TW502465B - Piezoelectric element and method of producing the same - Google Patents

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TW502465B
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piezoelectric element
axis
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Masahiko Kimura
Akira Ando
Koichi Hayashi
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Murata Manufacturing Co
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Description

502465 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（1 ) 發明背景 1 ·發明領域 本發明有關壓電增j^ ^ 睡於旅& π + 自振态，尤其疋一種用作通信濾波器和 、、里發生备中的振盪器的壓電元件。 2 ·相關技藝描述 習用壓電元# + 士 ^ ^ 忤中 < 一，已知的是藉著在與壓電體陶瓷 ”有刀層鈣鈦礦結構）的定向軸垂直地使壓電體陶瓷進 極化而製造的壓電元件。在這種壓電元件中，電極係形 於壓電崎的兩個端面上。可藉由在極化方向上施加· 場來激勵壓電振動。 ％ 此外，本發明的發明人已提出這種類型的壓電元件，其 中在單片壓電體陶资的前、後主表面上形成交叉指型電極 以進行激勵。此壓電元件不使用具有許多步驟的層壓方 法。是故，該壓電元件可在工業上方便地利用，且具有高 度可信度，不會有電極界面與陶瓷的耦合之最佳化的問 題。 參考藉著在具有分層鈣鈦礦結構的壓電體陶瓷的兩個端 面上都形成電極，並使該陶瓷於垂直於定向軸的方向極化 而製造的壓電元件，壓電元件必須具有沿電場施加方向延 伸的片狀或桿狀結構。這種結構具有靜電電容低，阻抗 南’從而難以與電路之阻抗匹配的問題。 而且，就在單片壓電體陶瓷的一個主表面（後主表面）上 形成X又指型電極的壓電元件而言，在高頻下使用該壓電 元件時’必須減小元件的厚度以對整個元件進行極化。此 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — 7 — —— -^ C請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 訂--------線泰 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 502465 A7 B7_____ 五、發明說明（2 ) 種情況導致在高頻下使用該壓電元件時，無法增加該元件 的機械可信度。 發明概述 相應地，本發明的一個主要目的是提供一種壓電元件， 即使在該元件使用具有分層鈣鈦礦結耩的壓電體陶瓷時， 也具有低阻抗、高機電係數以及高頻低損耗特性。 _ b外本發明的另一個目的是提供一種製造前述壓電元 件的方法。 爲了達成前述的目的，依據本發明，提供一種塵電元 件’ i包括具有分層鈣鈦礦結構的壓電體陶瓷，其晶軸至 少C軸經定向，基本上在垂直於c軸的定向上進行極化， 在=平面上排列基本上平行於壓電體陶瓷的極化方向的多 =電極，在壓電體陶瓷中，該多個電極係排歹成連接於一 電位的電極與連到另一電位的電極包含相鄰的部分。 Μ多個電極以排列成交叉指型電極的形式爲佳。 可於C輛的定向上在多級上設置多個電極。在此情況 下’彼此重疊的電極係連接相同電位。 壓電體陶瓷以在彼此重疊的一些電極與彼此重疊的另一 t %極之間沿兩個相反的方向上進行極化爲佳。 、、此外，依據本發明，提供了 一種製造壓電元件的方法， 二方法匕括以下步驟：形成具有分層舞鈥礦結構的壓電體 材料，以製備生坯板（green sheet);印刷電極糊，使多個 所印刷的電極糊在生坯板上排列成基本上彼此平行；層積 该生链板，使得所印刷的電極糊個別夾置於壓電體材料之 __ -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） !!'!----4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線- 502465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 發明說明（3) 間，而形成一層積體；以及焙燒該層積體，其後，對經培 燒的層積體進行極化，該壓電體材料壓係於電體材料的c 軸定向成基本上平行於層積體的層積方向之後，於基本上 與C軸的定向垂直地進行極化。 不在本發明的壓電元件中，使用具有分層鈣鈦礦結構的壓 私也陶資：’其中至少選擇晶軸的c軸並沿該軸定向，基本 上垂直於該定向軸地進行極化，大量電極排列在平行於極 =方向的平面上。基本上垂直於壓電體陶瓷的C軸來施加 電場。此外，壓電體陶瓷的極化方向具有一個基本上垂直 於所選擇並沿其定向的c軸的分量。因此，可實現單模式 壓電振動。 最好，多個電極排列成交又指型電極的形式，以於前述 方向施加電場。 居壓電元件中，電極可在多級上排列於C軸的定向。此 情況下相互重疊的電極連到同一電位。因而，可在極化方 向相同的區域中於相同方向施加電場。 而且，該壓電體陶瓷以在相互重疊的一些電極與相互重 疊的另一些電極之間沿兩個相反的方向進行極化爲佳。以 形成其中壓電體陶瓷係沿垂直於所選擇並沿其定向的C軸 的相反方向進行極化的區域。分別沿與極化方向相同的方 向施加電場，可獲得單模式壓電振動。 參考附圖可由以下本發明具體實例的詳細描述，進一步 明瞭本發明的上述目的、其它目的、特徵和優點變得更加 明顯起來。 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ΙΊ----略 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線_
502465 五、發明說明（4) 圖w出本發明壓電元件實例的透視圖； 圖2不出在圖1的壓雷；/土士 、& 姿电7G件中所使用的壓電體陶瓷的一信 ^面; 圖3是圖2所示壓電體陶Ή分解透視圖； 圖4:出本發明壓電元件的電極排列的另—個實例； 圖5不出本發明壓電元件的電極排列的再—個實例； 圖6示出本發明壓電元件的電極排列的又—個實例； 圖7示出本發明的壓電元件中所使用的壓電體陶资另一 個實例的一個端面； 圖8是圖7所示壓電體陶瓷的分解透視圖； 圖9示出在製造圖！的壓電元件中所使用的板材 電極圖案； 圖1〇示出在圖9層積板材的步驟中的板材層積和電 排列； · 、圖11不出裁切藉著燒結圖1G步驟中所得的層積體而製得 之燒結體以形成元件的方法； 圖12示出在W11步驟中藉裁切所得的元件的裁切面上形 成導電材料和絕緣材料的方法； 圖13示出用於測量本發明實例之圖12的元件之特性的電 極連接； 圖1 4示出習用多層型壓電元件的一個實例；且 圖1 5示出習用桿狀壓電體的壓電元件的一個實例。 圖式之簡要説明 圖！是示出本發明的I電元件的_個實例的透視圖。壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背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
502465 A7 五、發明說明（5 ) 電= 二。包含壓電體陶資12。如圖2所示，綱 =成多個電極14。所形成的這些電極14相互平行，】 勺本：個：16上沿寬度万向延伸。層積此等層16而形成 二:：、二電極14的壓電體陶瓷12。此等層“係層 '形成於個別層16上之電極14係於厚度方向相互重疊。 、屢電體陶€12具有分層㈣礦結構，從晶轴中選擇 並沿厚度方向定向。此情況下〇輛指晶體的長輛。即 壓電體陶資12中，C軸之定向係變成垂直於電極14。而 且，壓電體陶资12係於縱向進行極化。即，壓電體陶资 12的極化方向基本上垂直於所選擇並定向的c軸。此時， 如圖2中的箭頭所示，壓電體陶瓷12係進行極化，使得排. 列於壓電體陶瓷1 2厚度方向的電極丨4的兩侧極化方向相 反0 而且，排列於壓電體陶瓷12的厚度方向上的電極14分別 覆蓋導電材料1 8和絕緣材料20。在此情沉下，在壓電體 陶瓷1 2的一個側面上，交替地排列導電材料丨8和絕緣才= 料20。在壓電體陶瓷12的另一側面上，位於壓電體陶資 的一個側面上而覆蓋有導電材料1 8的電極丨4個別覆蓋絕 經濟部智慧財產局員工消費舍作社印製 緣材料2 0 ’而覆蓋有絕緣材料2 〇的電極1 4則覆蓋導電材 料1 8 〇 此外，如圖1所示，外部電極2 2和2 4係形成於壓電體陶 瓷1 2寬度方向的兩個端面上。是故内部電極1 *經由形成 於壓電體陶瓷1 2的一個側面上的導電材料i 8電連到外部 電極2 2。此外，内部電極1 4經由形成在壓電體陶瓷i 2的 8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費舍作社印製 A7 ' 〜^—---— B7________ 五、發明說明（6 ) 另—侧面上的導電材料18電連接到外部電極Μ。因而， f側連接到外邵電極2 2的電極1 4與在另一侧連接到外 邠包極2 4的電極1 4排列成交叉指型電極的形式。 、、在壓電元件ίο，可藉著使信號輸入外部電極22和24以 敫：壓私振動’而在排列成交又指的形式的電極丄4之間施 =兒％。此情況下，基本上垂直於所選擇並定向的c軸地 施加兒場於具有分層鈣鈦礦結構的壓電體陶瓷1 2上。因 而:可激勵單模式壓電振動，並可增加機電係數。此外， ^ _馬電極1 4在壓電體陶瓷丨2中係形成爲彼此相鄰，所以 可^加連接外郅電極2 2和2 4的電極丨4之間的靜電容。因 而…可彳疋供具有低阻抗的壓電元件。相應地，可容易地達 成壓私元件1 〇與電路之間的阻抗匹配。此外，在壓電元件 1 〇中’在電極1 4與相鄰電極i 4之間引起極化。是故，與 單片壓電tl件相反地，不必減小在高頻下使用的元件的厚 度，且可確保高的機械強度。 /如圖4所示，參考連接到兩個外部電極^和以的交叉指 开y式的％極’可交替排列一組連接到電極2 2和2 4中之一 的雙梳齒電極及一組連接到電極2 2和2 4中另一個的雙梳 齒狀電極。而且，如圖5所示，可把梳齒狀電極的一部分 f接到同一外部電極，而不在該部分梳齒狀電極施加電 %，如圖5所tf。此外，如圖6所示，可藉由改變電極i 4 t間的間隔，形成梳齒電極具有不同極化程度的一部分， 以改變欲用於極化的電場強度。而且，可在多個電極丨4之 間开y成不連接到外郡電極（即，不連接到任一電位）的浮動 —__ _ -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I------.--------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 502465 A7
五、發明說明（7 ) 遠極。因而’可藉著改變壓電元件10的結構，調節壓電元 件10的機電係數。而且，由於可改變壓電體陶瓷欲極2的 體積，所以可藉由改變排列在壓電體陶瓷丨2中的多個*極 1 4的寬度（電極之間的距離），而輕易地調節壓電元γ 的機電係數和靜電容。 f μ就壓電體陶覺12的材料而言，例如使用NaQ 5Bi〜Tiw 等。此外，使用 CaBi4Ti4〇15、SrBi4Ti4〇15、为:層 鈣鈦礦結構型壓電材料時，可獲得高的機電係數。 曰 、而且，如圖7和8所示，可僅形成一層非層積於壓電體陶 瓷1 2的厚度方向的電極丨4。在此情況下，位壓電體陶瓷 1 2的相對侧面上之相鄰電極丨4分別覆蓋導電材料1 8和絕 緣材料2 0。在電極丨4被覆蓋導電材料丨8和絕緣材料2 〇的 側面上分別形成外部電極。在壓電體陶瓷1 2中，* 以交叉指的形式排列。 %極14 爲了製造壓電元件10，首先，製備具有分層鈣鈦礦結構 的壓電材料。如圖9所示，利用此壓電材料形成生坯板 3 〇。在生坯板3 0上，印刷多個基本上平行的線性電極糊 3 2，使其生坯板3 〇的一端向其另一端延伸。多個各印刷 了電極糊32之生驻板30，相互層積而形成一層積體34。 此情況下，層積生坯板34之方式係使電極糊32沿生坯板 30的層積方向相互重疊。 所得的層積體3 4經焙燒而製造如圖i 1所示之其中形成了 電極14的燒結體36。此情況下，例如，藉著在沿層積方 向施加的壓力下焙燒生坦板3 0，產生燒結體3 6，其中結 10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^2465 五、發明說明（8 卵c軸沿層積方向定向。把燒結體3 6裁切成如圖} }的虛線 所π之所需尺寸，以形成多個元件。應注意，電極丨4未出 現在燒結體3 6的表面上，但在圖i i中，爲了示出電極丄* 與裁切部分之間的關係而示出了電極。 在所得的元件的側面上，暴露出電極丨4的末端部分。沿 生坯板30的層積方向重疊的電極14的末端部分交替地覆 蓋導電材料1 8和絕緣材料2〇。此情況下在該元件的一側 面上，又替地形成導電材料i 8和絕緣材料2 〇。在該元件 的另一侧面上，在一側面上覆有導電材料18的電極14上 覆上絕緣材料2 0，而位在該元件的一側面上且覆有絕緣材 料2 0的電極1 4則覆上導電材料1 8。 在分別形成有導電材料1 8和絕緣材料2 〇的元件的側面上 形成外部電極22和24。因而，電極丨4以交叉指型電極的 形式相連。在此情況下，在外部電極22和24兩側施加一 直流電壓，以於基本上垂直於c軸定向的情況下，在電極 1 4和相鄰的電極丨4之間施加了直流電場。即，如圖2中的 前頭C所π對το件進行極化。如前所述，製備壓電元件 1 〇，其中結晶C軸係定向於壓電體陶瓷丨2的厚度方向，而 薇壓電體陶瓷1 2基本上係於垂直於c軸之下進行極化。 (實施例） 5到1 0重量％的乙酸乙烯酯型黏合劑與組成由通式 表示的原材料粉末相混合，並通過刮漿法 形成生坯板。如圖9所示，以網版印刷將鉑電極糊3 2印刷 成線型。如圖1 〇所示層積陶瓷生坯板並進行壓接，以產生 11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------^-------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 502465 經濟部智慧財產局員工消費舍作社印製 A7 五、發明說明（9 ) 層積體34。這裏，生坯板的最下層與最上層的厚度約爲每 個其Έ生坯板的厚度的兩倍。即3〇〇微米，每個其它生炻 板的厚度爲150微米。壓接前生坯板3〇的整個厚度爲15: 米，壓接後層積體34的厚度爲ι·2毫米。 .笔 在沿厚度方向加壓之同時焙燒層積體34，而得到c軸沿 厚度方向定向的分層鈣鈦礦結構的燒結體36。加壓的壓2 爲5 0到500 kg/Cm2,焙燒溫度爲1〇〇〇τ到13〇〇Ό。經焙燒的 燒結體36的厚度約爲600微米。把燒結體36拋光到^度均 勻，即具有500微米的厚度。其後，如圖u中的虛線所&示， 裁切燒結體36，以形成每個寬度爲i毫米且長度爲3·6亳米 的元件。鉑電極糊32藉由焙燒變爲電極14。電極不= 在燒結體36的表面上。然而，在圖"中，爲了示出電極 14與裁切部分之間的關係，示出了電極14。把出現在 切表面處的電極14分成兩組。在裁切表面處，利用導雨 料18和絕緣材料20，將屬於同一組的電極14中電聯: 兩組電極兩側施加一直流電場，以進行極化。如圖丨3所 ^此等電極連接到-阻抗計的接頭，研究阻抗的頻率特 —利用具有包括圖14所示的壓電層4〇和電極層42(使用未 足向的Na❶^Βΐ4 5!^4。"形成）的分層結構的壓電元件以及包 括圖'5所示兩端面上都形成有電極“的杆狀壓電體二 壓私疋件，來比較機電係數。表丨示出結果。可看到，依 本發明，與使用杆狀壓電體的壓電元件相比阻抗可減小， 此外，與未定向多層型壓電元件相比，機電係數增加。η ’ 12- 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） —I ^ —------^———. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7 1、發明說明（1〇) (表1) 材料 結構 機電耦合係數(％) 靜電(pF) 本發明 經定向的 Na0 5Bi4 5Ti4〇i5 圖2的結構 42 14 對照例 未定向的 Na0 5Bi4 5Ti4〇i5 圖2的結構 23 12 對照例 未定向的 Na0 5Bi4 5Ti4〇i5 圖14的結構 28 18 對照例 經定向的 Na0 5Bi4 5Ti4〇i5 帶角的杆狀 (圖 15) 47 0.15 !： 未定向的 PbTi0 49Zr〇 49〇3 + 1 wt· % 的MnO 圖2的結構 43 105 對照例 未定向的 PbTi0 49Zr0 49〇3 + 1 wt. % 的MnO 圖14的結構 49 160 已有人提出具有類似於本發明的壓電元件的結構的壓電 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂——i-線‘ 激勵為。將描述這兩個結構之間的差別。 曰本未審查專利申請公告第3-94487號揭示了一種作爲增 | 強多層的可信度的常規裝置的壓電元件，其使用未定向的 I 壓電體陶瓷材料，且具有類似於本發明的壓電元件10層積 i才 交叉指型電極的結構。這種結構係爲了保證圖14所示二^ I 種常規多層結構元件的機械可信度所提出。然而，在習= | 多層結構下，可充分地確保在濾波器和振盪器（包含在小 合 σ 作 社 印 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
五、 發明說明（11) 型電场下應用的電子設備中）中使用的高度機械可信度。 對於具有圖14所示結構的多層元件，包含交叉指型電極的 結構降低機電係數，而且無法有效地利用（見表丨）。 另一万面，依據本發明，尤其使用具有分層鈣鈦礦結構 =壓電體陶瓷，壓電元件具有一結構，使得在焙燒後電場 施加在垂直於C軸定向方向之該元件下。是故，與圖丨斗所 不的常規多層結構元件相比，可達到相當高的機電係數。 換言之’具有分層_鈥確結構的壓電材料與電極結構的組 合產生了大的値。 ' 前文已參考實施例描述了線性電極14諸如交叉指型電極 等的這種結構的壓電元件1〇。如果可獲得類似的效果，則 不特別限制電極14的形成位置。例如，可在壓電體陶瓷 12的表面上形成電極"。此外，膨服⑽也㈣不限於均句 的膨脹。例如，可藉著部分逆轉電場的施加方向，在壓電 體陶瓷1 2中形成具有不同膨脹狀態的部分。 ^ 在本發明的壓電元件中，可藉由使用具有分層鈣鈦礦姓 的壓電材料來實現單模式諧振特性。是故，可提供具有= 使用鈦酸錘酸鉛（典型的壓電材料）時不能實現的優/良特性 諸如高溫熱阻、低的高頻損耗等的濾波器和振盪器。此壓 電元件具有低的阻抗，從而可容易地獲得與電阻抗匹 配。可提供具有高的機電係數的壓電元件。 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) --------訂---------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14

Claims (1)

  1. d .¾ 請I中一六 ABCD 月 5 年 案(9 請本 申正 利修 專圍 12_ 圍範利 1. 一種壓電元件，包括具有分層鈣鈦礦結構的壓電體陶 瓷，該壓電體陶瓷至少其晶軸的C軸係經定向，且於基 本上垂直於C軸的定向方向上進行極化，及 、多個電極，配置成使得連接於一電位的電極與連接 於另一電位的電極係包含彼此相鄰的部分。 2. 如申請專利範圍第1項之壓電元件，其中該多個電極係 排列成交叉指型電極的形式。 3. 如申請專利範圍第1或2項之壓電元件，其該多個電極係 沿C軸的定向方向配置在多級上，彼此重疊的電極係連 接於同一電位。 4. 如申請專利範圍第1或2項之壓電元件，其中該壓電體陶 瓷係在彼此重疊的電極與彼此重疊的其他電極之間於兩 個相反的方向進行極化。 5 .如申請專利範圍第3項之壓電元件，其中該壓電體陶瓷 係在彼此重疊的電極與彼此重疊的其他電極之間於兩個 相反的方向進行極化。 6. —種製造壓電元件之方法，該方法包括以下步騾： 形成具有分層鈣鈦礦結構的壓電體材料，以製備生 坯板； 印刷電極糊，使得多個所印刷的電極糊在生坯板上 排列成基本上彼此平行； 層積該生坯板，使得所印刷的電極糊分別夾置於壓 電體材料之間，而形成一層積體；以及 焙燒該層積體，其後，使經焙燒的層積體進行極化， 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 502465 8 8 8 8 A BCD 六、申請專利範圍 該壓電體材料係在壓電體材料的C軸的定向方向基本 上平行於層積體的層積方向後，於基本上垂直於C軸定 向方向上進行極化。 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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