DE1806082C3 - Piezoelektrischer Wandler - Google Patents

Piezoelektrischer Wandler

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Description

.1°
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler mit einem polykristallinen keramischen Körper, der im wesentlichen aus PbfMgiziNb^i^TijZr/)] 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 DE-AS 16 46 675 bekanntgeworden. Dieser Wandler hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand, etwa in der Größenordnung eines Isolators. Verschiedene piezoelektrische .(o 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 Bleistonnat bzw. aus Bleititanat, Bleizirkonat und Bleistonnat, (die jeweils zusammen mindestens 95 Gewichtsprozent ausmachen (DE-AS H 16 742).
Für Fiiterkeramiken 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, dall der (>s derart zusammengesetzte keramische Körper einen spezifischen Widerstand aufweist, der bei Raumtemperatur zwischen IOJ und 10' 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 1350°C 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 tO3 bis 10' Ohm an aufweist, wird erreicht, daß eine Impedanzanpassung zwischen dem Wandler und dem Ausgang eines Signalerfassungskreises (der an den Wandler angeschlossen ist, um das Ausgangssignal des Wandlers zu empfangen) durchgeführt werden kann, indem man die Zusammensetzung des keramischen Körpers innerhalb des für die Erfindung angegebenen Bereichs auswählt, wobei der Wandler selbst kleingehalten werden kann.
Anhand der Zeichnung, die eine Ausführungsform des Wandlers zeigt, wird die Erfindung ausführlich beschrieben.
Die Figur zeigt einen piezoelektrischen Wandler 1, der einen vorzugsweise scheibenförmigen Körper 2 aus einem halbierenden 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 Lötmittels 5 befestigt. Wenn der keramische Körper einem Stoß, einer Schwingung oder einer anderen mechanischen Beanspruchung unterworfen wird, kann die erzeugte elektrische Leistung den Leitungsdrähten fi und 7 entnommen werden.
Ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Umwandlerelement enthält einen polykristallinen keramischen Körper, der im wesentlichen aus Pb(Mgizj Nb2Zj)1Ti3Zr-X)3 und 0,1 bii 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 = I 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 10* bis 10' 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 \on 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 PbC), MgO. Nb2Oi, TiO.>, ZrO2 und einem Oxyd von den genannten Lanthaniden.
Bi oder Sb, hergestellt, die den Grundzusammensetzunge.i, die durch die chemische Formel
(0,125 S «S 0375,0,375 £ y S 0,435; χ + y + ζ = 1)
wiedergegeben werden, entspricht. Di? 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 30Ci kg/cm2, gepreßt. Die zusammengepreßten Kügelchen werden bei einer geeigneten is 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 13500C 10 Minuten bis 3 Stunden lang in einer Brennatmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von weniger als 0,2 Aimosphärendruck gebrannt. Das Brennen wird unter geeigneten Bedingungen, 1. B. mit einer Erhitzungs- und Abkühlungsgeschwindigkut von 3000C 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 erhaltene, als feste Lösung vorliegende keramische Körper mit der Zusammensetzung Pb(MgI/) Nb2/j),TuZr/O} 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-Legierang, 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 Korper mit einem elektrischen Widerstand weniger als 106 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 Gleichstromftid 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 103 Ohm-cm bei Raumtemperatur bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs polarisiert wird.
Beispiel 1
Mischungen, die den Zusammensetzungen, die in Tabellen 1, 2 und 3 angegeben werden, entsprechen, werden in der oben beschriebenen Weise vermischt, kalziniert und mit einem Druck von 750 kg/cm2 zu Scheiben zusammengedrückt. Die zusammengedrückten Scheiben werden dann bei 12500C 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 125O0C 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
Nr.		 G rundzusam mensetzung Zugefügte
Menge des
Zusatzes		 Planarer
Kopplungs
koeffizient		 Elektrostatische
Dielektrizitäts
konstante		 Dielektrischer
Verlustfaktor		 Spezifi
scher
Wider
stand
(Atom-%) (%) (Ω-cm)
G-Al
2
3
4
5		 Pb(Mg|z3Nb2Z3)o.375Tio.375Zro.250j
desgl.
desgl.
desgl.
desgl.		 Gd: O
0,1
0,5
2,0
5,0		 50-55
30-40
40-45
45-50
50-55		 3 500- 4 000
10000-25 000
10000-20 000
8000-15000
4 000- 5 000		 0,02-0,05
0,50-0,60
0,40-0,60
0,10-0,40
0,05-0,10		 10J—105
10*- 10«
1O5-1O7
G-B-I
2
3
4
5		 Pb(MgIZ)Nb2, ))o.25Tio.4iZro.)40i
desgl.
desgl.
desgl.
desgl.		 Gd: 0
0,1
0,5
2,0
5,0		 45-50
35-40
40-45
45-50
45-50		 3 000- 3 500
10000-18000
8000-13000
5 000- 8 000
3 500- 4 000		 0,02-0,03
0,40-0,50
0,10-0,40
0,05-0,10
0.04-0.07		 10"-106
105-10'
I 07 IQ8
> 10"
Beispiel Cmind/usammcnscl/ung Nr.
Zugefügte Planarer Elektrostatische Dielektrischer Spezifi
Menge des Kopplungs Dielektrizitäts Verlustfaktor scher
Zusat/cs koeffi/ient konstante Wider
stand
(Atom-%)
(U cm)
G-Cl Pb(MgI/}Nb2/3)ü.l25Tlo.435 Grundzusammensetzung 3 Grundzusammensetzung 4 Brennatmosphäre Zro.4403 Gd: 0 50-55 koeffizient 25-35 koeffizient Strömungs 30-35 2500- 3000 0,02-0,03 > ]010 Wider Wider
2 desgl. 0,1 40-45 30-40 geschwindigkeit 35-40 9000-15000 0,10-0,30 105-10* stand stand
3 desgl. Stromungsgas 0,5 45-50 (Atom-%) (%) 40-45 (Atom-%) (%) (ml/Min.) 40-45 5000- 8000 0,10-0,30 105-10' (Ω-cm) (Ω -cm)
4 desgl. 2,0 45-50 ΖΓ025Ο3 Bi: 0,1 45-50 Zro2i03 Sb: 0,1 100 45-50 3000- 5000 0,05-0,10 108-109 103-10« 103- 104
5 desgl. (atomarer Druck) 5,0 50-55 0,5 30-35 0,5 50 35-40 3 000- 3 500 0,04-0,05 >10'0 10«-10' W-IO*
Tabelle 2 Pb(MgI «Nb2/3)<U75Tio,375 Pb(MgI /3Nb2/3)o.375Tio.375 0,15 O2+035 N2 2,0 35-40 2,0 20 35-40 105-10' 105-10'
Beispiel desgl. desgl. 0,05 O2+035 N2 Zugefügte Planarer 5,0 40-45 5,0 40-45 Elektrostatische Dielektrischer Spezifi- >ισ> >108
Nr. desgl. desgl. N2 Menge des Koppiungs- T034O3 Bi: 0,1 45-50 roS4O3 Sb: 0,1 45-50 Dielektrizitäts Veriustiakior scher w-io5 W-IO'
desgl. desgl. Zusatzes 0,5 35-40 0,5 40—45 konstante 105-10* 105-10'
Pb(Mg,/3Nb2/3)o.25Tio.4iZ Pb(Mg„3Nb2/3)o.25Tio.4iZ 2,0 40-45 2,0 40-45 10'—10« 10' —108
desgl. desgl. 5,0 45-50 5,0 45-50 > ίο'" >10"
B-A-I desgl. desgl. Zr044O3 Bi: 0,1 50-55 Zr044O3 Sb: 0,1 50-55 8000-15000 0,70-1,0 W-IO* w-10*
2 desgl. desgl. 0,5 0,5 7000-13000 0,70-1,0 105-10' 105—10'
3 Pb(Mg,/3Nb2/3)o.l25Tio.435 Pb(Mg, ,3N b2,3)o 125T10 43i 2,0 Zugefügte Planarer 2,0 Planarer 5000-10000 0,50-0,70 lO'-lO1» lO'-lO"
4 desgl. desgl. 5,0 Menge des Kopplungs- 5,0 Kopplungs 2 000- 3 000 0,05-0,07 >10» >10'0
B-B-I desgl. desgl. Zusatzes koeffizient 7000-10000 0,50-0,70
2 desgl. desgl. 5 000- 7 000 0,40-0,50 Dielektrischer Spezifi- Spezifischer
3 (%) 3 000- 5 000 0,10-0,15 Verlustfaktor scher Widerstand
4 45-50 2 000- 2 500 0,02-0,05
B-Cl 45-50 6 000- 7 000 030-0,50
2 40-45 4 000- 6 000 0,20-0,40 (Ω -cm)
3 2 000- 4 000 0,03-0,05 0,50-0,70 106-10'
4 1 500- 2 000 0,02-0,03 0,50-0,70 105-10«
Tabelle 020-0,50 10«_io*
Beispiel Elektrostatische 0,10-020
Nr. Dielektrizitäts 0,40-0,60
konstante 0,20-0,50
0,10-020
0,04-0,07
S-A-I 10 000-25 000 0,10-0,30
2 10 000-20 000 020-0,40
3 8000-15000 0,05-0,10
4 4 000- 5 000 0,04-0,05
S-B-I 10000-18000
2 8000-13000 Dielektrischer
3 5 000- 8 000 Verlustfaktor
4 3 500- 4 000
S-C-I 9000-15000
2 5 000- 8 000
3 3 000- 5 000 020-0,40
4 3 000- 3 500 O3O-O3O
Tabelle 0,40-0,60
Beiipiel Elektrostatische
Nr. Dielektrizitäts
konstante
G-A-3 6000- 8000
10000-15000
10 000-20 000
Strömungsgas
(atomarer Druck)
0,15 O2+ 0,85 N2 0,05 O2 + 0,95 N2 N2
0,15O2 + 0,85 N2 0,05 O2+ 0,95 N2 N2
Hierzu 1 nl.irwr...' i.!c!;;ro:;:;;!iscr;c Verlustfaktor • jjsv/ii ΐSv ι
Kopplung* Dielektrizitäts- Widersla
Strömungs koeffizieiH kiinslante
geschwindigkeit
(ml/Min.) 0,40-0,70 (Ω -cm)
100 40-45 4 000- 8 000 0,50-0,70 105-10<
50 40-45 6 000-10 000 0,70-1,00 KH-10<
20 30-40 7 000-13 000 0,10-0,30 104-10:
100 40-45 5 000- 7 000 0,20-0,50 106—10'
50 40-45 10 000-15 000 0,50-0,70 105-10«
20 35-40 10 000-20 000 104-10«
Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Piezoelektrischer Wandler mit einem polykristallinen keramischen Körper, der im wesentlichen aus Pb(MgIz3Nb2Z3)JTi3ZrZ)3 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, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper 0,1 bis 03 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 10J und 107 Ohm-cm liegt, und daß zur Impedanzanpassung die Zusammensetzung des keramischen Körpers entsprechend dem angegebenen Bereich wählbar ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers nach Anspruch 1, bei dem die Zusammensetzung für den keramischen Körper bei einer Temperatur von 1150° bis 13500C für eine Dauer von 10 Minuten bis 3 Stunden in einer Atmosphäre erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre einen Sauerstoffpertialdruck von weniger als 0,2 Atmosphärendruck besitzt.
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