TW478246B - Piezoelectric element - Google Patents

Description

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發明背景 本發明涉及一種壓雷分彼 件’尤其涉及使用厚度振動模式 的能量約束壓電元件。 相關技術描述. ，傳統地，已經使用了壓電體中具有振動電極，並且激勵 較高模式的厚度振動的能量約束壓電元件。和激勵基波厚 度振動不同，這種懕雷；， I电兀件基本上不受泊松比的影響。通 常，諸如锆鈥酸鉛之類的熱敎材料具有小於三分之一的 /白权比，並且未達到減小基本厚度振動的能量約束的頻 率仁疋在厚度振動中，由振動電極結構激勵的更高的 ㈤波減d此量約束的令人滿意的頻率可以通過使用這樣 的熱穩定材料得到，並且對於達到高性能壓電元件之技術 已受到矚目。 4疋對由振動％極結構激勵的厚度振動高次譜波的能 量約束兀件根據材料而具有不同的最優化的電極結構，由 此，必需由各自的材料決定最適合的尺寸。即，在能量約 束元件中，已知被稱為非諧振諧波的寄生振動的諧振頻率 出現在基本振動的諧振頻率附近。當電極的直徑，即，能 量約束區域減小時，非諧振諧波不激勵。由於不引起非諧 振諳波激勵的最大電極直徑依賴於材料，故必須為每一種 材料決足最大電極直徑。無定向層疊的鉍基陶瓷材料是熱 穩定的，並具有較小的機電耦合常數，由此，希望能夠被 用作窄容許誤差的高性能振盪器。但是，並未發現不引起 非諧振諧波激勵的最大電極直徑。 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再頁) · --線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

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發明簡述

因此本發明的一個目的是提供一種熱穩定壓電元件， 其中，可以A 、 貫現具有窄的容許誤差的高性能振盪器。 根據β本發明，壓電元件包含：多個含有包含Sr、Bi、Ti :⑽t電材料的壓電層，i少三個彼此相對的振動電極 母一個電極設置在壓電層之間，以及形成在振動電極重疊 勺區或中的旎量約束區域。能量約束區域平行于振動電極 的平面，並激勵N次諧波縱向厚度振動。能量約束區域周 圍的兩個父又點之間的割線的最大長度l和最上面振動電 極和最底下振動電極之間的距離t滿足nL/t比值小於1〇。 較佳的，壓電材料包含SrBi4Ti4〇i5。 、 ㈢較佳的，在壓電層的外部表面上形成最上面振動電極和 最底下振動電極。 或者，壓電材料包含Ca、Bi、Ti和〇 ,並且nL/t的值小於 9。 在這種情沉下，壓電材料最好包含CaBi4Ti4015。 或者，壓電材料包含Sr、Bi、Nb* 〇，並且nL/t的值小於 10。 在這種情況下，壓電材料最好包含SrBi2Nb209。 圖式簡單說明 圖1是本發明的壓電元件的實施例的示圖； 圖2是圖1所示的壓電元件的側視圖； 圖3是壓電元件的製造步驟的分解圖； 圖4是壓電元件的測試電路的示圖； 圖5疋g例子1中此f約束區域的直徑是2 mm時阻抗對飼 率特性的曲線圖； ~ -------------氣--- 請先閱讀背面之注意事項再頁) . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -5-

478246 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3 ) 圖6是當例h中的nL/t的值變化時，壓電元件的阻抗的 峰谷比； 圖=本發明的壓電元件的另一個實施例的示圖； 圖疋田例子2中的能量 '約束區域的直徑是2 mm時，阻抗 對頻率特性的曲線圖； 圖9是當例子2中的心的值變化時，壓電元件的阻抗的 頂一低比的曲線圖； 圖1〇疋田例子J中能量約束區域的直徑是2 mm時，P且抗 對頻率特性的曲線圖； 圖11是當例子3中的nL/t的值變化時，壓電元件的阻抗的 導谷比的曲線圖。 較佳實施例描述 圖1是本發明的壓電元件的示圖，圖2是圖1中的壓電元 :的側視圖。壓電元件10包含例如兩個壓電層12和14。壓 電層12和14由包含Sr，Bi，Ti，和〇為主要成份的壓電岐材 料製成。典型的壓電材料是㈣成〜。盤狀的第—振動電 極16設置在這些壓電層12和14之間的大致中心。第一振動 電極16在壓電層12和14的薄片的一端引出。盤狀的第二振 動電極18形成在壓電層12的外部表面上，以便和第一振動 電極16相對。第二振動電極18在薄片的相對端引出。在壓 電層14的外部表面上形成第三振動電極2〇 ,以便和第—振 動電極16相對。在和第二振動電極18相同的一端引出第二 -----------!襄—— - (請先閱讀背面之注意事項頁) . -線. 振動電極20。第一振動電極16、第二振動電極“和第三振 動電極20具有相同的直徑。 -6 -

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錢電元件Η)用作能量約束壓電元件。能量約束區域出 現在第一振動電極16和第二振動電極18之間以及第一振動 電極16和第三振動電極2G之間。，這些振動電極μ 和20在能量約束區域中重叠。由此，振動電極^ n 用作能量約束電極。這裏，將平行于振動電極Μ、邮 20 ’並由能量約束區域外周的交叉點定義的割線的最大長 度設置為L。在圖！所示的壓電元件1〇中，最大長度l對應 于盤狀振動電極16、18和2〇的直徑。第二振動電 三振動電極20之間，能量约束區域中相對的外部表面之 間的距離設置為t。當财縱向厚度振動振蓋時，尺寸最好 如此確定，從而nL/t的值小於1 〇。 在壓電元件10中，使用一種含有Sr，Bi，Ti，和〇作為主要 成份的壓電材料。由此，壓電元件10是熱穩定的，具有較 :i:的機電耦合係數，並且可以用作具有，容許誤差的高二 能振盧器。當nL/t的比值小於10時，非諸振错波被激勵。 例子1 製備SrC03, Bi202, Ti02和MnC〇3，作為起始材料。這些材 料被稱重和混合，從而合成物由她4邮15+ ι%重量的 Mn〇2表示。在800到1000攝氏度煆燒粉末混合物並且通過 刮片處理形成薄片。如圖3所示，使用得到的薄片，分別 得到具有第二振動電極圖案30,第三振動電極圖案Μ和第 一振動電極圖案34的薄片36、38和4〇。這些電極圖案％、32 和34由鉑構成，並通過印刷處理形成。將多個薄片u設置 在薄片36和薄片4G之間，並將多個薄片料設置在薄片财 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）

丨丨氣 (請先閱讀背面之注意事項再頁) «· -線·

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五、發明說明（5 ) 薄片40之間。這些薄片36、38、4〇、42和44被層疊，並在 200 MPa(2 X l〇8kg/m2)的壓力下壓縮，並在以咒到13〇〇攝氏 度燒結1到5小時。沿圖2中的箭頭方向極化燒結的坯塊， 以製備如圖1和2所示的壓電元件。 將燒結的壓電元件的能量約束區域的直徑，即這些振動 電極的盤狀部分的直徑設置為〇·4到2·6 mm。燒結的壓電元 件的總的厚度，即，第二振動電極18和第三振動電極2〇之 間的距離設置為〇·4 mm。如圖.4所示，將阻抗分析器5〇連接 在第二振動電極18和第一振動電極16之間以及第一振動電 極16和第三振動電極2〇之間，以激勵壓電振動。 為了估算使用這種壓電元件的第二諧波的能量約束，測 量阻抗對頻率的特性。圖5是曲線圖，示出電極直徑為2 mm 時的阻抗對頻率特性。由於n=2 ,L = 2 mm，並且t=〇.4 mm， nL/t成為l〇。在這種壓電元件中，在基本振動的諧振頻率 上疊加了非諧振諧波。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --------------^--- (請先閱讀背面之注意事項再頁) .線· 圖6不出基本振動的峰谷比（諧振阻抗與反諧振阻抗的比） 和指數nL/t之間的關係，以及非諳振諧波的峰谷比和指數 nL/t之間的關係。非諧振諧波開始在nL/t的比值為1〇或更大 處重疊。當將壓電元件用作振盪器時，非諧振諧波引起反 常振盪或暫停振靈。 由此’在使用含有Sr，Bi，Ti和Ο的層疊的鉍材料（諸如

SrBuTqOi5)的壓電元件（其中由内部電極結構激勵厚度振動 南次諸波）中，電極的尺寸如此設置，從而nL/t比值是1〇或 更小。結果，壓電元件是熱穩定的，並且具有窄的容許誤 -8- 478246 A7 B7 五、發明說明（6 ) 替代如圖1所示的盤狀形狀，能量約束電極的形狀可以 疋糖圓形、正方形、長方形或多邊形。在這種情況下，L 表不最長的部分，例如橢圓的長軸的長度，或正方形或長 方形的對角線的長度。或者，如圖7所示，電極可以是含 有引出部分的矩形狀。在這種情沉下，振動電極16、18和 20重疊的區域是能量約束區域。 在上述實施例中，將Μη加到含有SrBUTUO”作為主要成 頁 份的混合物中。還可以加入Nd和Y。可以用其他元素部分 替換Sr和Ti。另外，含有Sr、m、Ti和〇作為主要成份的壓 邊材料還了以包含輔助成份，諸如玻璃成份，以改進陶究 的可燒結性。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 在三個振動電極中，沿厚度方向的兩個外部振動電極不 必形成在元件❸卜部表面上，可以將壓電層設置在振動電 極的外部。兩個外部振動電極最好形成在元件的最外面部 分，作為外部電極，換句話說，在振動電極的外部表面上 不形成壓電層。當將壓電元件用作例如振盪器或濾波器 時，將諧振頻率j周節到理想值。雖然壓電材料的類型、振 動電極以及元件的厚度決定譜振頻率，但是常常是：過在 振動電極上施加塗料以在振動電極上加以質量負荷完成最 終的調節。當最外面的振動電極暴露于外部時，這:方^ 容易應用。另外，可以在振動電極上由塗料進行質：負 抑制寄生振動。在這種情況下，振動電極最好是: -9 _ 本紙張尺Y適用中國國家標準（CNS)A4規格⑽X 297公爱 478246 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7) 例子2 製備起始材料CaC〇3，Bi2〇3，Ti〇2和MnC03。稱重和混合 這些材料，從而由CaBUTUO# 1 %重量的Mn〇2表示合成 物。粉末混合物在800到1〇〇〇攝氏度燒結，並通過刮片處理 形成薄片。使用得到的薄片，如圖3所示，分別形成具有 第二振動電極圖案3〇、第三振動電極圖案32和第一振動電 極圖案34的薄片36、38和40。這些電極圖案3〇、32和34由鉑 構成，並通過印刷處理形成。將多個薄片42設置在薄片％ 和薄片40之間’並將多個薄片44設置在薄片38和薄片牝之 間。這些薄片36、38、40、42和44層疊，並在200 Mpa (2 X 108kg/m2)的壓力下壓縮，並在u〇(^jl2〇〇攝氏度燒結^|J5 小時。燒結的坯塊沿圖2中的箭頭的方向極化，以製備如 圖1和2所示的壓電元件。 燒結的壓電元件的能量約束區域的直徑，即，這些振動 電極的盤狀部分的直徑設置為〇 5到2 5 mm。燒結的壓電元 件的總的厚度，即，第二振動電極丨8和第三振動電極2〇之 間的距離設置為〇·4 mm。如圖4所示，將阻抗分析器5〇連接 在第一振動電極18和第一振動電極16之間以及第一振動電 極16和第二振動電極2〇之間，以激勵壓電振動。 為了估算使用這種壓電元件的二次諧波的能量約束，測 量阻抗對頻率特性。圖8是在電極直徑為L8 mm處的阻抗對 頻率特性的曲線圖。由於n=：2，乙=18111111，並且t = 〇.4mm， nL/t為9。在這種壓電元件中，非諧振諧波疊加在基本振動 諧振頻率上。 -10- 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格⑽x - 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再頁) · •線' 478246

五、發明說明（8) 圖9示出了基本振動的峰谷比（諧振阻抗和反諧振阻抗之 間的比）和指數nL/t之間的關係，以及非諧振諧波和指數 nL/t 4間的關係。非諧振諧波開始在仏八為9或更大的位置 疊加。當將壓電元件用作振盪器時，非諧振諧波引起反常 振盪或暫停振盪。 由此，在使用含有Ca，Bi，Ti，和0的層疊的鉍材料（諸如 CaBuTqO!5)的壓電元件（其中，厚度振動高次諧波由内部電 極結構激勵）中，如此設計電.極的尺寸，從而nL/t比值為9 或更小。結果’壓電元件是熱穩定的且具有窄允許誤差。 在上述實施例中，將Μη加入含有CaBiJUO”作為主要成 份的合成物中。還可以加入以和w。以和Ti可以由其他元素 替代。另外，含有Ca、Bi、Ti和0的壓電材料還可以包含輔 助成份，諸如玻璃成份，以改進陶瓷的可燒結性。 例子3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --------------裴— (請先閱讀背面之注意事項再頁) 線· 製備SrC03，Bi203，Nb203和MnC03,作為起始材料。這些 材料被稱重和混合，從而合成物由SrBi2Nb2〇9+丨％重量的 Mn〇2表示。在800到1〇〇〇攝氏度煆燒粉末混合物，並且通過 刮片處理形成薄片。使用得到的薄片，如圖3所示，分別 开7成具有第二振動電極圖案3〇、第三振動電極圖案32和第 一振動電極圖案34的薄片36、38和40。這些電極圖案3〇、32 和34由鉑構成，並通過印刷處理形成。將多個薄片設置 在薄片36和薄片40之間，並將多個薄片44設置在薄片刊和 薄片40之間。這些薄片36、38、4〇、芯和料被層疊，並在 200 MPa( 2 X l〇8kg/m2)的壓力下壓縮，並在1〇〇〇到12〇〇攝氏 -11- 478246 A7 B7 五、發明說明（9) 度下燒結1到5小時。沿圖2中的箭頭的方向極化燒結的坯 塊’以製備如圖1和2所示的壓電元件。 燒結的壓電元件的能量約束區域的直徑，即這些振動電 極的盤狀部分的直徑設置為〇·5到2 5 mm。燒結的壓電元件 的總的厚度，即，第二振動電極18和第三振動電極2〇之間 的距離設置為0.4 mm。如圖4所示，將阻抗分析器50連接在 第一振動電極16和第三振動電極2〇之間以激勵壓電振動。 為了估算使用這種壓電元件的第二諧波的能量約束，測 量阻抗對頻率特性。圖1〇是示出在電極直徑為2 mm處的阻 抗對頻率特性。由於η = 2，L = 2 mm，並且t = 0.4 mm，nL/t 為10 °在這種壓電元件中，將非諧振諧波疊加在基本振動 的讀振頻率上。 圖11不出了初級振動的峰谷比（即諧振阻抗與反諧振阻抗 的比）與指數nL/t之間的關係，以及非諧振諧波的峰谷比和 指數nL/t之間的關係。非諧振諧波開始在nL/t比值為1〇或更 多處叠加。當將壓電元件用作振盪器時，非諧振諧波引起 反常振盪或暫停振盪。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ------------!裝—— (請先閱讀背面之注意事項再13^4頁) •線·

由此，在使用含有Sr，Bi，Nb,和Ο的層疊的鉍材料（諸如 SrBhNhO9)的壓電元件（其中，由内部電極結構激勵厚度振 動南次谐波）中’電極的尺寸如此設置，從而nL/t比值是1Q 或更小。結果’壓電元件是熱穩定的，並且具有窄的容許 誤差。 在上述實施例中，將Μη加入含有SrBi2Nb209作為主要成 份的合成物中。還可以加入Si和W。Sr和Nb可以部分地由 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 478246 A7 _B7 五、發明說明（10) 其他元素代替。另外，含有Sr，Bi，Nb，和0作為主要成份 的壓電材料還包含附加成份，諸如玻璃成份，以改進陶資 的可燒結性。 (請先閱讀背面之注意事項再頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 478246 A8 B8 C8

   1 · 一種壓電元件，包含： 多個含有壓電材料的壓電層，所述壓電 Bi，Ti，和 〇 ; ^ ° Sf’ 至少三個彼此相對的振動電極，每一個所述振動電極 設置在所述壓電層之間；和 a 1成在振動電極重疊的區域中的能量約束區域，所述 能量約束區域平行于振動電極的平面，並且激勵η次諧 波縱向厚度振動； 其中，在旎量約束區域的外周的兩個交叉點之間的割 、’泉的最大長度L，和最上面振動電極和最底下振動電極 之間的距離t滿足nL/t比值小於1〇。 2 ·‘如申請專利範圍第1項所述的壓電元件，其中壓電材料 包含 SrBi4Ti4015。 3· —種壓電元件，包含： 多個含有壓電材料的塵電層，所述壓電材料包含有Ca， Bi，T，和 〇 ; 土少二個彼此相對的振動電極，每一個設置在所述壓 電層之間；和 形成在振動電極重疊的區域中的能量約束區域，所述 能量約束區域平行于振動電極的平面，並激勵η次諧波 縱向厚度振動； 其中，能量約束區域的外周的兩個交叉點之間的割線 的最大長度L，和最上面振動電極和最底下振動電極之 -14- 本紙張適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮)一 一' ------------丨-裝—— (請先閱讀-t面之注意事項再13^4頁) 訂： -·線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 478246 AS B8. C8 D8 六、申請專利範圍 間的距離t滿足nL/t比值小於9。 4 ·如申凊專利範圍第3項所述的壓電元件，其中壓電材料 包含 CaBi4Ti4015 〇 5. —種壓電元件，包含： 多個含有壓電材料的磨電層，所述壓電材料含有sr Bi，Nb，和 〇 ; 少二個彼此相對的振動電極，每一個設置在壓電層 之間；和 形成在所述振動電極重登的區域内的能量約束區域， 所述能量約束區域平行于所述振動電極的平面，並激勵 η次諧波縱向厚度振動； 其中，能量約束區域的外周的兩個交叉點之間的割線 的取大長度L和最上面振動電極和最底下振動電極之間 的距離t滿足nL/t比值小於1 0。 6 ·如申請專利範圍第5項所述的壓電元件，其中壓電材料 包含 SrBi2Nb209。 7 ·如申凊專利範圍第1到6項中任一項所述的壓電元件， 其中最上面振動電極和最底下振動電極形成在壓電層的 外部表面上。 ------------l··裝 i (請先閱讀臂面之注音？事項再18!||^頁} 訂·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15-