TWI262512B - Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic device composed of same - Google Patents

Description

1262512 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、本發明係關於一種堡電陶莞合成物以及由該壓電陶兗合 成物組成㈣電陶£裝置。具體而言，本發明係關於一種: 用作星電㈣裝置用材料的M電陶究合成物，例如，該廢電 陶莞裝置是壓電陶㈣波器、壓電陶究共振器和麼電陶究振 盟斋，以及本發明係關於-種由_陶究合成物組成的壓 電陶瓷裝置。 【先前技術】 迄今爲止，鈦#酸錯（Pb(TixZrix)〇3)st欽酸錯（pbT叫基 壓電陶瓷合成物已經廣泛用於壓電陶瓷裝置，如壓電陶瓷： 波器、壓電陶兗共振器和壓電陶究振盡器。但是，鈦錘酸： 或鈦酸鉛基壓電陶竟合成物包含大量的錯，錯會在製造壓電 陶竟裝置時蒸發爲氧化鉛，由此導致產品—致性不良。因 此’要求包含很少或沒有錯的壓電㈣合成物來克服這一問 題。此外，就環境污染而言，也要求鉛含量低。 另一方面，以如SrBl2Nb2〇9等層型鉍化合物爲基礎的壓電 陶瓷合成物不含氧化鉛，且不會導致出現所述之問題。 此外，如曰本未審查的專利申請公開案第2001_328865號 所述，當溫度改變時，STBi2Nb2Q9基材料的頻率改變足夠 小，因此作爲共振器用壓電材料，最近已經受到人們的關注。 雖然壓電陶瓷裝置常用在一定溫度範圍，例如⑼ 内；在用於#振器時，要求可卩使用於更高溫度如約40(rc 的那些壓電陶瓷裝置。由於壓電陶瓷共振器不能在居里點以 92767.doc 1262512 使用在居里點以上日寸它不具有壓電效應，該壓電陶瓷共 振器的居里點必須高於操作溫度。 根據Μ丄Forbess等人（Applled physics，第％卷， 3 (2000))所述’ SrBl2Nb2〇9的居里點爲41代，當用於 溫度接近戰的壓電陶变共振器時，其壓電效應較低。在 這種情況下，較佳之居里點應至少爲43〇它。 【發明内容】 因此，本發明的目的是提供一種壓電陶究合成物，其以由 Sr、Bp Nb、氧所組成且包括一額外單價金屬元素之層型鉍 化合物爲基礎。該壓電陶瓷合成物的居里點高，在較高溫度 下很可靠1能使屢電效應的降低很小，且適合用作塵電陶 瓷裝置用的材料，而幾乎不包含鉛或鉛化合物。 本發明《電陶曼合成物包含相對於摩爾她之不超過約 (M25摩^且大於G摩爾的單價金屬元素。該單價金屬元素量 可以提咼該壓電陶瓷合成物的居里點。但是，單價金屬元素 超過0.125摩爾反而會降低該壓電陶i合成物的居里點。 用於本發明的單價金屬元素較好是選自Li、N^〇K中的至 少一種，促使本發明有進一步的優點。 而且，本發明該壓電陶瓷合成物較好包含相對於每摩爾 ，不超過G.175摩爾正值量的除則以外三價金屬元素。當由 该壓電H合成物所㈣之該陶竟裝置用作共振器時，該除 B!以外之三價金屬元素量給出實料q X因數（在—頻帶即 在’、振頻率和反共振頻率 < 間的一些頻率時最纟的電品質 因數 Q(l/tan3))。 °口、 92767.doc 1262512 該除Bl以外之三價金屬元素較好是選自Sc、Y、La、Ce、 Nd' Sm、Gd、Dy、Er和Yb中的至少一種，促使本發明有進 一步的好處。該除Bi以外之三價金屬元素中更好是Nd，它對 本發明尤其有好處。 在本發明壓電陶瓷合成物的主要組分中，可以用Ta代替不 超過約1〇摩爾％(且大於〇摩爾％)的Nb。因此，以存在N的b 和Ta總摩爾數計，7^量最多爲1〇%。用Ta代替1〇摩爾％以上 的Nb會導致共振器用壓電陶瓷合成物的Qmax因數太低。 此外，本發明壓電陶瓷合成物的主要組分可以包含每摩爾 主要組分不超過約0.01摩爾（且大於〇摩爾）的]^11。高於此量 的錳會導致共振器用壓電陶瓷合成物的Qmax因數太低。 本發明壓電陶瓷裝置包括一由本發明之壓電陶瓷合成物 所組成之壓電陶瓷以及該壓電陶瓷上的電極。 從本發明以下實施方式的詳細說明，本發明上述的及其它 目的、特徵和優點將更加顯而易見。 【實施方式】 首先製備作爲原料的SrC〇3、Bi2〇3、仙205、Ta205、

Na2C03、K2C03、Li2C03、Nd2〇3、La2〇3、Ce2〇3、Sc2〇3〇3、 Y203、Sm203、Gd203、Dy2〇3、Er2〇3、Yb2〇3和 MnC〇” 將 這些化合物稱重，以滿足組合物通式（SraBibNbe〇9+w摩爾 Ml + x摩_ M3 + y摩爾Ta+Z摩爾MnC〇3，其中，⑷是^、κ 或 U，M3 是 Nd、La、Ce、Sc、γ、Sm、㈤、Dy、以或几， 且a、b、c、w'x'Wz如表所示），並在球磨機中濕混 合約16小時。將所得混合物乾燥，然後在8〇〇_l〇〇〇t：下煆 燒。將該産物和合適量的有機枯合劑、分散劑、消、泡劑、表 92767.doc 1262512 面活性劑以及純水混合，並在球磨機中研磨。用刮刀將所得 聚液製成厚度爲40-80微米的片。用以糊劑將電極印刷到這些 片的一些片上，然後，將該印刷的片乾燥。將該印刷的片和 其他片堆疊起來。將所得層壓片壓實，並在11〇〇_13〇〇它下 燒結。然後，在5-10 kV/mm直流電壓下，在1〇〇·2〇(Γ(^^ 油中對該層壓片極化ΗΜ0分鐘，制得能量約束的壓電陶竞 振盪器10(樣品），如圖1和圖2所示。 如圖1和圖2所示，壓電陶莞振盪器1〇包括例如長方體形狀 的壓電陶£丨2。該壓電陶竟12沿箭頭所示從底面向上表面的 方向極化。該Μ電陶㈣之上表面和底面上分別具有振動電 極14a*14b。該等振動電極14a和14b例如呈圓形且置於各面 的中心。因此，該振動電極14b置於該振動電極丨如的正下 方。該壓電陶竟12也具有例如呈圓形的内部振動電極…。 該振動電極i4c置於該等振動電極14a和丨仆的中間。因此， =等振動電極Ma、Mb和Uc垂直排列。例如呈τ字形的引導 電極16a、16b和16c置於各振動電極14a、1讣和1化與壓電陶 曼12側面之間。具體而言’該等引導電極心和咐置於各振 動電極14a和Ub與壓電陶究12的一個側面之間，該引導電極 16c置於振動電極14c和壓電陶瓷12另一個側面之間。在引導 電極16a和16b與引導電極16c之間施加電壓，使外部振動· 極Ua和14b與内冑振動電極⑷之間形成電勢i，由此激^

沿厚度方向振動的第二諧振模式。 X 在室溫下測量該壓電陶瓷振盪器10(樣品）在沿厚度方向 振動的第_諧振模式的Qmaxjim。此外，測量居里點的介: 常數和溫度的關係。結果列於表丨和2中。 包 92767.doc 1262512 Κ) 1—^ 〇 00 Η—^ 5； Η—^ LO Κ) * 1—^ Η—^ Η—^ ο 00 ο 〇\ * Lh OJ Κ) Η—^ * 樣品編號 〇 〇 00 〇 00 ο οο Ο Η—* Ο Η—* Ο Η—^ Ο Ο 1—^ ο Η— Ο Η—^ Ο Ο Η—^ ο 1—^ Η—^ 1—^ ο ι—^ ο h—^ ο Η—^ h—^ Ο ρ Κ) b K) b •K) 〇 Κ) ο Κ) ο Κ) Ο •Κ) ο ·κ> ο Κ) ο κ> ο Κ) ο Κ) Ο Κ) ο Κ) ο •Κ) ο κ> ο ·κ> ο ·κ> ο Κ) ο Κ) Ο Κ) ο cr K) b K) 〇 K) b to ο Κ) ο Κ) ο Κ) ο κ> ο •to ο Κ) ο Κ) ο Κ) ο Κ) ο κ> ο •Κ) ο Κ) ο κ> ο Κ) ο Κ) ο Κ) ο κ> ο ο P P Ρ Ρ Ρ Ρ Ρ r r r Ρ Ρ Ρ Ρ Ρ 1 1—λ P — 0.15 0.15 ρ •ο ρ Η—^ ρ ρ I 0.05 1 ο U) ο Κ) ρ Η-λ ο ο Κ) ρ Η—^ ο U) 0.25 ο Lt\ ρ Η- 0.05 ο ΕΓ CL· 之: CL· ο- CL· Ρ- CL g I 1 I 雇 1 1 1 I 1 1 I 1 U) P 〇 U> ο U) ο Κ) ρ Ο 4^ 0.35 ο Κ) 0.05 ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ><ί 〇 〇 ο ο Ο Ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο γ 〇 〇 ο ο ο Ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο ο Ν 0.05 1 0.075 0.075 I 0.05 I I 0.05 1 0.05 0.05 I 0.05 1 0.025 0.15 ρ 1—^ 0.05 0.15 ρ 1—^ 0.05 0.15 0.125 ρ Η—^ 0.05 .0025 ο 1 ο 0.05 0.15 0.15 ρ Η-* 0.05 ο Κ) 1 0.175 1 ρ Η—^ 1 0.025 1 ο ο ο ο ο ο ο ο Ο ο ο ο ο" 460 470 460 465 470 435 450 470 490 370 435 480 370 450 480 360 435 455 480 480 418 1居里點(°c) 1 14.6 | 13.3 LJMJ 12:υ 00 10.3 12：5| 00 1 10.3 1 00 00 1 10.5 1 「ι〇·!」 '〇\ Γ 10.3 1 Γι〇·4 J 1 10.5 1 10.1 00 ρ 1 樂麴aoa-M和奸#涩S潍θ 2。 92767.doc -10 - 1262512 K) U) Ό U) 00 〇J G\ LO LO LU u> K) OJ K) K) 00 to K) a\ K) Lh to K) OJ K) K) 樣品編號 Η—^ b 〇 h—^ b 〇 o bo o o bo o o bo 〇 o bo O o bo 〇 \〇 o bo o o bo 〇 o bo o 'O o bo P bO o K> o K) b K) o K) b K> o K) o K) b K) b K) o K> b to o to o K) b K) o K) o bO 〇 K) o K) o K) o K) b σ" K) o bo o bo K) o bo o K) b K) b K) o K) o K) o to o K> o NJ 〇 K) b K) b K) b K) o K> b K) o K) b ο P P P P P P P P P P P P P P P S Η—^ 0.05 0.05 0.05 1 0.05 •o H—^ p H-A p p p H—^ p H—^ p p h—^ p p •o p p H- p p 1—^ p H—^ p 1—^ g g g s w W o PL· o ?? E? Ό 00 3 00 3 C^l ΌΤ1 ΕΓ U) 0.05 0.05 0.05 0.05 o k> p 1—^ o is> p H-^ o k) p h—^ 〇 •to p H-^ o bo p i—^ o k) p H-^ 〇 k> p 1—A o K) p (—A O k) X o o o k) p 1—a o o o 〇 o 〇 o o o o o 〇 o o o o o 0.01 1 0.005 o o o o o 〇 o o o o o o o 〇 o o o o o N 0.025 0.025 0.0277 I 0,0263 I 0.05 I I 0.05 I | 0.05 I 0.05 I 0.05 I I 0.05 I 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 rT 0.025 | | 0.025 | | 0.0277 | | 0.0263 | o H—^ 0.05 p 1—^ | 0.05 | o | 0.05 1 〇 0.05 〇 0.05 p 0.05 p I—λ 0.05 1 1 o H—^ 0.05 o 1—^ 达 rT 480 ! 490 440 460 470 475 470 485 460 480 465 丨 460 470 455 470 460 475 460 470 440 居里點〇c) 1 14.1 1 13.8 12-6J H—^ 1 13.0 1 1MJ 13亙」 1 13.0 1 | 13.5 1 Cj h—^ ΓΤ3-9„1 1 13.7 1 14:3_ 12:..8— I 13.5 1 一 1 15.5 1 1 13.2 1 L143I 1 13.2 I Qmax 92767.doc -11 - 1262512 在表現出最大Qm』數的條件（浪燒溫度、燒結溫卢 極化過程中絕緣油的溫度以及交流♦ 又^ 數。Qmax因數取決於樣σ ;厂 定各樣品的 的形狀、振動的模式以及電 發明η塵電嶋置，尤其是麼電陶莞共振器在本 溫度下的應用是很特別的用途，它不需要如家用 :二中：用通:厂堅電嶋置，尤其是麼電陶变共振器所 二是因爲根據其電路設計即使U數低 可 备、件下’ Qmax因數在室溫至少爲10就是 J用的。 表1和2中的居里點測定的是扁 α 疋扪疋在楗供取尚密度的條件（煆 U皿度和燒結溫度)下獲得的各樣品。當㈣電陶莞裝置在 接近400。〇的高溫下使用時，在 " 你員U應用中需要至少430〇c 的居里點。 從表1和2明顯可知’本發明範圍内的壓電陶究合成物的 :里點面於峨，因此可用作麼電陶竟裝置的材料，尤其 疋在接近400 C咼溫下使用的壓電陶瓷共振器。 本發明包含對每摩爾Nb來說不超過〇175摩爾㈣大於〇 摩爾）除Bi以外三價金屬元素的樣品，其因數不小於可 實用的10’因此，是有用的材料，尤其可用於壓電陶瓷共 振器。 本發明壓電陶竟合成物不限於上述的實施方式，且在本 發明的範圍内有效。 本發明不僅可以用於上述的壓電陶瓷振盪器⑺，也可以 用於其他壓電陶瓷裝置，如壓電陶瓷振盪器，J1電陶瓷濾 92767.doc -12- 1262512 波器以及壓電陶瓷共振器。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明一實施例之壓電陶瓷振盪器的透視圖。 圖2是圖1所示之壓電陶竞振盪器的截面圖。 【主要元件符號說明】 10 12 14a，14b，14c 16a，16b，16c 壓電陶瓷振盪器 壓電陶瓷 振動電極 引導電極 92767.doc -13-

Claims (1)

1262512 十、申請專利範圍： 1 · 一種包含一層型鉍化合物之壓電陶瓷合成物，該層型鉍 化合物包含Sr、Bi、Nb和氧，且包含一正值量的單價金 屬元素’該單價金屬元素量相對於每摩爾Nb之不超過約 0.125摩爾。 2。 如申請專利範圍第1項之壓電陶瓷合成物，其中該單價金 屬元素是選自Li、Na和K中的至少一種。 3. 如申請專利範圍第2項之壓電陶瓷合成物，其中該層型鉍 化合物進一步包含相對於每摩爾Nb之不超過〇175摩爾 正值量的除Bi以外三價金屬元素。 4·如申請專利範圍第3項之壓電陶瓷合成物，其中該三價金 屬元素是選自Sc、Y、La、Ce、Nd、Sm、㈤、Dy、師 Yb中的至少一種。 5·如申請專利範圍第3項之壓電陶瓷合成物，其中該三價金 屬元素是Nd。 6.如申請專利範圍第4項之壓電陶竟合成物，進一步包含以 存在的Nb和Ta摩爾數為基礎之最多約1〇摩爾％正值量的 Ta 〇 7. 如申請專利範圍第6項之壓電陶£合成物，進一步包含最 多約〇·01摩爾正值量的Μη。 8. 如申明專利範圍第7項之壓電陶瓷合成物 約爲430。。，Qmax至少約爲1〇。 其居里點至少 9. 一種壓電陶瓷裝置，包括一 弘陶瓷合成物所組成且結合 由如申請專利範圍第7項之壓 電極的壓電陶竟。 92767.doc