JP2005119904A - Bismuth oxide based ceramics - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導電性材料、センサー材料、スイッチング材料などの電子材料として有用な酸化ビスマス系セラミックスに関する。 The present invention relates to a bismuth oxide ceramic useful as an electronic material such as a conductive material, a sensor material, and a switching material.
近年の電子部品は高集積・高密度化されてきており、高性能化、小型化も同時に要求されている。一方、酸化ビスマス系セラミックスおよび同類のチタン酸ビスマス系のセラミック化合物では元来誘電率が高く、その化合物もキュリー点が高いため、常温で使用する場合は誘電特性的にも変動が少ないといったメリットがあるが、導電性、電気的特性は詳細には調べられていない。 In recent years, electronic components have been highly integrated and densified, and high performance and miniaturization are simultaneously required. On the other hand, bismuth oxide ceramics and similar bismuth titanate ceramic compounds inherently have a high dielectric constant, and the compounds also have a high Curie point, so there is a merit that there is little fluctuation in dielectric characteristics when used at room temperature. However, the electrical conductivity and electrical characteristics have not been investigated in detail.
また、従来、酸化物に導電性を持たせる場合、構成する元素に対して、イオン半径の近い+1価もしくは−1価の元素を置換する手法が取られ、さまざまな物質に関して半導体化が行われているものの、酸化ビスマス系セラミックスおよび同類のチタン酸ビスマス系のセラミック化合物についてはこれまで導電性の改善や応用はほとんど見られていない。
一方、これまで、センサー材料としてはNTC特性を有する従来のMn、Ni、Co、Fe、Cu系の遷移金属酸化物などからなるサーミスタ材料があり、その温度―抵抗関係に関する数値に対する直線性から制御関係などにおいて利用されている。しかしながら、これらの材料は焼成温度が1300〜1500℃と高く、また、応答性を上げる為に絶縁基板と同時焼成を行う場合に非マッチング性の点などから、その改善が望まれていた。
その手法として電気絶縁基板上に感温抵抗膜を形成するとともに、この感温抵抗膜と導通するように一対の電極を配設することにより、NTCサーミスタを構成した膜タイプのサーミスタがあり、従来のバルクタイプのNTCサーミスタに比べて、応答速度を大幅に向上させることができている。
Conventionally, when an oxide has conductivity, a method of substituting a + 1-valent or -1-valent element having a close ionic radius for the constituent elements has been taken, and various substances have been made into semiconductors. However, bismuth oxide ceramics and similar bismuth titanate ceramic compounds have hardly been improved or applied so far.
On the other hand, as a sensor material, there is a conventional thermistor material made of transition metal oxides such as Mn, Ni, Co, Fe, and Cu, which have NTC characteristics. It is used in relationships. However, these materials have a firing temperature as high as 1300 to 1500 ° C., and in order to improve responsiveness, improvement has been desired from the viewpoint of non-matching when performing simultaneous firing with an insulating substrate.
As a method therefor, there is a film type thermistor that forms an NTC thermistor by forming a temperature-sensitive resistance film on an electrically insulating substrate and arranging a pair of electrodes so as to be electrically connected to the temperature-sensitive resistance film. Compared with the bulk type NTC thermistor, the response speed can be greatly improved.
その一例として、特許文献1などに示されるように、サーミスタ特性を有する金属酸化物とガラス粉末とを混合し、加熱焼成して絶縁基板に厚膜形成されたNTCサーミスタ用組成物が知られているが、ガラス成分によって絶縁基板とNTCサーミスタ用組成物を固着する為、導電性物質の抵抗バラツキを生じ、部品のバラツキを生じ、歩留の低下を招いていた。 As an example, a composition for an NTC thermistor in which a metal oxide having thermistor characteristics and glass powder are mixed and heated and fired to form a thick film on an insulating substrate as shown in Patent Document 1 is known. However, since the insulating substrate and the NTC thermistor composition are fixed by the glass component, the resistance variation of the conductive material occurs, the components vary, and the yield decreases.
ところでスイッチング材料としては、VO2、V2O3、V4O7、V6O11、V5O9などの材料においてこれらのキュリー点の140〜340Kを超えると電気抵抗が1/1000以下となるような急激な電気抵抗低下を示すCTRといった特性を示すものがあり、液面計や温度センサーなど一部の特殊な用途などに使用されている。しかしながら、温度の上限は340K程度であって、その応用については極めて限定されたものになっている。
本発明は、従来の酸化ビスマス系セラミックスおよび同類のチタン酸ビスマス系セラミック化合物が有する誘電特性や圧電特性のみならず、従前の特性とは異なる導電性を有する半導体特性とともにキュリー点を超えると急激に電気抵抗が低下する特異な特性を有する酸化ビスマス系セラミックスを提供しようとするものである。 The present invention is not only for the dielectric properties and piezoelectric properties of conventional bismuth oxide ceramics and similar bismuth titanate ceramic compounds, but also for semiconductor properties that have conductivity different from the previous properties, as well as rapidly exceeding the Curie point. An object of the present invention is to provide a bismuth oxide-based ceramic having a unique characteristic in which electric resistance is lowered.
本発明は、酸化ビスマス系セラミックスに、遷移金属を微量に添加することで導電性を改善するとともに、広い領域にわたりNTC特性を有する。添加物によってはキュリー点を超えると1/1000以下となるような急激な電気抵抗の低下を示し、100℃以上の高温域においてもスイッチング特性を示す。酸化ビスマス系セラミックスは、主成分がBiであるので、焼成温度も低く絶縁基板に厚膜を容易に形成させる事ができる。 The present invention improves conductivity by adding a trace amount of transition metal to bismuth oxide ceramics and has NTC characteristics over a wide range. Depending on the additive, when the Curie point is exceeded, the electrical resistance decreases sharply to 1/1000 or less, and switching characteristics are exhibited even in a high temperature range of 100 ° C. or higher. Since the main component of bismuth oxide ceramics is Bi, the firing temperature is low and a thick film can be easily formed on the insulating substrate.
請求項1に記載の本発明は、(Bi2O2)2+(An−1BnO3n+1)2−の式で表される組成を有し、式中のAはCa、Ba、Sr、Pb、Biから選択される1種又は2種以上からなり、式中のBは、Ti、Nb、Taから選択される1種又は2種以上からなり、式中のnは1≦n≦8を満たし、かつNiO、V2O5、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、WO3、TiO2、Nb2O5、SnO2、In2O3から選択される1種又は2種以上を添加もしくは上記化合物構成元素の一部と置換されていることを特徴とする酸化ビスマス系セラミックスであって、キュリー点はA元素の置換量によって調整可能である。 The present invention according to claim 1 has a composition represented by the formula (Bi 2 O 2 ) 2+ (A n-1 B n O 3n + 1 ) 2- , wherein A is Ca, Ba, Sr. , Pb, Bi selected from one or more, B in the formula consists of one, two or more selected from Ti, Nb, Ta, n in the formula is 1 ≦ n ≦ 1 or selected from NiO, V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , WO 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , SnO 2 , In 2 O 3 It is a bismuth oxide ceramics characterized in that two or more kinds are added or substituted with a part of the compound constituent elements, and the Curie point can be adjusted by the substitution amount of the A element.
例えば、Bi4Ti3O12のキュリー点は675℃、 SrBi4Ti4O15は530℃、BaBi4Ti4O15は395℃、BaBi2Ta2O9は110℃、Sr2Bi4Ti5O18は285℃であるが、463℃に設定する場合は(Sr0.5Ba0.5)Ti4O15とすれば良い。また、遷移金属酸化物については0.01wt%以上添加もしくは置換する事で半導体化が進行し、これ以下の量では十分に半導体化が進行しない。さらに一方10wt%になると主成分以外の異相が多く発生し、常温電気抵抗率が増加したり、目的とする特性が得られない。 For example, the Curie point of Bi 4 Ti 3 O 12 is 675 ° C., SrBi 4 Ti 4 O 15 is 530 ° C., BaBi 4 Ti 4 O 15 is 395 ° C., BaBi 2 Ta 2 O 9 is 110 ° C., and Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 is 285 ° C., but when it is set to 463 ° C., (Sr 0.5 Ba 0.5 ) Ti 4 O 15 may be used. Further, transition metal oxides can be made into semiconductors by adding or replacing 0.01 wt% or more, and semiconductors cannot be made sufficiently if the amount is less than this. On the other hand, if it becomes 10 wt%, many different phases other than the main component are generated, and the room temperature electrical resistivity increases or the intended characteristics cannot be obtained.
Aは、Ca、Ba、Sr、Pb、Biの中から選択される1種類以上からなり、Bは、Ti、Nb、Taの中から選択される1種類以上からなり、その元素の種類によってキュリー点を変えることができる。A、Bに入る元素は、イオンの大きさ、安定性、反応性によって選定することができるとともに制限が生じる。 A is composed of one or more selected from Ca, Ba, Sr, Pb, Bi, and B is composed of one or more selected from Ti, Nb, Ta, depending on the type of the element. You can change the point. The elements that enter A and B can be selected depending on the size, stability, and reactivity of the ions, and are limited.
化学式中のA及びBは、化学量論組成からずれていてもよく、1以下であれば焼結性を高めることができるとともにより安定した導電特性を得ることができるので好ましい。組成、および酸素の組成は化学量論組成から求めたものであり、化学量論組成からずれていてもよい。 A and B in the chemical formula may deviate from the stoichiometric composition, and if it is 1 or less, sinterability can be improved and more stable conductive properties can be obtained, which is preferable. The composition and the composition of oxygen are determined from the stoichiometric composition, and may deviate from the stoichiometric composition.
製造上の条件はその焼成温度や合成温度などの条件によって変わってくる。AもしくはBの元素は他の元素で一部置換してよいが、その化合物は表1に示すように用途によって選択できる。なお、Bi3TiNbO9のようにAにBi、BにTiと違う元素を置換してもよく、Na0.5Bi2.5Ti4O15のようにNa0.5、Bi2.5は非化学量論的割合で置換してもよく、Ca0.5Bi4.5Ti4O15のCa0.5Bi4.5のように、Aの一部を非化学量論的割合で置換しても良い。すなわち、用途、仕様に合わせて材料の組成を調整することによって所望のキュリー点、抵抗値を選択することができる。即ち、nは、自然数以外の数字になっても構わない。nを、1から8までの数値とすれば、PTC特性が十分に得られ、かつ結晶が安定である。nが1より小さい場合は結晶が安定しない。また、nが8より大きい場合は結晶の配向性が強くなりすぎ、結晶構造は不安定となり、焼結性が悪くなって好ましくない。 Manufacturing conditions vary depending on conditions such as firing temperature and synthesis temperature. The element of A or B may be partially substituted with other elements, but the compound can be selected depending on the application as shown in Table 1. An element different from Bi may be substituted for A and Bi as in Bi 3 TiNbO 9 , and Na 0.5 and Bi 2.5 may not be substituted as Na 0.5 Bi 2.5 Ti 4 O 15. It may be replaced with a stoichiometric ratio, and a part of A is replaced with a non-stoichiometric ratio, such as Ca 0.5 Bi 4.5 of Ca 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15. You may do it. That is, the desired Curie point and resistance value can be selected by adjusting the composition of the material according to the application and specifications. That is, n may be a number other than a natural number. When n is a value from 1 to 8, sufficient PTC characteristics are obtained and the crystal is stable. When n is smaller than 1, the crystal is not stable. On the other hand, when n is larger than 8, the crystal orientation becomes too strong, the crystal structure becomes unstable, and the sinterability deteriorates.
請求項2の発明は、常温電気抵抗率が107Ω・cm以下の特性を有することを特徴とする酸化ビスマス系セラミックであって、従来の酸化ビスマス系セラミックスの常温電気抵抗率109〜1012Ω・cmと比較して3桁以上電気抵抗率を下げられるため、温度センサーに使用した場合でも動作電圧が低く、用途が広く、小電力で的確な特性を示すようになる。 The invention according to claim 2 is a bismuth oxide ceramic having a characteristic of room temperature electrical resistivity of 10 7 Ω · cm or less, and the room temperature electrical resistivity of 10 9 to 10 of the conventional bismuth oxide ceramics. Compared with 12 Ω · cm, the electrical resistivity can be lowered by three orders of magnitude or more, so even when used in a temperature sensor, the operating voltage is low, the application is wide, and accurate characteristics are exhibited with low power.
請求項3に記載の本発明は、キュリー点を超えると1/1000以下となるような急激な抵抗減少特性を示すことを特徴とする酸化ビスマス系セラミックスであって、本化合物をセンサーとして利用すると設定のキュリー温度においてスイッチング特性を有し、所定の温度でスイッチの役割を果たすことができるようになる。 The present invention according to claim 3 is a bismuth oxide-based ceramic characterized by exhibiting a rapid resistance decreasing characteristic that is 1/1000 or less when the Curie point is exceeded, and when the compound is used as a sensor. It has switching characteristics at a set Curie temperature, and can function as a switch at a predetermined temperature.
請求項4に記載の本発明は、結晶構造が一部ペロブスカイト構造を有することを特徴とする酸化ビスマス系セラミックスであって、キュリー点の設定を始めとする特性の調整において、一部ぺロブスカイト構造を有する事で結晶中の原子を広い範囲で置換することが可能となって、様々な用途に対して適用する事が可能となる。 The present invention according to claim 4 is a bismuth oxide-based ceramic characterized in that the crystal structure has a partly perovskite structure, and is partly perovskite structure in adjusting characteristics including setting of the Curie point. It becomes possible to replace atoms in the crystal in a wide range, and it can be applied to various uses.
また、本発明における化合物の結晶構造は層状構造を主体とするものである。すなわち、層状構造を有すために、上記式におけるA及びBの1部を構成する元素に対して遷移金属元素と置換することで原子価制御を行い、その電気伝導性を付与することができるとともに、その導電性は結晶の向きによって変わり、その配向性を利用することで新規な応用や特性の改善を行うことができる。 The crystal structure of the compound in the present invention is mainly composed of a layered structure. That is, in order to have a layered structure, valence control can be performed by substituting a transition metal element for an element constituting part of A and B in the above formula, and the electrical conductivity can be imparted. At the same time, the conductivity varies depending on the orientation of the crystal, and by utilizing the orientation, new applications and characteristics can be improved.
さらに、SiO2、Al2O3、B2O3等を別に添加したり、TiO2、Bi2O3、Nb2O5、Ta2O5などの構成元素を過剰にして、主成分と反応して液相を生じさせ、粒径をコントロールしたり、組成を安定化させることで抵抗温度特性、耐電圧特性などの電気諸特性を改善することができる。 Further, SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3, etc. are added separately, or the constituent elements such as TiO 2 , Bi 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 are made excessive, Various properties such as resistance-temperature characteristics and withstand voltage characteristics can be improved by reacting to produce a liquid phase, controlling the particle size, and stabilizing the composition.
1.本発明の酸化ビスマス系セラミックスは、従来の酸化ビスマス系セラミックスおよび同類のチタン酸ビスマス系セラミック化合物が有する誘電特性や圧電特性のみならず、従前の特性とは異なる導電性を有する半導体特性とともにキュリー点を超えると急激に電気抵抗が低下する特異な特性を有する。
2.本発明の酸化ビスマス系セラミックスは、温度に対するスイッチング特性を有する。
3.本発明の酸化ビスマス系セラミックスは、温度センサーやスイッチング素子として使用することができる。
1. The bismuth oxide ceramics according to the present invention include not only the dielectric properties and piezoelectric properties of conventional bismuth oxide ceramics and similar bismuth titanate ceramic compounds, but also the Curie point as well as the semiconductor properties having conductivity different from the previous properties. It has a unique characteristic that the electric resistance suddenly drops when exceeding.
2. The bismuth oxide ceramics of the present invention have switching characteristics with respect to temperature.
3. The bismuth oxide ceramics of the present invention can be used as a temperature sensor or a switching element.
本発明は、酸化ビスマス系セラミックスに、遷移金属を微量に添加することで導電性を改善するとともに、広い領域にわたりNTC特性を有する。添加物によってはキュリー点を超えると1/1000以下となるような急激な電気抵抗の低下を示し、100℃以上の高温域においてもスイッチング特性を示す。(Bi2O2)2+(An−1BnO3n+1)2−の式で表される組成を有し、式中のAはCa、Ba、Sr、Pb、Biから選択される1種又は2種以上からなり、式中のBは、Ti、Nb、Taから選択される1種又は2種以上からなり、式中のnは1≦n≦8を満たし、かつNiO、V2O5、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、WO3、TiO2、Nb2O5、SnO2、In2O3から選択される1種又は2種以上を添加もしくは上記化合物構成元素の一部と置換されていることを特徴とする酸化ビスマス系セラミックスであって、キュリー点はA元素の置換量によって調整可能である。 The present invention improves conductivity by adding a trace amount of transition metal to bismuth oxide ceramics and has NTC characteristics over a wide range. Depending on the additive, when the Curie point is exceeded, the electrical resistance decreases sharply to 1/1000 or less, and switching characteristics are exhibited even in a high temperature range of 100 ° C. or higher. (Bi 2 O 2 ) 2+ (A n-1 B n O 3n + 1 ) 2 has a composition represented by the formula 2- , wherein A is one selected from Ca, Ba, Sr, Pb, Bi Or B in the formula consists of one or more selected from Ti, Nb, Ta, n in the formula satisfies 1 ≦ n ≦ 8, and NiO, V 2 O 5 , one or more selected from Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , WO 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , SnO 2 , In 2 O 3 are added or the above-mentioned compound constituent elements The Curie point can be adjusted by the amount of substitution of the A element.
原料としてそれぞれ純度99.9%以上のBi2O3粉末、TiO2粉末を混合し、これらの混合粉末中に含まれるBi、Tiそれぞれの原子数比が4:3になるように、さらに添加物として遷移金属元素MnO2を0.1wt%調製した後、ジルコニアボールを使用し、アルコール溶媒中、ボールミルで18時間混合した。得られた混合スラリーを乾燥後、大気中800℃、3時間の条件でいわゆる仮焼成を行った。得られた合成粉に対して、PVA(ポリビニルアルコール)をバインダーとして3wt%添加し、スプレードライヤーにて造粒後、1MPaで加圧成形を行い、成形体を得た。得られた成形体を大気雰囲気にて1150℃で焼成した。焼成後に、得られた焼結体の密度を測定した結果、5.52g/cm3であった。さらに、電気伝導度を測定した結果、1010Ω・cm程度の室温抵抗値を示した。室温から600℃までの抵抗温度特性を測定した結果、図1のようにキュリー点550℃を超えたところで急激に抵抗低下を示し、今回使用した測定器の限界である1Ω・cm以下になる特性を示した。 Bi 2 O 3 powder and TiO 2 powder each having a purity of 99.9% or more are mixed as raw materials, and further added so that the atomic number ratio of Bi and Ti contained in these mixed powders is 4: 3. After preparing 0.1 wt% of transition metal element MnO 2 as a product, zirconia balls were used and mixed in an alcohol solvent by a ball mill for 18 hours. After drying the obtained mixed slurry, so-called calcination was performed in the atmosphere at 800 ° C. for 3 hours. 3 wt% of PVA (polyvinyl alcohol) as a binder was added to the obtained synthetic powder, granulated with a spray dryer, and then pressure molded at 1 MPa to obtain a molded body. The obtained molded body was fired at 1150 ° C. in an air atmosphere. As a result of measuring the density of the obtained sintered body after firing, it was 5.52 g / cm 3 . Furthermore, as a result of measuring electric conductivity, room temperature resistance of about 10 10 Ω · cm was shown. As a result of measuring the resistance temperature characteristics from room temperature to 600 ° C, the resistance suddenly decreases when the Curie point exceeds 550 ° C as shown in Fig. 1, and the characteristic is less than 1Ω · cm which is the limit of the measuring instrument used this time. showed that.
実施例1と同様にして、それぞれ純度99.9%以上のSrCO3粉末、Bi2O3粉末、TiO2粉末を混合し、これらの混合粉末中に含まれるSr、Bi、Tiそれぞれの原子数比が1:4:4になるように調製し、ボールミルで18時間混合した。得られたスラリーを乾燥し、造粒後、大気中850℃、3時間の条件でいわゆる仮焼成を行った。得られた粉末に対してNb2O5を0.5wt%、PVA(ポリビニルアルコール)をバインダーとして5wt%添加し、造粒後、10MPaで一軸成形を行い、成形体を得た。得られた成形体を大気中、1180℃、2時間の条件で焼成を行った。得られた焼結体の密度を測定した結果、6.79g/cm3であった。また、電気伝導度を測定した結果、108Ω・cmの常温抵抗値を示し、抵抗温度特性を測定した結果、NTC特性を示した。 In the same manner as in Example 1, SrCO 3 powder, Bi 2 O 3 powder, and TiO 2 powder each having a purity of 99.9% or more were mixed, and the number of atoms of each of Sr, Bi, and Ti contained in these mixed powders The ratio was adjusted to 1: 4: 4 and mixed for 18 hours by a ball mill. The obtained slurry was dried, and after granulation, so-called calcination was performed in the atmosphere at 850 ° C. for 3 hours. To the obtained powder, 0.5 wt% of Nb 2 O 5 and 5 wt% of PVA (polyvinyl alcohol) as a binder were added, and after granulation, uniaxial molding was performed at 10 MPa to obtain a molded body. The obtained molded body was fired in air at 1180 ° C. for 2 hours. As a result of measuring the density of the obtained sintered body, it was 6.79 g / cm 3 . Moreover, as a result of measuring electrical conductivity, it showed a normal temperature resistance value of 10 8 Ω · cm, and as a result of measuring resistance temperature characteristics, NTC characteristics were shown.
また、前記実施例1、2と同様に他の組成の材料を作製し、密度、電気的特性を測定した結果を実施例の結果と合わせて表1に示す。実施例に示す本発明の磁器組成物は酸化ビスマス系セラミック化合物であって、従来の酸化ビスマス系セラミックス一連の化合物と比較して107〜1010Ω・cmの常温抵抗値となり、従来の同化合物と比較して2〜3桁程度の導電性向上となった。 In addition, Table 1 shows the results of producing materials of other compositions and measuring the density and electrical characteristics in the same manner as in Examples 1 and 2 together with the results of Examples. The porcelain composition of the present invention shown in the examples is a bismuth oxide ceramic compound, which has a room temperature resistance value of 10 7 to 10 10 Ω · cm as compared with a series of conventional bismuth oxide ceramic compounds. Compared with the compound, the conductivity was improved by about 2 to 3 digits.
従来の酸化ビスマス系セラミックスおよび同類のチタン酸ビスマス系セラミック化合物が有する誘電特性や圧電特性のみならず、従前の特性とは異なる導電性を有する半導体特性とともにキュリー点を超えると急激に電気抵抗が低下する特異な特性を有する酸化ビスマス系セラミックスを提供しようとするものである。温度センサーやスイッチング素子として使用することができる。 Not only the dielectric properties and piezoelectric properties of conventional bismuth oxide ceramics and similar bismuth titanate ceramic compounds, but also the semiconductor properties with conductivity different from the previous properties, as well as the electrical resistance decreases rapidly when the Curie point is exceeded It is an object of the present invention to provide a bismuth oxide-based ceramic having unique characteristics. It can be used as a temperature sensor or a switching element.
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