antiresonanz-Methode
berechnet (vgl. W. P. M a s o n, »Piezoelektrische Kristalle und ihre Anwendung
auf Ultraschall«, Kapitel s, D. van Nostrand Company Incorporated, 1950). Da hier
ein merklich überlagerndes Feld vorhanden war, ist der so erhaltene Wert als zuverlässig
zu betrachten.
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Die Messung war hauptsächlich für die Bestimmung von Wert, daß der
Kristall Resonanz zeigt, d. h., daß er piezoelektrisch ist und daß er als Grundlage
zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in diesem Material dient. Der tatsächliche
Kopplungs-Koeffizient wurde genauer auf Basis einer direkten Messung der Piezoelektrizitäts-Konstante
d33 bestimmt.
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Direkte Messung der piezoelektrischen Konstante Der zu messende Kristall
wurde in eine Apparatur zwischen eine justierbare untere und eine bewegliche obere
Elektrode gesetzt. Die obere Elektrode wurde am Ende einer Blattfeder aus Phosphorbronze
befestigt und elektrisch geerdet. Die untere Elektrode wurde so justiert, daß der
Kristall die obere Elektrode berührte. Die übrige Apparatur bestand in einer Vorrichtung
zum Anlegen einer berechenbaren Kraft auf das obere Ende des Kristalls, einem Luftkondensator
bekannter Kapazität zur Verringerung der Abklingzeit und einem Vibrationselektrometer
zur Messung der erzeugten Spannung. Ein Anschluß jedes dieser drei Elemente wurde
geerdet. Die anderen Anschlüsse wurden elektrisch verbunden, so daß Kristall, Luftkondensator
und Elektroskop elektrisch parallel geschaltet waren. Die Wirkung des Anlegens einer
Kraft an den Kristall sollte die Ladung am Kondensator dank des piezoelektrischen
Effekts ändern, welcher durch die Änderung der vom Elektrometer gemessenen Spannung
bestimmt werden konnte.
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Zwei Vorsichtsmaßnahmen wurden getroffen, um apparaturbedingte Fehler
zu vermeiden. Es wurden verschiedene Gewichte aufgelegt und Ablesungen vorgenommen,
um Fehler dank der Federspannung auszugleichen. Die piezoelektrischen Konstanten,
die auf der Basis der so entwickelten gemessenen elektrischen Felder bestimmt wurden,
zeigten einen maximalen Fehler von 5,1/o. Als Basis für die Bestimmung der in den
Schaltkreis eingebrachten Streukapazität wurde der Wert des Luftkondensators in
einem breiten Bereich von 200 bis 1600 pF geändert. Es ; wurde festgestellt, daß
die durch diese Streukapazität verursachten Fehler innerhalb des Versuchsfehlers
lagen und vernachlässigt werden konnten. Auf Basis dieser Messung wurde die Piezoelektrizitäts-Konstante
d33 zu 1,5. 10-7 stat. Coulomb/dyn bestimmt.
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Das gesamte hexagonale Wurtzit System ist durch drei Tensor-Komponenten
bestimmt. Außer d.. sind dies d31 und d15. Für dieses System ist die d13-Komponente
größer als eine der anderen. Dank dieser Tatsache werden viele Geräte so entworfen,
daß man den in dieser Richtung gemessenen Koeffizienten vorteilhaft wahrnimmt. Für
bestimmte andere Zwecke jedoch, wo beispielsweise Schubbeanspruchung erwünscht ist
oder wo man komplizierte Kristallschnitte benötigt, um Temperaturänderungen zu kompensieren,
kann auch jede der anderen Komponenten verwendet werden. Auf Grund von Untersuchungen
in diesen und in anderen Systemen kann man das Verhältnis von d31 und d15 zu d33
von der Größenordnung -0,4 - d33 und -0,8 - d33 schätzen, so daß angenäherte Werte
für d31 und dis zu -0,6-10-7 stat. Coulomb/dyn und -1,2.10-7 stat. Coulomb/ dyn
angezeigt werden.
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Die Bestimmung des Wertes für den Kopplungs-Koeffizienten k erforderte
die Messung bestimmter anderer Eigenschaften. Von diesen Eigenschaften wurde festgestellt,
daß sie im allgemeinen einen hohen Wert für k begünstigen. Dementsprechend wurde
der Elastizitätsmodul für Beanspruchung in der 3-Richtung (S33) zu 2,8 - 10-13 cm2/dyn
gefunden. Die Dielektrizitäts-Konstante für gleichbleibende Beanspruchung (aS) war
zu etwa 8,5 bekannt.
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Auf Grund der oben angeführten Messung hat die Kopplungs-Konstante
k den Wert 0,2.
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Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Aluminiumnitrids
sind bekannt. Im allgemeinen reagiert dieses Material nicht mit den gewöhnlichen
Bestandteilen der Atmosphäre und kann Temperaturen bis zu etwa 1800° C widerstehen.
Auf Grund der dargelegten Eigenschaften eignet sich Aluminiumnitrid als piezoelektrisches
Material für eine Vielzahl von Geräten. Drei derartige Geräte sind in den Zeichnungen
schematisch dargestellt. Alle drei Geräte haben Standard-Ausführung und sind an
anderer Stelle beschrieben (s. »Piezotronische technische Werte«; veröffentlicht
von der Brash Elektronics Company, 1953, S. 5 [F i g. 1] und S. 8 [F i g. 2]).
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F i g. 1 zeigt einen typischen Unterwasser-Schallgeber, der einen
Stapel 2 dünner, parallel miteinander verbundener Aluminiumnitrid-Platten 3 verwendet.
Der Zweck der gestapelten Ausführung, die durch zwischengeschobene, nicht mitabgebildete
Elektrodenfolien 6 und 7 parallel miteinander verbunden sind, liegt in einer höheren
Kapazität oder geringeren Impedanz, die mit einem einzelnen dicken Kristallblock
gegebener Dimension nicht erreichbar ist. Die Hülle 4 des Gehäuses 1 besteht aus
Gummi oder anderem nachgiebigem Material, das so angeordnet ist, daß es unter dem
Einfluß eines angelegten hydrostatischen Drucks nachgibt. Die Kupplung mit dem Kristallstapel
2 erfolgt durch Öl oder ein anderes flüssiges Medium 5, welches den gesamten Zwischenraum
zwischen Stapel t und Hülle 4 anfüllt. Alle Platten 3 sind in der gleichen Art orientiert,
nämlich mit der C-Achse oder 3-Richtung senkrecht zu ihren großen Flächen, die waagerecht
angeordnet sind. Der Kontakt erfolgt durch Elektroden, die so angeordnet sind, daß
sie ein gleichfalls in der C-Richtung liegendes Feld aufnehmen oder erregen. Das
abgebildete Gerät verwendet also die d33-Piezoelektrizitäts-Konstante.
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Der Unterwasser-Schallgeber nach F i g. 1 ist sowohl als Sender wie
als Empfänger brauchbar. Als Sender wird ein Feld am Kristallstapel mittels der
Elektroden angelegt und die so hervorgerufene physikalische Schwingung durch das
Ölmedium 5 und die Gummihülle 4 auf das umgebende Medium übertragen.
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In F i g. 2 wird ein freitragend montiertes, biegsames, zweiteiliges
Element gezeigt, wie es als Tonabnehmer mit Aufnahmekristall Verwendung finden kann.
Das gezeigte Element besteht aus den Aluminiumnitrid-Platten 10 und 11, die beide
mit in Längsrichtung liegender C-Achse, aber in entgegengesetzter Richtung aneeordnet
sind, so daß Druck auf Element 10 und Zug an Element 11 ein elektrisches
Feld
gegebener Richtung ergibt. Die Platten 10 und 11 sind zwischen Weichgummi- oder
Kunststoffkissen 12 und 13 fest eingespannt. Eine Kraftanwendung an Punkt 14, die
etwa aus der Vorwärts-und Rückwärtsbewegung eines Stiftes in der Tonspur einer sich
drehenden Schallplatte hervorgerufen werden kann, bewirkt eine Wechselspannung zwischen
den Elektroden 15 und 16.
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Das Gerät nach F i g. 3- ist eine Ultraschall-Verzögerungsstrecke.
Das Gerät besteht aus den Elementen 22 und 24 aus Aluminiumnitrid.
Jedes der Elemente 22 und 24 hat niedergeschlagene oder anderweitig
befestigte Elektroden auf den flachen Flächen, wobei die besagten Elektroden ihrerseits
elektrisch mit den Drahtzuführungen 22 und 23 für Element 20 und 24 und 25 für Element
21 verbunden sind: Diese Elemente 20 und 21 sind an das Quarzglas-Verzögerungselement
26 angekittet, welches zur Übertragung physikalischer Schwingungen von einem piezoelektrischen
Element zum anderen dient. Im Betrieb ergibt ein an den Zuführungen 22 und 23 des
Elements 20 ankommendes Signal ein Feld an diesem Element und ruft so eine
Schwingung im Kristall hervor. Diese Schwingung wird mit einer dem Signal entsprechenden
Frequenz durch das Verzögerungselement 26 übermittelt-und ergibt schließlich eine
gleiche Schwingung im piezoelektrischen Element 21. Das an den Drahtzuführungen
24 und 25 entstehende Signal ist von der gleichen Frequenz wie das an den Zuführungen
22 und 23 eingeleitete. Eine typische Vorrichtung dieser Klasse kann eine Länge
von 13 cm und einen Querschnitt von 2 cm je Seite haben..
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Die Erfindung ist an Hand einer begrenzten Zahl beispielhafter Ausführungsformen
beschrieben worden. Aus den dargelegten Materialeigenschaften ist ersichtlich; daß
diese Ausführungsfbrmen in keiner Weise eine erschöpfende Aufzählung darstellen.
Im allgemeinen wird gemäß Erfindung das piezoelektrische Material für alle bekannten
piezoelektrischen Geräte als brauchbar betrachtet, vorausgesetzt, daß diese Geräteausbildung
wenigstens eine, von Null verschiedene piezoelektrische- Tensor-Komponente verwendet,
d. h. d33, d31, d32, d15 und d24. Wie bekannt ist, können. geschnittene Kristalle
mit Vorteil eine oder mehrere dieser Tensor-Komponenten in Kombination verwenden,
beispielsweise zum Zweck einer Herabsetzung des piezoelektrischen Temperatur-Koeffizienten.