專利名稱：壓電元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電諧振器，尤其涉及用作通信濾波器和時鐘發(fā)生器中的振蕩器的壓電元件。
作為一種常規(guī)的壓電元件，公知的是垂直于壓電體陶瓷(具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu))的取向軸對壓電體陶瓷進(jìn)行極化而制造的壓電元件。在這種壓電元件中，在壓電體陶瓷的兩個端面上都形成電極?？赏ㄟ^施加極化方向的電場來激勵壓電振動。
此外，本發(fā)明的發(fā)明人已提出這種類型的壓電元件，其中在單片壓電體陶瓷的前、后主表面上形成交叉指型電極以進(jìn)行激勵。此壓電元件不使用具有大量步驟的層疊過程。相應(yīng)地，該壓電元件可在工業(yè)上方便地利用，且具有高度可靠性，它在優(yōu)化電極界面與陶瓷的耦合方面沒有問題。
參考通過在具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷的兩個端面上都形成電極并沿垂直于取向軸的方向極化而制造的壓電元件，壓電元件必須具有沿電場施加方向延伸的片狀或桿狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的問題是靜電電容低，阻抗高，從而難于實(shí)現(xiàn)電路的阻抗匹配。
此外，相對于在單片壓電體陶瓷的一個主表面(后主表面)上形成交叉指型電極的壓電元件而言，在高頻下使用該壓電元件時，必須減小元件的厚度以對整個元件進(jìn)行極化。這樣所引起的問題是，在高頻下使用該壓電元件時，不能增強(qiáng)該元件的機(jī)械可靠性。
相應(yīng)地，本發(fā)明的一個主要目的是提供這樣一種壓電元件，即使在該元件使用具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷時，它也具有低阻抗、高機(jī)電系數(shù)以及高頻低損耗特性。
此外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造以上壓電元件的方法。
為了實(shí)現(xiàn)以上的目的，依據(jù)本發(fā)明，提供了一種壓電元件，它包括具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷，該壓電體陶瓷至少沿其晶軸的C軸取向，基本上垂直于C軸的取向?qū)Υ藟弘婓w陶瓷進(jìn)行極化，在基本上平行于壓電體陶瓷的極化方向的各平面上設(shè)置多個電極，在壓電體陶瓷中，多個電極如此排列，從而連到某一電位的電極與連到另一電位的電極包含相鄰的部分。
最好，多個電極以交叉指型電極的形式排列。
可沿C軸的取向在多級上設(shè)置多個電極。在此情況下，把相互重疊的電極連到同一電位。
最好，在相互重疊的一些電極與相互重疊的另一些電極之間沿兩個相反的方向?qū)弘婓w陶瓷進(jìn)行極化。
此外，依據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造壓電元件的方法，該方法包括以下步驟形成具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體材料，以制備生板材(green sheet)；印刷電極糊，從而多個印刷的電極糊在生板材上基本上相互平行地排列；層疊生板材，從而印刷的電極糊分別插入壓電體材料之間，從而形成一層疊體；以及燒制該層疊體，其后，對經(jīng)燒制的層疊體進(jìn)行極化，在壓電體材料的C軸的取向基本上平行于層疊體的層疊方向后，基本上垂直于C軸的取向?qū)弘婓w材料進(jìn)行極化。
在本發(fā)明的壓電元件中，使用具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷，至少選擇晶軸的C軸并沿該軸取向，基本上垂直于該取向軸對此壓電體陶瓷進(jìn)行極化，在平行于極化方向的平面上設(shè)置多個電極。從而，可基本上垂直于壓電體陶瓷的C軸來施加電場。此外，壓電體陶瓷的極化方向的一個分量基本上垂直于被選中并沿其取向的C軸。因此，可實(shí)現(xiàn)單模式壓電振動。
最好，多個電極以交叉指型電極的形式排列，從而沿以上方向施加電場。
在此壓電元件中，可沿C軸的取向在多級上設(shè)置電極。此時，相互重疊的電極連到同一電位。因而，可沿與極化方向相同的區(qū)域中的同一方向來施加電場。
此外，最好，在相互重疊的一些電極與相互重疊的另一些電極之間沿兩個相反的方向?qū)弘婓w陶瓷進(jìn)行極化。從而，形成這樣的區(qū)域，其中沿垂直于所選中并沿其取向的C軸的相反方向?qū)μ沾蛇M(jìn)行極化。分別沿與極化方向相同的方向施加電場，從而可獲得單模式壓電振動。
從以下參考附圖對本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的上述目的、其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更加明顯起來。


圖1是示出本發(fā)明壓電元件的一個例子的透視圖；圖2示出在圖1的壓電元件中所使用的壓電體陶瓷的一個端面；圖3是圖2所示壓電體陶瓷的分解透視圖；圖4示出本發(fā)明壓電元件的電極排列的另一個例子；圖5示出本發(fā)明壓電元件的電極排列的再一個例子；圖6示出本發(fā)明壓電元件的電極排列的又一個例子；圖7示出本發(fā)明的壓電元件中所使用的壓電體陶瓷另一個例子的一個端面；
圖8是圖7所示壓電體陶瓷的分解透視圖；圖9示出在制造圖1的壓電元件中所使用的板材上的內(nèi)部電極圖案；圖10示出在圖9層疊板材的步驟中的板材層疊和電極的排列；圖11示出切割通過燒結(jié)圖10步驟中獲得的層疊體而產(chǎn)生的燒結(jié)體以形成元件的方法；圖12示出在通過圖11步驟中的切割而獲得的元件的切割面上形成導(dǎo)電材料和絕緣材料的方法；圖13示出用于測量本發(fā)明例子中圖12的元件的特性的電極連接；圖14示出常規(guī)的多層型壓電元件的一個例子；以及圖15示出常規(guī)的桿狀壓電體的壓電元件的一個例子。
圖1是示出本發(fā)明的壓電元件的一個例子的透視圖。壓電元件10包含壓電體陶瓷12。如圖2所示，在壓電體陶瓷12中形成多個電極14。所形成的這些電極14相互平行，從而在多個層16上沿寬度方向延伸。把這些層16層疊在一起，從而形成包含多個電極14的壓電體陶瓷12。如此層疊這些層16，從而在各層16上形成的這些電極14沿厚度方向相互重疊。
壓電體陶瓷12具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，從晶軸中選擇C軸并沿厚度方向取向。這里，C軸指晶體的長軸。即，在壓電體陶瓷12中，C軸如此取向，從而變?yōu)榇怪庇陔姌O14。此外，沿縱向?qū)弘婓w陶瓷12進(jìn)行極化。即，壓電體陶瓷12的極化方向基本上垂直于所選中并沿其取向的C軸。此時，如圖2中的箭頭所示，如此對壓電體陶瓷12進(jìn)行極化，從而在沿壓電體陶瓷12的厚度方向排列的電極14的兩側(cè)，極化方向相反。
此外，給沿壓電體陶瓷12的厚度方向排列的電極14分別覆蓋導(dǎo)電材料18和絕緣材料20。在此情況下，在壓電體陶瓷12的一個側(cè)面上，導(dǎo)電材料18和絕緣材料20交替排列。在壓電體陶瓷12的另一側(cè)面上，給在壓電體陶瓷的一個側(cè)面上覆蓋有導(dǎo)電材料18的電極覆蓋絕緣材料20，而給覆蓋有絕緣材料20的電極覆蓋導(dǎo)電材料18。
此外，如圖1所示，沿壓電體陶瓷12的寬度方向在兩個端面上都形成外部電極22和24。相應(yīng)地，內(nèi)部電極14經(jīng)由在壓電體陶瓷12的一個側(cè)面上形成的導(dǎo)電材料18電氣連接到外部電極22。此外，內(nèi)部電極14經(jīng)由在壓電體陶瓷12的另一側(cè)面上形成的導(dǎo)電材料18電氣連接到外部電極24。因而，在一側(cè)連接到外部電極22的電極14與在另一側(cè)連接到外部電極24的電極14以交叉指型電極的形式排列。
在壓電元件10中，可通過使信號輸入到外部電極22和24來激勵壓電振動，從而在以交叉指的形式排列的電極14之間施加了一個電場。此時，基本上垂直于被選中并沿其取向的C軸，把電場加到具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷12上。因而，可激勵單模式壓電振動，并可增加機(jī)電系數(shù)。此外，由于所形成的電極14在壓電體陶瓷12中相鄰，所以可增加連接到外部電極22和24的電極14之間的靜電容。因而，可提供具有低阻抗的壓電元件。相應(yīng)地，可容易地實(shí)現(xiàn)壓電元件10與電路之間的阻抗匹配。此外，在壓電元件10中，在電極14與相鄰的電極14之間引起極化。相應(yīng)地，與單片壓電元件相對比，不必減小在高頻下使用的元件的厚度，可保證高的機(jī)械強(qiáng)度。
如圖4所示，參考連接到兩個外部電極22和24的交叉指形式的電極，可交替排列連接到電極22和24之一的兩個梳齒狀電極構(gòu)成的一組電極與連接到電極22和24中另一個的兩個梳齒狀電極構(gòu)成的一組電極。此外，如圖5所示，可把梳齒狀電極的一部分連接到同一外部電極，從而可不把電場加到圖5所示的這部分梳齒狀電極。此外，如圖6所示，可通過改變電極14之間的間隔來形成具有不同極化程度的一部分梳齒電極，以改變待加上的極化用電場的強(qiáng)度。此外，可在多個電極之間形成不連接到外部電極(即，不連接到任一電位)的浮動電極。因而，可通過改變壓電元件10的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)壓電元件10的機(jī)電系數(shù)。此外，由于可改變待極化的壓電體陶瓷的體積，所以可通過改變在壓電體陶瓷12中所設(shè)置的多個電極14的寬度(電極之間的距離)，容易地調(diào)節(jié)壓電元件10的機(jī)電系數(shù)和靜電容。
作為壓電體陶瓷12的材料，例如使用Na0.5Bi4.5Ti4O15等。此外，在使用CaBi4Ti4O15、SrBi4Ti4O15、Bi4Ti3O12等分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)型壓電材料時，可獲得高的機(jī)電系數(shù)。
此外，如圖7和8所示，可僅形成一層電極14，而不是沿壓電體陶瓷12的厚度方向?qū)盈B。在此情況下，在壓電體陶瓷12的相對側(cè)面上，給相鄰電極14分別覆蓋導(dǎo)電材料18和絕緣材料20。在電極14被覆蓋導(dǎo)電材料18和絕緣材料20的側(cè)面上分別形成外部電極。在壓電體陶瓷12中，電極14以交叉指的形式排列。
為了制造壓電元件10，首先，制備具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電材料。如圖9所示，利用此壓電材料形成生板材30。在生板材30上，如此印刷多個基本上平行的線性電極糊32，從而它們從生板材30的一端向其另一端延伸。在多個生板材30中的每一個上都印刷了電極糊32，把這些生板材30相互層疊而形成一層疊體34。此時，以這樣的方式層疊生板材34，從而電極糊32沿生板材30的層疊方向相互重疊。
燒制獲得的層疊體34，從而如圖11所示制造其中形成了電極14的燒結(jié)體36。此時，例如，通過在沿層疊方向所加的壓強(qiáng)下燒制生板材30，在所產(chǎn)生的燒結(jié)體36中，結(jié)晶C軸沿層疊方向取向。如圖11的虛線所示把燒結(jié)體36切割成所需的尺寸，以形成多個元件。應(yīng)注意，電極14未出現(xiàn)在燒結(jié)體36的表面上，但在圖11中，為了示出電極14與切割部分之間的關(guān)系示出了電極。
在所獲得的元件的側(cè)面上，暴露出電極14的末端部分。給沿生板材30的層疊方向重疊的電極14的末端部分交替地覆蓋導(dǎo)電材料18和絕緣材料20。此外，在該元件的側(cè)面上，交替地形成導(dǎo)電材料18和絕緣材料20。在該元件的另一側(cè)面上，給在一個側(cè)面上覆蓋有導(dǎo)電材料18的電極14覆蓋絕緣材料20，而給在該元件的一個側(cè)面上覆蓋有絕緣材料20的電極14覆蓋導(dǎo)電材料18。
在分別形成有導(dǎo)電材料18和絕緣材料20的元件的側(cè)面上形成外部電極22和24。因而，電極14以交叉指型電極的形式相連。在此情況下，橫過外部電極22和24施加一直流電壓，從而基本上垂直于C軸的取向，在電極14和相鄰的電極14之間施加了直流電場。即，如圖2中的箭頭C所示對元件進(jìn)行極化。如上所述，制備壓電元件10，其中結(jié)晶C軸的取向沿壓電體陶瓷12的厚度方向，基本上垂直于C軸對壓電體陶瓷12進(jìn)行極化。
(例子)把重量為5到10％的乙酸乙烯酯型粘合劑與成分由公式Na0.5Bi4.6Ti4O15表示的原材料粉末相混合，并通過刮片(doctor blade)法形成生板材。如圖9所示，以線性的形狀絲網(wǎng)印刷鉑電極糊。如圖10所示層疊陶瓷生板材并進(jìn)行壓接，以產(chǎn)生層疊體34。這里，生板材的最下層與最上層的厚度約為每個其它生板材的厚度的兩倍，即300μm，每個其它生板材的厚度為150μm。壓接前生板材30的整個厚度為1.5mm，壓接后層疊體34的厚度為1.2mm。
燒制層疊體34同時沿厚度方向?qū)ζ浼訅?，從而獲得C軸沿厚度方向取向的分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的燒結(jié)體36。加壓的壓強(qiáng)為50到500kg/cm2，燒制溫度為1000℃到1300℃。經(jīng)燒制的燒結(jié)體36的厚度約為600μn。把燒結(jié)體36拋光到厚度均勻，即具有500μm的厚度。其后，如圖11中的虛線所示，切割燒結(jié)體36，以形成每個寬度為1mm且長度為3.6mm的元件。通過燒制，鉑電極糊32變?yōu)殡姌O14。電極不出現(xiàn)在燒結(jié)體36的表面上。然而，在圖11中，為了示出電極14與切割部分之間的關(guān)系，示出了電極14。把出現(xiàn)在切割表面處的電極14分成兩組。在切割表面處，利用導(dǎo)電材料18和絕緣材料20，僅電氣連接屬于同一組的電極14。橫過這兩組電極施加一直流電場，以進(jìn)行極化。如圖13所示，把這些電極連到一阻抗計的接線端，研究阻抗的頻率特性。
利用具有由圖14所示的壓電層40和電極層42(使用未取向的Na0.5Bi4.5Ti4O15形成)構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)的壓電元件以及包括圖15所示兩個端面上都形成有電極46的桿狀壓電體44的壓電元件，來比較機(jī)電系數(shù)。表1示出結(jié)果?？煽吹剑罁?jù)本發(fā)明，與使用桿狀壓電體的壓電元件相比阻抗可減小，此外，與未取向多層型壓電元件相比機(jī)電系數(shù)可增加。
(表1)
已提出具有類似于本發(fā)明的壓電元件的結(jié)構(gòu)的壓電激勵器。將描述這兩個結(jié)構(gòu)之間的差別。
作為增強(qiáng)多層的可靠性的常規(guī)裝置，第3-94487號日本未審查專利申請公開揭示了使用未取向的壓電體陶瓷材料且具有類似于本發(fā)明的壓電元件10層疊有交叉指型電極的結(jié)構(gòu)的壓電元件。為了保證圖14所示的這種常規(guī)多層結(jié)構(gòu)元件的機(jī)械可靠性而提出了這種結(jié)構(gòu)。然而，通過常規(guī)的多層結(jié)構(gòu)，可充分地保證在濾波器和振蕩器(包含在在小電場下應(yīng)用的電子設(shè)備中)中使用的高度機(jī)械可靠性。對于具有圖14所示結(jié)構(gòu)的多層元件，包含交叉指型電極的結(jié)構(gòu)減小了機(jī)電系數(shù)，而且無法利用(見表1)。
另一方面，依據(jù)本發(fā)明，使用分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷，壓電元件具有這樣的結(jié)構(gòu)，從而在燒制后垂直于C軸取向給元件加上電場。相應(yīng)地，與圖14所示的常規(guī)多層結(jié)構(gòu)元件相比，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的機(jī)電系數(shù)。換句話說，具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電材料與電極結(jié)構(gòu)的組合產(chǎn)生了大的值。
因此，已參考本例描述了線性電極14為諸如交叉指型電極等的這種結(jié)構(gòu)的壓電元件10。如果可獲得類似的效果，則不特別限制電極14的形成位置。例如，可在壓電體陶瓷12的表面上形成電極14。此外，膨脹(dilation)不限于均勻的膨脹。例如，可通過部分顛倒電場的施加方向在壓電體陶瓷12中形成具有不同膨脹狀態(tài)的部分。
在本發(fā)明的壓電元件中，可通過使用具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電材料來實(shí)現(xiàn)單模式諧振特性。相應(yīng)地，可提供具有在使用鈦酸鋯酸鉛(典型的壓電材料)時不能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)良特性的濾波器和振蕩器，這些特性諸如高溫?zé)嶙琛⒌偷母哳l損耗等。此壓電元件具有低的阻抗，從而可容易地獲得與電路的阻抗匹配?？商峁┚哂懈叩臋C(jī)電系數(shù)的壓電元件。
權(quán)利要求
1．一種壓電元件，包括具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷，該壓電體陶瓷至少沿其晶軸的C軸取向，基本上垂直于C軸的取向?qū)Υ藟弘婓w陶瓷進(jìn)行極化，以及設(shè)置在基本上平行于壓電體陶瓷的極化方向的各平面上的多個電極，多個電極如此排列，從而連到某一電位的電極與連到另一電位的電極包含相鄰的部分。
2．如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于多個電極以交叉指型電極的形式排列。
3．如權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于可沿C軸的取向在多級上設(shè)置多個電極，把相互重疊的電極連到同一電位。
4．如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于在相互重疊的一些電極與相互重疊的另一些電極之間沿兩個相反的方向?qū)弘婓w陶瓷進(jìn)行極化。
5．一種制造壓電元件的方法，該方法包括以下步驟形成具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體材料，以制備生板材；印刷電極糊，從而多個印刷的電極糊在生板材上基本上相互平行地排列；層疊生板材，從而印刷的電極糊分別插入壓電體材料之間，從而形成一層疊體；以及燒制該層疊體，其后，對經(jīng)燒制的層疊體進(jìn)行極化，在壓電體材料的C軸的取向基本上平行于層疊體的層疊方向后，基本上垂直于C軸的取向?qū)弘婓w材料進(jìn)行極化。
全文摘要
一種壓電元件包含具有分層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電體陶瓷,且具有沿厚度方向選中并取向的C軸。在該壓電體陶瓷中,垂直于所選中和沿其取向的C軸形成直線形電極。給在壓電體陶瓷的兩個端面上暴露的電極覆蓋導(dǎo)電材料和絕緣材料。在沿寬度方向排列的電極的兩側(cè)上,沿相反的方向?qū)弘婓w陶瓷進(jìn)行極化。此外,在形成導(dǎo)電材料和絕緣材料的面上形成外部電極,從而這兩組電極以交叉指型電極的形式排列。
文檔編號H01L41/187GK1307368SQ0110308
公開日2001年8月8日 申請日期2001年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月1日
發(fā)明者安藤陽, 林宏一, 木村雅彥 申請人:株式會社村田制作所