DE19540204C2 - Piezoceramic resonator - Google Patents
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- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik und Funktionskeramik und betrifft einen piezokeramischen Resonator für den MHz-Bereich, wie er z. B. für Filter und zur Materialprüfung einsetzbar ist.The invention relates to the fields of electrical engineering and functional ceramics and relates to a piezoceramic resonator for the MHz range, as z. For example Filter and can be used for material testing.
Resonatoren können Schall abstrahlen, aber auch empfangen. Resonatoren arbeiten im Resonanzfall und die Resonanzfrequenz ist an bestimmte Abmessungen gebunden. Für sehr hohe Frequenzen kann man deshalb nur Dickenresonatoren oder Dickenscherresonatoren anwenden.Resonators can emit sound but also receive sound. Resonators work in the case of resonance and the resonance frequency is limited to certain dimensions bound. For very high frequencies you can therefore only thickness resonators or thickness shear resonators.
Ein Keramikresonator hat etwa eine Dicke von 180 µm, wenn er bei 10 MHz schwingen soll. Für noch höhere Frequenzen werden die Resonatoren so dünn, daß sie mechanisch nicht mehr stabil sind. Außerdem wird die genaue Frequenzlage immer kritischer, da die Abmessung direkt eingeht (US 5444 326). Für Frequenzen oberhalb 10 MHz werden deshalb Oberflächenresonatoren verwendet, die nach einem anderen Prinzip arbeiten. Diese können räumlich keinen Schall abstrahlen.A ceramic resonator has a thickness of about 180 μm when used at 10 MHz to swing. For even higher frequencies, the resonators are so thin that they are no longer mechanically stable. In addition, the exact frequency position more and more critical, as the dimension is received directly (US 5444 326). For frequencies above 10 MHz, therefore, surface resonators used, which work on a different principle. These can not be spatially Radiate sound.
Mit Interdigitalwandlern auf PZT-Substraten können 1000 MHz erreicht werden (Ceram. Bull. Vol. 71 No. 6, 1992, S 974-977).1000 MHz can be achieved with interdigital transducers on PZT substrates (Ceram., Bull., Vol. 71, No. 6, 1992, pp. 974-977).
Der bekannte Stand der Technik der Resonator-Schwingungsarten und ihrer Frequenzbereiche ist seit vielen Jahren unverändert und in Tabelle 1 dargestellt (Bauer, Bühling u. a. "Technologie und Anwendung von Ferroelektrika", Verlag Portig Geest Leipzig, S. 488).The well-known state of the art of resonator modes and their Frequency ranges have been unchanged for many years and shown in Table 1 (Bauer, Bühling et al. "Technology and Application of Ferroelectrics", publisher Portig Geest Leipzig, p. 488).
Die Frequenzbereiche der Oberflächenschwingung sind dabei bis in den GHz- Bereich ausgedehnt worden.The frequency ranges of the surface vibration are up to the GHz Area has been extended.
Aus der DE 44 16 245 C1 sind dünne, auf einem Träger aufgebrachte PZT-Schichten bekannt, die bei Temperaturen unterhalb 1000°C sintern.From DE 44 16 245 C1 are thin, on a support applied PZT layers known at temperatures sinter below 1000 ° C.
Für Resonatoren mit Dickenschwingungen besteht ein großer Bedarf für die höheren Frequenzbereiche (um 20 MHz), der auch mit den gestiegenen Anforderungen für die Auflösung (Materialprüfung) zusammenhängt. Aber die Stabilitätsgrenze hinsichtlich des Bruchs setzt den Resonatoren nach dem Stand der Technik eine echte Grenze.For resonators with thickness vibrations there is a great need for the higher ones Frequency ranges (around 20 MHz), which also with the increased requirements for the Resolution (material testing) is related. But the stability limit regarding of the fracture sets a real limit on the prior art resonators.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, piezokeramische Resonatoren anzugeben, die im Bereich von 10 bis 40 MHz unter Ausnutzung der Dickenschwingungen bei hoher mechanischer Stabilität zuverlässig arbeiten.The object of the invention is to specify piezoceramic resonators, in the range of 10 to 40 MHz taking advantage of the thickness vibrations at high mechanical stability work reliably.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.The object is achieved by the invention specified in the claims.
Dabei ist bei einem piezokeramischen Resonator für den MHz-Bereich unter Ausnutzung einer Dickenschwingung auf einem Träger mit einer Grundelektrode eine bei ≦ 950°C dichtgesinterte PZT-Schicht aufgebracht, auf der wiederum eine Deckelektrode aufgebracht ist.It is under with a piezoceramic resonator for the MHz range Exploitation of a thickness vibration on a support with a base electrode a at ≦ 950 ° C densely sintered PZT layer applied on the turn a Cover electrode is applied.
Vorteilhafterweise besteht der Träger aus Al2O3.Advantageously, the carrier consists of Al 2 O 3 .
Weiterhin vorteilhafterweise hat der Träger die Form einer Platte, eines Stäbchens, einer Kugel, einer Kugelkalotte, eines Rohres oder eines Rohrsegmentes. Further advantageously, the carrier is in the form of a plate, a stick, a ball, a spherical cap, a pipe or a pipe segment.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist die PZT-Schicht eine Keramikschicht aus einem PbO- haltigen Komplexperowskit mit Zusätzen von Glas und Oxidschmelzen in der Nähe eines Eutektikums mit einer Liquidustemperatur von < 900°C.Also advantageously, the PZT layer is a ceramic layer of a PbO containing complex perovskite with additions of glass and oxide melts in the vicinity a eutectic with a liquidus temperature of <900 ° C.
Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die PZT-Schicht aufgedruckt, aufgeschlickert, aufgerakelt, aufgespritzt oder aufgewalzt ist.Furthermore, it is advantageous that the PZT layer printed, slipped on, raked, sprayed or rolled on.
Und ebenfalls vorteilhaft ist es, daß die PZT-Schicht in mehreren Teilschritten aufgebracht ist.And it is also advantageous that the PZT layer in several substeps is applied.
Es ist auch vorteilhaft, daß die Grund- und/oder Deckelektrode strukturiert ist.It is also advantageous that the base and / or cover electrode is structured.
Die erfindungsgemäß verwendete PZT-Schicht wird nach den üblichen Verfahren der Dickschichttechnik hergestellt.The PZT layer used according to the invention is prepared by the conventional methods of Thick film technology produced.
Die für die Herstellung der PZT-Schicht verwendeten Materialien müssen alle bei ≦ 950°C dicht sintern.The materials used to make the PZT layer must all be at ≦ Sinter tightly at 950 ° C.
Derartige Materialien sind
Such materials are
- - PZT des Typs (Pb(ZrxTi1-x)O3) mit Eutektika und/oder Glas- PZT of the type (Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 ) with eutectics and / or glass
- - PZT aus ternären System des Typs Pb(ZrxTi1-x-y)y(A1... Az)(B1... Bm)O3 als Komplexperowskit mit Eutektika und/oder Glas- PZT from ternary system of the type Pb (Zr x Ti 1-xy ) y (A 1 ... A z ) (B 1 ... B m ) O 3 as a complex perovskite with eutectics and / or glass
- - PbTiO3 mit Zusätzen (Eutektika, Glas, ABO3-Perowskite)- PbTiO 3 with additives (eutectics, glass, ABO 3 perovskites)
wobei gilt, daß, "Eutektika" Schmelzen sind, die unterhalb 900°C schmelzen und
deren Zusammensetzung auch etwas entfernt von der definierten eutektischen
Zusammensetzung auf der Liquiduslinie liegen kann, und
wobei gilt, daß "Gläser" PbO-haltige Gläser mit einem PbO-Gehalt < 85 Gew.-% und
mit einem SiO2 with the proviso that "eutectics" are melts which melt below 900 ° C and whose composition may also be somewhat remote from the defined eutectic composition on the liquidus line, and
with the proviso that "glasses" PbO-containing glasses having a PbO content <85 wt .-% and with a SiO 2
-Gehalt von < 5% sind und der Rest aus Glasbildnern besteht.Content of <5% and the remainder consists of glass formers.
Für die Herstellung der PZT-Schicht wird eine PZT-Paste oder -Schlicker hergestellt und diese Paste oder Schlicker auf einen Träger aufgedruckt, aufgeschlickert, aufgerakelt, aufgespritzt oder aufgewalzt. Diese Vorgänge können mehrere Male mit dazwischenliegendem Trocknen durchgeführt werden. Nach dem Auftragen der letzten PZT-Schicht und vor dem Einbrand wird vorteilhafterweise eine Deckschicht aufgebracht, die gemeinsam mit der PZT-Schicht eingebrannt wird. Diese Deckschicht besteht vorteilhafterweise aus Bi2O3/ZnO und dient dazu, die PZT- Schicht zur Oberfläche hin abzudichten.For the production of the PZT layer, a PZT paste or slicker is prepared and this paste or slurry printed on a support, slipped on, scrape, sprayed or rolled. These operations can be performed several times with intervening drying. After the application of the last PZT layer and before the penetration, a cover layer is advantageously applied, which is baked together with the PZT layer. This cover layer advantageously consists of Bi 2 O 3 / ZnO and serves to seal the PZT layer towards the surface.
Dabei kann der Frequenzbereich eines erfindungsgemäßen Resonators über die Schichtdicke der PZT-Schicht eingestellt werden. Es werden höhere Frequenzen erreicht, wenn eine dünnere PZT-Schicht vorhanden ist. Dies kann durch eine geringere aufgebrachte Schichtdicke erreicht werden oder durch ein stärkeres Abschleifen der Oberflächenschicht nach dem Einbrand. Auf diese Weise können Frequenzen zwischen 10 und 40 MHz erreicht und eingestellt werden.In this case, the frequency range of a resonator according to the invention on the Layer thickness of the PZT layer can be adjusted. There are higher frequencies achieved when a thinner PZT layer is present. This can be done by a lower applied layer thickness can be achieved or by a stronger Abrading the surface layer after penetration. That way you can Frequencies between 10 and 40 MHz can be reached and set.
Eine Resonatorcharge bei der industriellen Herstellung in einem bestimmten Frequenzbereich kann feinabgeglichen werden, indem die Deckelektrode galvanisch verstärkt wird. Durch die größere Massebelastung wird die Frequenz nach unten gezogen.A Resonatorcharge in industrial production in a particular Frequency range can be fine-tuned by the top electrode galvanic is reinforced. Due to the greater mass load, the frequency is down drawn.
Ein derartiger piezokeramischer Resonator besitzt eine hohe mechanische Stabilität, ist in den verschiedensten Formen herstellbar und schwingt nebenwellenfrei. Such a piezoceramic resonator has a high mechanical stability, is producible in the most different forms and oscillates free of side waves.
Im folgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert.In the following the invention will be explained with reference to several embodiments.
Hergestellt werden soll ein piezokeramischer Resonator mit einer PZT-Schicht in Form eines Plättchens.To be produced is a piezoceramic resonator with a PZT layer in Shape of a small plate.
Dazu wird ein Pulver der Zusammensetzung
This is a powder of the composition
PZT-PMN + 3 Gew.-% Bi2O3/ZnO + 6 Gew.-% Glas LG65
PZT-PMN + 3 wt.% Bi 2 O 3 / ZnO + 6 wt.% Glass LG65
mit Ethylzellulose und Terpineol als Pastenbindemittel nach den bekannten Verfahren der Dickschichttechnik zu einer Paste angerührt.with ethyl cellulose and terpineol as paste binder according to the known Process of thick-film technology stirred into a paste.
Ein Al2O3-Substrat als Träger wird mit einer Pt-Paste als Grundelektrode bedruckt und bei 1000°C 30 min eingebrannt. Anschließend wird die PZT-Paste auf den Träger aufgerakelt und bei 130°C getrocknet. Das Aufrakeln der PZT-Paste wird dreimal wiederholt, um eine Gründicke von 140 µm zu erreichen. Danach wird die PZT-Schicht mit einer Deckschicht aus Bi2O3/ZnO bedruckt und der gesamte Verbund bei 950°C 5 Stunden eingebrannt.An Al 2 O 3 substrate as carrier is printed with a Pt paste as a base electrode and baked at 1000 ° C for 30 min. Subsequently, the PZT paste is knife-coated onto the support and dried at 130.degree. The knife coating of the PZT paste is repeated three times to achieve a foundation thickness of 140 μm. Thereafter, the PZT layer is printed with a cover layer of Bi 2 O 3 / ZnO and baked the entire composite at 950 ° C for 5 hours.
Nach dem Einbrand wird eine Oberflächenschicht von ca. 10 µm abgeschliffen. Damit besitzt die PZT-Dickschicht auf dem Substrat eine Dicke von 65 µm. Danach wird eine Deckelektrode aufgesputtert. Abschließend erfolgt die Polung des Resonators.After firing, a surface layer of approx. 10 μm is abraded. Thus, the PZT thick film on the substrate has a thickness of 65 microns. After that a top electrode is sputtered on. Finally, the polarity of the Resonator.
Ein derartig hergestellter piezokeramischer Resonator hat eine saubere Resonanzschwingung bei 14,6 MHz. Such a piezoceramic resonator produced has a clean Resonant vibration at 14.6 MHz.
Es soll ein Stäbchenresonator für eine Frequenz von 20 MHz hergestellt werden, welcher nach allen Seiten Schall abstrahlt.A rod resonator for a frequency of 20 MHz is to be produced, which radiates sound on all sides.
Dazu wird ein PZT-Pulver entsprechend Beispiel 1 mit den Pastenbindemitteln nach Beispiel 1 nach bekannten Dickschichttechnologien zu einem Schlicker verarbeitet. Ein mit einer Pt-Elektrode versehenes Al2O3-Stäbchen von 1,5 mm Durchmesser wird dann in den Schlicker eingetaucht. Der Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis eine Schichtdicke der PZT-Schicht von 130 µm erreicht ist. Nach jedem Eintauchen wird die Schicht getrocknet.For this purpose, a PZT powder is processed according to Example 1 with the paste binders according to Example 1 by known thick-film technologies to a slurry. An Al 2 O 3 rod of 1.5 mm diameter provided with a Pt electrode is then immersed in the slurry. The process is repeated several times until a layer thickness of the PZT layer of 130 microns is reached. After each immersion, the layer is dried.
Danach wird die Schicht auf dem hängenden Stäbchen bei 950°C 5 Stunden eingebrannt.Thereafter, the layer on the hanging rod at 950 ° C for 5 hours baked.
Die fertige PZT-Schicht hat einen Durchmesser von 50 µm.The finished PZT layer has a diameter of 50 μm.
Anschließend wird die Schicht mit einer Pt-Deckelektrode versehen und der Resonator gepolt.Subsequently, the layer is provided with a Pt cover electrode and the Resonator polarized.
Ein derartig hergestellter piezokeramischer Resonator hat die Frequenz der Dickenschwingung bei 20 MHz.Such a piezoceramic resonator produced in this way has the frequency of Thick vibration at 20 MHz.
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| DE19540204A1 DE19540204A1 (en) | 1997-04-30 |
| DE19540204C2 true DE19540204C2 (en) | 1999-11-11 |
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| US5444326A (en) * | 1993-02-25 | 1995-08-22 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric-resonance device |
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1995
- 1995-10-28 DE DE1995140204 patent/DE19540204C2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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| DE4416245C1 (en) * | 1994-05-07 | 1995-04-13 | Fraunhofer Ges Forschung | Process for the production of PZT coatings from a PZT powder with a low sintering temperature |
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| DE19540204A1 (en) | 1997-04-30 |
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