DE10331036B4 - PZT (lead zirconate titanate) compositions which are sinterable at low temperatures and piezoelectric ceramic devices made therefrom - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrische
Keramikzusammensetzung enthaltend einen keramischen Werkstoff der
allgemeinen Formel
aufweisen,
y und z im Bereich von 0,001 ≤ y ≤ 1,0 Gewichtsteile
und 0,001 ≤ z ≤ 1,0 Gewichtsteile
jeweils bezogen auf 100 gewichtsteile des keramischen Werkstoffs
liegenPiezoelectric ceramic composition containing a ceramic material of the general formula
and y and z are in the range of 0.001 ≦ y ≦ 1.0 parts by weight and 0.001 ≦ z ≦ 1.0 parts by weight each based on 100 parts by weight of the ceramic material
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Zusammensetzungen, die bei niedriger Temperatur sinterbar sind und deren Verwendung für piezoelektrische Keramikvorrichtungen. Die Erfindung betrifft insbesondere verlustarme piezoelektrische Keramikwerkstoffe, die bei Temperaturen unterhalb von 1050 °C sinterbar sind, und darüber hinaus gemeinsam mit einer Silber-(Ag-)Elektrode bei einer Temperatur von unterhalb 940 °C gesintert werden können, sowie piezoelektrische Keramikvorrichtungen für die die PZT-Zusamensetzungen verwendet werden.The The present invention relates to lead zirconate titanate (PZT) compositions, which are sinterable at low temperature and their use for piezoelectric Ceramic devices. The invention relates in particular to low-loss Piezoelectric ceramics that are at temperatures below of 1050 ° C are sinterable, and above in addition, together with a silver (Ag) electrode at a temperature of below 940 ° C can be sintered, and piezoelectric ceramic devices for the PZT compositions be used.
Die Zahl der Veröffentlichungen, die mehrschichtige piezoelektrische Keramikvorrichtungen betreffen, wie Piezotransformatoren und Piezoauslöser, ist in der letzten Zeit stark gestiegen. Jedoch mussten die bekannten mehrschichtigen Piezokeramikvorrichtungen aus dem Werkstoff Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) wegen der hohen Sintertemperatur des PZT-Werkstoffes zusammen mit Platin (Pt)-, Palladium (Pd)- oder Silber-Palladium-Paste gesintert werden. Die hohen Kosten durch die Innenelektrode schränkte die allgemeine Verwendung der mehrschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung ein. Deshalb wurden große Anstrengungen unternommen, um einen PZT-Werkstoffes zu entwickeln, der bei niedriger Temperatur, insbesondere unterhalb von 962 °C, d.h. dem Schmelzpunkt des Silbers, gesintert werden kann.The Number of publications, the multilayer piezoelectric ceramic devices, such as Piezotransformatoren and Piezo triggers, is in the recent times increased strongly. However, the known multilayer piezoceramic devices had to from the material lead-zirconate-titanate (PZT) because of the high sintering temperature of the PZT material together with platinum (Pt), palladium (Pd) or silver-palladium paste be sintered. The high cost of the inner electrode limited the general use of the multilayer piezoelectric device one. That's why big ones got Made efforts to develop a PZT material, at low temperature, in particular below 962 ° C, i. the Melting point of silver, can be sintered.
Bei der kontinuierlich durchgeführten Anwendung, wie es beim piezoelektrischen Keramiktransformator der Fall ist, ist zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrades, die Verwendung eines verlustarmen, harten Piezokeramikwerkstoffs erforderlich, der ein hohes Piezomodul dij, eine hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizient kp, und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Jedoch ist die Verringerung der Sintertemperatur ohne Beeinträchtigung der piezoelektrischen Eigenschaft an der harten Piezokeramik mit großen Schwierigkeiten verbunden. Zur Beschleunigung der Verdichtung bei niedriger Temperatur kann die Sintertemperatur des PZT-Werkstoffes beim Sintern in der Schmelze einfach durch das Zusetzen einer Glasurmasse, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, vermindert werden. Dies ist allerdings dahingehend problematisch, da bei diesem Verfahren ein Piezoparameter geändert kann.In the continuous application, as is the case with the piezoelectric ceramic transformer, to achieve high efficiency, it is necessary to use a low-loss hard piezoceramic material having a high piezoelectric module d ij , a high electromechanical coupling coefficient k p , and a high dielectric constant , However, the reduction of the sintering temperature without impairing the piezoelectric property on the hard piezoceramic is associated with great difficulty. For accelerating the compression at a low temperature, the sintering temperature of the PZT material when sintered in the melt can be reduced simply by adding a glass frit having a low melting point. However, this is problematic in that it can change a piezo parameter in this method.
Die US-Patentanmeldung Nr. 5,792,379 beschreibt eine PZT-Keramikzusammensetzung, deren Sintertemperatur unterhalb von 900 °C liegt und die mit Ag als Innenelektrodenmaterial gemeinsam gesintert werden kann. Durch die Verwendung des Sinterhilfsmittels, das ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus B2O3, Bi2O3, MeO (Me ist ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe Ca, Sr, Ba und Zn) und CuO, wurde die Sintertemperatur vermindert. Jedoch zeigt der Vergleich mit einer harten Piezokeramik, dass die Verminderung der Sintertemperatur, deren kp (elektromechanischer Kopplungskoeffizient) bei einem Wert von über 0,60 liegt, dem kp auf einen Wert von höchstens 0,55 vermindert.U.S. Patent Application No. 5,792,379 describes a PZT ceramic composition whose sintering temperature is below 900 ° C and which can be co-sintered with Ag as the internal electrode material. By using the sintering assistant selected from the group consisting of B 2 O 3 , Bi 2 O 3 , MeO (Me is a metal selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba and Zn) and CuO, the sintering temperature became reduced. However, the comparison with a hard piezoceramic shows that the reduction in the sintering temperature whose k p (electromechanical coupling coefficient) is greater than 0.60 reduces the k p to a value of 0.55 or less.
In der US-Patentanmeldung Nr. 5,433,917 ist eine PZT-Zusammensetzung offenbart, die ein eutektisches Gemisch aus CuO und einem Erdalkimetalloxid, das eine niedrige Sintertemperatur von ca. 1000 °C besitzt, enthält. Neben der Dielektrizitätskonstante und dem Dielektrizitätsverlust sind andere Piezoparameter jedoch nicht beschrieben. Gui et al. beschreiben ein Verfahren, bei dem die Sintertemperatur von PZT durch die Verwendung kleiner Mengen von B2O3, Bi2O3 und CdO vermindert kann.U.S. Patent Application No. 5,433,917 discloses a PZT composition containing a eutectic mixture of CuO and an alkaline earth metal oxide having a low sintering temperature of about 1000 ° C. In addition to the dielectric constant and the dielectric loss, however, other piezo parameters are not described. Gui et al. describe a method in which the sintering temperature of PZT can be reduced by using small amounts of B 2 O 3 , Bi 2 O 3 and CdO.
Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten PZT-Zusammensetzungen ist aber problematisch, dass die Sintertemperatur noch zu hoch ist, um zusammen mit der Silberelektrode den Sintervorgang durchzuführen.at These known from the prior art PZT compositions but is problematic that the sintering temperature is still too high, to perform sintering together with the silver electrode.
Bei den bekannten Ausführungsformen dient die Glasurmasse, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, zwar als Sinterhilfsmittel, aber alle Elemente in dieser Glasurmasse, wie z.B. Bor können während des Sintervorgangs wegen der Kristallgitterstruktur nicht ersetzt werden, so dass diese Elemente nach dem Sintern entlang der Korngrenze auf dem Glas verbleiben, wodurch die piezoelektrischen Eigenschaften verschlechtert werden.at the known embodiments serves the glaze mass, which has a low melting point, although as a sintering aid, but all the elements in this glaze mass, such as. Boron can while the sintering process is not replaced because of the crystal lattice structure so that these elements after sintering along the grain boundary remain on the glass, reducing the piezoelectric properties be worsened.
In
Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.following become the preferred embodiments described.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, piezoelektrische Keramikzusammensetzungen bereitzustellen, die bei niedriger Temperatur mit einem geringen dielektrischen Verlust und hohen piezoelektrischen Parametern dem Sintervorgang unterzogen werden können.Around to solve the above problems, It is an object of the present invention, piezoelectric To provide ceramic compositions which are low in temperature with a low dielectric loss and high piezoelectric Parameters can be subjected to the sintering process.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, piezoelektrische Keramikzusammensetzungen bereitzustellen, die durch gemeinsames Sintern einer piezoelektrische Keramik mit reinem Silber unterhalb des Schmelzpunkts von Silber (Ag) von 962 °C erhältlich ist.A Another object of the present invention is to provide piezoelectric To provide ceramic compositions by common Sintering a piezoelectric ceramic with pure silver below the melting point of silver (Ag) of 962 ° C is available.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, piezoelektrische Keramikvorrichtungen bereitzustellen, die bei kontinuierlich durchgeführten Anwendungen, wie beim vielschichtigen piezoelektrischen Keramiktransformator, als vielschichtigen piezoelektrischen Auslöser geeignet sind.A Another object of the present invention is to provide piezoelectric To provide ceramic devices used in continuous applications, as in the multilayer piezoelectric ceramic transformer, are suitable as a multilayer piezoelectric trigger.
Um
die oben genannten Aufgaben zu lösen,
stellt die vorliegende Erfindung eine piezoelektrische Keramikzusammensetzungen
bereit, die einen keramischen Werkstoff mit der allgemeinen Formel
worin
m, n, p, x, a, b und k, die nachfolgenden Werte im Bereich von 0,00 ≤ m < 0,15; 0,00 ≤ n < 0,15; 0,00 < (m + n) < 0,21; 0,00 < p < 0,04; 0,50 ≤ x < 0,56; 0,00 < a ≤ 1,00; 0,00 < b ≤ 1,00 und
0,00 < k < 0,04
aufweisen.In order to achieve the above objects, the present invention provides a piezoelectric ceramic composition comprising a ceramic material having the general formula
wherein m, n, p, x, a, b and k, the subsequent values in the range of 0.00 ≤ m <0.15; 0.00 ≤ n <0.15; 0.00 <(m + n) <0.21; 0.00 <p <0.04; 0.50 ≤ x <0.56; 0.00 <a ≤ 1.00; 0.00 <b ≤ 1.00 and 0.00 <k <0.04
exhibit.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben.following The present invention will be described in detail.
Die
piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen enthalten einen keramischen
Werkstoff als ein wesentliches Element
worin
m, n, p, x, a, b und k die nachfolgend genannten Werte im Bereich
von 0,00 ≤ m < 0,15; 0,00 ≤ n < 0,15; 0,00 < (m + n) < 0,21; 0,00 < p < 0,04; 0,50 ≤ x < 0,56; 0,00 < a ≤ 1,00; 0,00 < b ≤ 1,00 und
0,00 < k < 0,04
aufweisen.The piezoelectric ceramic compositions contain a ceramic material as an essential element
wherein m, n, p, x, a, b and k are the following values in the range of 0.00 ≦ m <0.15; 0.00 ≤ n <0.15; 0.00 <(m + n) <0.21; 0.00 <p <0.04; 0.50 ≤ x <0.56; 0.00 <a ≤ 1.00; 0.00 <b ≤ 1.00 and 0.00 <k <0.04
exhibit.
Bei der oben beschriebenen Keramik wurde die feste Mischung aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) mit Strontium, Barium, Cadmium, Wismut, Lithium legiert. Um die Sintertemperatur zu verringern, werden reaktives Cd und Bi zugesetzt, wobei sich die piezoelektrischen Parameter nicht verschlechtern. Bi3+ ersetzt Zr4+, oder Ti4+ und die Ladungsneutralität, die durch den Ersatz der aliovalenten Ionen gefordert wird, wird dadurch beibehalten, dass sauerstofffreie Stellen erzeugt werden, die den Diffusionsprozess während des Sintervorgangs erhöhen und dadurch die effektive Sintertemperatur verringern. Cd2+-Ionen ersetzen Pb2+-Ionen in diesem System und ihre hohe Reaktivität beschleunigt den Diffusionsprozess während des Sintervorgangs und senkt effektiv die Sintertemperatur. Die Menge an Cd, p, wird bis 0 < p < 0,04 begrenzt. Mit einer Menge außerhalb dieses Bereichs verringert sich der elektromechanische Kopplungskoeffizient, kp und das Piezomodul, d33, auf ein nicht ausführbares Niveau.In the above described ceramic, the lead zirconate titanate (PZT) solid alloy was alloyed with strontium, barium, cadmium, bismuth, lithium. In order to reduce the sintering temperature, reactive Cd and Bi are added, and the piezoelectric parameters do not deteriorate. Bi 3+ replaces Zr 4+ , or Ti 4+ and the charge neutrality required by the replacement of the aliovalent ions is maintained by creating oxygen-free sites that increase the diffusion process during the sintering process and thereby reduce the effective sintering temperature. Cd 2+ ions replace Pb 2+ ions in this system and their high reactivity accelerates the diffusion process during the sintering process and effectively lowers the sintering temperature. The amount of Cd, p, is limited to 0 <p <0.04. With a lot outside this range, the electromechanical coupling coefficient, k p and the piezo module, d 33 , are reduced to an inexecutable level.
Bi wird in Verbindung mit Mangan als (BiaMnb) hinzugefügt, wie in der obigen Formel dargestellt. Mangan wird zugegeben, um den mechanischen Qualitätsfaktor Qm zu erhöhen und Ausbeute der gesinterten Elemente zu steuern. Die relativen Mengen an Bi und Mangan, a und b, liegen in einem Bereich von 0 < (a oder b) ≤ 1 und werden verwendet, um die folgende Gleichung 3a + 4b = 4 zu erfüllen. Dies ist der Fall, wenn zum Beispiel a die Werte 1, 2/3, 1/2 oder 1/3 beziehungsweise b die Werte 1/4, 1/2, 5/8 oder ¾ annimmt.Bi is added in conjunction with manganese as (Bi a Mn b ) as shown in the above formula. Manganese is added to increase the mechanical quality factor Q m and to control the yield of the sintered elements. The relative amounts of Bi and manganese, a and b, are in a range of 0 <(a or b) ≦ 1 and are used to satisfy the following equation 3a + 4b = 4. This is the case if, for example, a takes the values 1, 2/3, 1/2 or 1/3 or b the values 1/4, 1/2, 5/8 or ¾.
Angesichts des Platzes in der Matrix, den Bi3+- oder Mn4+-Ionen in den Ti4+- und Zr4+-Stellen in Anspruch nehmen, führt diese Voraussetzung zu überschüssigen Bi3+ oder Mn4+-Ionen, in einer Menge von k(a/4) Mol für jedes Mol der Matrix, wenn Bi3+- und Mn4+- Ionen durch Zr4+- und Ti4+-Ionen ersetzt werden. Die überschüssigen Bi3+- oder Mn4+-Ionen, die nicht in der flüssigen Phase der PZT-Matrix-Form enthalten sind, werden während des Sintervorgangs als Hilfsmittel verdichtet. Die maximale Menge von (BiaMnb), k wird auf 0 < k < 0,04 begrenzt. Über diesen Wert hinaus verringern sich die Parameter kp und d33 drastisch.Given the place in the matrix, the Bi 3+ or Mn 4+ ions in the Ti 4+ and Zr 4+ sites in An This assumption leads to excess Bi 3+ or Mn 4+ ions, in an amount of k (a / 4) moles for each mole of the matrix, when Bi 3+ and Mn 4+ ions are replaced by Zr 4+ - And Ti 4+ ions are replaced. The excess Bi 3+ or Mn 4+ ions which are not contained in the liquid phase of the PZT matrix form are compressed during the sintering process as auxiliaries. The maximum amount of (Bi a Mn b ), k is limited to 0 <k <0.04. Beyond this value, the parameters k p and d 33 decrease drastically.
Sr oder Ba werden hinzugefügt, um die Verdichtung mit einer hohen Dielektrizitätskonstante zu verbessern, ohne sich nachteilig auf die piezoelektrische Para meter auszuwirken. Die maximale Menge an Sr oder Ba, mit denen Pb ersetzt werden kann, beträgt ungefähr 15 Mol-% in der PZT, wenn sie allein hinzugefügt werden. Wenn sie gemeinsam hinzugefügt werden, kann maximale Menge an (Sr + Ba) auf bis 18–20 Mol-% erhöht werden und folglich ist eine viel höhere Dielektrizitätskonstante erreichbar. Zusätzlich zeigt der Einsatz der Mischung ein besseres Sinterverhalten, als es mit dem Einsatz der einzelnen Ionen in der gleichen Menge in Atomprozenten erreicht wird. Die Menge an Sr oder Ba, m bzw. von n wird begrenzt auf 0,0 < (m oder N) < 0,15 mit 0 < (m + n) < 0,21. Höhere Werte erhöhen die Sintertemperatur in einem zu großen Maß.sr or Ba are added, to improve densification with a high dielectric constant, without adversely affecting the piezoelectric para meters. The maximum amount of Sr or Ba that can be used to replace Pb is approximately 15 mol% in the PZT when added alone. If they are together added maximum amount of (Sr + Ba) can be increased to 18-20 mol% and therefore a much higher one permittivity reachable. additionally the use of the mixture shows a better sintering behavior than it with the use of individual ions in the same amount in Atomic percent is achieved. The amount of Sr or Ba, m or of n is limited to 0.0 <(m or N) <0.15 with 0 <(m + n) <0.21. Higher values increase the sintering temperature too high.
Die piezoelektrischen Zusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten 0,001 bis 1 Gewichtsteile Bi2O3, um das Sintern oder den mechanischen Qualitätsfaktor zu verbessern.The piezoelectric compositions according to the present invention contain from 0.001 to 1 part by weight of Bi 2 O 3 in order to improve sintering or mechanical quality factor.
Weiterhin Zusätze bestehen aus Mischungen von Fluorverbindungen, wie LiF und MgF2. Fluor verbessert die piezoelektrischen Eigenschaften bei einem hohen elektrischen Feld und erhöht die Dielektrizitätskonstante. Zu diesem Zweck wird der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung eine Fluorverbindung hinzugefügt. Die Menge an F in Form von LiF oder MgF2 wird auf 0,01 < z < 1,0 in Gewichts-% begrenzt.Further additives consist of mixtures of fluorine compounds, such as LiF and MgF 2 . Fluorine improves the piezoelectric properties at a high electric field and increases the dielectric constant. For this purpose, a fluorine compound is added to the composition of the present invention. The amount of F in the form of LiF or MgF 2 is limited to 0.01 <z <1.0 in weight%.
Es ist vorteilhaft, dass die piezoelektrische Zusammensetzungen 0,001 bis 0,50 Gewichtsteile MnO2 enthalten, um Sinterfähigkeit oder den mechanischen Qualitätsfaktor zu verbessern.It is preferable that the piezoelectric compositions contain 0.001 to 0.50 parts by weight of MnO 2 in order to improve sinterability or the mechanical quality factor.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine piezoelektrische Keramikvorrichtung bereitgestellt, die durch Sintern bei einer Temperatur unterhalb von 1075 °C aus der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung gemäß der vorstehend genannten Formel hergestellt wird.With The present invention will be a piezoelectric ceramic device provided by sintering at a temperature below of 1075 ° C of the piezoelectric ceramic composition according to the above said formula is produced.
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch eine vielschichtige piezoelektrische Keramikvorrichtung bereitgestellt, die durch gemeinsames Sintern einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung und einer Innenelektrode aus Silber bei einer Temperatur unterhalb von 960 °C erhältlich ist.With The present invention also provides a multilayer piezoelectric Ceramic device provided by co-sintering a piezoelectric ceramic composition and an inner electrode silver at a temperature below 960 ° C is available.
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch die vielschichtige piezoelektrische Keramikvorrichtung bereitgestellt, die durch gemeinsames Sintern einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung und einer Innenelektrode aus Silber-Palladium erhältlich ist. Es ist bevorzugt, dass die Menge an Palladium (Pd) in bezog auf 100 Gewichtsanteile Silber und Palladium von 0,001 bis 20 Gewichtsteilen reicht.With The present invention also provides the multilayer piezoelectric Ceramic device provided by co-sintering a piezoelectric ceramic composition and an inner electrode available in silver-palladium is. It is preferable that the amount of palladium (Pd) in terms of 100 parts by weight of silver and palladium from 0.001 to 20 parts by weight enough.
Mit der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus die piezoelektrische Keramikvorrichtung bereitgestellt, die durch gemeinsames Sintern einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung und einer Innenelektrode aus Silber einer Temperatur unterhalb von 960 °C erhältlich ist.With Moreover, according to the present invention, the piezoelectric Ceramic device provided by co-sintering a piezoelectric ceramic composition and an inner electrode Silver is available at a temperature below 960 ° C.
Außerdem wird mit der vorliegenden Erfindung auch eine vielschichtige piezoelektrische Keramikvorrichtung bereitgestellt, die durch gemeinsames Sintern einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung und einer Innenelektrode aus Silber bei einer Temperatur unterhalb von 1050 °C erhältlich ist und die eine Mehrzahl vielschichtige Abschnitte und einschichtige Abschnitte aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Menge an Palladium (Pd) in bezog auf 100 Gewichtsteile Silber und Palladium von 0,001 bis 20 Gewichtsteilen reicht.In addition, will with the present invention also a multilayer piezoelectric Ceramic device provided by co-sintering a piezoelectric ceramic composition and an inner electrode of silver at a temperature below 1050 ° C is available and the a plurality of multi-layered sections and single-layered ones Has sections. It is preferred that the amount of palladium (Pd) with respect to 100 parts by weight of silver and palladium of 0.001 to 20 parts by weight is enough.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Ausführungsformen der piezoelektischen Keramikzusammensetzungen und dem piezoelektrischen Keramiktransformator veranschaulicht. Die Ausführungsformen werden verwendet, um die vorliegende Erfindung zu erklären, ohne sie auf diese einzuschränken.The The present invention is accomplished by the following embodiments the piezoelectric ceramic compositions and the piezoelectric Ceramic transformer illustrated. The embodiments are used to explain the present invention without limiting it to these.
BeispieleExamples
Beispiel 1: Piezoelektrische KeramikzusammensetzungenExample 1: Piezoelectric ceramic compositions
PbO, ZrO2, TiO2, SrCO, BaCO3, CdO, Bi2O3, MnO2 und LiF oder MgF2 wurden als Ausgangsmaterialien benutzt. Diese Verbindungen werden entsprechend den gewünschten Zusammensetzung, der in Tabelle 1 gezeigt sind, eingesetzt, wobei m, n, p, x, a, b und k den Indizes in der oben genannten Formel des piezoelektrischen keramischen Werkstoffes entsprechen, y ist die Menge in Gewichtsteilen an Bi2O3 und z gibt die Menge in Gewichtsteilen der zugesetzten Fluorverbindung an.PbO, ZrO 2 , TiO 2 , SrCO, BaCO 3 , CdO, Bi 2 O 3 , MnO 2 and LiF or MgF 2 were used as starting materials. These compounds are used according to the desired composition shown in Table 1, wherein m, n, p, x, a, b and k are the indices in the above-mentioned formula of the piezoelectric y is the amount in parts by weight of Bi 2 O 3 and z is the amount in parts by weight of the added fluorine compound.
Die Materialien wurden in den angegebenen Mengen mit deionisiertem Wasser in einem Mahlwerk 2 Stunden naßvermischt, dann wurde das erhaltene schmierige Produkt unter Anlegen eines Vakuums abfiltriert. Der filtrierte Kuchen wurde im Ofen bei 120 °C getrocknet und anschließend über 2 Stunden bei 700–875 °C gebrannt. Das gebrannte Material wurde in einem Mahlwerk zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von ungefähr 0,8 Mikron gerieben.The Materials were in the indicated amounts with deionized water wet mixed in a grinder for 2 hours, then the greasy product obtained was applied under application of a Vacuum filtered off. The filtered cake was oven dried at 120 ° C and then over 2 hours fired at 700-875 ° C. The fired material became average in a grinder Particle size of about 0.8 microns rubbed.
Das stark zerkleinerte Material wurde in Pulverform in einer 10 %igen PVA-Lösung aufgenommen, getrocknet und dann granuliert. Dabei betrug der PVA-Gehalt ca. 2 Gewichts-% des Pulvers.The heavily crushed material was in powder form in a 10% PVA solution taken up, dried and then granulated. It was the PVA content about 2% by weight of the powder.
Aus diesem Granulat wurden Rohlinge in Scheibenform mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Stärke von ungefähr 2,5 mm unter einem Druck von 1,000 kg/cm2 hergestellt. Diese Rohlinge wurden bei 920–1000 °C über 2 Stunden dem Sintervorgang unterzogen. Ag in Pastenform wurde auf beide Seiten der gesinterten Scheiben gedruckt und 15 Minuten bei 700–770 °C gebrannt.From these granules, disc-shaped blanks having a diameter of 25 mm and a thickness of about 2.5 mm were produced under a pressure of 1,000 kg / cm 2 . These blanks were subjected to sintering at 920-1000 ° C for 2 hours. Paste-form Ag was printed on both sides of the sintered slices and fired at 700-770 ° C for 15 minutes.
Die Elektrodenscheiben wurden bei 3–4 kV/mm im Silikonölbad bei 120–140 °C über 15 Minuten polarisiert. Die Dielektrizitätskonstante und das Ausmaß des Verlustes der Nichtleitereigenschaften wurden im Dauerbetrieb bei 1 kHz gemessen und die verbleibende Ladung mit einem Eingangsniveau von 1 Vrms gemessen bzw. bestimmt.The Electrode disks were at 3-4 kV / mm in silicone oil bath at 120-140 ° C for 15 minutes polarized. The dielectric constant and the extent of Loss of non-conductive properties were in continuous operation at 1 kHz measured and the remaining charge with an input level measured or determined by 1 Vrms.
Das
piezoelektrische Modul, d33, wurde mit einem
Messinstrument Berlincourt d33 gemessen.
Der planare Kopplungskoeffizient, kp und
der mechanische Qualitätsfaktor,
Qm, wurden mit den folgenden Gleichungen
Die Zusammensetzungen, die mit einem Sternchen* in Tabelle 1 gekennzeichnet sind, sind Vergleichsproben und liegen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.The Compositions marked with an asterisk * in Table 1 are, are comparative samples and are outside the range of the present Invention.
Die Eigenschaften der Proben, die bei 1050 °C, 965 °C und 950 °C dem Sintervorgang unterzogen wurden, sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie die Ergebnisse zeigen, können hervorragende piezoelektrische Parameter mit den Proben, die bei 1050 °C gesintert wurden, erzielt werden und diese werden bei einer Sintertemperatur von 950 °C beibehalten.The Characteristics of samples subjected to sintering at 1050 ° C, 965 ° C and 950 ° C, are shown in Table 2. As the results show, excellent piezoelectric parameters with the samples sintered at 1050 ° C were achieved, and these are at a sintering temperature of 950 ° C maintained.
Wenn die Menge an Cd, p, 0,04 (Probe 4) beträgt, nimmt der elektromechanische Kopplungskoeffizient, kp, drastisch ab. Wenn die Gesamtmenge von (Ba + Sr) 22 Mol-% (Proben #1 und #2) beträgt, verringert sich der kp-Wert auch bei diesen Sintertemperaturen stark, dies liegt insbesondere daran, dass das Ausbreitungsvermögens der Ba- und der Sr-Ionen verlangsamt wird, wenn diese mit den Werten von Pb verglichen werden.When the amount of Cd, p, is 0.04 (sample 4), the electromechanical coupling coefficient, k p , decreases drastically. When the total amount of (Ba + Sr) is 22 mol% (Samples # 1 and # 2), the k p value greatly decreases even at these sintering temperatures, particularly because the spreading ability of Ba and Sr Ion is slowed down when compared to the values of Pb.
Die Proben #11 und #12 zeigen, dass eine Flurorverbindung bis zu 1 Gewichts-% hinzugefügt werden kann, ohne die elektromechanische Kopplung zu beeinflussen. MgF2 kann verwendet werden, aber die Daten, die für Proben mit MgF2 erhalten werden, sind im Vergleich zu den Proben, die LiF enthalten deutlich schlechter.Samples # 11 and # 12 show that a fluorour compound can be added up to 1% by weight without affecting electromechanical coupling. MgF 2 can be used, but the data obtained for samples containing MgF 2 are significantly inferior to the samples containing LiF.
Es können durch Änderung des Zr-/Ti-Verhältnisses unterschiedliche Eigenschaften können erreicht werden. Anfangszusammensetzungen bei niedriger Temperatur, bei denen das Zr-/Ti-Verhältnis verändert wird, entsprechen der vorliegenden Erfindung, wie in Tabelle 3 gezeigt, wobei m, n, p, x, a, b und k den Indizes der oben genannten Formel für den piezoelektrischen keramischen Werkstoff entsprechen, y gibt die Menge in Gewichtsteilen an Bi2O3 an und mit z ist die Menge an Fluorverbindung ebenfalls in Gewichtsteilen angegeben.Different properties can be achieved by changing the Zr / Ti ratio. Low temperature starting compositions in which the Zr / Ti ratio is changed correspond to the present invention as shown in Table 3, wherein m, n, p, x, a, b and k are the indices of the above formula for the y is the amount in parts by weight of Bi 2 O 3 and with z the amount of fluorine compound is also given in parts by weight.
Für die Zusammensetzungen erfolgte das Sintern bei 940 °C. Die Eigenschaften der piezoelektrischen vorbereiteten Rohlingsscheiben werden in Tabelle 4 gezeigt. Alle bei 940 °C gesinterten Zusammensetzungen waren gut und zeigten gute piezoelektrische Eigenschaften; einen kleinen dielektrischen Verlust von 0,2–0,4%, eine hohe Dielektrizitätskonstante von 1470–1850, einen d33 von 310–396 und einen mechanischen Qualitätsfaktor Qm von 610–730. Indem man Zr-/Ti-Verhältnis veränderte, war es möglich, den Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz und der Dielektrizitätskonstanten zu ändern, wie bei den Proben #61–64 gezeigt ist. Durch die Zugabe von LiF, konnten die Dielektrizitätskonstanten eine Verschlechterung des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz erhöht werden, wie die Proben #63 und # 65 zeigen. Solch eine niedrige Sintertemperatur macht es mög lich, reine Ag-Paste als Innenelektroden in vielschichtigen piezoelektrischen keramischen Bestandteilen, wie piezoelektrischem keramischem Transformatoren und piezoelektrischen Startern (Auslösern) zu verwenden. Hohe Dielektrizitätskonstanten und die erhaltenen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz, die erzielt wurden, sind für Anwendungen von Vorteil, die mit einem Resonanzmodul, wie in einem piezoelektrischen keramischen Transformator arbeiten. Tabelle 1
- y gibt in Gewichtsteilen die Menge an Bi2O3 an und
- z gibt in Gewichtsteilen die Menge an Fluorverbindung an.
- y gibt in Gewichtsteilen die Menge an Bi2O3 an und
- z gibt in Gewichtsteilen die Menge an Fluorverbindung an.
- y indicates in parts by weight the amount of Bi 2 O 3 and
- z indicates in parts by weight the amount of fluorine compound.
- y indicates in parts by weight the amount of Bi 2 O 3 and
- z indicates in parts by weight the amount of fluorine compound.
Beispiel 2: Piezoelektrischer Keramiktransformator mit einer Innenelektrode aus reinem SilberExample 2: Piezoelectric Ceramic transformer with an inner electrode made of pure silver
Mit
der Zusammensetzung gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde ein piezoelektrischer Keramiktransformator hergestellt.
Die Herstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen keramischen Transformators beginnt mit der Vorbereitung des blattförmigen Rohlings des PZT-Materials. Gebranntes Material wurde in einer Kugelmühle 6 Stunden mit einer Standardlösung bestehend aus Polyvinylbutyral (PVB), Dibutylpthalat (DBP), Tran (Fischöl), Methylelthylketon (MEK) und Toluol gemischt. Das gedruckte oder geprägte schmierige Material wurde unter Vakuum entschäumt und klebrige Bänder mit einer Stärke von 95 Mikron hergestellt, indem die Masse mit einem Abstreifmesser auf einen Haushaltsfilm aufgetragen wurden. Die klebrigen, bandförmigen Rohlinge wurden zu Stücken mit Abmessungen von 150 mm × 150 mm mit übereinander liegenden Bohrungen geschnitten. Wechselnde Muster der Innenelektroden wurden auf die blattförmigen Rohlinge mit einer reinen Ag-Paste gedruckt und in einem Dauerofen getrocknet. Die bedruckten Rohlinge wurden im Register mit übereinander liegenden Bohrungen im Vakuum bei 85 °C heißgestapelt. Die heiß laminierten stabförmigen Rohlinge wurden in verschiedenen Formen zu unterschiedlichen Rohlingsformen geschnitten. Lösungsmittel, sowie die anderen organischen Produkte, die in den Rohlingen vorhanden waren, wurden bei 260 °C herausgebrannt und dann wurde 2 Stunden bei 940 °C gesintert. Externe Eingangs- und Ausgangselektroden dienten zur Abschirmung, die mit Ag-Paste bedruckt und bei 780 °C gebrannt wurden. Die Polarisation erfolgte im Silikonölbad bei 130 °C mit Polarisationsspannungen von 450 VDC für den Eingangsabschnitt und von 25 kVDC für Ausgangsabschnitt.The manufacture of the multilayer piezoelectric ceramic transformer begins with the preparation of the sheet-like blank of the PZT material. Burned material was mixed in a ball mill for 6 hours with a standard solution consisting of polyvinyl butyral (PVB), dibutyl phthalate (DBP), tran (fish oil), methyl ethyl ketone (MEK) and toluene. The printed or embossed greasy material was defoamed under vacuum and made into 95 micron thick sticky tapes by applying the mass to a household film with a doctor blade. The sticky band-shaped blanks were cut into pieces measuring 150 mm × 150 mm with superimposed holes. Alternating patterns of the internal electrodes were printed on the sheet blanks with a pure Ag paste and dried in a continuous oven. The printed blanks were in register with each other lying holes in vacuum at 85 ° C hot stacked. The hot-laminated rod-shaped blanks were cut in various shapes to different blank shapes. Solvent, as well as the other organic products present in the blanks, were burned out at 260 ° C and then sintered at 940 ° C for 2 hours. External input and output electrodes served as shielding, printed with Ag paste and fired at 780 ° C. The polarization was carried out in the silicone oil bath at 130 ° C with polarization voltages of 450 VDC for the input section and 25 kVDC for the output section.
Die
Abmessungen des piezoelektrischen keramischen Transformators betrugen
26,0 mm × 5,0
mm × 1,3
mm und er wies 16 Innenelektroden mit 15 piezo-aktiven Schichten
auf. Die Ag-Paste reagierte geringfügig mit der PZT-Matrix, die
aus der Zusammensetzung der Probe #63 entsprechend der vorliegenden
Erfindung gebildet wurde, wobei das gemeinsame Sintern bei 940 °C gleichmäßig erfolgte.
Der Überzug
der Innenelektrode mit dem Ag war ausgezeichnet, ohne dass sich
wahrnehmbare Poren oder Abblätterungen
ausgebildet hatten. Es wurden ein sehr kleiner Resonanzwiderstand
und ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften erhalten. Die
Eigenschaften des piezoelektrischen keramischen Transformators sind
in Tabelle 5 gezeigt. Die Energieverteilungen sind in
Tabelle 5 Table 5
Die Verwendung der Ausgangsmaterialien bei niedriger Temperatur entsprechend dieser Erfindung ist nicht auf die piezoelektrischen keramischen Transformatoren begrenzt. Sie kann auf mehrschichtige Starter (Auslöser), mehrschichtige Sensoren, sowie bimorphen Materialien, sowie für piezoelektrische Signalumformer mit bekannten einzelnen Schichten verwendet werden.The Use of the starting materials at low temperature accordingly this invention is not applicable to the piezoelectric ceramic Limited transformers. It can be based on multi-layered starter (trigger), multi-layered Sensors, as well as bimorphic materials, as well as piezoelectric transducers be used with known individual layers.
Wie oben ausgeführt, sind die piezoelektrische Keramikzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem niedrigen dielektrischen Verlust und hohen piezoelektrischen Parametern zusammen mit reinem Silber bei niedriger Temperatur, insbesondere der Schmelztemperatur des Silbers vom 962 °C, gleichzeitig sinterbar.As stated above are the piezoelectric ceramic compositions according to the present invention Invention with a low dielectric loss and high piezoelectric Parameters together with pure silver at low temperature, in particular the melting temperature of the silver of 962 ° C, simultaneously sinterable.
Bei der kontinuierlich durchgeführten Anwendung, wie beim piezoelektrischen Keramiktransformator, beim vielschichtigen piezoelektrischen Keramikauflöser, etc. ist eine piezoelektrische Keramikvorrichtung erforderlich, und eine ausgezeichnete Umwandlungs-Leistungsfähigkeit zeigt.at the continuously performed Application, as in the piezoelectric ceramic transformer, when multilayer piezoelectric ceramic resolver, etc. is a piezoelectric Ceramic device required, and excellent conversion efficiency shows.
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