專利名稱：壓電陶瓷組合物以及包含它的壓電陶瓷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷組合物以及包含所述壓電陶瓷組合物的壓電陶瓷裝置。具體是，本發(fā)明涉及能用作壓電陶瓷裝置用材料的壓電陶瓷組合物，所述壓電陶瓷裝置例如是壓電陶瓷濾波器、壓電陶瓷共振器和壓電陶瓷振蕩器；并涉及包含所述壓電陶瓷組合物的壓電陶瓷裝置。
背景技術(shù)：
迄今為止，鈦鋯酸鉛(Pb(TixZr1-x)O3)或鈦酸鉛(PbTiO3)基壓電陶瓷組合物已經(jīng)廣泛用于壓電陶瓷裝置，如壓電陶瓷濾波器、壓電陶瓷共振器和壓電陶瓷振蕩器。但是，所述鈦鋯酸鉛或鈦酸鉛基壓電陶瓷組合物包含大量的鉛，鉛會在制造壓電陶瓷裝置時作為氧化鉛蒸發(fā)，由此導(dǎo)致產(chǎn)品均勻性差。因此，要求包含很少或沒有鉛的壓電陶瓷組合物來克服這一問題。此外，就環(huán)境污染而言，也要求鉛的含量低。
另一方面，以層型鉍化合物如SrBi2Nb2O9為基礎(chǔ)的壓電陶瓷組合物不含氧化鉛，且不會導(dǎo)致出現(xiàn)所述的問題。
此外，如日本未審查的專利申請公開No.2001-328865所述，當溫度改變時，SrBi2Nb2O9基材料的頻率改變足夠小，因此作為共振器用壓電材料，最近已經(jīng)受到人們的關(guān)注。
雖然壓電陶瓷裝置常用在一定溫度范圍，例如60-200℃內(nèi)；在用于共振器時，要求可以使用于更高溫度如約400℃的那些壓電陶瓷裝置。由于壓電陶瓷共振器不能在居里點以上使用，在居里點以上時它不具有壓電效應(yīng)，所述壓電陶瓷共振器的居里點必須高于操作溫度。
根據(jù)M.J.Forbess等人(Applied Physics Letters，第76卷，2943，(2000))所述，SrBi2Nb2O9的居里點為418℃，當用于溫度接近400℃的壓電陶瓷共振器時，其壓電效應(yīng)較低。在這種情況下，優(yōu)選的居里點應(yīng)至少為430℃。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種壓電陶瓷組合物，它以包含Sr、Bi、Nb、氧以及其它單價金屬元素的層型鉍化合物為基礎(chǔ)。所述壓電陶瓷組合物的居里點高，在高溫度下很可靠，即，此時壓電效應(yīng)的降低很小，并且它能用作壓電陶瓷裝置用的材料，因為它幾乎不包含鉛或鉛化合物。
對每摩爾Nb來說，本發(fā)明壓電陶瓷組合物包含不超過約0.125摩爾(且大于0摩爾)的單價金屬元素。單價金屬元素的這個量可以提高所述壓電陶瓷組合物的居里點。但是，單價金屬元素超過0.125摩爾反而會降低所述壓電陶瓷組合物的居里點。
用于本發(fā)明的單價金屬元素較好是選自Li、Na和K中的至少一種，它們使本發(fā)明有進一步的優(yōu)點。
而且，對于每摩爾Nb來說，本發(fā)明所述壓電陶瓷組合物較好包含不超過0.175摩爾(且大于0摩爾)的除Bi以外的三價金屬元素。當所述包含壓電陶瓷組合物的陶瓷裝置用作共振器時，所述除Bi以外的三價金屬元素的量給出實用的Qmax因子(在一頻帶即在共振頻率和反共振頻率之間的一些頻率時最大的電品質(zhì)因子Q(1/tanδ))。
所述除Bi以外的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，它們使本發(fā)明有進一步的好處。所述除Bi以外的三價金屬元素中更好是Nd，它對本發(fā)明尤其有好處。
在本發(fā)明壓電陶瓷組合物的主要組分中，可以用Ta代替不超過約10摩爾％(且大于0摩爾％)的Nb。因此，以存在Nb和Ta的總摩爾數(shù)計，Ta的量最多為10％。用Ta代替10摩爾％以上的Nb會導(dǎo)致共振器用壓電陶瓷組合物的Qmax因子太低。
此外，每摩爾主要組分中，本發(fā)明壓電陶瓷組合物的主要組分可以包含不超過約0.01摩爾(且大于0摩爾)的Mn。其量高于此的錳會導(dǎo)致共振器用壓電陶瓷組合物的Qmax因子太低。
本發(fā)明壓電陶瓷裝置包括含本發(fā)明所述的壓電陶瓷組合物的壓電陶瓷以及所述壓電陶瓷上的電極。
通過本發(fā)明以下實施方式的詳細說明，本發(fā)明上述的及其它目的、特征和優(yōu)點將更加顯而易見。


圖1是本發(fā)明一個實施方式中壓電陶瓷振蕩器的透視圖。
圖2是圖1所示壓電陶瓷振蕩器的截面圖。
具體實施例方式
首先制備作為原料的SrCO3、Bi2O3、Nb2O5、Ta2O5、Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、Nd2O3、La2O3、Ce2O3、Sc2O3、Y2O3、Sm2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和MnCO3。將這些化合物稱重，以滿足組合物通式(SraBibNbcO9+w摩爾M1+x摩爾M3+y摩爾Ta+z摩爾MnCO3，其中，M1是Na、K或Li，M3是Nd、La、Ce、Sc、Y、Sm、Gd、Dy、Er或Yb，且a、b、c、w、x、y和z如表1和2所示)，并在球磨機中濕混合約16小時。將所得混合物干燥，然后在800-1000℃下煅燒。將所述產(chǎn)物和合適量的有機粘合劑、分散劑、消泡劑、表面活性劑以及純水混合，并在球磨機中研磨。用刮刀將所得漿液制成厚度為40-80微米的片。用Pt糊劑將電極印刷到這些片的一些片上，然后，將所述印刷的片干燥。將所述印刷的片和其它片堆疊起來。將所得層壓片壓實，并在1100-1300℃下燒結(jié)。然后，在5-10kV/mm直流電壓下，在100-200℃絕緣油中對所述層壓片極化10-30分鐘，制得能量約束的壓電陶瓷振蕩器10(樣品)，如圖1和2所示。
如圖1和2所示，壓電陶瓷振蕩器10包括例如長方體形狀的壓電陶瓷12。所述壓電陶瓷12沿箭頭所示從底面向上表面的方向極化。所述壓電陶瓷12在其上表面和底面上分別具有振動電極14a和14b。所述振動電極14a和14b例如呈圓形，置于各面的中心。因此，所述振動電極14b置于所述振動電極14a的正下方。所述壓電陶瓷12也具有例如呈圓形的內(nèi)部振動電極14c。所述振動電極14c置于所述振動電極14a和14b的中間。因此，所述振動電極14a、14b和14c垂直排列。例如呈T字形的引導(dǎo)電極16a、16b和16c置于各振動電極14a、14b和14c，與壓電陶瓷12側(cè)面之間。具體地說，所述引導(dǎo)電極16a和16b置于各振動電極14a和14b與壓電陶瓷12的一個側(cè)面之間，所述引導(dǎo)電極16c置于振動電極14c和壓電陶瓷12另一個側(cè)面之間。在引導(dǎo)電極16a和16b與引導(dǎo)電極16c之間施加電壓，使外部振動電極14a和14b與內(nèi)部振動電極14c之間形成電勢差，由此激發(fā)沿厚度方向振動的第二諧振模式。
在室溫下測量所述壓電陶瓷振蕩器10(樣品)在沿厚度方向振動的第二諧振模式的Qmax因子。此外，測量居里點的介電常數(shù)和溫度的關(guān)系。結(jié)果列于表1和2中。
表1帶星號的樣品不在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

表2

在表現(xiàn)出最大Qmax因子的條件(煅燒溫度、燒結(jié)溫度、在極化過程中絕緣油的溫度以及交流電壓)下確定各樣品的Qmax因子。Qmax因子取決于樣品的形狀、振動的模式以及電極的類型。所述壓電陶瓷裝置，尤其是壓電陶瓷共振器在本發(fā)明較高溫度下的應(yīng)用是很特別的用途，它不需要如家用電器中所用通用壓電陶瓷裝置，尤其是壓電陶瓷共振器所需的高Qmax因子。這是因為根據(jù)其電路設(shè)計即使Qmax因子低也是可用的。在本條件下，Qmax因子在室溫至少為10就是可用的。
表1和2中的居里點測定的是在提供最高密度的條件(煅燒溫度和燒結(jié)溫度)下獲得的各樣品。當所述壓電陶瓷裝置在接近400℃的高溫下使用時，在實際應(yīng)用中需要至少430℃的居里點。
從表1和2明顯可知，本發(fā)明范圍內(nèi)的壓電陶瓷組合物的居里點高于430℃，因此可用作壓電陶瓷裝置的材料，尤其是在接近400℃高溫下使用的壓電陶瓷共振器。
本發(fā)明包含對每摩爾Nb來說不超過0.175摩爾(eg大于0摩爾)除Bi以外三價金屬元素的樣品，其Qmax因子不小于可實用的10，因此，是有用的材料，尤其可用于壓電陶瓷共振器。
本發(fā)明壓電陶瓷組合物不限于上述的實施方式，且在本發(fā)明的范圍內(nèi)有效。
本發(fā)明不僅可以用于上述的壓電陶瓷振蕩器10，也可以用于其它壓電陶瓷裝置，如壓電陶瓷振蕩器，壓電陶瓷濾波器以及壓電陶瓷共振器。
權(quán)利要求
1.一種壓電陶瓷組合物，它包含層型鉍化合物，所述化合物包含Sr、Bi、Nb、氧以及正值量的單價金屬元素，對每摩爾Nb來說，所述單價金屬元素的量不超過約0.125摩爾。
2.權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷組合物，其特征在于，所述單價金屬元素是選自Li、Na和K中的至少一種。
3.權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷組合物，其特征在于，對每摩爾Nb來說，所述層型鉍化合物還包含正值量的不超過0.175摩爾的除Bi以外的三價金屬元素。
4.權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷組合物，其特征在于，所述三價金屬元素是選自Sc、Y、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Er和Yb中的至少一種。
5.權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷組合物，其特征在于，所述三價金屬元素是Nd。
6.權(quán)利要求4所述的壓電陶瓷組合物，其特征在于，以存在的Nb和Ta摩爾數(shù)計，所述組合物還包含最多約10摩爾％的正值量的Ta。
7.權(quán)利要求6所述的壓電陶瓷組合物，其特征在于，所述組合物還包含最多約0.01摩爾的正值量的Mn。
8.權(quán)利要求7所述的壓電陶瓷組合物，其居里點至少約為430℃，Qmax至少約為10。
9.一種壓電陶瓷裝置，它包括壓電陶瓷和電極，所述壓電陶瓷包含權(quán)利要求7所述的壓電陶瓷組合物。
全文摘要
一種壓電陶瓷組合物，它以包含Sr、Bi、Nb、氧以及單價金屬元素的層型鉍化合物為基礎(chǔ)。所述壓電陶瓷組合物的居里點高，在較高溫度下很可靠，即能使壓電效應(yīng)的降低很小，它能用作壓電陶瓷裝置用的材料，它幾乎不包含鉛或鉛化合物。對每摩爾Nb來說，所述層型鉍化合物包含不超過約0.125摩爾，且大于0摩爾的單價金屬元素。
文檔編號H01B3/12GK1572751SQ20041004565
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者小川弘純, 木村雅彥, 山口達也, 安藤陽 申請人:株式會社村田制作所