壓電元件的製作方法

2023-06-04 06:19:56 1

專利名稱：壓電元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於壓電陶瓷諧振器、壓電陶瓷濾波器或類似器件的壓電元件，背景技術通常，含有鋯鈦酸鉛(Pb(TixZr1-x)O3)或鈦酸鉛(PbTiO3)作為其主要成分的壓電陶瓷合成物廣泛地應用於壓電陶瓷元件中，例如壓電陶瓷濾波器和壓電諧振器。
因為含有鋯鈦酸鉛或鈦酸鉛作為其主要成分的壓電陶瓷合成物含有大量的鉛，所以，就存在由於製造過程中氧化鉛汽化產生產品的均勻性下降的問題。
為了解決上述問題，已經研製出各種不含鉛或僅含有少量鉛的壓電陶瓷合成物。這些壓電陶瓷合成物包括含有鉍層化合物，例如鈮酸鍶鉍(SrBi2Nb2O9)作為其主要成分的材料。因為，含有鉍層化合物作為其主要成分的壓電陶瓷合成物不含有氧化鉛，因此，就不會產生上述問題。
在壓電陶瓷元件中，例如壓電陶瓷濾波器和壓電陶瓷諧振器，包括含有鋯鈦酸鉛(Pb(TixZr1-x)O3)或鈦酸鉛(PbTiO3)作為其主要成分的壓電陶瓷合成物，通常已知這些元件(具有分層結構，該結構含有多個壓電層和電極)具有高性能。
在包括有壓電陶瓷合成物的壓電陶瓷元件中(該合成物含有鋯鈦酸鉛(Pb(TixZr1-x)O3)或鈦酸鉛(PbTiO3)作為其主要成分)，通常使用具有1770℃熔點的鉑(Pt)和具有1550℃熔點的鈀(Pd)作為電極，它們能夠在較高烘烤溫度(例如約1100℃)抵制汽化。
相對於包括含有鉍層化合物作為其主要成分的壓電陶瓷合成物的壓電陶瓷元件，例如壓電陶瓷濾波器和壓電陶瓷諧振器，發明者在研究期間並沒有找到含有Pd作為主要成分的電極的示例。
而且，本發明人查明具有Pd電極和含有鉍層化合物作為其主要成分的壓電陶瓷合成物並通過烘烤製備的壓電元件並不能成功地製成，就是說，這種壓電元件的特性不可測量，如下示例所示。
American Ceramics Society期刊，vol.75，p 2339報導一種氧化鉍和氧化鈀的混合粉末在高於500℃的溫度時形成了一種化合物，並且該化合物具有至少800℃的熔點。
上述報導並沒有提及鉍層化合物和金屬鈀的反應，但提到了氧化鉍和氧化鈀的反應。然而，並不是很清楚具有Pd電極和壓電陶瓷合成物(含有鉍層化合物作為其主要成分)並通過烘烤製備的壓電元件不能成功製成的原因是否與上述報導相同。存在一種可能性就是對未經處理的壓電元件進行烘烤會引起不能滿意的特性。

發明內容
因此，本發明的一個目標是提供一種包括Pd電極和含有鉍層化合物作為其主要成分的壓電陶瓷合成物的壓電元件以避免鉛的使用。
為了解決上述問題，一種壓電元件包括多個含有壓電陶瓷合成物(合成物包括鉍層化合物)的壓電層；以及含有Pd的電極，其中壓電層在厚度方向上成層，電極配置給每個壓電層，並且至少一個電極和壓電陶瓷合成物含有Ag。
在上述配置中，因為，在至少一個壓電陶瓷合成物和電極中含有Ag，包含在電極中的Pd擴散到壓電陶瓷合成物中以及Pd和壓電陶瓷合成物的反應都被抑制，這樣，當含有鉍層化合物作為其主要成分的壓電陶瓷合成物用於壓電元件時，就避免了壓電元件特性的下降。
在上述配置中，當m代表至少一個電極和壓電陶瓷合成物中含有的Ag重量，而M代表電極中含有的Pd重量時，最好0.1≤m/M，且最好0.1≤m/M≤10。
壓電陶瓷合成物最好含有至少一種從下述作為主要成分的化合物的組中選出，例如Bi2WO6、CaBi2Nb2O9、SrBi2Nb2O9、BaBi2Nb2O9、PbBi2Nb2O9、CaBi2Ta2O9、SrBi2Ta2O9、BaBi2Ta2O9、PbBi2Ta2O9、Bi3TiNbO9、Bi3TiTaO9、Bi4Ti3O12、SrBi3Ti2NbO12、BaBi3Ti2NbO12、PbBi3Ti2NbO12、CaBi4Ti4O15、SrBi4Ti4O15、BaBi4Ti4O15、PbBi4Ti4O15、Na0.5Bi4.5Ti4O15、K0.5Bi4.5Ti4O15、Ca2Bi4Ti5O18、Sr2Bi4Ti5O18、Ba2Bi4Ti5O18、Pb2Bi4Ti5O18和Bi6Ti3WO18。
在上述配置中，因為含有鉍層化合物作為主要成分，壓電元件例如壓電陶瓷濾波器和壓電陶瓷諧振器(它們不含有鉛或含有少量鉛，且有利環保)就可以以相對較低的成本製成。
在日本未審查專利申請號12-007999中，發明人揭示了含有由化學式SrBi2(Nb2-yWy)O9表示的化合物的壓電陶瓷合成物可以適用於作為壓電陶瓷元件材料，該元件是通過在低於1100℃的溫度下烘烤而製成，並且具有實際水平的機電係數。這種壓電陶瓷合成物可以用於上述壓電層，就是說，本發明在這種配置中有效。


圖1是根據本發明的壓電元件的透視圖；和圖2是示出上述壓電元件製造過程的分解透視圖。
具體實施例方式
現在將描述包括有根據本發明的鉍層化合物的壓電元件的實例。
實例SrCO3、Bi2O3、Nb2O3、WO6和MnCO3用作原料，並對它們進行稱重以滿足化學式SrBi2Nb1.8W0.2O9+0.5wt％MnCO3，其中SrBi2Nb1.8W0.2O9是鉍層化合物，而wt％表示以鉍層化合物為基準的MnCO3重量百分比。隨後，混合經稱重的原料。該混合物在800-1000℃煅燒，並通過刮片方法形成大致為正方形的薄片。
如表1所示，製備用於電極的膠，其中該膠含有Ag和Pd，且Ag的含量在0到95％並根據以重量百分比為基準的公式Ag/(Ag+Pd)獲得。如圖2所示，使用這些膠的一種，每個電極(具有直徑在0.4-2.6mm而厚度約1μm)通過印刷在每個獲得的薄片中心形成以分別完成第一、第二和第三配置電極的薄片1、3和5，分別在其上具有第一、第二和第三電極10、11和12。
在第一配置電極的薄片1中，使用膠形成在頂面上的第一終端6從第一電極10延伸到第一側面，該側面是第一配置電極的薄片1的一側。在第二配置電極的薄片3中，使用膠將第二終端7從第二電極11延伸到第二側，該側是第二配置電極的薄片3的一側，且定位在第一側的相對側面上。在第三配置電極的薄片5中，使用膠將第三終端8從第三電極12延伸到另一第一側面，該側是第三配置電極的薄片5的一側，且定位在第一終端6的相同側，其中第三終端8和第三電極12形成在第三配置電極的薄片5的下側。
第一、第二和第三配置電極的薄片1、3和5以及多個第一和第二無電極薄片2和4在厚度方向上堆疊，以便與第一、第二和第三電極10、11和12的每個電極中心對齊，其中，例如在第一和第二無電極薄片2和4之間配置第二配置電極的薄片3，並且在第一和第三配置電極的薄片1和5之間配置第一和第二無電極薄片2和4。用200 MPa的力加壓堆疊的薄片，並隨後在1000-1200℃進行1-5小時的烘烤以獲得緊湊的、烘烤元件。
如圖1所示，隨後，在厚度方向對烘烤元件進行極化，就是從第三電極12到第一電極10的方向以獲得壓電元件。
在上述壓電元件中，第一壓電層14具有第一配置電極的薄片1和多個第一無電極薄片2，並且第二壓電層16具有第二和第三配置電極的薄片3和5以及多個第二無電極薄片4。第一和第二壓電層14和16在厚度方向上分層以形成包括有將鉍層化合物作為主要成分的壓電陶瓷合成物的壓電元件。壓電元件具有矩形平行六面體形狀以及例如0.4mm的厚度。
第一、第二和第三電極10、11和12的每個電極中心以及第一和第二壓電層14和16對齊。第一電極10放置在第一壓電層14的暴露表面上。第二電極11放置在第二壓電層14的上表面上，而第二壓電層14的上表面粘合於第一壓電層16的下表面。第三電極12放置在第一壓電層16的暴露表面上。
在壓電元件中，放置在第一和第二配置電極的薄片1和3之間的第一無電極薄片2的數目可以變化以調節第一和第二配置電極薄片1和3之間的間距。出於同樣的目的，放置在第二和第三配置電極的薄片3和5之間的第二無電極薄片4的數目可以變化。這樣，壓電元件就作為使用厚度縱向振動的二次諧波的壓電濾波器或壓電諧振器。
因為壓電元件具有分層結構，因此，可以大大增加使用的範圍。就是說，鉍層化合物通常具有1/3的泊松比，並且作為含有鉍層化合物的壓電濾波器或壓電諧振器使用的壓電元件具有某些局限性(當使用厚度縱向振動的基波時，就不能限定能量)。然而，如果壓電元件具有分層結構，就可以克服這些限制，這樣，就能擴大它們可以應用的範圍。
在上述壓電元件中，第一、第二和第三終端6、7和8與電源或阻抗分析器9電氣相連，以便將相同的電壓施加給第一和第三終端6和8，並將不同的電壓施加給第二終端7，並產生壓電振動。阻抗分析器9用於將驅動信號施加給第一、第二和第三終端6、7和8。
對於各種壓電元件，表1示出膠的Ag含量、m/M比、機電係數k和峰值-谷值比(諧振阻抗/反諧振阻抗)。機電係數k通過日本製造協會的電子材料標準EMAS6100中的方法6003進行測量。Ag和Pd的含量通過WDX(波長色散X射線微量分析)以及ICP(電感耦合等離子體發射光譜測定法)進行測量。
在表1中，樣品1在本發明範疇之外；Ag代表膠中的Ag含量，而依據重量百分比為基準的公式Ag/(Ag+Pd)來獲得；在m/M比中，m表示包含在至少一個電極和壓電陶瓷合成物中的Ag重量，而M表示在烘烤後，包含在電極中的Pd重量；k表示機電係數；峰值-谷值比指示了諧振阻抗與反諧振阻抗比。
如表1所示，很清楚根據本發明的實例的樣品2-9具有實際水平的機電係數k和峰值-谷值比。因為m/M比的增加率在Ag含量高的區域中下降，因此，可以假設一定量的Ag汽化，並且汽化Ag的一部分擴散到第一壓電層14和第二壓電層16中。
本發明並不局限於上述實例，並且在包括由通過烘烤製備的壓電層構成的壓電元件的範疇中有效。
表1

權利要求
1.一種壓電元件，其特徵在於，所述元件包括多個包括有壓電陶瓷合成物的壓電層，所述合成物含有鉍層化合物；以及含有Pd的電極，其中，在厚度方向上分層所述壓電層，將所述電極配置給每個壓電層，並且所述電極和壓電陶瓷合成物中的至少一個含有Ag。
2.如權利要求1所述的壓電元件，其特徵在於，0.1≤m/M，其中m表示所述電極和壓電陶瓷合成物中的至少一個所含有的Ag重量，而M表示所述電極中含有的Pd重量。
3.如權利要求2所述的壓電元件，其特徵在於，0.1≤m/M≤10。
4.如權利要求1所述的壓電元件，其特徵在於，所述壓電元件利用厚度縱向振動上的二次諧波。
全文摘要
壓電元件包括多個壓電層，所述壓電層含有鉍層化合物作為主要成分，並且在厚度方向上分層。壓電層配置有含有Pd作為主要成分的電極，以便壓電層振動。至少一個電極和壓電陶瓷合成物含有Ag。
文檔編號H01L41/18GK1398044SQ0212640
公開日2003年2月19日 申請日期2002年7月12日 優先權日2001年7月12日
發明者澤田拓也, 木村雅彥, 安藤陽 申請人:株式會社村田製作所