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      層疊壓電元件的制作方法

      文檔序號:7525326閱讀:264來源:國知局
      專利名稱:層疊壓電元件的制作方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及一種層疊壓電元件,本發(fā)明尤其涉及一種用于振蕩器和濾波器的層疊壓電元件。
      傳統(tǒng)的壓電元件包含壓電陶瓷基片,該基片的表面上設置有振動電極,這些振動電極通過粘合劑被夾在兩個頂蓋基片之間而密封,其中考慮到壓電元件的結構和特性,以及粘合劑的結合強度,已經使用各種粘合劑??紤]振動空間的密封特性,以及防止外部電極的破裂,將粘合劑的厚度確定得相對薄。
      當壓電元件接受諸如回流之類的高溫熱處理時,壓電陶瓷基片的一部分晶體結構由于回流的熱而變化,由此,諧振頻率Fo(壓電濾波器的中心頻率,或者振蕩器的振蕩頻率)在回流前后變化。相應地,由于回流的熱,除了回流已大量分布后的壓電元件的諧振頻率Fo外,應該為諧振頻率Fo的變化提供容限。
      相應地,本發(fā)明的一個目的是提供一種層疊壓電元件,它除了抑制諧振頻率的分布外,能夠減小諧振頻率在接受諸如回流之類的高溫熱處理前后的改變量。
      為了達到上述目的,本發(fā)明提供了一種層疊壓電元件,包含表面上設置有振動電極的壓電基片;與壓電基片一起構成層疊體的頂蓋基片;插入壓電基片和頂蓋基片之間,用于將壓電基片結合到頂蓋基片上的粘合劑,其中粘合劑的彈性模量和厚度如此確定,從而由于施加給壓電基片的熱引起的諧振頻率的變化被由從頂蓋基片和粘合劑給予壓電基片的合成應力引起的諧振頻率的變化所消除。這里使用的諧振頻率在壓電濾波器的情況下指的是中心頻率,在振蕩器的情況下指的是振蕩頻率。
      從頂蓋基片和粘合劑給予壓電基片的合成應力由粘合劑的彈性模量和厚度控制。具體地說,粘合劑的彈性模量c和厚度b2可以如此確定,從而由下面的等式計算出的值大致為零;a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107]其中,a1(/℃)和b1(μm)分別表示頂蓋基片的熱膨脹系數(shù)和厚度,a2(/℃)和b2(μm)和c(MPa)分別表示粘合劑的熱膨脹系數(shù)、厚度和彈性模量,而a3(/℃)和b3(μm)表示壓電基片的熱膨脹系數(shù)和厚度。
      由于從頂蓋基片和粘合劑給予壓電基片的合成應力引起的諧振頻率的變化消除了由于給予壓電基片的熱引起的諧振頻率的變化,由此可以減小諸如回流之類的高溫熱處理前后諧振頻率的改變量。
      從頂蓋基片給予壓電基片的應力由根據(jù)本發(fā)明的層疊壓電元件中的粘合劑吸收。換句話說,如此確定粘合劑的彈性模量c和厚度b2,從而給予壓電基片的合成應力只含有從粘合劑給予壓電基片的應力成份。實際上,(b2/c2)的值(它是exp[-(b2/c2)×107]的系數(shù))在等式a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107]中確定為5.0×10-7或更大。該條件允許消除頂蓋基片的影響,由此只有包含給出量的應力的合成應力可以從粘合劑給予壓電基片。相應地,除了一種諧振頻率的分布外,還可以減小在諸如回流之類的高溫熱處理前后的諧振頻率的改變量。


      圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的層疊壓電基片的一個實施例的未裝配的透視圖;圖2是示出用于圖1所示的層疊壓電元件的電極的結構的說明性透視圖;圖3A示出圖1所示的層疊壓電元件的平面圖;圖3B示出圖1所示的層疊壓電元件的左側視圖;圖3C示出圖1所示的層疊壓電元件的仰視圖;圖4示出圖1所示的層疊壓電元件的截面圖;圖5示出另一個實施例的截面圖;圖6是曲線圖,示出當粘合劑的彈性模量為3000MPa時,中心頻率的改變量;圖7是曲線圖,示出當粘合劑的彈性模量為6000MPa時,中心頻率的改變量;圖8是曲線圖,示出當使用彈性模量為6000MPa的粘合劑時,中心頻率的改變量和粘合劑平均厚度之間的關系;圖9是曲線圖,示出當使用彈性模量為6000MPa,平均厚度為5到15pm的粘合劑時,特性隨時間的變化;圖10是曲線圖,示出當使用彈性模量為6000MPa,并且平均厚度為40到45pm的粘合劑時,特性隨時間的變化。
      下面,將參照附圖,描述根據(jù)本發(fā)明的層疊壓電基片的實施例。雖然本發(fā)明是將濾波器作為例子進行描述的,但是不需要說明,同樣的說明對于振蕩器也是有效的。
      如圖1所示,層疊壓電濾波器21由矩形的壓電基片1和2、通過將壓電基片1和2夾住形成振動空間的頂蓋基片10和11構成。壓電基片1和2由鋯鈦酸鉛(PZT)基的陶瓷制成。但是,除了PZT以外,石英和LaTaO3也可以用于壓電基片1和2。
      下面,將參照圖2描述壓電基片中電極的結構?;卤砻嫔系碾姌O用一個向下的投影圖來表示。
      分別在壓電基片1的上表面和下表面上設置振動電極3a和3b,以及振動電極3c。在振動電極3a和3b與振動電極3c相對的部分產生沿厚度方向的能量約束型縱向聲模振動,形成第一濾波器元件3。
      將振動電極3a和3b電氣連接到引出電極5a和5b,而將振動電極3c電氣連接到引出電極5c到5f。引出電極5b通過壓電基片1與引出電極5f相對,形成電容器作為繼電器電容。電極6a、6b和6c形成在壓電基片1的上表面上,以便沿著厚度方向,分別覆蓋引出電極5c、5d和5e,并且最后與引出電極5c到5e電氣連續(xù)。通過Ag或Cu的濺射或汽相沉淀形成電極3a到3c,5a到5f和6a到6c。由壓電基片1上的虛線B和C圍繞的區(qū)域不極化,剩下的區(qū)域沿基片的厚度方向極化。
      回到圖1,壓電基片2和壓電基片1相同,它通過將被從左到右的翻轉而顛倒地設置。
      相應地,也在壓電基片2中構成利用沿厚度方向的縱向聲模的能量約束型第二濾波器,以及作為繼電器電容的電容器。
      頂蓋基片10和11含有鋁礬土之類的陶瓷材料,并且層疊體是通過將壓電基片1和2插入頂蓋基片10和11之間后結合而形成的,或者,沿著厚度方向,層疊壓電基片1和2,并通過粘合劑8結合。通過粘合劑7將頂蓋基片10層疊并結合到壓電基片1上面,并通過粘合劑9,將頂蓋基片11層疊并結合到壓電基片2的下面。在這些粘合劑7到9中形成腔體7a、8a和9a,用于保持形成在壓電基片1和2上的第一和第二濾波器的振動空間。下面,將詳細描述粘合劑7和9。
      如圖3A、3B和3C所示,通過濺射,或通過覆蓋和干燥,在壓電濾波器21表面上形成外部電極。將來自壓電基片1的引出電極5a連接到外部電極22d,該外部電極22d用作輸出端。同樣地,將來自壓電基片2的引出電極5a連接到外部電極22a,該外部電極22a用作輸入端。將外部電極22b連接到壓電基片1的電極6b,并連接到壓電基片2的引出電極5c和電極6a。將外部電極22c連接到壓電基片1的引出電極5b。將外部電極22e連接到壓電基片1的電極6a,并連接到壓電基片2的引出電極5d和電極6b。將外部電極22f連接到壓電基片2的引出電極5b。如圖3C所示,通過電氣連續(xù)部件23c,使外部電極22c和22f相互連接。通過電氣連續(xù)部件23a使外部電極22b和22e相互連接。電氣連續(xù)部件23c包含延伸電極23b,并且通過在輸入輸出外部電極22a和22d間布置了此延伸電極23b而增強了輸入端和輸出端之間的絕緣。
      如上所述得到具有兩個濾波器部件的二階壓電濾波器21。圖4示出了所得到的壓電濾波器21的截面圖,其中未示出振動電極和外部電極。
      下面,將詳細描述粘合劑7和9。當壓電濾波器21受到諸如回流之類的高溫熱處理時,中心頻率Fo由于施加給壓電基片1和2的熱,在回流前后變化。由于熱膨脹系數(shù)的不同,壓電基片1和2還受到來自頂蓋基片10和11,以及來自粘合劑7和9的應力。當壓電基片1和2由陶瓷基片制成時,熱膨脹系數(shù)按照壓電基片1和2、頂蓋基片10和11,以及粘合劑7和9的順序增加。相應地,當粘合劑7和9具有大的彈性模量,或當粘合劑7和9薄時,在施加給壓電基片1和2應力中,由頂蓋基片10和11給予的應力占優(yōu)勢。因為頂蓋基片10和11由于回流的熱引起的的膨脹大于壓電基片1和2的膨脹,壓電基片1和2受到來自頂蓋基片10和11的壓縮應力,由此中心頻率Fo移動到低頻側。
      另一方面,當粘合劑7和9具有小的彈性模量時,或者當粘合劑7和9厚時,由頂蓋基片10和11給予的應力由粘合劑7和9吸收,由粘合劑7和9給予的應力在施加給壓電基片1和2的應力中占優(yōu)勢。由于將粘合劑7和9設置在如圖1所示的壓電基片1和2的振動電極3a和3b周圍,故當具有更大的熱膨脹系數(shù)的粘合劑7和9在受到回流后開始收縮時,壓電基片1和2上設置有振動電極3a和3b的振動部分從粘合劑7和9受到張應力。于是,中心頻率移向高頻例。換句話說,中心頻率Fo的變化可以通過改變粘合劑7和9的彈性模量和厚度,控制給予壓電基片1和2的應力而控制。
      相應地,通過適當?shù)剡x擇粘合劑7和9的彈性模量和厚度在回流中由于給予壓電基片1和2的熱引起的中心頻率Fo的變化可以通過由頂蓋基片10和11、以及由粘合劑7和9給予壓電基片1和2的合成應力引起的中心頻率Fo的變化來消除。因此,可以減小在諸如回流之類的高溫熱處理前后中心頻率的改變量。
      實際上,選擇彈性模量c,厚度b2的粘合劑7和9,以便通過下面等式計算的值大致為零。
      a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107](1)其中,a1(/℃)和b1(μm)分別表示頂蓋基片10和11的熱膨脹系數(shù)和厚度,a2(/℃)、b2(μm)和C(MPa)分別表示粘合劑7和9的熱膨脹系數(shù)、厚度和彈性模量,而a3(/℃)和b3(μm)表示壓電基片1和2的熱膨脹系數(shù)和厚度。較好地,選擇適當?shù)闹?,使由等?1)計算得出的值落在0±1.0×10-4的范圍內。
      當允許由頂蓋基片10和11給予壓電基片1和2的應力由粘合劑7和9吸收時,應力僅僅包含由粘合劑7和9給予壓電基片1和2的應力成份。相應地,壓電基片1和2總是受到大致上恒定的應力,由此,減小中心頻率在回流前后的改變量,及其分布。更具體地說,與頂蓋基片10有關的包含參數(shù)a1和b1的項變小,以減小等式(1)中頂蓋基片10和11的影響。即,選擇彈性模量c和厚度b2的b2/c2的值(為等式exp[-(b2/c2)×10-7]的系數(shù))滿足下面的等式(2)的粘合劑7和9。
      (b2/c2)≥5.0×10-7(2)根據(jù)本發(fā)明的層疊壓電元件不限于上述實施例,但是可以在不改變本發(fā)明的主旨的范圍內變化。壓電基片的數(shù)量不必限制于兩個基片,但是,可以通過兩個頂蓋基片10和11密封和夾住一個壓電基片1。雖然在上述實施例中的壓電元件中的頂蓋基片上設置了用于形成振動空間的凹部,這種凹部是可以省略的,并且振動空間可以利用粘合劑的厚度提供。
      例子如圖1到3所示的壓電濾波器21是使用厚度為500μm的頂蓋基片10和11和厚度為200μm的壓電基片1和2,同時使用彈性模量為3000MPa和6000MPa的粘合劑作為粘合劑7和9的兩種粘合劑而制造的。頂蓋基片10和11、以及壓電基片1和2的熱膨脹系數(shù)分別是7.8×10-6/℃和2.0×10-6/℃。對于彈性模量為3000MPa和6000MPa的粘合劑7和9,它們的熱膨脹系數(shù)分別是6.3×10-5/℃和4.8×10-5/℃。
      等式(1)的值應該接近于零,以減小中心頻率在回流前后的改變量。相應地,粘合劑7和9的厚度b2的目標值可以調節(jié)到6μm,當粘劑7和9的彈性模量c為3000MPa時,以將(1)的值限定在0±1.0×10-4范圍內。類似地,當粘合劑7和9的彈性模量c為6000MPa時,可以將粘合劑7和9的厚度b2的目標值調節(jié)到12μm。
      圖6和7是曲線圖,示出當粘合劑7和9的厚度在5到15μm范圍內時,中心頻率Fo在回流前后的改變量(回流24小時后的改變量)與粘合劑7和9的厚度b2之間的關系,其中在圖6和7中,彈性模量為3000MPa和6000MP。曲線圖示出,對于彈性模量為3000MPa和6000MPa的粘合劑7和9,在目標厚度b2為6μm和12μm時,中心頻率的改變量接近于零。
      應該滿足等式(2),以減小抑制中心頻率Fo在回流前后的改變量。相應地,當粘合劑7和9的彈性模量為3000MPa時,在等式(2)中,粘合劑7和9應該調節(jié)到4.5μm或更大。另一方面,當彈性模量是6000MPa時,厚度b2應該調節(jié)到18μm或更大。圖8是曲線圖,分別示出使用厚度b2為40到45μm以及使用厚度b2為5到15μm的樣品組A和B的中心頻率Fo在回流前后的改變量(回流24小時后的改變量),其中使用彈性模量c為6000MPa的粘合劑7和9。從厚度b2為5到15μm的樣品組B隨機地選出10個樣品,并從厚度b2為40到45μm的樣品組A中隨機地選出10個樣品。圖9和10是曲線圖,示出當對于樣品組A和B,測量中心頻率Fo的與時間相關的改變量的最大值、最小值和平均值時的實驗結果。通過圖9和圖10之間的比較可以知道,通過增加厚度b2,抑制中心頻率Fo的改變量的分布。
      如從上述描述顯然的,通過調節(jié)粘合劑的彈性模量和厚度,通過與頂蓋基片和粘合劑給予壓電基片的合成應力引起的諧振頻率的改變量,在本發(fā)明中可以消除由于在回流中給予壓電基片的熱引起的諧振頻率的改變量。
      結果,可以得到一種層疊壓電元件,其中在諸如回流之類的高溫熱處理前后的中心頻率的改變量可以減小。另外,當由頂蓋基片給予壓電基片的應力與粘合劑吸收時,壓電基片僅僅受到由粘合劑給予壓電基片的合成應力的成份。由此,壓電基片總是受到大致上恒定的應力,由此除了抑制其分布外,還允許回流前后的諧振頻率的改變量減小。
      權利要求
      1.一種層疊壓電元件,其特征在于包含其表面上設置有振動電極的壓電基片;與所述壓電基片一起構成層疊體的頂蓋基片;和插入所述壓電基片和頂蓋基片之間,用于將所述壓電基片結合到頂蓋基片上的粘合劑,其中,所述粘合劑的彈性模量和厚度如此確定,從而由于施加給所述壓電基片的熱引起的諧振頻率的變化被由從所述頂蓋基片和粘合劑給予所述壓電基片的合成應力引起的諧振頻率的改變所抵消。
      2.如權利要求1所述的層疊壓電元件,其特征在于從頂蓋基片給予壓電基片的應力由粘合劑吸收,從而給予壓電基片的合成應力僅包含從所述粘合劑給予壓電基片的應力成份。
      3.如權利要求1所述的層疊壓電元件,其特征在于由下面的等式計算的值大致上為零;a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107]其中,a1(/℃)和b1(μm)分別表示頂蓋基片的熱膨脹系數(shù)和厚度,a2(/℃)和b2(μm)和c(MPa)分別表示粘合劑的熱膨脹系數(shù)、厚度和彈性模量,而a3(/℃)和b3(μm)表示壓電基片的熱膨脹系數(shù)和厚度。
      4.如權利要求2或3所述的層疊壓電元件,其特征在于b2/c2為5.0×10-7或更大,其中b2(μm)和c(MPa)分別表示粘合劑的厚度和彈性模量。
      全文摘要
      本發(fā)明的目的是得到一種層疊壓電元件(或者層疊的壓電濾波器)其中,除了抑制諧振頻率的分布外,還抑制了諸如回流之類的高溫熱處理前后諧振頻率的改變量,其中層疊濾波器包含在其背部表面上設置有振動電極的壓電基片、頂蓋基片,和插入壓電基片和頂蓋基片之間的粘合劑,其中由于在回流中提供給壓電基片的熱引起的中心頻率Fo的改變由于從頂蓋基片和粘合劑給予壓電基片的合成應力引起的中心頻率Fo的改變而消除。
      文檔編號H03H3/00GK1274993SQ0011768
      公開日2000年11月29日 申請日期2000年5月25日 優(yōu)先權日1999年5月25日
      發(fā)明者金井俊吾, 蒲生昌夫 申請人:株式會社村田制作所
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