DE2126341C - Piezoelektrischer Keramikresonator - Google Patents

Description

besteht die piezoelektrische Keramikplatte aus einer unebenen Fläche 16 werden durch Unregelmäßigkeiten festen Lösung von 96,5 Molprozent PbTiO₃, 2,5 Mol- im mikroskopischen Größenbereich entlang jeder prozent LaO₃/₂ und 1,0 Molprozent MnO₂. Ein Vorteil Korngrenze gebildet.

dieses piezoelektrischen Keramikresonators ist. daß Wenn jeder rauhe Bereich der unebenen Oberflache

die störende Anregbarkeit sehr wirksam ausgeschaltet 5 in der gleichen Größenordnung wie die Viertelwellen-

werden kann. länge der gewünschten Schwingung hegt, unteruegen

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschrei- die'störenden Schwingungen in unzählbarem Maße

bung in Verbindung mit den Zeichnungen ausführli- einer Dämpfung und Streuung, so daß die Wirkung der

eher beschrieben. In den Zeichnungen ist die störenden Schwingungen praktisch vernachlässigt wer-

F i e. 1 eine perspektivische Darstellung eines Kera- io den kann. Die Dimension der Außenünie D von der

mikresoi : ts der Erfindung, F i e. 1 ist außerdem dafür von Bedeutung, daß die

F i g. 2 ,.„i Querschnitt entlang der Linie A-A' von Summe der gedämpften und gestreuten Schwingungen

F i g. 1, vernachlässigt werden kann. Gemäß der Erfindung soll

F i g. 3 und 4 abgewandelte Ausführung-formen des das Verhältnis der Dimension der Außenlinie D zu der

in der F i g. 1 dargestellten Resonators, 15 Dicke Γ des Resonators größer als 7 sein. Wenn dieses

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Leistungs- Verhältnis kleiner als 7 ist, ist es zu schwierig, die

fähigkeit eines Keramikresonators gemäß den besten Summe dieser gedämpften und gestreuten Schwingun-

Ausführungsformen vor der Erfindung und gen unbedeutend zu machen. Weil die Dämpfung und

F i g. 6 eine graphische Darstellung der leistungs- die Streuung unter der Beding.ing DjT < 7 nicht aus-

fähigkeit des Keramikresonators der Erf.idung. 20 reicht, jede andere dieser störenaen Schwingungen zu

Die Techniken gemäß der Erfindung sind darauf löschen.

gerichtet, die störende Empfindlichkeit bzw. Anreg- Besondere Ausführungsformen des in der Fig. I^

barkeit durch die Gestalt des Resonators, die Schwin- da-gestel!ten Resonators werden in den F i g. 3 und 4 gungsform und das piezoelektrische Keramikmaterial veranschaulicht. In den F i g. 3 und 4 entspricht der einzudämmen. 35 Umriß der Keramikplatte einem asymmetrischen Viel

Der Keramikresonator 100 nach der F i g. 1 enthält eck. Die Randkante 13 dieser Vielecke soll die oben eine dünne Keramikplatte 10 mit den Elektroden 11 beschriebene unebene Fläche aafweisen. Unter dieser und 12 auf den Oberflächen der Hauptebenen der Bedingung ist das asymmetrische Vieleck als Umriß Platte. Die Keramikplatte 10 ist in einer Richtung, die sehr wirksam, um beliebige Dämpfungen und Streuun· senkrecht zu den ebenen Hauptflächen der Platte liegt, 30 gen der nachteiligen Schwingungen aus dem oben erwie es durch den Pfeil 14 gezeigt ist, gepolt. Ein bevor- örterten Grunde zu bewirken.

zugtes Material für die Keramikplatte besteht aus einer Die gewünschte Schwingungsform ist ebenfalls eine

piezoelektrischen Keramik mit einem Dickendehnungs- ' wichtige Bedingung gemäß der Erfindung. Als gekopplungsfaktor k_t der viermal größer ist als der wünschte Schwingungsform soll eine der harmonischer, planare Kopplungsfaktor k_p. Eine solche piezoelek- 35 Oberschwingungen der Dickendehnungsschwingung trische Keramik besteht, wie oben angegeben ist, aus ausgewählt werden. Bei einer Grunddickendehnungseiner festt.i Lösung von Bleititanat und dessen Modifi- schwingung wird hier unter den harmonischen Oberzierungen durch bestimmte Zusätze. Besonders geeignet schwingungen die 3., 5. usw. Schwingung der Grundist es, wie oben angegeben ist, wenn die Keramikplatte schwingung verstanden. Die störenden Schwingungen, 10 feste Lösungen von 96,5 Molprozent PbTiO₃ 40 die sich der gewünschten harmonischen Oberschwmr 1 Molprozent MnO_{2 f} 2,5 Molprozent LaO_{3 2} ent- gung anhängen, vermehren sich in dem Maße, in dem hält. Bei der piezoelektrischen Keramik beträgt der die Zahl der harmonischen Oberschwingung höher und Kopplungsfaktor k_t 46%, während der Kopplungs- höher wird, wie z. B. die 3., 5. usw. Jede Wirkung der faktor kp weniger als 7% ausmacht. störenden Schwingung wird jedoch geschwächt, wenn

Es ist eine der wesentlichen Bedingungen der Erfin- 45 sich die störenden Schwingungen unter dieser Bedindung, daß der Kopplungsfaktor k_t viermal größer ist gung vermehren. Dieses ist darauf zurückzuführen, als der Kopplungsfaktor k_P. Wenn k_p größer ist, als es daß der piezoelektrische Effekt für die Umrißdehnungsdieser Bedingung entspricht, ist es schwierig, die stö- schwingung bei Umrißdehnungsschwingungen in einer renden Anregungen auszuschalten. Weil die Folge der solchen hohen Oidnung äußerst schwach ist, und der Umrißdehnungsschwingungen stark durch den piezo- 50 andere Grund ist in der oben beschriebenen Streuung elektrischen Efiekt des k_p angeregt werden, können und Dämpfung zu sehen.

dann die störenden Anregungen in bezug auf diese Die F i g. 5 und 6 veranschaulichen die Leistungs-

Schwingungen nicht auf die nachfolgend beschriebene fähigkeit der Bleititanatkeramikresonatoren, die bei Weise ausgeschaltet werden. sehr hoher Frequenz, wie z. B. 110 Megahertz, arbeiten.

Die Elektroden 11 und 12 werden auf den Haupt- 55 Der Keramikresonator gemäß der F i g. 5 wurde auf flächen der Keramikplatte nach einem Verfahren zum herkömmliche Art und Weise, wie es nach dem Stand elektrolosen Plattieren abgeschieden. Die Randkante 13 der Technik bekannt ist, hergestellt, und der Keramik- der Keramikplatte hat eine asymmetrische rauhe Ober- resonator gemäß der F i g. 6 wurds nach der Erfindung fläche. Diese Rauheit oder Grobheit der rauhen Ober- hergestellt. In den beiden Figuren geben /_r und fc die fläche soll annähernd 20 Mikron betragen, und der 60 Resonanz- und Antiresonanzfrequenz der gewünschten Grad der Rauhelt steht in Beziehung zu der Vierteil- Schwingung wieder. Die Leistungskurve der Keramik wellenlänge der gewünschten Schwingung. nach der F i g. 5 zeigt viele Wellen oder Riffelungen,

Die F i g. 2 zeigt eine stark vergrößerte Querschnitts- was auf die störenden Schwingungen nahe der Resoansicht entlang der Linie A-A' von der F i g. 1 zur nanzfrequenz zurückzuführen ist. Demgegenüber zeigt Veranschaulichung drr Randkante. Jeder Abschnitt 15 63 die Leistungskurve der Keramik nach der F i g. 6 die zeigt Korngrenzen der Keramikplatte mit einer poly- große Verbesserung hinsichtlich der Ausschaltung kristallinen Struktur, und die rauhe Kante 13 wird dieser unerwünschten Anregungen bzw. Empfindlichdurch die unebene Fläche 16 gebildet. Einzelteile der keiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

ι 2 Resonator besteht darin, wie die Anregung vieler unPatentansprüche: erwünschter Schwingungen, die nahe der Dicken- schwingung auftreten, ausgeschaltet werden kann.

1. Piezoelektrischer Keramikresonator, beste- Große "Anstrengungen sind gemacht worden, um eine hend aus eine- mit Elektroden versehenen dünnen 5 solche siorende Anregung zu beseitigen, tine typische ^zoelektr-^hen Keramikplatte, die zu Dicken- Methode ist das akustische Dampfen, wie es in der dehnungssci.wingungen und auch zi· Umrißdeh- britischen Patentschrift 414 764 und der Ub/\.-Patentnunesschwineungen anregbar ist, dadurchge- schrift 3 321 648 beschrieben ist. Aus der USA.-Patentk e η η ζ ε i c h η e t. daß die piezoelektrische Kera- schrift 3 348 078 ist bekannt, daß es möglich ist, stomikplatte(lO) aus einem piezoelektrischen Kera- io rende Anregungen durch Einstellung des Verhältnisses mikmaterial besteht, das einen Dickendehr.un^- von dem Durchmesser zu der Dicke eines Keiamikkopplungskoeffizienten (A,) aufweist, der wenig- resonators auszuschalten. Eine andere Methode bestens viermal größer ist als der planare Kopplunss- s.eht in der Regulierung der Elektrodenabscheidung, koeffizient (k_p), und daß die piezoelektrische wie z. B. des Elektrodenbereichs und der Elektroden-Keramikplatte (10) eine Dicke (7") zur Erzeugung 15 dicke (USA.-Patentschriften 3 222 622 und 3 020 424). der Schwingung mit einer vorbestimmten Frequenz", Die Resonanzanregung der Radialschwingungen kann ausgewählt a··- den Frequenzen der harmonischen bei einem Scheibenre^onator außerdem dadurch ge-Oberschwinguiigen der Dickendehnungsform in ändert werden, daß dieser einen eingeschnittenen Te;! einem Frequenzbereich höher als 20 Megahertz, in dem Scheibenrand aufweist (USA.-Patentschnh hat, daß die Dimension einer Außenlinie (D) der 20 3 074 034).

Platte (10) wenigstens siebenmal größer ist als die Auch in Anbetracht disser großen Anstrengungen ,>;

Dicke (Γ) und daß die Randkante (13) eine asym- es immer noch mit Schwierigkeiten verbunden, ein;:·,

metrische unebene Oberfläche (16) in einem Aus- Keramikresonator herzustellen, der bei einer Frequenz

maß von mehr als 1 um aufweist. über 20 Megaheru- arbeitet. Einer der Gründe lieg:

2. Piezoelektrischer Keramikresonator nach An- 25 darin, daß jede piezoelektrische Keramik unterschied spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo- liehe störende Anregbarkeiten oder Empfindlichkeit·, elektrische Keramikplatte (10) in der Hauptsache in diesem Hochfrequenzbereich besitzt und daß all te aus einer iestei; Lösung von PbTiO₃ besteht. meine Regeln zur Beseitigung dieser störenden Anrcj

3. Piezoelektrischer KeramiVresonator nach An- barkeiten nicht gegeben werden können. Ein anderer spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo- 30 Grund liegt darin, daß geeignete Techniken zur A·.^ elektrische Keramikplatte aus ei er festen Lösung schaltung der störenden Anregung insbesondere fuvon 96,5 Moiprozent PbTiO₃, 2,5 Molprozent einen Keramikresonator mit einem hohen elektro LaO_{3 2} und 1,0 Molprozent MnO₂ besteht. ' mechanischen Kopplungsfaktor in einem solchen Hochfrequenzbereich nicht entwickelt worden sind.

35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

piezoelektrischen KeramikresonuU:r, bestehend aus

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Kera- einer mit Elektroden versehenen dünnen piezoelektri-

mikresonator, der aus einer mit Elektroden versehenen sehen Keramikplatte, die zu Dickendehnungsschwin-

dünnen piezoelektrischen Keramikplatte besteht, die gungen und auch zu Umrißdehnungsschwingungen

zu Dickendehnungsschwingungen und auch zu Umriß- 40 anregbar ist, zur Verfügung zu stellen, der bei Hoch-

dehnungsschwingiingen anregbar ist. frequenz über 20 Megahertz arbeitet und keine dadurch

Die Keramikresonatoren, die hier in Betracht hervorgerufene störende Anregbarkeit aufweist, kommen, sind solche, die in der Dickendehnungsform Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch mit einer vorbestimmten Frequenz schwingen. Die einen piezoelektrischen Keramikresonator, bestehend Resonanzfrequenz des Resonators, der in der Dicken- 45 aus einer mit Elektroden versehenen dünnen piezodehnungsform schwingt, ist der Dicke des Resonators elektrischen Keramikplatte, die durch Dickendehumgekehrt proportional. Daher wird der Resonator, nungsschwingungen und auch zu Umrißdehnungsder in der Dickendehnungsform schwingt, häufig in schwingungen anregbar ist, gelöst, der dadurch geeinem Hochfrequenzbereich über 1 Megahertz benutzt. kennzeichnet ist, daß die piezoelektrische Keramikin Proceeding of the IRE, Vol.49, Nr. 6, Juli 1961, 50 platte aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial S. 1161 bis 1169, ist beschrieben, daß ein scheiben- besteht, das einen Dickendehnungskopplungskoeffi- förmiger piezoelektrischer Keramikresonator, der in zienten (k_t) aufweist, der wenigstens viermal größer ist der Dickenrichtung gepolt ist und Elektroden auf den als der planare Kopplungskoeffizient (k _p), und daß die ebenen Oberflächen aufweist, zu Radialschwingungen piezoelektrische Keramikplatte eine Dicke (Γ) zur Er- und Dickendehnungsschwingungen anregbar ist. 55 zeugung der Schwingung mit einer vorbestimmten Wenn der piezoelektrische Keramikresonator die Frequenz, ausgewählt aus den Frequenzen der harmo-Form eines Vielecks hat, z. B. rechteckig ist, werden nischen Oberschwingungen der Dickendehnungsform die Radialschwingungen Umrißdehnungsscbwingun- in einem Frequenzbereich höher als 20 Megahertz, hat, gen genannt, wie Proceeding of the IRE, Vol. 46, Nr. 4, daß dip Dimension einer Außenlinie (D) der Platte April 1958, S. 768 bis 778, zu entnehmen ist. Die Reso- 60 wenigstens siebenmal größer ist als die Dicke (T) und nanzanregungen dieser Umrißdehnungsschwingungen daß die Radkante eine asymmetrische unebene Ober- und Dickendehnungsschwingungen hängen von den fläche in einem Ausmaß von mehr als 1 μηι aufweist, physikalischen Konstanten der piezoelektrischen Kera- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die mikmaterialien ab, d. h. von dem planaren Kopplungs- piezoelektrische Keramikplatte in der Hauptsache aus koeffizienten K_x, und dem Dickende hnungskopplungs- 65 einer festen Lösung von PbTiO₃. Bei einem solchen koeffizienten Ar₍, wie der vorstehend angegebenen piezoelektrischen Keramikresonator ist in wirksamer Literatur zu entnehmen ist. Weise die störende Anregbarkeit ausgeschaltet, liine Schwierigkeit bei dem dickenschwingenden Nach »iner weiteren Ausgestaltung der Erfindung