DE2153527A1 - - Google Patents
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- DE2153527A1 DE2153527A1 DE19712153527 DE2153527A DE2153527A1 DE 2153527 A1 DE2153527 A1 DE 2153527A1 DE 19712153527 DE19712153527 DE 19712153527 DE 2153527 A DE2153527 A DE 2153527A DE 2153527 A1 DE2153527 A1 DE 2153527A1
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/46—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates
- C04B35/462—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates
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Description
EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT
Tokyo Shibaura Electric Co.Ltd. · 235/48
Piezoelektrisches Oxidmaterial
Die Erfindung "betrifft ein piezoelektrisches Oxidmaterial
auf der Basis von
Piezoelektrische Materialien werden seit einiger Zeit in der Technik in großem Umfang eingesetzt, und zwar z.B.
als Oszillationselement zum Erzeugen von Ultraschallwellen oder als Bauteil von mechanischen Filtern, keramischen
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Filter, keramischen Resonatoren, Vibrometern, Accelerometern
oder dergleichen. I1Ur diese und ähnliche Anwendungsbereiche
sind bereits piezoelektrische Materialien bekannt geworden, die aus einem binären Metalloxid-System der Zusammensetzung
PbTiO, - PbZrO5 bestehen. Diese Materialien konnten sich wegen verschiedener Nachteile jedoch bislang in der
Praxis nicht nennenswert einbürgern.
Es wurde schon versucht, die piezoelektrischen Eigenschaften des Systems PbTiO5 - PbZrO5 durch Zugabe von Additiven,
wie beispielsweise BipO,, CrpO~, MnOp oder ZnO zu verbessern.
Weiterhin wurde auch sohon vorgeBoblagen, das binäre System
PbTiO5 - PbZrO5 zu einem ternären System der Zusammensetzung
PbTiO, -- PbZrO — Pb(Mg1Z5Nb2Z5)O5 zu erweitern. Mit
solcherart modifizierten Systemen lassen sich zwar die Eigenschaften
des Materials in der einen oder anderen Hinsicht verbessern, es stellen sich jedoch noch keine insgesamt befriedigenden
Materialeigenschaften ein. Unter anderem hat sich gezeigt, daß diese modifizierten Systeme einen Curie-Punkt
von nur etwa 300 0C aufweisen, so daß sie sich nicht
mehr in Bereichen verwenden lassen, bei denen die Temperatur oberhalb dieses Pegels liegt. Als weiterer Nachteil kommt
noch hinzu, daß die Dielektrizitätskonstante bei diesen Materialien einen hohen Wert in der Größenordnung von 1 000
besitzt und die Materialien folglich nicht in höher-frequenten
Bereichen eingesetzt werden können.
Mit der Erfindung soll ein piezoelektrisches Oxidmaterial geschaffen werden, das bei Temperaturen oberhalb 300 0G
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noch unter stabilen Bedingungen arbeiten kann und das außerdem eine zur Verwendung als Bauteil in z.B. einem .
Hochfrequenz-Filter oder -Resonator (Frequenzbereich in der Größenordnung von MHz) ausreichend niedrige Dielektrizitätskonstante
aufweist.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß'für ein piezoelektrisches
Oxidmaterial auf der Basis von PbIiO, dadurch erreicht, daß das Material eine binäre feste Lösung der
Zusammensetzung
(1-x).PbTiO5 - X-Pb(Me1
ist, wobei χ einen Wert von 0,02 bis 0,20 hat und Me
für Cd und/oder Cu steht, und daß dieser festen Lösung als
Additiv 0,05 bis 3,0 Gew.% NiO oder MnO2 bzw. 0,1 bis
5,0 Gew.% WO, zugesetzt'ist, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht
des piezoelektrischen Oxidmaterials.
Die Erfindung wird nunmehr eingehend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei
stellen dar:
Fig. 1 eine grafische Darstellung zur
Erläuterung der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten
für zwei erfindungsgemäße Materialien mit einem Gehalt an NiO als Additiv,
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Pig. 2 eine grafische Darstellung zur
Erläuterung der Temperaturabhängigkeit des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K55 für die beiden Materialien
gemäß Pig. 1 im Vergleich mit einer Bezugsprobe ,
Pig. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit der"Dielektrizitätskonstanten
für zwei andere erfindungsgemäße Materialien mit einem Gehalt an MnO2 als Additiv,
Pig. 4 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der TemjJeraturabhängigkeit des elektromechanischen
Kopplungskoeffizienten K„
für die beiden Materialien gemäß Pig. 3 im Vergleich mit einer Bezugsprobe,
Pig. 5 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten
für zwei weitere erfindungsgemäße Materialien mit einem Gehalt an WO5 als Additiv,
Pig. 6 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit des elektromechanischen
Kopplungskoeffizienten K,, für die beiden Materialien gemäß Pig. 5 '
im Vergleich mit einer Bezugsprobe.
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Das erfindungsgemäSe piezoelektrische Oxidmaterial
wird durch Pestphasenreaktion aus einer Anzahl von Metalloxiden
unterschiedlicher Wertigkeit hergestellt und bildet ein binäres System der Zusammensetzung
(1-x).PbTiO3 - x
mit 0,05' bis 3,0 Gew.£ UiO als Additiv
oder mit 0,05 bis 3,0 Gew.# MaO2 als. Additiv
oder mit 0r1 bis 5,0 Gew.# WO, als Additiv,
(wobei Me und χ die weiter oben angegebene Bedeutung haben).
Es wurde festgestellt, daß dieses Material . die Perovskit-Struktur
besitzt.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Oxidmaterials kann ohne weiteres durch übliche pulvermetallurgische Techniken erfolgen. Dazu genügt es, die einfachen
Oxide wie PbO, TiO2 , Nb2O5, CdO und/oder CuO sowie
NiO, MnOp bzw. W0„ als Ausgangsmaterialien zu verwenden.
Diese Ausgangsmaterialien werden dabei genau in den vorgeschriebenen Mengenanteilen ausgewogen und dann z.B. in einer
Kugelmühle innig miteinander vermischt. Anstelle der Oxide können auch andere Verbindungen wie Hydroxide, Carbonate oder
Oxalate eingesetzt werden, sofern diese beim Erhitzen in die Oxide umgewandelt werden. Die innige Mischung der Oxide
oder äquivalenten Substanzen wird dann zunächst bei einer relativ geringen Tempratur von etwa 600 bis 900 0C vorgesintert
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und anschließend erneut in einer Kugelmühle behandelt, wobei
ein Pulver mit einer kontrollierten kleinen Partikelgröße entsteht. Zu diesem Pulver wird anschließend ein Bindemittel
gegeben, wie z.B. Polyvinylalkohol. Daraufhin wird die Masse unter einem Druck von etwa 0,5 bis. 2 t/cm preßgeformt und
bei einer Temperatur von etwa 1 000 bis 1 250 0C ausgesintert.
ψ Da das in der Masse enthaltene PbO leicht verdampft und dadurch
ein Teil verlorengehen kann, wird das Sintern bevorzugt in einem abgedichteten Ofen vorgenommen, wobei die maximale
Sintertemperatur zweckmäßig über eine Zeit von etwa 0,5
bis 3 Stunden aufrechterhalten wird.
Die Polarisation des so gebildeten Körpers aus piezo ,-lektrischem
Oxidmaterial kann duroh bekannte Methoden erfolgen, beispielsweise dadurch, daß ein Elektrodenpaar an
gegenüberliegende« Oberflächen des Körpers angebracht und über dieses Elektrodenpaar ein Gleichspannungsfeld von 40 bis
60 KV/cm auf das Material zur Einwirkung gebracht wird, und zwar etwa 1 bis 2 Stunden lang in Silikonöl bei einer Temperatur
von 150 bis 200 0C.
Die Grenzen für die Mengenverhältnisse der beiden Hauptbestandteile
des erfindungsgemäßen Systems, also die Grenzen
für den Wert χ ergeben sich aus den Materialeigenschaften. Palis χ unter einen Wert von 0,02 absinkt (also geringer wird
als 2 Molprozent), läßt sich das Produkt nur noch sehr schwer
sintern und bekommt dadurch nicht die gewünschten guten piezoelektrischen Eigenschaften. Andererseits fällt bei einem Wert
von χ oberhalb 0,20 der Curie-Punkt des Materials bis auf einen
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Wert unterhalb 400 0G ab, so daß das Material dann nicht
mehr unter stabilen Bedingungen bei Temperaturen oberhalb von 30Ό 0C benutzt werden kann. Entsprechend ergibt sich dann
auch eine Abnahme des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K
Durch den Zusatz von NiO, MnP2 oder WO, zu dem System
(1-x).PbTiO, - X^Pb(Me1Z5Nb2Z5)O, wird die Zunahme des
elektromechanischen Kopplungskoeffizienten noch verstärkt. Bei Zusatzmengen von weniger als 0,05 Gew.# im Falle von NiO
undMnOg bzw. 0,1 Gew.% im Falle von WO5 ist dieser Effekt
allerdings nicht mehr groß genug , um noch eine Zugabe der genannten Additive zu rechtfertigen. Auf der anderen Seite
führen übermäßig große Zusatzmengen , d.h. solche von mehr als 3,0 Gew.# im Falle von NiO und MnO2 bzw. 5,0 Gew.# im
Falle von WO5 zu einer Erniedrigung des spezifischen Widerstandes
des Materials. Daraus folgen als unerwünschte Eigenschaften eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit des Materials,
die beim Anlegen eines Gleichspannungsfeldes zwecks Polarisation
zu einem Kurzschluß führen kann und jedenfalls eine befriedigende Polarisation des Materials behindert. Dies ist besonders
deutlich bei MnO2 als Additiv.
PbTiO- allein besitzt einen Curie-Punkt von etwa 500 0C
und wurde deshalb bisher als sehr hoffnungsvolle Komponente für piezoelektrische Materialien angesehen. Eine praktische
Verwendung als piezoelektrisches Material hat PbTiO5 allein
jedoch nicht gefunden, weil dieses Material beim Sintern sehr problematisch ist. Bei dem Vorschlag der Erfindung dagegen
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enthält das piezoelektrische Material außer PbTiO, auch noch
den Bestandteil Pb(Me1/,Nb2/3)0, , der als eine Art Mineralbildner wirken kann und das Sintern des Systems erleichtert«
Dadurch läßt sich die Sintertemperatur vermindern, was eine entsprechend
verminderte Gefahr der Verdampfung von PbO zur Eolge
hat und außerdem zu* einem gut kompakten und leicht herste11-baren
Sinter-Endprodukt führt.
Nachfolgend werden zur weiteren Erläuterung der Erfindung einige detailliertere Zahlenbeispiele beschrieben..
BEISPIEL-I (NiO2 als Additiv)
Es wurden durch Auswiegen der erforderlichen Mengen an PbO, TiO2, Nb2O5, CdO und/oder CuO sowie NiO insgesamt
,39 Proben (einschließlich 8 Vergleichsproben oder Bezugsproben) hergestellt, von denen die als Beispiel zählenden Proben
eine im Rahmen der Erfindung liegende Zusammensetzung hatten, während für die Bezugsproben darüber hinausgehend entweder
χ zu 0,25 oder der NiO-Gehalt zu 0,03 Gew.# bzw. 4,0 Gew.$
gewählt wurden.
Zur Herstellung der Proben wurden die abgewogenen Oxide in einer Kugelmühle innig miteinander vermischt, bei
einer Temperatur von 850 0C vorgesintert und dann erneut
in einer Kugelmühle fein zemahlen, d.h. auf eine Partikelgröße
von 1 bis 2 /um konditioniert. Zu dem so erhaltenen ' Pulver wurde Polyvinylalkohol als Bindemittel gegeben. Das
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Material wurde dann mit einem Druck von 1 t/cm preßgeformt und anschließend 1 1/2 Stunden lang bei einer Maximaltemperatur
von 1 000 bis 1 250 0G ausgesintert. Dabei ergaben t
kleine Stäbchen von 1 mm Durchmesser und 3 mm Länge.
Von diesen stäbchenförmigen Proben wurde die Dichte bestimmt sowie, durch Anbringen von Silber-Elektroden an den
beiden runden Endflächen der Stäbchen, die Dielektrizitätskonstante. Weiterhin wurde jede Probe polarisiert, und zwar
durch eineinhalbstündiges Anlegen eines Gleichspannungsfeldes
von 50 KV/cm in Silikonöl bei 190 °. Danach wurden die piezoelektrischen
Eigenschaften der Proben ermittelt, und zwar nach den Standard-Methoden, wie sie z.B. in Proc. IRE, 157..
(1949) S. 13?8 - 1395 beschrieben sind. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sowie die Zusammensetzung der einzelnen Proben
sind in der anliegend beigefügten Tabelle 1 niedergelegt«
Dabei bedeuten die in der Kopfspalte der Tabelle 1 angegebenen
Symbole folgendes:
Ts = Sintertemperatur (0C)
D = Dichte, gemessen bei 23 0O £ = Dielektrizitätskonstante,
gemessen bei 1 KHz und 23 0
K,, = elektromechanischer Kopplungs-
Dy koeffizient in Prozent
Qm = mechanischer Gütefaktor Tc = Ourie-Punkt in 0O
Zur weiteren Erläuterung der Eigenschaften der in Tabellei
definierten'Proben sei auf die Zeichnungen bezug genommen. ι
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2Ί53527
Fig. 1 zeigt den Temperaturgang der Dielektrizitätskonstanten
am Beispiel der Proben 4 und 16. Die zu diesen Proben gehörenden Kurven sind mit der Nummer der "betreffenden
Probe bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß der Curie-Punkt sehr hoch liegt und die Dielektrizitätskonstante einen gut
niedrigen Wert hat. Pur die Proben 4 und 16 wurde auoh noch
der Temperatürgang des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten
K,, ermittelt; Die dabei gewonnenen Ergebnisse sind in
Fig.- 2 niedergelegt, in der. die zu den "beiden Proben
gehörenden Kurven ebenfalls wieder mit der Hummer der betreffenden Probe bezeichnet sind. Es ist zu erkennen, daß, infolge
der.hohen Ourie-Punkte, der K*,-Wert in einem Temperaturbereich
von -200 bis +400 0C praktisch konstant, also stabil bleibt
und das Material folglich in Temperaturbereichen eingesetzt werden kann, die bislang für piezoelektrische Oxidmaterialien
nicht zugänglich waren. In Pig. 2 ist zum Vergleich auch noch die entsprechende Kurve für die Bezugsprobe 8 eingezeichnet,
die mit 8· bezeichnet ist.
Weiterhin wurden aus den Materialien gemäß den Proben 3, j
13 und 27 keramische Resonatoren hergestellt. An diesen Re- ·
sonatoren wurde die Veränderung der Resonanzfrequenz mit der Zeit und mit der Temperatur ermittelt. Dabei ergäbe sich die in
der anliegend beigefügten Tabelle 2 angegebenen Werte , aus denen sich entnehmen läßt, daß alle drei Proben eine für die
praktische Verwendbarkeit ausreichend gute Zeitoharakteristik
und Tempraturoharakteristik besaßen.
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(MnO2 als Additiv)
In der im Beispiel 1 beschriebenen Weise wurden aus genau abgewogenen Mengen der Oxide PbO, TiO2, Fb2O1-, CdO
und/oder CuO sowie MnO2 insgesamt 33 Proben hergestellt, und
zwar 30 Proben mit einer im Bereich der Erfindung liegenden Zusammensetzung sowie 3 Bezugsproben, bei denen entweder χ zu '
0,25 oder der MnOg-Gehalt zu 3,5 gewählt wurden.
Die Ergebnisse der Untersuchungen sowie die Zusammensetzung
der einzelnen Proben gemäß diesem Beispiel 2 sind in der anliegend beigefügten Tabelle 3 niedergelegt. Die
Symbole in d.er Kopf spalte der Tabelle 3 haben dabei die gleiche Bedeutung wie die Symbole der Kopfspalte in der Tabelle
Zur weiteren Erläuterung der Eigenschaften der in Tabelle 3 definierten Proben sei auf die Zeichnungen bezug
genommen.
Fig. 3 zeigt den Temperaturgang der Dielektrizitätskonstanten am Beispiel der Proben 35 und 45.Die zu diesen
Proben gehörenden Kurven sind mit der Nummer der betreffenden Probe bezeichnet, Es ist zu erkennen, daß der Curie-Punkt
sehr hoch liegt und die Dielektrizitätskonstante einen gut niedrigen Wert hat. Für die beiden Proben 35 und 45 wurde auch
noch der Temperaturgang des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K„ ermittelt. Die dabei gewonnenen Ergebnisse
sind in Fig. 4 niedergelegt, in der die zu den beiden Proben
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gehörenden Kurven ebenfalls wieder mit der Nummer der "betreffenden
Probe bezeichnet sind. Es ist zu erkennen, daß, infolge der hohen Curie-Punkte, der K,,-Wert in einem Temperaturbereich
von -200 bis +400 0C praktisch konstant, also
stabil bleibt und das Material folglich in Temperaturbereichen
eingesetzt werden kann, die bislang für piezoelektrische Oxidmaterialien nicht zugänglich waren. In Fig. 4 ist zum
Vergleich auch noch die entsprechende Kurve für die Bezugsprobe 9 eingezeichnet, die mit 9' bezeichnet ist.
Weiterhin wurden aus den Materialien gemäß den Proben 54, 40 und 46 keramische Resonatoren hergestellt. An
diesen Resonatoren wurde die Veränderung der Resonanzfrequenz mit der Zeit .und mit der Temperatur ermittelt. Dabei ergaben
sich die in der anliegend beigefügten Tabelle 4 angegebenen Werte, aus denen sich entnehmen läßt, daß alle drei Proben
eine für die praktische Verwendbarkeit ausreichend gute Zeitcharakteristik und Temperaturcharakteristik besaßen.
BEISPIEL^ (WO5 als Additiv)
In der im Beispiel 1 beschriebenen Weise wurden aus genau abgewogenen Mengen der Oxide PbO, TiOp, NbpOj-, CdO
und/oder CuO sowie WO- insgesamt 37 Proben hergestellt^ und zwar 31 Proben mit einer im Bereich der Erfindung liegenden
Zusammensetzung sowie 6 Bezugsproben, bei denen entweder χ zu 0,25 oder der WO^-Gehalt zu 0,05 Gew.# bzw. 6,0 Gew.# gewählt
wurden.
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Die Ergebnisse der Untersuchungen sowie die Zusammensetzung der einzelnen Proben gemäß diesem Beispiel 3 sind,
in der anliegend beigefügten Tabelle 5 niedergelegt. Die
Symbole in der Kopfspalte der Tabelle 5 haben dabei die gleiche
Bedeutung wie die Symbole der Kopfspalte in der Tabelle
Zur weiteren Erläuterung der Eigenschaften der in Tabelle 5 definierten Proben sei auf die Zeichnungen bezug
genommen.
Pig. 5 zeigt den Temperaturgang der Dielektrizitätskonstanten am Beispiel der Proben 65 und 79. Die zu diesen
Proben gehörenden Kurven sind mit der Fummer der betreffenden Probe bezeichnet, Es ist zu erkennen, daß der Curie-Punkt
sehr hoch liegt und die Dielektrizitätskonstante einen gut niedrigen Wert hat. Pur die beiden Proben 65 und 79 wurde
auch noch der Temperaturgang des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K,, ermittelt. Die dabei gewonnenen Ergebnisse
sind in Pig. 6 niedergelegt, in der die zu den beiden Proben gehörenden Kurven ebenfalls wieder mit der Nummer der betreffenden
Probe bezeichnet sind. Es ist zu erkennen, daß infolge der hohen Curie-Punkte, der Κ,,-Wert in einem Temperaturbereich
von -200 bis +400 0O praktisch konstant, also stabil
bleibt und das Material folgich in Temperaturbereichen eingesetzt werden kann, die bislang für piezoelektrische Oxid- ;
materialien nicht zugänglich waren. In Pig. 6 ist zum Vergleich
auch noch die entsprechende Kurve für die Bezugsprobe 16 eingezeichnet, die mit 16' bezeichnet ist. '
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Weiterhin wurden aus den Materialien gemäß den Proben
64, 72 und 86 keramische Resonatoren hergestellt. An diesen
Resonatoren wurde die Veränderung der Resonanzfrequenz mit der Zeit und mit der Temperatur ermittelt. Datei ergaben sich,
die in der anliegend beigefügten Tabelle 6 angegebenen Werte, aus denen sich entnehmen läßt, daß alle drei Proben eine für
W die praktische Verwendbarkeit ausreichend gute Zeitcoarakteristik
und Temperaturcharakter.istik besaßen.
Insgesamt ist somit zu erkennen, daß die erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Materialien in vieler Hinsicht den bisher bekannten Materialien überlegen sind. Insbesondere sind sie
unter stabilen Bedingungen sowohl bei hohen. Temperaturen oberhalb
500 0C als auch in Hochfrequenzbereichen der Größenordnung
MHz verwendbar, also in Anwendungsgebieten, die mit den bisher bekannten Materialien nicht erfaßt werden konnten. Zu
der guten Temperaturcharakteristik kommt noch die gute Zeitcharakteristik
hinzu, Beispielsweise führen bei einem Hochfrequenz-Filter oder -Resonator alle Frequenzänderungen mit
der Zeit oder mit der Temperatur zu Problemen. Da diese Prequenzänderungen
bei dem erfindungsgemäßen Material nur sehr j gering sind, ist auch in dieser Hinsicht eine ausgezeichnete j
praktische Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Materialien j
als Über trager element in einer Vielzahl von Anwendungsfällen
gegeben.
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Beispielsweise lassen sich die erfindungsgemäß zusammengesetzten
Materialien mit "besonderem Vorteil in den folgenden Fällen verwenden. r ·.
1♦ Bei der Bestimmung von Vibrationen, Accelerationen
und Drücken im Hochtemperaturbereich. Hierzu gehört die Bestimmung dieser Größen bei Objekten in einem Temperaturbereich
bis nahe an 500 0C heran oder bei Objekten, die einer scharfen
Temperaturänderung unterworfen sind. Weiterhin gehört hierzu die Bestimmung des Druckes, der in dem Inneren solcher Hochtemperatur-Objekte
herrscht.
2. Bei der Anwendung von Ultraschallwellen auf Hochtemperatur-Objekte.
Die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Materialien lassen sich als Quelle für Ultraschallwellen
bei der Bearbeitung von Hochtemperatur-Objekten mit Ultraschallwellen oder als Element zum Prüfen solcher Objekte mit Ultraschallwellen
verwenden.
3. Bei der Erzeugung von starken Ultraschallwellen. Die bisher bekannten piezoelektrischen Materialien können
sehr starken Vibrationen nicht ausgesetzt werden, weil sich dann ein zu großer Wärmeaufbau ausbildet. Demgegenüber sind die erfindungsgemäßen
Materialien auch noch bei Temperaturen oberhalb 500 0C stabil, was die vorteilhafte Möglichkeit der Erzeugung
starker Ultraschallwellen durch sehr kräftige Vibrationen eröffnet.
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4. Bei der Anwendung in Hochfrequenz-Bereichen. Die bisher "bekannten piezoelektrischen Materialien haben den
!fachteil, daß sie wegen ihrer großen Dielektrizitätskonstante
(Größenordnung 1 000) nicht zur Verwendung in Hochfrequenz-Bereichen
geeignet sind. Generell läßt sich die Impedanz Z durch die Gleichung
" z = d/(2ir · f - ε · s)
ausdrücken, wabei d die Dicke der Probe, S die Querschnittsfläche der Probe, f die verwendete Frequenz und £ die Dielektrizitätskonstante
bedeuten. Da sich d umgekehrt proportional zu f verhält, läßt sich die Impedanz auch ausdrücken durch die
Gleichung >
Z i/(f2 ' E · S) -.
P Es ist somit zu erkennen, daß bei einer Zunahme von
f die Impedanz Z scharf abfällt, da f ein sehr großer Paktor
ist. Zur Anpassung des Z-Wertes muß daher entweder S oder c
vermindert werden. Da die Größe S dabei in Hinsicht auf die Bearbeitung des Materials immer in gewissen Grenzen bleiben muß,
ist es sehr vorteilhaft, den Wert für £ möglichst klein zu halten. »
Die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Materialien besitzen
eine Dielektrizitätskonstante £ in der Größenordnung von etwa 150, d.h. in einer Größenordnung von etwa 1/5 bis 1/10
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der €-Werte der "bekannten Materialien. Die bekannten Materialien
lassen sich allenfalls nur hinauf zu Frequenzen bis
zu 10 MHz benutzen, während demgegenüber die erfindungsgemäßen Materialien auch noch bei Frequenzen von 50 bis 200 MHz
gut einsetzbar sind.
-Patentanspruch-
KRE/kä
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Claims (2)
- PatentanspruchPiezoelektrisches Oxidmaterial auf der Basis von Pb(EiO3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine "binäre feste Lösung der Zusammensetzung(1-x).PbTiO3 - Xist, wobei χ einen Wert von 0,02 bis 0,20 hat und Me für Cd und/oder Gu steht, und daß dieser festen Lösung als Additiv 0,05 bis 3,0 Gew.# MO oder MnO2 bzw. 0,1 bis 5,0 Gew.# zugesetzt ist, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des || piezoelektrischen Oxidmaterials.209826/0882TABELIE 1
(1—χ)PbTiQ--
xPb(Me1/3Nb2/3)O3NiO Tb D e K33 Qm Tc ium8- ι Me:Cd X=O.02 0.03 1230 7.47 187 0.35 262 506 2 Me:Cu x=0.02 Il Il 7.4.8 180 0.36 203 517 Beispiel 1 Me:Cd x=0.02 0.05 Il 7.50 190 0.37 277 504 2 fle:Cu " Il Il 7.53 182 0.38 235 513 3 Me: Cd 1.5 1220 7.58 175 0.40 356 502 4 Me:CU " Il It 7.60 168 0.41 312 511 5 .Me: Cd " 3.0 Il 7.55 181 0.37 284 501 6 Me:Cu " Il It 7,57 174 Q.38 251 509 Bezugs- -
probe 3Me:Cd " 4.0 1210 7.50 187 0.33 205 500 4 .Me:Cu " Il Il 7.52 182 0.34 197 505 Beispiel. 7 Me:Cd x=0.07 0.05 1200 7.70 235 0.45 350 480 8 Me:Cu " Il Il 7.69 227 0.47 314 492 9 Me:Cd " 1.3 1190 7.74 208 0.52 538 473 10 MesCu . " Il Il 7.72 200 0.50 477 481 11 Me:Cd x=0.04
Me:Cu x=0.03Il . Il 7.75 198 0.53 506 480 12 Me:Cd x=0.07 3.0 Il 7.68 233 0.43 385 475 13 Me:Cu " Il Il 7.65 214 0.46 400 477 14 Me:Cd x=0.11 0.3 1100 7.85 192 0.47 411 459 15 Me:Cu " Il Il 7.84 179 0.48 502 463 16 Me:Cd " 1.7 1170 7.91 184 0.53 827 454 17 Me:Cu B Il It 7.88 168 0.55 945 459 209826/0 882φ H H φco' BiW)-P Φ (Q ■Ρ P O fr18 He; Cd x=0 .11 * .05
.062 .5 1160 7.85 1.90 0 .49 553 451 19 Her Cu It .11 Il Il 7.81 176 .0 .50 606 456 20 He s Cd
He s Cux=0
x=02 .5 ir 7.86 102 0 .50 627 455 21 He0-Cd x=0 .16 3 .0 tr :7.83 195 0 .4C 471 454 22 Il Il Il 7.. 8 Q 186 0 .45 503, 453 23 Me s ca x=0 0 .5 1120 7*76 158 0 .41 520 432 24 He s Cu Il - Il It 7.78 151 0 .42 418 428 25 He iCd Il .00
.082 .0 1110 7.77 iea 0 .,42 572 430 26 Me: Cu 1 ■ ti .20 It Il 7.80 157 0 .44 . 445 426 27 He iCd
Me s CuX=O Il It 7.79 162 0 .43 506 428 28 - He ;Cd x=0 0 .1 1070 7.66 147 0 .37 338 413 29 Me=Cu Il ti ■I 7.64 153 0 .36 367 408 30 He :Cd Il 3 .0 1050 7.62 158 0 .38 413 405 31 Me s Cu Il Il Il 7.61 162 0 .37 436 401 3ezugs- c
probe 5He: Cd Il .25 4 .0 Il 7.58 181 0 .32 310 398 6 He tCu I) Il Il 7.55 176 0 .30 339 397 7 MesCd x=0 1 .0 1040 7.53 188 0 .24 183 325 8 He: Cu Il Il Il 7.51 180 0 .22 168 330 Beispiel 3 13 27 Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz
( -40 bis +80 0C )60
ppm/°C55
ppm/°C49
ppm/°0Prozentuale Änderung
der Resonanzfrequenz
innerhalb eines Jahres+0,17 +0,21 +0,14
* - 2)53527TABEIUE(1-X)PbTiO-.-MnO,33QmTcBeispiel 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 44 45 46 47 48 49MesCd x=0.02 Me:Cu " Me:Cd " Me:Cu " MesCd ." MesCu " Me:Cd X=O.07 Me:Cu ' " Me:Cd " Me: CuMe:Cd x=0.04 Me;Cu x=0.03Me:Cd X=O.09 Me;Cu " Me:Cd " Me s Cu Me: Cd Me: CuMe:Cd x=0.04 Me:Cu X=O.050.051.53.00.51.20.81.32.5123012201200118011707.50
7.52
7.62
7.60
7.58
7.55
7.64
7.66
7.72
7.737.74
7.73
7.75
7.80
7.82
7.78
7.807.79183 175 181 173 179 171 222 236 218 227220 205 202 200 199 197 1952000.36 0.36 0.38 0.37 0.35 0.35 0.40 0.42505 500942864593541513 516511514510< 512729 682 "'-1890.4513560.4711800.4612974310680.44 0.48 0.47 0.41 0.42005 2127 952 126 0980.43L217479485482 466 468 461 465 457 460·461209826/0882(D H H (D rQ CON -H ω CQ -P50 lie:Cd x=0.11 0.05 1150 7.71 190 0.41 529 450 51 ne:Cu " 0.8 it 7.76 185 0.46 1358 455 52 MesCd " 1.3 1140 7.85 181 0.50 2366 448 53 He:Cu " 2.2 Il 7.81 178 0.47 1822 451 54
55MesCd x=0.06
Me:Cu X=O.05
HeiCd x=0.173.0
0.5Il
11007.70
7.72171
1630.39
0.38681
887450
43156 . Me:Cu " 1.0 Il 7.75 168 0.41 1133 435 57 Me:Cd " 2.0 Il 7.71 160 0.37 756 428 . 58 MesCd X=O.10
MesCu X=O.07Ii il
I7.70 158 0.39 805 430 59 Me: Cd x=0.20 0.5 1070 7.67 153 0.36 781 411 60 • Me:Cu " 1.5 Cl 7.65 160 0.38 1077 415 61 Me:Cd " 3.0 1060 7.63 155 0.35 542 406 Bezugs- α
probe JMe:Cd X=O.25 0.8 1040 7.75 182 0.30 481 333 10 Me:Cu " 2.7 Il 7.51 195 0.29 374 340 11 Me:Cd x=0.20 3.5 Il 7.52 158 0.31 359 398 TABEILE__4Beispiel 34 40 46 Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz
( -40 bis +80 0C )52
ppm/°C58
ppm/°C61
ppm/°CProzentuale Änderung
der Resonanzfrequenz
inne rhalb e ine s Jahre s+0,18 +0,22
*+0,16 s 2 0 9 8 2 6/08 8TABELLE—5 209826, WO„ Ts D ε Κ33 Qm Tc (1-X)PbTiO -
xPb(Me1/3NB2/3)O30.05 1230 7.46 183 0.35 260 508 Bezugs-
probe 12He:Cd x=0.02 Il Il ' 7.51 179 0.37 200 519 13 MesCu " 0.1 Il 7.50 186 0.37 269 508 Beispiel 62 He:Cd " ti Il 7.53 175 0.38 231 517 63 MesCu " 2.0 1220 7.54 182 0.39 283 506 64 He:Cd " η It 7.55 173 0.40 242 515 65 Me:Cu " 5.0 1210 7.53 180 0.36 267 503 66 He:Cd " Il η 7.52 171 0.38 225 512 67 Me:Cu : " 6.0 η 7.49 187 0.34 243 502 Bezugs- id Me:Cd " Il Il 7.50 169 0.36 199 510 15 IIe:Cu " 0.1 Il 7.70 243 0.44 280 480 Beispiel 68 Me:Cd X=O.07 Il Il 7.68 230 0.46 301 491 69 He:Cu " 2.5 1200 7.72 240 0.49 327 473 70 Me:Cd " Il Il 7.71 218 0.50 415 482 71 Me:Cu " 2.5 Il 7.75 224 0.52 433 480 72 He:Cd x=0.03
Me:Cu x=0.045.0 U90 7.69 252 0.44 397 471 73 He:Cd x=0.07 η Il 7.66 235 0.47 401 477 74 He:Cu x=0.09 0.2 1180 7.85 195 0.46 371 458 75 Me:Cd x=0.12 •ι Il 7.83 181 0.48 396 161 76 He:Cu " 1.8 1170 7.90 187 0,50 439 452 77 Me:Cd " Il ti 7.86 170 0.52 508 458 78 He:Cu " 2.2 Il 7.92 181 0.53 531 450 79 Me:Cd " Il Il 7.90 166 0.54 622 452 80 Me:Cu " Il η 7.93 168 0.55 608 451 81 Me:Cd x=0.06
He:Cu x=0.064.0 1150 7.87 157 0.48 433 447 82 Me:Cd x=0.12 Il Il 7.85 160 0.50 500 443 83 He :Cu ^ ο 8 8; (D H H(OcöEHN •ΡBeispiel 84 85 OG 87 88BezugsprobeMe :Cd x=0.13 Me:Cu " Me:Cd " Me: CuMe % Cd X=O. 019 Me:Cu x=0.013Me:Cd x=0.OHMe :CuMe: CdMe :Cu "Me:Cd x=0.25 Me:Cu x=0.250.5 1120 7.74 154 0.39 405 422 Il Il 7.76 158 0.4 0 397 425 3.4 1110 Ii 143 0.43 526 428 Il Il 7.75 150 0.42 458 422 ti Il 7.77 152 0.45 504 420 0.1 1070 7.65 145 0.36 329 412 Il Il 7.62 151 0.35 353 408 .5.0 1050 7.63 153 0.37 411 403 H Il 7.60 162 0.36 435 400 0.8 1040 7.55 186 0.24 185 321 Il Il 7.53 193 0.22 166 336 TABELLE 6Beispiel 64 , 72 86 Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz
( -40 bis +80 0G )62
ppm/0C58
ppm/0G69
ppm/0CProzentuale Änderung
der Resonanzfrequenz
innerhalb eines Jahres ·+0,18
*+0,20 +0,16 209826/0882
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JP45094277A JPS4927234B1 (de) | 1970-10-28 | 1970-10-28 | |
JP45095160A JPS4927237B1 (de) | 1970-10-30 | 1970-10-30 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE2153527A1 true DE2153527A1 (de) | 1972-06-22 |
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ID=27307436
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712153527 Pending DE2153527A1 (de) | 1970-10-27 | 1971-10-22 |
Country Status (2)
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---|---|
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GB (1) | GB1354012A (de) |
-
1971
- 1971-09-24 GB GB4459271A patent/GB1354012A/en not_active Expired
- 1971-10-22 DE DE19712153527 patent/DE2153527A1/de active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB1354012A (en) | 1974-06-05 |
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