TW449757B - Piezoelectric device - Google Patents

Description

449757 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製. 五、發明說明（） .發明背景 1 .發明範圍 本發明有關壓電裝置，尤其有關作為例如一種通信用；慮 波器和時鐘脈衝發生器中使用的振盪器之壓電装置。 2 .相關技藝敘述 通常，廣泛地使用由壓電陶瓷製成的壓電裝置，利用壓 電陶瓷的切變振動，作為通信用濾波器和時鐘脈衝發生器 中振盪器使用的壓電f皆振器，該塵電陶完主要由鈦錯酸船 (PbfTixZq.x)。〗）或鈦酸鉛（PbTi03)組成。一般地說，該壓電 裝置具有由壓電陶瓷製成的矩形基材，以及位於基材兩個 主表面上的電極。電極並不覆蓋基材的整個表面，而是覆 .蓋部分表面，致使部分電極彼此相對。 •在如此描述的壓電裝置中，通過適當地選擇壓電陶究的 類型以及電極的形狀，可以獲得下述現象_，即壓電陶竟的 壓電振動能量局限於電極彼此相對的.區域内，即可以實現 能量捕集。因此’可以獲得單一壓電振動模式，並且獲得 一種有用的壓電裝置，作為通信用濾波器和時鐘脈衝發生 器中振盪·器之塵電§皆振器.。但是，愿電陶竟存在耐高溫性 差以及高頻區損耗大等問題。 與主要由鈦锆酸鉛（Pb( TixZri_x)03)或鈦酸鉛（PbTi〇3)組成 之壓電陶瓷相比’諸如CaBi4Ti4〇I5* PhBi4Ti40I5等具有層狀 鈣欽礦結構的壓電^瓷具有耐高溫性強以及少許高頻損耗 等特點-因此’預#上述壓電陶瓷成為在高溫條件下或高 頻區中的壓電諧振器之適用材料。但是，由於壓電陶瓷結 -4- (+請先閲續背面之注意事項再填寫本頁) 〆-!—— — — — — — — 111 I 1 -ϋ ϋ n n 1 · 良紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) A7 4.497 5 ? 五、發明說明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 晶中具有很強的各向異性特徵，所以像用一般的壓電陶瓷 製造方法不能獲得高機電係數a因此，已提出各種方法， 以一個方向優先定向具有層狀鈣鈦礦結構的壓電陶.究^ 軸，以便獲得教大的機電係數。例如，τ· Takenaka等人指 出’可以在使用PhBljTLtO!5定向陶瓷的圓柱形振盪器的垂 直基本振動中，獲得習用製造方法生產的壓電陶瓷之機電 係數的1.6倍，其中PhBiJUOb定向陶瓷用熱鑄造法制成（參 見1984年的應用物理雜誌，ν〇ΐ· 55，No.4.15)。 一般地說’為了獲得通信用濾波器和時鐘脈衝發生器中 振藍器所用的壓電諧振器，單一壓電振動模式必然會有輕 微的亂真振動。在使用垂直振動和切變振動的壓電裝置 藉由相對電極捕集之能量大致可以獲得單一壓電振動 模式。但是’已經知道’當壓電陶瓷的泊松呜（p〇iss〇n rati〇) 為三分之一或更小時，垂直基本振動不能捕集能量。幾乎 所有具有層狀鈣鈦礦結構的壓電陶瓷（諸如，CaBi4Ti4〇i5和 PhBi4Ti4〇15)之泊松比都為1/3或更小，所以很難捕集能量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 關於高次諧波垂直振動，由於對泊松比的限制與基波相 比不那麼嚴格’所以可能可以捕集能量；但是一般來說， 其機電係數與基波的機電係數相比會大大減小。因此，即 使獲得單模振動，作為壓電諧振器的應用也會受到限制。 反之’關於切變磁動，其機電係數與垂直振動的機電係數 處於相同的水平，並不會受泊松比的限制。 但是’從未使用具有層狀鈣鈦礦結構的聲電陶瓷進行切 變振動的能量捕集實驗，該壓電陶瓷的c轴以一個方向優 -5- 私紙張尺度適財國國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公釐） A7 44975? __；__B7______ 五、發明說明（3) ·» > 先定向。即使諸如CaBUTkO^o PhBiJUOi#具有層狀鈣鈦 礦結構壓電陶瓷耐高溫性強以及少許高頻損耗（這些是習用 壓電材料所沒有的），但仍沒有製造出可以實際使用之通信 用濾波器和時.鐘脈衝發生器中振盪器所使用的壓電諧振 器。 發明總論 因此，本發明的主要目的是提出一種壓電裝置，其具有 可實際使用之機電係數（不小於20% )，其係使用具有層狀 鈣鈦礦結構的壓電陶瓷，藉由能量捕集效應所製得，該壓 電裝置具有較強的耐高溫性，以及極少之高頻損耗。 本發明的壓電裝置包括：由具有層狀鈣鈦礦結構的壓電 陶瓷組成之基材，以及多個位於基材上的電極。其中，對 .基材的一個晶轴作優先定向，並且以與晶軸優先定向方向 大致正交之方向極化該基材；並且在該基板表面上形成多 個電極’其與大致平行于晶軸優先定向且大致平行於基材 極化方向。 在上述壓電裝置中’該基材最好由—種壓電陶瓷製成， 所用之壓電陶瓷組合物主要由化學式(：沾丨4耵4015表示的陶 瓷組合物組成。 當在具有層狀鈣鈦礦結構的壓電陶瓷所组成的基材上形 成電極時’以及杳基材中一晶軸的優先定向大致垂直於基 材的極化方向，以及在大致平行於基材晶軸優先定向且大 致平行於基材極化方向的基材表面上形成電極時，可以獲 得耐高溫性較佳’以及少許高頻損耗之裝置。另外，如此 -6- 本度適用中國國家標準（CNS_)A4規格（21〇 χ 297公釐） ----— (諝先閱婧背面之注意事項再填寫本頁) ----訂--------線Ί 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ~ ip n - t~ 449757 a7 ------ B7______ 五、發明說明（4 ) 獲得的裝置具有可以實際使用的機電係數。 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在上述壓電裝置中，當所用壓電陶瓷特別是主要由化學 式CaBLtTUO^表示的陶瓷組合物所組成之壓電陶瓷組合物 時’可達到較佳共振頻率的溫度穩定性。 結合附圖，由較佳具體實例詳細敘述將會明白本發明的 上述目的、其他目的、特徵和優點。 圖式簡述 圖1是一顯示本發明壓電裝置之透視圖； 圖2A是一顯示烘烤產物之透視圖，其中^軸優先定向； 圖2B-2D是由圖2A所示烘烤產物切割得到的基材透視 圖，；和 圖3是一顯示該實施例中所形成具有電極之基材透視 囪。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖1是一顯示本發明壓電裝置之透視圖，壓電裝置1〇包 括例如呈直角平行六面體形狀之基材丨2。使用^沾丨4丁丨4〇15等 作為基材12的材料。基材12具有層狀妈鈦礦結構，其中以 實線箭頭所示之基材12寬度方向優先定向c軸。另外，如虚 線箭頭所示’基材12沿其長度方向極化。第一電極14和第 二電極16沿基材12的厚度方向分別形成於兩個主表面上。 第一電極14從一個長端延伸至基材12的中心部分。第二電 極16從另一個長^延伸到基材12的中心部分。第一電極14 和第二電極16在基材12之中心部分附近彼此相對。因此， 在第一電極14和第二電極16在主表面上形成，該主表面平 行于c軸優先定向的方向（以下稱為c轴的優先定向），並且 -7 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） A7 4 497 5 7 五、發明說明（5) * .·； 平行於基材的極化方向（以下稱為極化方向）。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 在壓電裝置10中，由於C軸的優先定向和極化方向正 交’並且第一電極14和第二電極16在平行於上述兩個方向 之表面上形成.，所以可以實現切變振動的能量捕集，並且 可以獲得沒有亂真振動的單一壓電振動模式。在形成基材 12的壓電陶瓷中£；軸沒有優先定向，或者介於c軸優先定向 和極化方向之間的關係或介於上述方向與電極之間的關係 與上述不同的情況相比，本發明壓電裝置1〇的機電係數較 大’並且共振頻率隨溫度的變化率較佳。另外，由於壓電 裝置10的基材由諸如CaBi4Ti4〇15等具有層狀鈣鈦礦結構的壓 電陶瓷組成’所以可以獲得.較佳的耐高溫性，以及少許高 .頻損耗。 c軸的優先定向方向和極化方向可以大致相互正交，並 且當它們相交的角度相對正交點的偏離不大於1 〇。時，即當 相交角度在80。至1〇〇。之間時，可以獲得本發明的優點。另 外，第一電極Μ和第二電極16可在大致平行的優先 定向和極化方向之表面上形成’並且當電極不大於1〇。的角 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 度自平行於這些方向的表面傾斜時，可以獲得本發明的優 點。 實施例 製備並測量Ca0、Bi2〇3和：Ti〇2作為原材料，形成組合物

CaBuTuOu之後’用球磨機將原材料進行濕式摻合4小時， 獲得混合物。等乾燥後，在900°C下對混合物預烘烤，並且 進行粗研磨’在於混合物添加適量的有機粘結劑之後用 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 44975? 1 Α7 —____Β7 五、發明說明（6) 球磨機進行4小時的濕研磨《用# 40的篩網對如此製備的 產物篩分，以便控制顆粒的大小。接下來，在1〇〇〇 kg/cm2 的壓力下對產物模壓，形成直徑為2〇毫米、厚度為1〇毫米 的圓柱翘。在6〇〇。〇的溫度下，對如此形成的圓柱體熱處 理，以便去除有機粘結劑，從而獲得經預處理的產物。 當用1噸總壓力沿厚度方向對經預處理的產物進行單軸 施壓時’在1，200 eC溫度下對預處理產物烘烤2小時，然後 獲得經烘烤的產物，當用X射線分析評估經烘烤的產物 時’證明獲得了 c軸沿單軸施壓方向優先定向的烘烤產 物’如圖2A的箭頭所示，用下述三種不同的方式將經烘烤 的產物切割成長度為10毫米、寬度為2.5毫米、厚度為0.25 毫米的矩形基材。如圖2B所示，該基材標號為樣本1，在 .該基材中，兩個主表面平行於£;軸的定向（烘烤產物的厚度 方向）’並且長度方向與<；軸的定向方自正交《如圖2C所 不’該基材標说為樣本2，在該基材·中’兩個主表面平行 於c軸的定向方向，並且長度方向與c軸的定向平行。另 外’如圖2D所示，該基材標號為樣本3，在該基材中，兩 個主表面與c軸的定向方向垂直。在圖2B至2D中，實線箭 頭表示c軸的定向方向。 另外，在空氣中以1200°C對經預處理的產物烘烤2小 時。當用X射線分τ析對所得的經烘烤的產物進行評價時， 沒有觀察到任何定向。同樣，將經烘烤的產物切割成長度 為10毫米、寬度為2.5毫米、厚度為0·25亳米的矩形基材， 它們類似於從c軸優先定向的烘烤產物上切割下來的樣本i -9 - 本紙張尺度適用中圈國家標準（CNS)A4規格（21〇 κ 297公釐） ------------------- - - -- -[ — Ill—— -------I--ι ί清先閱讀背面之注意事項再瞋寫本頁) 44975 ? A7 B7 玉、發明說明（。 至3。在標號為樣本4的基材中，兩個主表面平行於烘烤產 物的厚度方向，並且長度方向與供烤產物的厚度方向正 交。在標號為樣本5的基材中，兩個主表面平行於供烤產 物的厚度方向.，並且長度方向與烘烤產㈣厚度方向平 打。在標號為樣本ό的基材中，兩個主表面與烘烤產物的 厚度方向正交。 沿樣本1至6的長度方向，塗覆銀糊後進行烘烤在整個相 對的邊界面上形成銀電極，並且進行極化，即在2〇〇它絕緣 油中對該樣本施加5 kV/mm的直流電1小時。因此’基材沿 其長度方向極化’也就是說，樣本i至3沿圖2B至2d中虚線 箭頭所示的方向極化。如圖3所示，去除樣本之銀電極 .後，在基材的兩個主表面上形成電極。在基材的一個主表 ®上形成長度為7.5毫米的電極，沿長度方向從一端延伸到 中心部分。另外，在樣本的另一主表面上形成長度為7.5毫 米的電極，沿長度方向從另一端延伸.到中心部分。因此， 在樣本中心部分沿長度方向長度為5毫米的區域中，兩個 電極彼此相對。 如圖3所示，藉由在樣本1至6的各個基材上提供電極形 成壓電裝置，並且將自樣本1、2、3、4、5和6形成的壓 電裝置分別稱為a、b、c、d、e和f *對所得樣本3_:^測量 機電係數以及共“頻率隨溫度（fr-TC)的變化率’其中溫度 從-20°C至80t，結果示於表1 »共振頻率隨溫度的變化率 可以用下式表示： -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局WK工消費合作社印製 - n ^ ^1 1· ^1 ^1 ^1 一5JI n ϋ n I 1 ) I I 1— ί ί n I n n n n n . n ij l n _ A7 449757 B7 五、發明說明（8) *·. * (ft>TC)，OeC時的共振頻率M_2〇t時的共振頻率)}/{(贼時的共 振頻率）X 100}。 、 表1 機電係數K〇>/c〇 共振頻率隨溫度的變化率 fr-TC(ppm) 樣本a 28.0 -30 ~ 樣本b 不可測 不可測 樣本C 5.1 -139 樣本d 12.1 -69 樣本e 12.4 -73 樣本f 11.9 -72 由表1可見，就樣本a以及c-f而言，獲得沒有亂.真振動 的單一壓電搌動模式》但是，就樣本b而言，壓電振動太 弱弱，以致於不能測量。就樣本c - f而言，機電係數κ大約 為5-10% ’該結果不足以進行實際應用。相反地，樣本a 的機電係數K為20%或更大，所以所得結果足以進行實際 應用β另外，就樣本a而言，其共振‘頻率隨溫度的變化率 明顯小於樣本c - f的變化率。至於通信用濾波器和時鐘脈 衝發生器中振盪器所用的壓電諳振器，共振頻率隨温度的 變化率的絕對’值較小為佳。由此觀點來看，樣本a優於樣 本 c - f ° 如上所述，在哥有層狀鈣鈦礦結構的陶瓷中，當C軸優 先定向時，沿與晶軸優先定向方向正交之方向進行極化’ 並且在平行于C轴優先定向和極化方向的表面上形成電 極，由此可以實現切變振動的能量捕集’並且獲得沒有亂 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格m〇 X 297公釐） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) .•^1--訂---------線 I、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 449757 五、發明說明（ 真振動的單一壓電振動槿彳 模式 另外，與C軸沒有優先定向 以及不符合上述條件的愔：知丄 阍/兄相比，可以獲得較大的機電係 數以及較佳的共振頻率溫度特徵H本發明壓電裝置 具有作為通t用；慮波器和時鐘脈衝發生器t振盪器所用的 壓電諧振器之充分性能。另夕卜，電極的形狀和大小不限於 圖3所不的情況。當使用能夠實現切變振動能量捕集的具 有可選擇形狀和尺寸的電極時，可以觀察到上述優點。 另外，由c軸的優先定向方向與極化方向形成具有9〇。、 80°和70°角度的樣本測量機電係數和共振頻率随溫度的變 化率。另外’關於上述樣本’亦測量c轴的優先定.向與電 極形成0 (平行）、1〇。和2〇。角度，由極化方向與電極形成 〇 ° (平行）、10°和20。角度’以及兩個角度组合的情.況下， 初量機電係數和共振頻率隨溫度的變化率。結果示於表 2。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^i —-----訂-------線·... 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .ϋ an tt a— I · ---- 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ff 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 449757 A7 7Γ _______B7 10發明說明（） 表2 優先定向、極化方向以 及電極之間的關係 機電係數 K(%) 共振頻率隨溫度. 的變化率fr- TC(ppm) 優先定向VS. 極化方向 優先定向 VS.電極 極化方向 VS.電極 平行(0°) 28.0 30 平行(0°) 10。 24.2 41 20° 18.2 51 平行(0°) 23.2 — 45 90。(正交） 10。 10° 22.8 53 20。 14.9 63 平行(ά°) 16.6 51 20° 10。 13.8 61 20° 13.1 72 平行(〇。） 24.8 40 平行(〇°) 10。 22.6 52 20° 15.8 65 平行(〇。） 22.8 48 80。 10° 10° 20.2 59 20° 13.4 72 平行(〇。） 15.8 60 20° 10° 12.7 72 20° 10.3 78 平行(〇°) 19.4 「53 平行(〇〇) 10° 14,8 66 20° 13.1 71 平行(〇〇) 15.2 61 70° 10° 10° Γ 13.1 72 20° 12.8 75 平行(〇°) 13.4 67 20° t 10° Γ 12.8 72 20° 12.2 79 由表2可見’當樣本中c轴優先定向方向與極化方向所成 的角度為90。和80° ’（:軸優先定向方向與電極所成的角度為 0。和10。’並且極化方向與電極所成的角度為〇。和1〇。時， -13- 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------、襄--- C (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- --線. 449757 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ____B7_____— 1 國丨 _ 五、發明說明（11) 機電係數為20%或更大，而且共振頻率隨溫度的變化率也 較小。反之’其他樣本的機電係數小於20% »如上所述， 當c軸優先定向方向與極化方向所成的角度相對正交點不 大於10°時’以.及當電極相對c轴優先定向的傾斜角度不大 於10°和相對極化方向的傾斜角度不大於10°時，可以獲得 較大的機電係數，並且共振頻率隨溫度的變化率較小。 有效地使用主要由具有層狀鈣鈦礦結構的化合物所組成 之壓電陶瓷作為基材材料，其中該壓電陶瓷之c軸方向具 有明顯的各向異性。此等壓電陶瓷除了 CaBi4Ti4015之外， 例如還可以是 Bi3TiNb09、Bi4Ti3012、PbBi3Ti2Nb012、 BaBi3Ti2Nb012、SrBi3Ti2Nb012 ' CaBi3Ti2Nb012、PbBi4Ti4015、 SrBi4Ti40I5、BaBi4Ti4015、Na〇.5Bi4.5Ti50I5、K〇.5Bi4.5Ti5015、 Sr2Bi4Ti5018、Ba2Bi4Ti5Ou、Pb2Bi4Ti5018、Ca2Bi4Ti5018、 Bi6Ti3W018、Bi7Ti4Nb〇2i和Bi10Ti3W3O30。 但是’由於CaBQTUO〗5具有特別高的居里溫度（約為 790° )，並且在具有層狀妈欽礦結構的化合物之間溫度穩定 性較佳’所以用CaBi4Ti4015製作壓電裝置特別有效。 依照本發明’利用切變振動的能量捕集效應，可以獲得 作為有效壓電t皆振器的壓電裝置’其係用於通信用渡波器 和時鐘脈衝發生器的振盪器中。另外，這種座電裝置具有 可以實際使用的機電係數’並且具有諸如耐高溫性較強以 及極少之高頻損耗的特徵’此等是具有層狀鈣鈦礦結構的 壓電陶瓷所具有之特徵。另外，藉由將CaBi4Ti4〇”用作壓 電陶瓷材料，可以獲得共振頻率隨溫度的變化率較小的壓 電裝置》 -14-

K I I I I--— In . -__ -.1. ' f請先閱請背面之注意事項再填寫本頁} 訂 --線.

Claims (1)

1. i 449757 頜 C8 D8 六、申請專利範圍 1‘一種壓電裝置，其包括· 種基材其包括具有層狀約鈇礦結構的壓電陶瓷； 和 多個電極，形成於基材上； 其中，基材的一個晶軸係優先定向，並且基材係沿與 晶軸優先定向方向大致正交之方向極化；並且 在大致平行於晶抽優先定向且大致平行於基材極化方 向的基材表面上，形成有多個電極a 2 .根據申請專利範圍第1項之壓電襞置，其中使用一種利 用主要由化學式CaBUTUOi5表示的陶竟組合物組成之歷 電陶瓷組合物的壓電陶瓷形成該基板。 ----------1||\^ ---------訂----- ----線 (請先閒讀嘴面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）