DE2744208C3

DE2744208C3 - Piezokeramik mit extrem niedriger mechanischer Schwinggüte

Info

Publication number: DE2744208C3
Application number: DE2744208A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Phys. 8011 Kirchheim Wersing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE2744208B2; DE2744208A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Keramik, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Keramik des Systems Bleititanal-Zirkonat mit Magnesium- und Wolframzusatz, worin Magnesium und Wolfram in einem Mol-Verhältnis von 1 :1 enthalten lind, ist als piezoelektrisches Material mit u. a. relativ hoher mechanischer Schwinggüte bekannt Es gibt doch Anwendungsfälle, bei denen ansonsten begehrte hohe mechanische Schwinggüte durchaus störend ist, nämlich wenn es sich um die Anwendung piezoelektrischer Keramik für Ultraschall handelt, der in Form sehr kurzer Impulse erzeugt werden soll. Die mechanische Güte des piezoelektrischen Materials geht nämlich direkt in die Werte für die Ein- und Ausschwingzeit eines daraus hergestellten Ultraschall-Wandlers ein. Um ein gewisses kurzes Ein- und Ausschwingen zu erreichen, ist es daher Praxis, den Ultraschall-Schwinger durch Anbringung zusätzlicher mechanischer Dämpfungskörper auf das notwendige Maß zu dämpfen. Dies bringt natürlich zusätzlichen Aufwand mit sich und bedingt außerdem eine Vergrößerung des Wandlers in seinen baulichen Abmessungen.

Insbesondere für Ultraschall-Diagnosegeräte werden Ultraschall-Wandler mit kurzen Ein- und Ausschwingzeiten benötigt, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Frfindung, ein piezoelektrisches Keramikmaterial bereitzustellen, das selbst eine so geringe Schwinggüte, d. h. hohe Eigendämpfung, hat, daß es direkt und ohne zusätzliche Dämpfungsmittel für diesen vorgesehenen Zweck verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer piezoelektrischen Keramik, die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist, erfindungsgemäß in der Weise gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben Ist.

Eine wie erfindungsgemäße piezoelektrische Keramik hat Werte der mechanischen Güte kleiner als 20, die ausreichend kurzzeitiges Ein- und Ausschwingen eines daraus hefgestellten Ultraschall-Wandlers gewährtet stet. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Keramik aber auch noch relativ hohe Werte der Dielektrizitätskonstanten mit 1400 und mehr. Diese Werte der Dielektrizitätskonstanten liegen etwa um den Faktor 5 höher als beispielsweise bei Blei-Niobat PbNb₂O₆, das als Material mit relativ geringer Güte an sich bekannt ist Diese 5fach größere Dielektrizitätskonstante macht es möglich, einen aus dem erfindungsgemäßen Keramikmaterial bestehenden Ultraschall-Wandler direkt mit einer integrierten Halbleiterschaltung entsprechend

ίο niedriger Ansteuerspannung ansteuern zu können.

Vorteilhafterweise hat eine wie erfindungsgemäße piezoelektrische Keramik außerdem die Eigenschaft, daß sie sich ohne besonderen Aufwand, d. h. relativ einfach nach den bekannten Verfahren der Keramiktechnologie, herstellen läßt Als Ausgar.gsmaterialien dienen wie üblich die Oxide des Bleies, Titans und Zirkons sowie des Magnesiums und Wolframs für das Grundsystem, und zwar in den wie abgegebenen Mengenverhältnissen. Die Elemente Neodym und Mangan werden als NdjOj und MnOi in jeweils einer Menge innerhalb der angegebenen Grenzen zugesetzt. Diese Mischung aus Oxiden wird nach ausreichendem Mischen und Mahlen zunächst bei Temperaturen zwischen 800 bis 950⁰C für eine Dauer von 1,5 bis 2,5 Stunden umgesetzt. Das Umsatzpiodukt wird wieder gemahlen, mit Bindemittel versetzt und zu wie gewünschten Formkörpern gepreßt Diese Formkörper werden dann bei Temperaturen von 1200 bis 1250° für die Dauer von 2 bis 3 Stunden gesintert Anstieg und

jo Abfall der Temperatur bis bzw. von der angegebenen Sintertemperatur entsprechen den sich üblicherweise aufgrund der Ofenkonstruktion ergebenden Werten. Für größere Mengen des Keramikmaterials sind sowohl für die Umsetzdauer und die Sinterdauer jeweils die längeren Zeiten zu bevorzugen, damit sämtliche Volumenanteile der Keramik auch tatsächlich ausreichend umgesetzt und gesintert sind.

Mit einer wie erfindungsgemäßen Bleititanatzirkonat-Magnesium-Wolfram-Keramik mit Neodym- und Manganzusatz und mit den Werten x=0.435, 2=0.125, u= 1% und v= 1% erreicht und man Gütewerte zwischen 10 und 20 bei einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 1300 und 1400. Der Umsatz dieser Masse erfolgt bei 850⁰C 2 Stunden lang und die Sinterung wird

•15 bei 1230°C 2 Stunden lang durchgeführt. Ein Ultraschall-Wandler aus einem derartigen Material hat dementsprechend eine Ausschwingzeit, die ihn. und zwar ohne zusätzliche Dämpfungsmittel, für Ultraschall-Impulsflanken von 100 ns geeignet macht.

Zum Vergleich mit den voransteh :nd angegebenen Werten einer erfindungsgemäßen Keramik geben die nachfolgenden Beispiele mit Zugabe von entweder nur Neodymoxid ider nur Manganoxid den mit der Erfindung im Rahmen der Aufgabenstellung erreichten technischen Fortschritt an. Für eine Keramik Pb

[Tio4iiZro4is(Mgi,jWi 2)on]Oi + 2 Mol-% NdO₁₅

ergibt sich ein Gütewert von 100 bei einer Dielektrizitätskonstanten von 2000. Bei einer Keramik

Pb,««[Tio465Zro4s(Mg₁-2W„₂)₍,_s,]0, + 3.8 Mol-% MnO₂

ergibt sich ein Gütewert Von 700 bei einer Dielektrizitätskonstanten Von 1000 und bei einer Keramik

Pb[Tioj9Zro.48(Mgi/2Wi/2)o.i3p3 4-3.8 MoU% MnO₂

ergibt sich ein Gütewert Von 500 bei einer Dielektrizl· tätskönstänten von 1600.
Diese Beispiele zeigen, daß Neodymgehalt zwar

bereits relativ niedrigen Gütewert ergibt, daß aber überraschenderweise bei der Erfindung mit zusätzlicher Zugabe von Mangan noch erheblich niedrigere Gütewerte von 10 bis 20 gemäß der Erfindung erreicht werden, obwohl Manganzugabe für sich genommen gerade ausgesprochen hohe Gütewerte erreichen läßt.

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrische Keramik des Systems
Pb[Ti₁ -,-ZZr₁(Mg₁Z₃Ww)JO₃,

dotiert mit Zugabeelemeuten, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Zusammensetzung mit

0,42 <x< 0,46 und
0,07 <z< 0,15

das eine Zugabeelement Nd mit u=(0,5 bis 2)MoI-% auf der Basis des NdjO3 und das andere Zugabeelement Mn mit v=(0,5 bis 2)Mol-% auf der Basis des MnO₂ISL

2. Verfahren zur Herstellung einer Keramik nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Umsatz bei 800 bis 950⁰C, 1,5 bis 2,5 Stunden erfolgt und das Sintern bei Temperaturen zwischen 1200 bis 1250⁰C für 2 bis 3 Stunden durchgeführt wird.

3. Anwendung einer Keramik nach Anspruch 1 als piezoelektrisches Material eines Ultraschall-Schwingers für ein Impuls-Ultraschallgerät