DE1806082B2 - Piezoelektrischer wandler - Google Patents

Piezoelektrischer wandler

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Description

30
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler mit einem polykristallinen keramischen Körper, der im wesentlichen aus Pb(MgIZjNb2H)JTIyZrZO3 besteht, worin χ = 0,125 bis 0,375, y = 0,375 bis 0,435 und ζ = 0,25 bis 0,44 ist und χ + y + ζ = 1 sind. Ein derartiger Wandler ist aus der DT-AS 16 46 675 bekanntgeworden. Dieser Wandler hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand, etwa in der Größenordnung eines Isolators. Verschiedene piezoelektrische keramische Elemente sind bekanntgeworden, so eine feste Lösung aus Bleititantat und Bleizirkonat mit einem Anteil von 10 bis 60 Molprozent Bleititanat (DT-AS 11 05 920), oder eine feste Lösung aus Bleitinat und Bleislonnat bzw. aus Bleititanat, Bleizirkonat und Bleistonnat, (die jeweils zusammen mindestens 95 Gewichtsprozent ausmachen (DT-AS 1116 742).
Für Filterkeramiken und piezoelektrische Filter wurde Bleizirkonat-Bleititanat mit geringen Zusätzen von Ceroxid, Siliziumoxid und Eisen- bzw. Nickeloxid zur Steigerung der Güte und der Stabilität der Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit modifiziert. Damit war allerdings die Senkung der Dielektrizitätskonstanten und des Kopplungsfaktors verbunden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen halbleitenden piezoelektrischen Wandler zu schaffen, der in einem weiten Bereich niedriger spezifischer Widerstände an einen bestimmten spezifischen Widerstand angepaßt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der keramische Körper 0,1 bis 0,5 Atom-% eines Oxids enthält, das aus der aus Lanthaniden, Bi und Sb bestehenden Gruppe ausgewählt ist und das einen äquivalenten Atom-Prozentsatz Pb ersetzt, daß der derart zusammengesetzte keramische Körper einen spezifischen Widerstand aufweist, der bei Raumtemperatur zwischen 103 und 107 Ohm-cm liegt, und daß zur Impedanzanpassung die Zusammensetzung des keramischen Körpers entsprechend dem angegebenen Bereich wählbar ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers nach der Erfindung bei dem die Zusammensetzung für den keramischen Körper bei einer Temperatur von 1150° bis 1350cC für eine Dauer von 10 Minuten bis 3 Stunden in einer Atmosphäre erhitzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als 0,2 Atmosphärendruck besitzt.
Dadurch, daß der piezoelektrische Wandler nach der Erfindung bei Zimmertemperatur spezifische Widerstände im Bereich von 103 bis 107 Ohm an aufweist, wird erreicht, daß eine Impedanzanpassung zwischen dem Wandler und dem Ausgang eines Sigiialerfassungskreises (der an den Wandler angeschlossen ist, um das Ausgangssignal des Wandlers zu empfangen) durchgeführt werden kann, indem man die Zusammensetzung des ksramischen Körpers innerhalb des für die Erfindung angegebenen Bereichs auswählt, wobei der Wandler selbst kleingehalten werden kann.
Anhand der Zeichnung, die eine Ausführungsform des Wandhrs zsigt, wird die Erfindung ausführlich beschrieben.
Die Figur zeigt einen piezoelektrischen Wandler 1, der einen vorzugsweise scheibenförmigen Körper 2 aus einem halbleitenden keramischen Material als aktives Element des Wandlers enthält.
Der Körper 2 ist in einer nachfolgend beschriebenen Weise elektrisch polarisiert worden und ist mit einem Paar Ohmscher Elektroden 3 und 4 ausgestattet, die in einer geeigneten und an sich üblichen Weise an zwei überliegenden Oberflächen des.Körpers 2 angebracht sind, Leitungsdrähte 6 und 7 sind an den Ohmschen Elektroden 3 und 4 mit Hilfe des Lötmittel 5 befestigt. Wenn der keramische Körper einem Stoß, einer Schwingung oder einer anderen mechanischen Beanspruchung unterworfen wird, kann die erzeugte elektrische Leistung den Leitungsdrähten 6 und 7 entnommen werden.
Ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Umwandlerelement enthält einen polykristallinen keramischen Körper, der im wesentlichen aus Pb(MgW3 Nb2z3).vTij,Zr/)3 und 0,1 bis 0,5 Atom-% Lanthaniden Wismut oder Antimon besteht, welche das Pb ersetzen, wobei
x = 0,125 bis 0,375
y = 0,375 bis 0,435
ζ = 0,25 bis 0,44 ist und
χ + y + ζ = 1 sind.
Die hier in Frage kommenden Lanthaniden sind aus der aus Gd, Sm, Nd, Ce und La bestehenden Gruppe ausgewählt.
Es ist gefunden worden, daß der polykristalline keramische Körper einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand von 103 bis 107 Ohm-cm bei Raumtemperatur (15 — 30°C) aufweist, wenn er bei einer Temperatur von 1150° bis 1350°C 10 Minuten bis 3 Stunden lang in einer Brennatmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von weniger als 0,2, vorzugsweise von weniger als 0,05 Atmosphärendruck, gebrannt wird. Die besten Ergebnisse können durch Anwendung einer Brennatmosphäre, die praktisch keinen Sauerstoffpartialdruck aufweist, erhalten werden.
Es wird eine Mischung von PbO, MgO, Nb2O5, TiO2, ZrO2 und einem Oxyd von den genannten Lanthaniden,
Bi oder Sb, hergestellt, die den Grundzusammensetzungen, die durch die chemische Formel nb(Mgi,j b/)
(0,125 <.(S 0,375, 0,375 < y < 0,435; χ + y + ζ = 1) wiedergegeben werden, entspricht. Die Anteile an den Zusätzen betragen 0,1 bis 0,5 Atom-%. Die genannte Mischung wird in einer Kugelmühle unter Verwendung einer angemessenen Menge Wasser nach für sich bekannten Methoden innig vermischt. Nach dem Vermischen und Trocknen wird die Mischung in die gewünschten Formen, z. B. zu Kügelchen von 50 mm Durchmesser und 30 mm Dicke, mit einem geeigneten Druck, z. B. mit 300 kg/cm2, gepreßt. Die zusammengepreßten Kügelchen werden bei einer geeigneten Temperatur, z.B. bei 8500C, 2 Stunden lang in Luft kalziniert. Die kalzinierten Kügelchen werden durch Vermählen in der Kugelmühle zerkleinert. Nach dem Zerkleinern und Trocknen wird das kalzinierte Pulver in die gewünschte Form, z.B. zu Kügelchen mit 10mm Durchmessern und 1 mm Dicke, mit einem geeigneten Druck, z. B. mit 750 kg/cm2, gepreßt.
Die zusammengepreßten Kügelchen werden bei 1150° bis 1350°C 10 Minuten bis 3 Stunden lang in einer Brennatmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von weniger als 0,2 Atmosphärendruck gebrannt. Das Brennen wird unter geeigneten Bedingungen, z. B. mit einer Erhitzungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit von 300°C je Stunde, ausgeführt. Während des Erhitzungs-, Glüh- und Abkühlungsvorgangs bleibt die Atmosphäre, die die Kügelchen umgibt, gleich, vorzugsweise durch Hindurchströmenlassen eines Sauerstoffarmen Gases mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 100 ml je Minute.
Der so erhalter.e, als feste Lösung vorliegende keramische Körper mit der Zusammensetzung Pb(Mgi/i NbvijxTxyZr&i mit einer geringen Menge Lanthaniden oder Bi oder Sb, das die äquivalenten Atom-Prozente Pb ersetzt, wird bis zu einer Dicke von 0,4 mm geschliffen und wird dann auf beiden ebenen Oberflächen mit Ohmschen Elektroden ausgestattet. Eine arbeitsfähige ohmsche Elektrode besteht gemäß der Erfindung aus einer In-Ga-Legierung, aus elektrochemisch niedergeschlagenem Nickelmetall oder aus im Vakuum verdampftem Silber. Der mit Elektroden versehene keramische Körper wird polarisiert, indem er einem starken Gleichstromfeld ausgesetzt wird. Es ist erforderlich, daß der mit Elektroden versehene keramische Körper mit einem elektrischen Widerstand weniger als 10b Ohm-cm bei einer Temperatur polarisiert wird, bei der der keramische Körper einen spezifischen Widerstand aufweist, der hoch genug ist, um ein Polarisieren durch das genannte Gleichstromfeld zu gestatten. Der genannte keramische Körper zeigt eine starke Erhöhung des spezifischen Widerstands mit einer Abnahme mit der Temperatur. Es ist vorteilhaft, wenn ein keramischer Körper mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand von 10! Ohm-cm bei Raumtemperatur bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs polarisiert wird.
Beispiel 1
Mischungen, die den Zusammensetzungen, die in Tabellen I, 2 und 3 angegeben werden, entsprechen, werden in der oben beschriebenen Weise vermischt, kalziniert und mit einem Druck von 750 kg/cm- zu Scheiben zusammengedrückt. Die zusammengedrückten Scheiben werden dann bei 1250° C 1 Stunde lang im Stickstoffgas gebrannt. Die gebrannten Scheiben werden auf den Oberflächen mit Elektroden aus einer In-Ga-Legierung und in einer Weise polarisiert, wie es in der vorstehenden Beschreibung erläutert worden ist. Der planare Kopplungskoeffizient, die elektrostatische Dielektrizitätskonstante, der dielektrische Verlustfaktor und der spezifische Widerstand werden bei Raumtemperatur entsprechend der vorstehenden Beschreibung gemessen und in den Tabellen 1,2 und 3 angegeben.
Beispiel 2
Mischungen, die den Zusammensetzungen, die in Tabelle 4 angegeben werden, entsprechen, werden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 zu zusammengepreßten Scheiben verarbeitet. Die Nummern der Beispiele von Tabelle 4 entsprechen denen der Tabellen 1, 2 und 3. Die zusammengepreßten Scheiben werden bei 1250°C 1 Stunde lang in verschiedenen Atmosphären, wie es in Tabelle 4 angegeben wird, gebrannt. Die gebrannten Scheiben werden mit Elektroden aus einer In-Ga-Legierung versehen und in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise polarisiert. Der planare Kopplungskoeffizient, die elektrostatische Dielektrizitätskonstante, der dielektrische Verlustfaktor und der spezifische Widerstand werden bei Raumtemperatur in der gleichen Weise wie in Beispiel 1-gemessen und in Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 1
Beispiel Grundzusammensetzung Zugefügte Planarer Elektrostatische Dielektrischer Spezifi
Nr. Menge des Kopplungs- Dielektrizitäts Verlustfaktor scher
Zusatzes koeffizient konstante Wider-
siand
(Atom-%) (0/0) (Ω-cm)
G-A-I Pb(M g l /3Nb2/3)o,375Tio.375Zroj 5 O3 Gd: 0 50-55 3 500- 4 000 0,02-0,05 > IO7
2 desgl. 0,1 30-40 10 000-25 000 0,50-0,60 103-105
3 desgl. 0,5 40-45 10 000-20 000 0,40-0,60 IO4— 10b
4 desgl. 2,0 45-50 8 000-15 000 0,10-0,40 1O5-1O7
5 desgl. 5,0 50-55 4 000- 5 000 0,05-0,10 > 108
G-Bl Pb(Mg,/3Nb2/3)o.25Tio.4,Zro340 '3 Gd: 0 45-50 . 3 000- 3 500 0,02-0,03 > 108
2 desgl. 0,1 35-40 10 000-18 000 0,40-0,50 10"-IO6
3 desgl. 0,5 40-45 8 000-13 000 0,10-0,40 105-IO7
4 desgl. 2,0 45-50 5 000- 8 000 0,05-0,10 IO7—108
5 desgl. 5,0 45-50 3 500- 4 000 0,04—0,07 >109
I-ortset/ιιημ Grundzusammensct/.ung Grundzusammensetzung 3 4 Brennatmosphäre Zugefügte Planarer koeffizient Strömungsgas Strömungs koeffizient Elektrostatische Dielektrischer '·
Beispiel Grundzusammensetzung Menge des Kopplungs
koeffizient		 geschwindigkeit Dielektrizitäts Verlustfaktor Spezifi
Nr. Zusatzes (%) (atomarer Druck) (ml/Min.) (%) konstante scher
(%) 25-35 0,15 O2 + 0,85 N2 100 30-35 Wider
(Atom-%) 50-55 30-40 0,05 O2+ 0,95 N2 50 35-40 stand
Pb(Mg!/3Nb2/3)o.125Tio.435Zr0.4403 Pb(Mg,/jNb2/3)o.375Tio.375Zr0.2503 Gd: 0 40-45 40-45 N2 20 40-45 2 500- 3 000 0,02-0,03 (Ω-cm)
G-Cl desgl. desgl. Pb(Mg I /3Nb2/3)oj75Tio.375Zro.2503 0,1 45-50 45-50 45-50 9 000-15 000 0,10-0,30 > 1010
2 desgl. desgl. desgl. 0,5 45-50 30-35 35-40 5 000- 8 000 0,10-0,30 105-106
3 desgl. desgl. desgl. 2,0 50-55 35-40 35-40 3 000- 5 000 0,05-0,10 105—107
4 desgl. Pb(Mg, /3Nb2/3)o.25Tio.41 Zr0^O3 desgl. 5,0 40-45 40-45 3 000- 3 500 0,04-0,05 108- 109
5 2 desgl. Pb(M g ι /3N b2/3)o.25Tio.41 Z10.34O3 Planarer 45-50 45-50 >10'°
Tabelle desgl. desgl. Zugefügte Menge des Kopplungs- 35-40 40-45 Elektrostatische Dielektrischei
Beispiel desgl. desgl. Zusatzes 40--45 40-45 Dielektrizitäts Verlustfaktor r Spezifi
Nr. Pb(Mg|/3Nb2/3)o.l25Tio.435Zr0.4403 desgl. 45-50 45-50 konstante scher
desgl. Pb(Mg 1 /3Nb2/3)o.i 25Tio.435Zro.44O3 (Atom-%) 50-55 50-55 Wider
desgl. desgl. Bi: 0,1 stand
desgl. desgl. 0,5 Planarer Planarer 8000-15000 0,70-1,0 (Ω-cm)
B-Al desgl. 2,0 Menge des Kopplungs- Kopplungs 7 000-13 000 0,70-1,0 103-104
2 5,0 Zusatzes koeffizient 5000-10000 0,50-0,70 W-IOS
3 Bi: 0,1 2 000- 3 000 0,05-0,07 105-10?
4 0,5 (Atom-%) (%) 7000-10000 0,50-0,70 >109
B-Bl 2,0 Sb: 0,1 45-50 5000- 7000 0,40-0,50 104-105
2 5,0 0,5 45-50 3 000- 5 000 0,10-0,15 105 —106
3 Bi: 0,1 2,0 40-45 2 000- 2 500 0,02-0,05 10?-10«
4 0,5 5,0 6 000- 7 000 0,30-0,50 >10'0
B-C-I 2,0 Sb: 0,1 4 000- 6 000 0,20-0,40 104-106
2 5,0 0,5 2 000- 4 000 0,03-0,05 105-ΙΟ7
3 2,0 1 500- 2 000 0,02-0,03 10'-109
4 Zugefügte 5,0 >10H
Tabelle Sb: 0,1 Elektrostatische Dielektrische!
Beispiel 0,5 Dielektrizitäts Verlustfaktor r Spezifi
Nr. 2,0 konstante scher
5,0 Wider
stand
10 000-25 000 0,50-0,70 (Ω -cm)
S-A-I 10 000-20 000 0,50-0,70 103-W
2 8000-15000 0,20-0,50 104-10«
3 4000- 5000 0,10-0,20 105-10'
4 10000-18000 0,40-0,60 > 108
S-B-I 8000-13000 0,20-0,50 104-10!
2 5000- 8000 0,10-0,20 105-10
3 3 500- 4 000 0,04-0,07 10'- 101
4 9000-15000 0,10-0,30 > 109
S-C-I 5000- 8000 0,20-0,40 104-10
2 3 000- 5 000 0,05-0,10 105-10
3 3 000- 3 500 0,04-0,05 10^—10
4 >1O'o
Tabelle Elektrostatische Dielektrischer
Beispiel Dielektrizitäts Verlustfaktor Spezifischer
Nr. konstante Widerstand
6000- 8000 0,20-0,40 (Ω -cm)
G-A-3 10000-15000 0,30-0,50 106—107
10 000-20 000 0.40-0.60 105-10«
104-10*
-orlset/.ung Brennatmosphäre Strömungs Hierzu 1 Planarcr Elektrostatische Dielektrischer Spezifisch!
Beispiel geschwindigkeit Koppkings- Dielektrizitäts Verlustfaktor Widcrstan
Nr. Strömungsgas (ml/Min.) koeffi/.ient konstante
100
(atomarer Druck) 50 (%) (Ω -cm)
0,15 02 + 0,85N2 20 40-45 4 000- 8 000 0,40-0,70 105-106
B-A-2 0,05 O2+ 0,95 N2 100 40-45 6 000-10 000 0,50-0,70 W-IO6
N2 50 30-40 7 000-13 000 0,70-1,00 10"-105
0,15 O2+0,85 N2 20 40-45 5 000- 7 000 0,10-0,30 106-10'
S-A-2 0,05 O2+ 0,95 N2 40-45 10 000-15 000 0,20-0,50 105-10«
N2 35-40 10 000-20 000 0,50-0,70 104—10*
Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Piezoelektrischer Wandler mit einem polykristallinen keramischen Körper, der im wesentlichen aus Pb(MgW3Nb2Z3)J^ZrZO3 besteht, worin * = 0,125 bis 0,375, y = 0,375 bis 0,435 und ζ = 0,25 bis 0,44 ist und χ + y + ζ = 1 sind, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper 0,1 bis 0,5 Atom-% eines Oxids enthält, das aus der ι ο aus Lanthanides Bi und Sb bestehenden Gruppe ausgewählt ist und das einen äquivalenten Atom-Prozentsatz Pb ersetzt, daß der derart zusammengesetzte .keramische Körper einen spezifischen Widerstand aufweist, der bei Raumtemperatur zwischen !(P und XO1 Ohm-cm liegt, und daß zur Impedanzanpassung die Zusammensetzung des keramischen Körpers entsprechend dem angegebenen Bereich wählbar ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrisehen Wandlers nach Anspruch 1, bei dem die Zusammensetzung für den keramischen Körper bei einer Temperatur von 1150° bis 135O0C für eine Dauer von 10 Minuten bis 3 Stunden in einer Atmosphäre erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als 0,2 Atmosphärendruck besitzt.
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