DE2603639A1

DE2603639A1 - Piezoelectric ferroelectric transducer prodn. - first connects ferroelectric disc to plate shaped support and uses subsequent polarisation

Info

Publication number: DE2603639A1
Application number: DE19762603639
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Boehme
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-01-30
Filing date: 1976-01-30
Publication date: 1977-08-04

Abstract

During the production of the piezoelectric transducer a disc-shaped, ferroelectric element is connected to a support diaphragm or plate, in order to form a laminated plate unit. First the connection between the support and the ferroelectric element is carried out, after which the element is subjected to polarisation. The surfaces of the laminated plate, parallel to the main plane of the ferroelectric element are exposed to a pressure of a clamp with flet clamping surfaces during the effective period of the polarising direct field. Preferably the polarisation and the measuring of the transducer electroacoustic characteristics are carried out in a closed control procedure.

Description

Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer WandlerMethod of manufacturing piezoelectric transducers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung piezoelektrischer Wandler, bei denen ein scheibenförmiger ferroelektrischer Körper mit einem als Membran oder Platte ausgebildeten Trägerkörper eine Verbundplatte bildet.The invention relates to a method for producing piezoelectric Converter in which a disk-shaped ferroelectric body with a membrane or plate formed carrier body forms a composite plate.

Um einem ferroelektrischen Körper piezoelektrische Eigenschaften zu verleihen, muß er aktiviert werden. Diese Aktivierung oder Polarisierung erfolgt in einem elektrischen Geichfeld, das die in dem Körper vorhandenen Bezirke spontaner Polarisation ausrichtet. Normalerweise ist die spontane Polarisation der einzelnen Bezirke innerhalb eines ferroelektrischen Stoffes auf verschiedene Raumrichtungen verteilt, so daß sich kein nach aussen wirkender piezoelektrischer Effekt zeigt. Infolge der Hystereseeigenschaft des ferroelektrischen Materials bleibt nach dem Verschwinden des aktivierenden Gleichfeldes eine resultierende remanente Polarisation zurück. Die elektrischen Größen und die mit diesen verkoppelten elektromechanischen Größen insbesondere der elektromechanische Kopplungsfaktor hängen von dem Wert der remanenten Polarisation ab, die selbst wiederum eine Funktion der Feldstärke des polarisierenden G-leichfeldes, seiner Einwirkungsdauer sowie der Temperatur ist, bei der die Polarisierung stattfindet.To give a ferroelectric body piezoelectric properties lend, it must be activated. This activation or polarization occurs in an electric field that makes the areas in the body more spontaneous Aligns polarization. Usually the spontaneous polarization is the individual Districts within a ferroelectric substance in different spatial directions distributed so that there is no outwardly acting piezoelectric effect. Due to the hysteresis property of the ferroelectric material, after Disappearance of the activating constant field, a resulting remanent polarization return. The electrical quantities and the electromechanical ones coupled with them Quantities, in particular the electromechanical coupling factor, depend on the value of the remanent polarization, which in turn is a function of the field strength of the polarizing constant field, its duration of action and the temperature, at which the polarization takes place.

Es ist bekannt, die zur Herstellung piezoelektrischer Wandler verwendeten scheibenförmigen ferroelektrischen Körper in einem Ölbad zu polarisieren. Sie sind hierbei mit den auf ihren beiden zur Scheibenebene parallelen Scheibenflächen aufgebrachten Elektroden zwischen zwei Kontaktstiften eingespar#nt, die mit der Polarisierspannung verbunden sind. Das Ölbad dient einerseits als wärmeleitendes Medium, durch das der ferroelektrische Körper auf die angestrebte Temperatur gebracht werden soll, andererseits soll das öl als Isolierstoff wirken und die Gefahr von Spannungsüberschlägen herabsetzen.It is known that those used to manufacture piezoelectric transducers polarize disk-shaped ferroelectric body in an oil bath. they are here with the disk surfaces applied to their two parallel to the disk plane Electrodes saved between two contact pins, those with the polarizing voltage are connected. On the one hand, the oil bath serves as a heat-conducting medium through which the ferroelectric Body brought to the desired temperature on the other hand, the oil should act as an insulating material and reduce the risk of Reduce voltage flashovers.

Nach dem Polarisieren müssen die ferroelektrischen Körper sorgfältig, z.B. in einem Ultraschallbad, gereinigt werden, damit die Klebeverbindung zwischen ihm und dem Trägerkörper nicht durch Ölreste beeinträchtigt wird.After polarization, the ferroelectric bodies must be carefully e.g. in an ultrasonic bath, so that the adhesive bond between it and the carrier body is not affected by oil residues.

Die Verbindung zwischen dem Trägerkörper und dem ferroelektrischen Körper wird außerdem dadurch erschwert, daß letzterer durch den Polarisiervorgang verwölbt wird. Um dennoch hinreichend gute Verbindungen zu erzielen, müssen die ferroelektrischen Körper vor dem Aufkleben auf die Trägerplatte "glattgebügels" werden.The connection between the carrier body and the ferroelectric Body is also made more difficult by the fact that the latter is caused by the polarization process becomes arched. In order to still achieve sufficiently good connections, the ferroelectric body "smoothly ironed" before being glued to the carrier plate will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine einfachere und dauerhaftere Verbindung zwischen dem ferroelektrischen Körper und dem Trägerkörper ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst die Verbindung zwischen dem Trägerkörper und dem ferroelektrischen Körper hergestellt und letzterer in einem späteren Verfahrensschritt polarisiert wird.The invention is based on the object of a method of the above mentioned type to indicate that a simpler and more permanent connection between allows the ferroelectric body and the carrier body. This task will solved in that first the connection between the carrier body and the ferroelectric Body produced and the latter polarized in a later process step will.

Dieses Vorgehen bringt eine Reihe wichtiger Vorteile mit sich: Ferroelektrische Körper, die nicht polarisiert sind, lassen sich wesentlich einfacher und auch dauerhafter mit dem Trägerkörper verbinden, da sie keine Oberflächenladungen besitzen, welche Staubpartikel elektrostatisch anziehen oder den Klebvorgang selbst beeinträchtigen. Außerdem ist es möglich, die Verbindung durch Heißkleben oder Löten herzustellen, da keine Grenztemperaturen (Curie-Punkt) berücksichtigt werden müssen. Außerdem zeigt es sich, daß bei nachträglicher Polarisierung mechanische Verspannungen, die bei der Verbindungsherstellung auftreten, abgebaut werden. Der Qualität der Klebe- oder Lötverbindung zwischen dem ferroelektrischen Körper und dem Trägerkörper kommt deshalb eine überaus große Bedeutung zu, weil die Deformationen des piezoelektrischen Körpers durch Schubkräfte auf den Trägerkörper übertragen werden bzw. umgekehrt. Es leuchtet sein, daß diese Kräfte um so besser übertragen werden können und daß die Lebensdauer des Wandlerelementes um so größer ist, Je besser die Qualität der Verbindung zwischen dem ferroelektrischen Körper und dem Trägerkörper ist. Da die aus dem ferroelektrischen Körper und dem Trägerkörper gebildete Verbundplatte während der nachträglichen Polarisation stark beansprucht wird, kann der Polarisationsvorgang gleichzeitig als Test für die Qualität der Klebe- bzw. Lötverbindung dienen.This approach has a number of important advantages: Ferroelectric Bodies that are not polarized can be made much easier and also more durable connect to the carrier body, since they have no surface charges, which Electrostatically attract dust particles or impair the gluing process itself. It is also possible to make the connection by hot glueing or soldering, since no limit temperatures (Curie point) have to be taken into account. aside from that it turns out that with subsequent polarization mechanical tensions, the occur when establishing the connection. The quality of the adhesive or soldered connection between the ferroelectric body and the carrier body comes therefore of great importance because the deformations of the piezoelectric Body are transferred to the carrier body by shear forces or vice versa. It is evident that these forces can be transferred all the better and that the life of the transducer element, the greater the quality of the Connection between the ferroelectric body and the carrier body is. Since the composite plate formed from the ferroelectric body and the carrier body during the subsequent polarization is heavily stressed, the polarization process at the same time serve as a test for the quality of the adhesive or soldered connection.

Falls die Formfestigkeit des Trägerkörpers so gering ist, daß durch den Polarisationsvorgang bleibende Verformungen zu erwarten sind, wird in Weiterbildung der Erfindung vergeschlagen, daß die zur Hauptebene des ferroelektrischen Körpers parallelen Flächen der aus diesem und dem Trägerkörper bestehenden Verbundplatte während der Einwirkungszeit des polarisierenden Gleichfeldes einem von einer mit ebenen Spannflächen versehenen Einspannvorrichtung ausgeübten Flächendruck ausgesetzt werden.If the dimensional stability of the carrier body is so low that by The polarization process permanent deformations are to be expected, is in further development The invention failed that the main plane of the ferroelectric body parallel surfaces of the composite panel consisting of this and the carrier body during the exposure time of the polarizing constant field one of one with flat clamping surfaces provided clamping device exposed to surface pressure will.

Dieser Flächendruck bewirkt einerseits, daß der#vor der Polarisierung vorhandene Verwölbungen beseitigt oder zumindest reduziert werden, weil der ferroelektrische Körper unter dem Einfluß des polarisierenden Gleichfeldes vorübergehend mechanische Eigenschaften besitzt, die in gewissem Umfang seine plastische Verformung ermöglichen. Andererseits werden durch den Flächendruck Verwölbungen vermieden, die bei bekannten Polarisierungsverfahren während der Aktivierung auftreten können.This surface pressure has the effect, on the one hand, that the # is in front of the polarization existing warping can be eliminated or at least reduced because of the ferroelectric Bodies temporarily mechanical under the influence of the polarizing constant field Has properties that allow its plastic deformation to a certain extent. On the other hand, the surface pressure avoids warping, which is the case with known ones Polarization processes can occur during activation.

Die elektromechanischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Wandlers sind nicht allein. eine Funktion des Polarisationsgrades des ferroelektrischen Körpers, sie hängen darüber hinaus von den Eigenschaften des individuellen Trägerkörpers und von der Art der Verbindung zwischen beiden Körpern ab. Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht deshalb eine besser gezielte Fertigung von Wandlerelementen mit vorbestimmten elektroakustischen Eigenschaften beispielsweise mit vorbestimmter Empfind- lichkeit. Eine entsprechende Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierung und die Messung der interessierenden elektroakustischen Eigenschaften des Wandlers Bestandteile eines geschlossenen Regelvorganges sind.The electromechanical properties of a piezoelectric transducer are not alone. a function of the degree of polarization of the ferroelectric body, they also depend on the properties of the individual wearer and on the type of connection between the two bodies. The procedure according to the The invention therefore enables a more targeted production of transducer elements with predetermined electroacoustic properties, for example with predetermined Sensation opportunity. A corresponding development of the invention is characterized in that the polarization and the measurement of the interest Electroacoustic properties of the transducer Components of a closed control process are.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird ein scheibenförmiger ferroelektrischer Körper mit kreisförmiger Kontur, auf dessen parallele Scheibenflächen vorzugsweise in einem Siebdruckverfahren metallische Elektroden aufgebracht sind, in unpolarisiertem Zustand durch Kleben oder Löten mit einem als kreisrunde Aluminiumplatte ausgebildeten Trägerkörper verbunden. Nach dem Kleben bzw. Löten wird die aus den beiden Körpern gebildete Verbundplatte in eine mit ebenen Spannflächen versehenen Einspannvorrichtung eingebracht und einem Flächendruck ausgesetzt. Während dieser Einspannung findet der Polarisationsvorgang statt. Dabei beträgt die Feldstärke des polarisierenden Gleichfeldes etwa 30 kV/cm. Der Flächendruck kann während der Polarisierung verändert, insbesondere gesteigert werden. Der während der Einwirkungszeit des polarisierenden Gleichfeldes auf die Verbundplatte ausgeübte Flächendruck beträgt beispielsweise etwa 7000 Pa.In a preferred embodiment of the method according to Invention is a disk-shaped ferroelectric body with a circular contour, metallic on its parallel disk surfaces, preferably in a screen printing process Electrodes are applied in the unpolarized state by gluing or soldering connected to a support body designed as a circular aluminum plate. To the bonding or soldering, the composite panel formed from the two bodies is in introduced a clamping device provided with flat clamping surfaces and a Exposed to surface pressure. The polarization process takes place during this restraint instead of. The field strength of the polarizing constant field is about 30 kV / cm. The surface pressure can be changed, in particular increased, during the polarization will. The during the time the polarizing constant field acts on the The surface pressure exerted on the composite panel is, for example, about 7000 Pa.

3 Patentansprüche3 claims

Claims

P a t e n t a n sp r ii c h e 1.) Process for the production of piezoelectric sensors Converter in which a disk-shaped ferroelectric body with a membrane or plate formed carrier body forms a composite plate, d u r c h it is not stated that initially the connection between the carrier body and the ferroelectric body and the latter in a later process step being polarized.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the surfaces parallel to the main plane of the ferroelectric body of the composite panel during the time of action of the polarizing constant field surface pressure exerted by a clamping device provided with flat clamping surfaces get abandoned.

3. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e -k e n n z E i c h e t that polarizing and measuring electroacoustic of interest Properties of the piezoelectric transducer Components of a closed control process are.