DE643688C - Verfahren zur Erzeugung piezoelektrischer Kristalle aus Saatkristallen - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung piezoelektrischer Kristalle aus Saatkristallen

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DE643688C
DE643688C DEB159678D DEB0159678D DE643688C DE 643688 C DE643688 C DE 643688C DE B159678 D DEB159678 D DE B159678D DE B0159678 D DEB0159678 D DE B0159678D DE 643688 C DE643688 C DE 643688C
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    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

  • Verfahren zur Erzeugung piezoelektrischer Kristalle aus Saatkristallen Es ist bekannt, Kristalle in der Weise herzustellen, daß die Kristallösung, in der die Saat- oder Impfkristalle wachsen sollen, in eine Schaukelbewegung versetzt wird, um insbesondere die Zeitdauer des Wachstums der Kristalle abzukürzen. Ferner hat man, um Kristalle mit hoher piezoelektrischer Fähigkeit zu erhalten, in die Kristallösung spitzdach- oder kuppelförmig gestaltete Untersätze hineingestellt, die man bei Verwendung größerer Kristallisationsgefäße noch mit das Wachstum der Kristalle begrenzenden Seitenwänden versehen hat. Diese Untersätze, deren Scheitelpunkt in einem gewünschten Abstande unter dem Spiegel der Kristallösung liegt, bezwecken, flache oder breite Kristalle zu gewinnen, da der Spiegel der Kristallösung dem Wachstum der Kristalle in der Höhe eine Grenze setzt. Ein anderer Vorschlag, um das Schneiden gewünschter Kristallplatten aus Vollkristallen zu vermeiden, besteht darin, daß die Saatkristalle, die aus einem vollständigen Kristall in einer bestimmten Lage in bezug auf seine elektrischen Achsen geschnitten sind, in die Kristalllösung zwischen zwei Glasplatten in einem der gewünschten Dicke der sich bildenden Kristallplatten entsprechenden Abstande zu-#inander und mit derjenigen Achsenorientierung eingelegt werden, die ihrer früheren Lage vor dem Ausschneiden aus dem vollständigen Kristall entgpricht, so daß jeder ausgewachsene Kristall derjenigen Kristallplatte gleicht oder ähnelt, die aus einem vollständigen Kristall in einer gewünschtenWeise geschnitten worden wäre.
  • Die Erfindung bezweckt, piezoelektrische Kristalle von gewünschter Gestalt, d. h. mit bestimmter Ausdehnung mit Bezug auf die Richtung der Kristallachsen, herzustellen, aber unter Zunutzemachung der Bewegung der Kristallösung zur Abkürzung der Zeitdauer des Wachstums der Kristalle. Dieses neue Verfahren besteht darin, daß die Saatkristalle in den Behälter, in welchem die Kristallösung eine Schaukelbewegung ausführt, zu dieser in bestimmter Lage mit Bezug auf ihre Kristallachsen einzeln eingelegt werden und diese Lage während ihres Wachstums bis zur gewünschten Größe beibehalten. Erfindungsgemäß kann das Wachstum der Kristalle in derjenigen Achse, in der es bevorzugt erfolgen soll, dadurch beschleunigt werden, daß die Geschwindigkeit der Schaukelbewegung der Kristallösung in der betreffenden Achsrichtung vergrößert wird. Diese Wachstumsbeschleunigung kann weiter dadurch gesteigert werden, daß mit zunehmender Größe der Kristalle die die Geschwindigkeit der Kristallisation bestimmenden Einflüsse, wie Temperaturabfall, Verdampfung oder Verdunstung u. dgl., bei der Kristallherstellung zur Wirkung gebracht werden.
  • Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung bildet die Erkenntnis, daß große und klare Kristalle schneller hergestellt werden können, wenn die Salzlösung nicht neutral ist, sondern ihr eine bestimmte Wasserstoff- Ionen-Konzentration durch Zusatz einer geeigneten Säure oder Base gegeben wird. Es ist jedoch 'Voraussetzung, daß die Wasserstoff-Ionen-Konzentration nicht so stark ist" daß das in Frage kommende Salz in Lösung ausfällt. Für eine ergiebige wirkungsvolle Herstellung klarer Rochelle-Salz-Kristalle eignen sich besonders als Zusatz Natronlauge oder Kalilauge. ZurFörderung des Wachstums der Kristalle empfiehlt es dich, einZehntelNormallösung vonNatron-oder Kalilauge zuzusetzen.
  • In Abb. i ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in einer Schnittansicht darg.-stellt.
  • Die Abb. 2 bis 4 zeigen Grundrisse der mit der Vorrichtung nach Abb. i erzeugten Kristalle, wobei ihre Neben- oder B-Achse in Richtung der Bewegung der L,5-sung lag.
  • Abb. #5 zeigt einen Grundriß eines Kristalls, dessen Haupt- oder C-Achse in der Bewegungsrichtung der Lösung lag.
  • Die Abb. 6 und 1 zeigen zwei weitere nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Kristalltypen.
  • Abb. 8 stellt das Schaltbild des Heizelementes mit einem Bimetall-Thermostaten dar. In Abb. i sind mit i zwei 5,chalen bezeichnet, die eine Kristall-Salzlösung 2 enthalten, in der die Kristalle 3 eingelegt sind, die z. B. aus den Saatkristallen 3a (Abb. 2 und 3) gewachsen sind. jede Schale ist init einem geeigneten, vorzugsweise durchsichtigen Deckel 4, z. B. einer Glasplatte, abgedeckt, die auf einem zweckmäßig ausgebildeten Rand 5 und einer Schwamingummi-Zwischenlage ruht, so daß die Schalen praktisch, luftdicht abgeschlossen sind. Beide Glasdeckel können noch durch geeignete Mittel, z. B. durch Gewichte 6, auf den Rand,5 der Schalen fest aufgedrückt werden. Die Schalen ruhen auf Winkeleisen7, die ihrerseits auf dem Boden eines mit einem wärmeschützenden Stoff innen ausgekleideten Kastens 8 mittels Stützen 9 befestigt sind, so daß die Heiz- und Temperaturregeleinrichtung unter den Schalen i angeordnet werden kann. Der Deckel io des Kastens 8 ist mit zwei über den Schalen i liegenden Beobachtungsfenstern i i versehen und leicht abnehmbar, uin zu den Schalen i zu gelangen. Zur Heizung der Schalen ist unter ihnen im Kasten 8 ein elektrischer Widerstand 12 angeordnet, und ein Thermostat 13 dient zur selbsttätigen Regehing der Heiztemperatur, die an einem Thermometer 14 abgelesen werden kann. Zur Handregelung des Heizwiderstandes ist seitlich am Kasten 8 ein Knopf 15 sichtbar, bei dessen Drehung durch eine Stange 16 der Thermostat 13 auf die von ihm züi regelnde gewünschte Solltemperatur eingestellt werden kann.
  • Der Kasten 8 ruht auf einer Platte 17, die mittels eines Lagerteiles ig um einen Zapfen i# schwenkbar ist. Durch eine Stange 20 und Siützarrne 21, an denen die Kastenplatte 17 `fiefestigt ist, wird der Kasten 8 mittels eines ExzenterS 22 durch einen Motor 23 über ein Schneckengetriebe 24 in eine schaukelnde Bewegung versetzt.
  • Um Kristalle nach dein Verfahren der Erfindung mit der in Abb. i dargestellten Vorrichtung herzustellen, ist in folgender Weise zu verfahren.
  • Der Schaukelbehälter bzw. Ofen 8, der die sorgfältig gereinigten und zugedeckten Schalen enthält, wird zuerst auf eine gegebene Temperatur, beispielsweise 35' C, erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten, bis die Wärmeverhältnisse in ihm konstant geworden sind. Eine filtrierte Rochelle-Salz-Lösung, ,v%-elche alkalisch ist entsprechend ungefähr o,i Normal-Kali- oder Natronlauge und welche genügend Rochelle-Salz enthält, um bei 35' leicht übersättigt zu sein, wird auf etwa 5o bis 55' C erhitzt und dann in die Schalen i gegossen. Durch Öffnen des Schatikelbehälters und Abstellung der Heizung ].-ißt man diese Lösung zunächst langsam abkühlen.
  • Es ist zweckmäßig, die Lösung bei einer über dein Sättigungswert liegenden Temperatur in die Schalen zu gießen zwecks Vermeidung der Bildung von parasitären Kristallen. Solche Kristalle bilden sich bei dem Umgießen der Lösung beispielsweise infolge auf die Oberflache der Lösung fallender Staubteilchen. Diese werden infolge der hohen Temperatur sofort aufgelöst. Ferner ist es auch zweckmäßig, die Schalen während der Abkühlungszeit abzudecken, damit die Oberfläche der Lösung gegen Niedersetzen von Staubteilchen und zur Verhinderung der Verdunstung verdeckt wird.
  • Um das Wachstum der Kristalle anzuregen, werden Stücke kristallischen Materials (Impfkristalle) auf den Boden der Schalen i gelegt, wenn die Temperatur z. B. auf 5' oder io' C über den Sättigungswert der Lösung gesunken ist, d. h. auf etwa 4o bis 45' C für die angenommene Lösung. Damit die Impfkristalle beim Einsetzen nicht springen, werden sie zweckmäßigerweise vorher auf die Betriebstemperatur erwärmt.
  • Die Impfkristalle werden bei einer Temperatur, die so hoch über der Sättigungstemperatur liegt, in die Schalen i hineingebracht, die für die Abkühlungsgeschwindigkeit der Lösung geeignet ist. Wenn nämlich die Impfkristalle zu lange der ungesättigten Lösung ausgesetzt sind, lösen sie sich vollständig auf. Es ist zweckmäßig, die Impfkristalle bei einer solchen Temperatur einzubringen, daß ein Teil davon sich auflöst bis die Lösung sich abgekühlt hat auf die Sättigungstemperatur. Der Grund hierfür liegt darin, daß, wenn die Oberfläche des Impfkristalls etwas aufgelöst wird, bevor sein eigentliches Wachstum beginnt, der Impfkristall besser in den neuen hineinwächst. Wenn ferner die Oberfläche des Impfkristalls etwas aufgelöst wird, werden kleine parasitäre Kristalle, die sich beim Einsetzen gebildet haben könnten, aufgelöst, wodurch eine unregelmäßige Kristallisationsbildung vermieden wird. Nach dem Hineinlegen der Impfkristalle werden die Schalen abgedeckt, damit die über der Lösung befindliche Luft mit Feuchtigkeit gesättigt gehalten wird, wodurch eine weitere Verdunstung verhindert wird.
  • Wenn die Temperatur der Lösung ungefähr auf die Sättigungstemperatur gesunken ist, wird der Deckel auf den Ofen aufgelegt und der Heizkörper eingeschaltet und die Sättigungstemperatur für einige Zeit, beispielsweise 6 bis i?, Stunden (bis stabile Temperaturverhältnisse herrschen), aufrechterhalten.
  • Alsdann beginnt man mit einer sehr langsamen Verringerung der Temperatur der Lösung. Die genaue Geschwindigkeit dieser Temperaturabnahme hängt ab von der Konzentration und Menge der Lösung und Zahl und Größe der Impfkristalle. Z. B: wenn 20 Impfkristalle von ungefähr 5 g in eine Rochelle-Salzlösung von 2o 1 hineingebracht werden mit dem spezifischen Gewicht von 1,38 bei 6o' C, kann die Temperatur um ungefähr o,2' C am ersten Tage fallen. Mit Größerwerden der Kristalle darf die tägliche Temperaturerniedrigung auf einen größeren Betrag steigen. Wenn beispielsweise Kristalle im Gewichte von einem Pfund erzeugt werden in drei Wochen, darf der Temperaturfall so weit gesteigert werden, daß sie schließlich um 1,5' pro Tag abnimmt. Auf diese Weise wird die zur Erzeugung der Kristalle auf die gewünschte Größe erforderliche Zeit abgekürzt. Wenn größere Kristalle erzeugt werden sollen, z. B. zwei Kristalle, kann die Geschwindigkeit der Ternperaturabnahme noch weiter gesteigert werden. Diese Steigerung ist eine Funktion der Kristalloberfläche pro Liter Lösung.
  • Der Temperaturabfall wird entweder durch Drehen des Knopfes 15 von Hand in geeigneten Zeitabschnitten oder durch eine geeignete automatische Einrichtung bewirkt.
  • Es sei auch bemerkt, daß die Wärme von unten den Schalen mit der Salzlösung zugeführt wird, damit die unteren Teile der Lösung eine etwas höhere Temperatur erhalten als der obere Teil der Lösung. Dies e ist vorteilhaft, weil die Kristalle sonst die Neigung haben, unten schneller zu wachsen als oben und sich damit in der Lösung zu heben und unten eine unregelmäßige Struktur zu bilden. Wenn die Kristalle die gewünschte Größe erlangt haben, nimmt man sie heraus, trocknet, sie mit einem weichen Tuch und falls eine Reinigung notwendig ist, werden sie in verdünnten Alkohol eingetaucht.
  • Kristalle einer vorher bestimmten Gestalt können von einem geeigneten Impfkristall erzeugt werden. Wenn beispielsweise ein Impfkristall so in die Lösung eingebracht wird, daß seine Haupt- oder C-Achse und seine Neben- oder B-Achse parallel zu dem Boden der Schale i liegen, wird ein »Halbkristall«, wie in Abb. 6 dargestellt, erzeugt. Andererseits wird ein »Vollkristall« erhalten, wenn ein Impfkristall 3c, wie in Abb. 7 ersichtlich, so in die Lösung eingelegt wird, daß die A- und B-Achse eine Ebene parallel zum Schalenboden bilden. Die Gestalt des so gebildeten Kristalls wird wesentlich beeinflußt durch dieGestalt des Impfkristalls. Z. B. wird ein Impfkristall von 25 mm Länge stets einen längeren Kristall ergeben als ein Impfkristall von io mm Kantenlänge, wenn beide unter denselben Bedingungen wachsen. Wie schon erwähnt, hängt die Gestalt des wachsenden Kristalls auch von der Frequenz, Größe und Richtung der Schaukelbewegung ab. Daher ist es beispielsweise möglich, einen langen Kristall aus einem kurzen Impfkristall oder einen kurzen und breiten Kristall aus einem verhältnismäßig langen Impfkristall zu züchten.
  • Abb.:2 und 3 veranschaulichen den Grundriß zweier Kristalle, die aus gleichartigen Impfkristallen entstanden sind. In Abb. 2 ist die C-Achse länger als die B-Achse, während in Abb. 3 die C-Achse kürzer ist als die B-Achse. Der Unterschied in der Gestalt der Kristalle wurde verursacht durch die Schaukelbewegung der Kristallösung.
  • Abb. 2 zeigt die Wirkung bei einer kleinen Schaukelbewegung parallel zur B-Achse und Abb. 3 die Wirkung bei einer gleichartigen großen Schaukelbewegung.
  • Es zeigt sich, daß die Schaukelbewegung die Abmessungen der Kristalle in Richtung der Bewegung vergrößert. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden, breite oder lange Kristalle zu erhalten.
  • Abb. 4 zeigt einen Grundriß eines verhältnismäßig breiten Kristalls, welcher aus einem verhältnismäßig langen Impfkristall 3 b hergestellt wurde.
  • Abb. 5 zeigt einen langen Kristall, der aus ein..ein. gleichartigen ImpfkristaR entstand,= ist. Die Herstellung von Kristallen mit gewünschten Abmessungen und Orientierung der Kristallachsen wird erreicht durch die Anwendung von Impfkristallen von vorher bestimmter Gestalt und Achsenorientierung. Solche Kristalle werden so auf den Boden der Schale gelegt, daß ihre betreffenden Achsen die gewünschte Lage in bezug auf die Schatikelbewegung erhalten.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Erzeugung piezoelektrischer Kristalle aus Impf- oder Saatkristallen -, dadurch gekennzeichnet, daß die Saatkristalle in den Behälter, in welchem die Kristallösung eine Schaukelbewegung ausführt, zu dieser in bestimmter Lage mit Bezug auf ihre Kristallachsen einzeln eingelegt werden und diese Lage während ihres Wachstums bis zur gewünschten Größe beibehalten.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Saatkristalle je- weils mit derjenigen ihrer Achsen, in der das Wachstum bevorzugt erfolgen soll, in Richtung der Bewegung der Kristallösung in den Lösungsbehälter eingelegt werden, wobei ihr Wachstum durch Vergrößerung der Geschwindigkeit der Schaukelbewegung der Kristallösung beschleunigt werden kann. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet,' daß mit zunehmender Größe der Kristalle die die Geschwindigkeit der Kristallisation bestimmenden Einflüsse (Temperaturabfall, Verdunstung) gesteigert werden. 4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallsalzlösung eine Wasserstoffionenkonzentration durch Zusatz einer Säure oder Base gegeben wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz zur Kristallsalzlösung Natron- oder Katilauge verwendet wird. 6. Verfahren nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Saatkristalle in heiße, noch ungesättigte Lösung eingebracht werden zum Zwecke der Auflösung etwaiger an ihrer Oberfläche sich bildender unregelmäßiger Anwüchse, worauf die Temperatur alsdann schnell auf die Sättigungstemperatur der Kristalllösung gesenkt und von diesem Punkt an langsam weiter erniedrigt wird.
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