DE2744123C2 - Piezoelektrische Keramik mit minimalem Temperaturkoeffizienten der mechanischen Schwinggüte - Google Patents
Piezoelektrische Keramik mit minimalem Temperaturkoeffizienten der mechanischen SchwinggüteInfo
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Description
schlagenc Weg jedoch den voranstehend angegebenen Erkenntnissen hinsichtlich der morphotropen Phasengrenze
und ihrer Bedeutung zuwiderläuft Der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe entsprechend haben
die Erfinder eine piezoelektrische Keramik mit extrem kleinem Temperaturkoeffizienten der mechanischen
Güte geschaffen, die im Phasendiagramm in erheblichem Abstand von der morphotropen Phasengrenze
und im Bertich tetragonaler Struktur liegt Diese erfindungsgemäße Keramik hat aber nicht nur den oben
hervorgehobenen geringen Temperaturkoeffizienten der mechanischen Güte, sondern sie hat unverändert
den gewünschten, mit dem Stand der Technik bereits erreichten positiven Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz.
Eine erfindungsgemäße piezoelektrische Keramik ist vorteilhafterweise mit technologischen Maßnahmen
herzustellen, deren Parameter relativ weit streuen können. Die Reproduzierbarkeit in der Herstellung einer
erfindungsgemäßen Piezokeramik ist im Gegensatz zu der oben genannten, bisher verwendeten Kornplcxkcramik
entscheidend höher. Auch dieser Umstar.J beruht auf der Auswahl des erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereich
der die morphotrope Phasengrenze des Dreistoffdiagramms absichtlich nicht miteinschließt
Die Herstellung einer wie erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramik erfolgt nach den üblichen technologischen
Verfahrensschritten. Die in der Keramik enthaltenen Substanzen werden als Oxide in den erforderlichen
Mengen eingewogen, miteinander gemahlen und vermischt Das Umsetzen der Mischung zu Zirkonat-Titanat
erfolgt bei 850° bis 10000C über eine Dauer von IV2 bis 2V2 Stunden. Nach einem Mahlen des Umsatzproduktes
erfolgt das Sintern von mit Bindemitteln gepreßten Körpern bei Temperaturen zwischen 1280° und
1320° C ebenfalls 1,5 bis 2,5 Stunden. Bevorzugt sind
Zeitintervalle von jeweils 2 Stunden für das Umsetzen und Sintern. Generell ist zu sagen, daß höhere Umsatzbzw.
Sintertemperaturen kürzere Umsatz- bzw. Sinterzeiten ermöglichen.
Die beiden F i g. 1 und 2 geben einen guten Überblick
über den erreichten Fortschritt. In
F i g. 1 sind die Temperaturkoeffizienten für die Dielektrizitätskonstante
bzw. für die Kapazität mit der Kurve C, für die Resonanzfrequenz mit der Kurve fr und
für die Güte mit der Kurve Qn, übe.· der Temperatur
wiedergegeben, und zwar einer solchen bekannten Keramik, die eingangs der Beschreibung genannt ist
F i g. 2 gibt die entsprechenden Werte der erfindungsgemäßen Keramik an.
Deutlich ist zu erkennen, in welchem großen Maße eine Verbesserung des Temperaturverhaltens der Güte
Q11, erreicht ist.
Lediglich der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen,
daß Veränderungen des Temperaturkoeffizienten für Cund Fr nicht erwünscht sind, was mit der erfindungsgemäßen
Keramik in ausgezeichneter Weise erfüllt ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Piezoelektrische Keramik des Systems Bleizirkonat-Titanat
mit Mangan-Niob-Komplexanteil
gekennzeichnet durch ein Verhältnis a : b zwischen 1 :4 und 1 :6 bei Werten
0,42 <x< 0,44 und
0,075<z<0,125.
0,075<z<0,125.
2. Verfahren zur Herstellung einer Keramik nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Umsetzen
bei Temperaturen zwischen 850° und 10O0°C
über 1,5 bis 2,5 Stunden Dauer und das Sintern bei Temperaturen zwischen 12800C und 13200C über
1,5 bis 2,5 Stunden Dauer durchgeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Keramik, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1
angegeben ist
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, piezoelektrische
Keramik des Systems ßleizirkonattitanat als elektromechanische Wandler in Filter der Fernsprech-Weitverkehrstecfnik
zu verwenden. Für diese Verwendung und in anderen Anwendungsfällen kommt es entscheidend
darauf an, daß nicht nur die Materialkonstanten wie Kopplungsfaktor und mechanische Güte und
gegebenenfalls auch die Dielektrizitätskonstante hohe Werte haben, sondern daß diese Größen auch ein bestimmtes
Temperaturverhalten zeigen. Eine piezoelektrische Keramik der Zusammensetzung
Pb[ZrTi1 -.,-X
40
in der Mangan und Niob in einem Verhältnis von 1 :2 vorliegen, hat bereits relativ zufriedenstellende Werte,
insbesondere einen positiven Temperaturgang der Dielektrizitätskonstanten und der Resonanzfrequenz fr. Insbesondere
der positive Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz ist wichtig, weil er den negativen Temperaturkoeffizienten
kompensiert, der durch andere Materialien hervorgerufen wird, insbesondere durch
das zum Befestigen der Keramik am eigentlichen Schwingkörper des Filters erforderlichen Lotes.
Die piezoelektrische Keramik mit der oben angegebenen Zusammensetzung mit stöchiometrisch ausgeglichenem
Mangan/Niob-Verhältnis hat einen stark negativen Temperaturkoeffizienten der mechanischen Güte,
der das Material in seinem Wert erheblich mindert.
Aus der DE-AS 16 46 815 ist ebenfalls Piezokeramik des Systems Bleizirkonat-Titanat bekannt, wobei das
Titan/Zirkon-Verhältnis den weiten Bereich von 1 :9 bis
1,2 :0,8 haben kann. Zusätzlich enthält die aus dieser Druckschrift bekannte Piezokeramik außer Mangan in
einer sich über zwei Größenordnungen erstreckenden Zugabemenge ebenfalls noch Niob in wiederum sich
über zwei Größenordnungen erstreckender Zugabemenge. Dabei besteht keine eingeschränkte Relation
des Zugabeverhältnisses von Mangan und Niob zueinander. Für diese aus dieser Druckschrift bekannte Keramik
wird das Vorhandensein eines verbesserten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und verbesserte
dielektrische Konstante angegeben, wobei darüber hinaus diese Keramik verbesserte piezoelektrische Charakteristik,
hohe piezoelektrische Güte und ein hohes Koerzitivfeld ohne negative Auswirkung auf den elektromechanischen
Kopplungskoeffizienten hat und außerdem verbesserte Zeitstabilität aufweist Das in der
Druckschrift unter der Probennummer 3B angegebene Ausführungsbeispiel mit Niob- und Manganzugii.be hat
ein Zirkon/Titan-Verhältnis mit mehr Zirkon als Titan
und ein solches Mangan/Niob-Verhältnis, die beide wesentlich verschieden von der noch zu besprechenden, in
engen Grenzen ausgewählten erfindungsgemäßen Keramik sind. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß bei dieser
bekannten Piezokeramik weder der Mangananteil noch der Niobanteil eine Substitutionsfunktion haben,
wie dies bei der eingangs genannten bekannten Keramik und bei der erfindungsgemäßen Keramik der Fail
ist, nämlich wo der Mangan- und Niob-Zugabemenge entsprechend anteilsmäßig sowohl Zirkon als auch Titan
in gegenüber dem Blei verringerter Menge zugegeben ist
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Keramik des oben angegebenen Systems
dahingehend zu verbessern, daß unter Beibehaltung der Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz
und gegebene:!falls auch der Dielektrizitätskonstanten
ein möglichst geringer Temperaturkoeffizient der mechanischen Güte erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen piezoelektrischen Keramik
erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramik hat in dem technisch interessierenden Temperaturbereich
von 0 bis 60° C eine mit Qn, - 2000 nicht nur sehr hohe
Schwinggüte, sondern der Temperaturkoeffizient 4Qm ■ Qm liegt bei bisher nicht erreichten, minimalen
Werten.
Bei der Erfindung ist bewußt von dem stöchiometrischen
Ausgleich im Komplexanteil Niangan-Niob abgewichen worden, wobei auch das Mengenverhältnis dieses
Komplexanteils zum ebenfalls vorhandenen Titan und Zirkon und das Verhältnis χ des Titan zu Zirkon von
Bedeutung sind. Die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramik stellt eine günstige Auswahl aus dem gesamten
Dreistoffdiagramm dar, das aus den drei Komponenten Bleititanat, Bleizirkonat und dem Blei-Mangan-Niob-Komplex
gebildet wird.
Bisher war es durchwegs üblich, solche Zusammensetzung bzw. Mengenverhältnisse der vorgenannten
Komponenten vorzusehen, die Zusammensetzungen ergeben, die im Bereich der morphotropen Phasengrenze
liegen. Die morphotrope Phasengrenze ist im Phasendiagramm der Bleizirkonat-Titanat-Zusammensetzungen
mit unterschiedlich groß bemessenem, jedoch stöchiometrischem Zirkon/Titan-Verhältnis derjenigen linienartige
Bereich, in dem die Kristallform aus der tetragonalen Struktur des Bleititanats in die rhomboedrische
Struktur des Bleizirkonats übergeht. Diesen Grenzbereich hat man seit zwei Jahrzehnten als den Ort
im Phasendiagramm angesehen, in dem allein gute Werte der hier interessierenden Größen zu erreichen wären.
Die Erfinder haben jedoch erkannt, daß außerhalb des Bereiches der morphotropen Phasengrenze, d. h. im
angegebenen Zusammensetzungsbereich, zumindest für spezielle Aufgaben sogar noch bessere und brauchbarere
Werte zu erreichen sind, wobei der von ihnen einge-
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|---|---|---|---|
| DE2744123A DE2744123C2 (de) | 1977-09-30 | 1977-09-30 | Piezoelektrische Keramik mit minimalem Temperaturkoeffizienten der mechanischen Schwinggüte |
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Publications (2)
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|---|---|
| DE2744123A1 DE2744123A1 (de) | 1979-04-12 |
| DE2744123C2 true DE2744123C2 (de) | 1985-01-03 |
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ID=6020361
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| DE2744123A Expired DE2744123C2 (de) | 1977-09-30 | 1977-09-30 | Piezoelektrische Keramik mit minimalem Temperaturkoeffizienten der mechanischen Schwinggüte |
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1977
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