DE2538408A1

DE2538408A1 - Piezoelektrische keramik

Info

Publication number: DE2538408A1
Application number: DE19752538408
Authority: DE
Inventors: Walter Christoffers; Helmut Hanisch; Hermann Dipl Ing Dr Schichl
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1975-08-29
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1977-03-10
Also published as: GB1523078A; IT1065218B; DE2538408C2

Description

STANDARD ELEKTRlK LORfMZ AG 253840B

Stuttgart

H.Schichl-H.Hanisch-W.Chrrstoffers 1-1-1

Piezoelektrische Keramik

Die Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Keramik bestehend aus einer festen Lösung mehrerer Komponenten. Solche piezoelektrische Keramik ist z.B. aus den DT-OS 1 790 146, 1 922 205, 2-040 573, 2 121 138 und 2 311 215 bekannt. Die Bestandteile werden gemäß üblichen Keramikarbeitsverfahren zur Keramik gesintert oder heiß gepreßt und danach durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen Elektroden polarisiert, um ihnen die piezoelektrischen Eigenschaffen zu verleihen.

Solche piezoelektrische Keramik ist in den letzten Jahren vielfach für Schwingungswandler wie z.B. für Mikrophone, für Abtasfsysteme von Plattenspielern, als Wandler für mechanische Filter und als Ultraschallgeber, aber auch als Substrat für Oberflächenwellenelemente wie auch als Zündelemenfe bei Feuerzeugen und Gasanzündern eingesetzt worden.

Je nach Einsatzgebiet müssen die erforderlichen piezoelektrischen Eigenschaften variieren. So werden für die Schwingungswandler Materialien mit geringem Temperaturkoeffizienfen, hoher Dielektrizitätskonstante und hohem Koppelfaktor sowie hoher Schwinggüte und Langzeitkonstanz benötigt. Für den Einsatz bei Ultraschallgebern ist eine besonders hohe Dielektrizitätskonstante sowie Ladungskonstante bei hohem Koppeifaktor erwünscht. Bei Verwendung dieser piezoelektrischen Keramik als Substrat für Oberflächenwellenelemente wird eine möglichst kleine Dielektrizitätskonstante bei gutem Koppelfakfor und hoher Langzeitkonstanz benötigt.

CS/P-Dr.Le/Bre
21.8.1975

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Die bekannten piezoelektrischen Keramiken zeigen große Streuungen ihrer dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften, was auf Verdampfen von PbO beim Brennen und auf die Porigkeit zurückzuführen ist. Die bereits erwähnte DT-OS 1 922 265 stellt sich deshalb die Aufgabe, wenigstens eines der sich hierdurch ergebenden Probleme auszuschalten.

Die vorliegende Erfindung stellt sich nun zur Aufgabe neuartige piezoelektrische Keramiken anzugeben, bei denen infolge der Zusammensetzung und der angewandten Fertigungstechnik die PbO Verdampfung und die Porigkeit so niedrig und gleichmäßig gehalten werden kann, daß sich nur noch vernachlässigbare Unterschiede zwischen zu verschiedenen Zeiten hergestellten Chargen gleicher Zusammensetzung ergeben. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, für diese Keramiken anzugeben, wie Zusammensetzungen mit bestimmten Eigenschaffen verschiedenen Anwendungszwecken zugeordnet werden können. Die Lösung dieser Aufgaben ist den Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung soll nun an Hand der Tabellen eingehend beschrieben werden. Es zeigen dabei die Tabellen 1 und 2 die Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik nach Anspruch 1 und die Tabellen 3 und 4 nach Anspruch 2. Die beiden Keramiken nach Anspruch 1 und 2 unterscheiden sich dabei in ihrer Zusammensetzung nur dadurch, daß bei der Keramik nach Anspruch 2 der Zinkanteil durch Nickel ersetzt wurde.

Eine Keramikfertigung läuft üblicherweise in folgenden Schritten ab: Einwaage, erster Mahlprozeß, Kalzinieren, zweiter Mahlprozeß, Pressen, Sintern an Luft, mechanisches Bearbeiten. Auf diese Art hergestellte Piezokeramik weist eine Porigkeit von etwa 3,5% und mehr auf, die nicht verringert werden kann. Die Poren können dabei bis zu 20 um Durchmesser aufweisen und sind nicht über den ganzen Keramikblock völlig gleichmäßig verteilt, sodaß bei seiner Teilung zwischen den einzelnen Stücken Schwankungen in der Porigkeit von 1% und mehr

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auftreten können. Auch ein Heißpressen des Materials führt dabei nicht zu den gewünschten Ergebnissen. Die DT-OS 2 311 216 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung porenfreier Keramik, bei dem das Material vorher bei Raumtemperatur gepreßt, darauf zunächst bis maximal zur halben Sinterzeit bei vermindertem Druck und danach bei Normaldruck \n oxidierender Atmosphäre gesintert wird. Dieses Fertigungsverfahren wird nun auch bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramik angewendet und führt auch hier zu genügend feinporigen und gleichmäßigen Chargen.

Während es sich bei den bekannten piezoelektrischen Keramiken in der meisten Fällen um eine feste Lösung pseudo-ternärer Zusammensetzung handelt, weist die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramik eine pseudo-quaternäre Zusammensetzung auf. Den Tabellen 1 und 3 ist dabei jeweils die Zusammensetzung der untersuchten Zusammensetzungen zu entnehmen. Die Tabellen 2 und 4 geben dann die Eigenschaften der einzelnen an. Es bedeutet hierin:

k_ol den Kopplungsfaktorder Längsschwingung senkrecht zur Polarrsationsrichtung

k«o den Kopplungsfaktorder Längsschwingung in Polarisationsrichtung

k den Kopplungsfaktor der Radialschwingung einer kreisförmigen Scheibe

Q die Schwinggüte

£__ die Permittivitätszahl in Polarisationsrichtung

TKc₃₃ den Temperaturkoeffizienten der Permittivitätszahl in Polarisationsrichtung

im Bereich zwischen 20 und 80 C.

tan ο den Verlustfaktor

N die Schallausbreirungsgeschwindigkeit

Tk. den Temperaturkoeffizienten der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im

Bereich zwischen 20 und 80°C.

d₃₃ die piezoelektrische Ladungskonstante in Polarisationsrichtung

g„„ die piezoelektrische Spannungskonstante in Polarisationsrichtung

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In der letzten Spalte der Tabellen 2 und 4 sind die Einsatzmöglichkeiten der verschiedenen Zusammensetzungen angegeben. Hierbei bedeutet:

A: Eignung für Verbundwandler für elektromechanische Filter B: Eignung für Ultraschallgeber

C: Eignung als Zündelemente für Gasanzünder und Feuerzeuge D: Eignung als Substrat für Oberflächenwellenelemente.

Die erfindungsgemäß piezoelektrische Keramik weist nicht nur eine geringe Porenbildung und eine gleichmäßige Verteilung der Eigenschaften über die ganze Fertigungscharge auf, wenn man von einer sehr dünnen Oberflächenschicht absieht, die bei der Weiterverarbeitung durch Schleifen sowieso abgetragen wird, sondern es hat sich auch ergeben, daß einzelne zu unterschiedlichen Zeiten hergestellte Chargen gleicher Zusammensetzung auch für einen zweckmäßigen technischen Einsatz hinreichend kleine Streuungen der Daten aufweisen, was ja bisher bei den meisten bekannten piezoelektrischen Keramiken nicht der Fall war.

Bermerkenswert ist ferner, daß durch die Variation nur zweier Komponenten gegeneinander, und zwar von PbTiO„ und PbZrCX, ein ganzes Spektrum von piezoelektrischen Keramiken unterschiedlicher Werte gewonnen wird, aus dem sich für jeden denkbaren Anwendungszweck ein geeignetes Material herausfinden läßt. Man vergleiche hierzu die letzte Spalte: "Anwendungen" in den Tabellen 2 und So eignen sich-die Proben 11. ..20 in Tabelle 2 und 9. ..12 in Tabelle 4 für den Einsatz als Schwingungswandler für elektromechanische Riter, denn sie weisen außer hohen Koppelfaktoren und hoher Permittivitätszahl geringe Temperaturkoeffizienten auf. Die Proben 7. ..9 der Tabelle 2 und die Probe 6 in Tabelle 4 weisen für den Einsatz als Ultraschallgeberund Empfänger außer einem hohen Koppelfaktor und einer hohen Permittivitätszahl auch eine hohe piezoelektrische Ladungskonstante in Polarisationsrichtung auf. Die Proben 1,3 und 6 in Tabelle 2 sowie 5 und 6 in Tabelle 4 sind als Zündelemente für Feuerzeuge und Gasanzünder

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geeignet. Sie weisen außer einer hohen piezoelektrischen Ladungs- und Spannungskonstante in Polarisationsrichtung auch eine hohe Langzeitkonstanz dieser Eigenschaften bei Stoßbeanspruchung auf. Schließlich lassen sich die Proben 1...5 in Tabelle 2 als Substrat für Oberfl ächenwellenelemente verwenden, denn sie weisen außer einem guten Koppel faktor und einer guten Langzeitkonstanz, einen geringen Temperaturkoeffizienten und eine kleine Permittivitätszahl auf.

7 Patentansprüche 4 Tabellen

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1	6	18	40	43	0,50	8,060
2	5	18	41	47	0,50	8,040
3	5	15	42	45	0,50	8,030
4	4	15	42	50	0,50	8,063
5	5	12	42	63	0,50	8,068
6	5	15	43	40	I₇OO	8,056
7	5	15	43	39	1,50	8,042
8	5	15	43	38	0,25	8,037
9	5	15	43	38	0,50	8,065
10	5	15	44	38	0,75	8,073
11	5	15	44	37	1,00	8,025
12	5	15	44	37	0,25	8,046
13	5	15	44	37	0,50	8,063
14	5	15	45	37	0,75	8,061
15	5	15	46	36	1,00	8,043
16	5	15	36	0,50	8,018
17	5	15	36	0,50	8,028
18	5	15	36		8,067
19	5	15	35
20	15	34

21 5 15 47 33 0,50 8,087

TABELLE 1

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Nr. 1	10	10	50	30	1/0	8,030
2	5	15	50	30	1/5	8,040
3	5	15	50	30	0,5	8,040
4	5	15	40	40	0,5	8,000
5	5	15	41	39	0,5	8,015
6	5	15	42	38	1/0	8,020
7	5	15	42	38	1/5	8,020
8	5	15	42	38	0,5	8,010
9	5	15	43	37	0,5	8,040
10	5	15	44	36	0,5	7,990
11	5	15	45	35	0,5	8,000
12		46	34	0,5	8,040
13		47	33	8,050

TABELLE 3

H.Schichl-H.Hanisch-W.Christoffers l-l-l

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	1	20,5	40,2	1950	810	2,45
	2	19,5	37,4	2050	740	2,35
	3	30,0	59,0	360	1000	6,00	1670		197	22,3
	4	33,2	66,1	600	1300	5_f5	1660	-250	270	23,5
	5	35,5	70,2	550	1670	3,50	1630	-200	347	23,5	C
	6	33,8	67,2	1350	1460	5,49	1670	-120	294	22,7	B,C
	7	32,6	65,0	1450	1090	9,20	1720	-216	234	24,2	C
	8	28,8	56,9	530	1580	2,50	1680	-500			C
	9	26,5	53,0	630	1420	2,30	1730	+ 64			A
	10	24,3	48,3	670	1230	2,40	1780	60			A
O	11	23,8	47,4	1300	1100	2,40	1800	+ 16			A
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TABELLE 4

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Claims

Patentansprüche

3. Piezoelektrische Keramik nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Vakuumsintern der Ausgangsstoffe erhalten wird.

4. Piezoelektrische Keramik nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch

die Verwendung von Zusammensetzungen (A) mit geringem Temperaturkoeffizienten hoher Dielektrizitätskonstante und Koppelfaktor, sowie hoher Schwinggüte und Langzeitkonstanz der Werte als Schwingungswandler für elektromechanische Filter.

5. Piezoelektrische Keramik nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch

die Verwendung von Zusammensetzungen (B) mit besonders hoher Dielektrizitäts- und Ladungskonstante, sowie hohem Koppelfaktor für Ultraschal !geber und Empfänger.

6. Piezoelektrische Keramik nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch

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die Verwendung von Zusammensetzungen (C) mit hoher Ladungs- und Spannungskonstante, sowie hoher Langzeitkonstanz dieser Eigenschaften bei Stoßbeanspruchung für Zündelemente von Feuerzeugen und Gasanzündern.

7. Piezoelektrische Keramik nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch die Verwendung von Zusammensetzungen (D) mit möglichst kleiner Dielektrizitätskonstante bei geringem Temperaturkoeffizienten, gutem Koppelfaktor und Langzeitkonstanz der Werte für Oberflächenwellenelemente.

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