DE102019135245B4 - Piezoelektrische zusammensetzung und piezoelektrisches bauteil - Google Patents

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Abstract

Piezoelektrische Zusammensetzung aufweisend:Silber und ein Oxid, welches Bismut, Barium, Eisen und Titan enthält,wobei das Oxid Perowskitstruktur aufweist,die Masse des Oxids durch MABO3repräsentiert ist,die Masse von Silber durch MAG repräsentiert ist und0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3≤ 10,00 gilt undwobei zumindest ein Teil des Oxids durch x[BimFeO3]-y[BanTiO3] repräsentiert wird, wobei0,6 ≤ x ≤ 0,8 gilt,0,2 ≤ y ≤ 0,4 gilt,x + y = 1 gilt,0,96 ≤ m ≤ 1,06 gilt und0,96 ≤ n ≤ 1,06 gilt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Zusammensetzung und ein piezoelektrisches Bauteil.
  • Hintergrund
  • Die Mehrzahl der piezoelektrischen Zusammensetzungen, die zurzeit in praktischer Anwendung sind, sind Mischkristalle (sogenannte PZT-basierte piezoelektrische Zusammensetzungen), welche aus Bleizirkonat (PbZrO3) und Bleititanat (PbTiO3) bestehen. Die PZT-basierten piezoelektrischen Verbindung enthalten als Hauptkomponente einen großen Anteil an Bleioxid (PbO). Nachdem Bleioxid sogar bei tiefen Temperaturen extrem flüchtig ist, entweicht eine große Menge Bleioxid in die Luft während des Produktionsprozesses einer piezoelektrischen Zusammensetzung oder eines piezoelektrischen Bauteils, das diese Zusammensetzung verwendet. Da Blei ein Umweltschadstoff ist, der dem menschlichen Körper schadet, gibt es einen Bedarf an bleifreien piezoelektrischen Zusammensetzungen.
  • Ein Repräsentant von bleifreien piezoelektrischen Zusammensetzungen ist Bismutferrit (BiFeO3). Zum Beispiel offenbaren die unten genannte Patentliteratur 1 und die Nicht-Patentliteratur 1 Mischkristalle, welche aus BiFeO3 und Bariumtitanat (BaTiO3) bestehen (BFO-BTO-basierte piezoelektrische Zusammensetzungen). Nachdem aber spezifische Widerstände von konventionellen BFO-BTO-basierten piezoelektrischen Zusammensetzungen klein sind und deshalb in BFO-BTO-basierten piezoelektrischen Zusammensetzungen häufig Leckströme auftreten, weisen konventionelle BFO-BTO-basierte piezoelektrische Zusammensetzungen nicht notwendigerweise ausreichende Piezoelektrizität auf. Zum Beispiel ist die piezoelektrische Konstante d33 einer BFO-BTO-basierten piezoelektrischen Zusammensetzung nach dem Polarisationsprozess in etwa 135 pC/N. Die im Folgenden genannte Patentliteratur 2 offenbart eine Methode zur Herstellung einer dielektrischen Keramik aus einem Pulver, welches BiFeO3, Bi2Fe4O9 und Bi25FeO39 enthält. Entsprechend dieser Herstellungsmethode tritt ein reduzierter Leckstrom in der dielektrischen Keramik (piezoelektrische Zusammensetzung) auf. Jedoch gibt die im Folgenden genannte Patentliteratur 2 keine spezifische piezoelektrische Konstante der dielektrischen Keramik an.
  • Weiterhin offenbart Patentliteratur 3 ein piezoelektrisches Material aufweisend verschiedene Komponenten mit unterschiedlicher Kristallstruktur und unterschiedlicher Kurie-Temperatur.
    • [Patentliteratur 1] JP 2009 - 298 621 A
    • [Patentliteratur 2] JP 6 146 453 B2
    • [Patentliteratur 3] EP 2 819 194 A1
  • [Nicht-Patentliteratur 1] WEI, Yongxing [u.a.]:, Dielectric, ferroelectric, and piezoelectric properties of BiFeO3-BaTiO3 ceramics. In: Journal of the American Ceramic Society, Vol. 96, 2013, No. 10, S. 3163-3168.
  • Zusammenfassung
  • [Technische Problemstellung]
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Zusammensetzung bereitzustellen, welche einen hohen spezifischen Widerstand und eine große piezoelektrische Konstante aufweist sowie ein piezoelektrisches Bauteil, welches piezoelektrische Zusammensetzung enthält.
  • [Lösung des Problems]
  • Eine piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst Silber und ein Oxid, welches Bismut, Barium, Eisen und Titan enthält, wobei das Oxid Perowskitstruktur aufweist, die Masse des Oxids durch MABO3 wiedergegeben wird und die Masse von Silber durch MAG wiedergegeben wird, und 0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3 ≤ 10,00 gilt.
  • Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die piezoelektrische Zusammensetzung des Weiteren mindestens ein Element D enthalten, welches aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Niobium, Tantal, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt wird.
  • Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die piezoelektrische Zusammensetzung zumindest Niobium als ein Element D enthalten.
  • Die Gesamtmasse des Elements D kann durch MD und 0,00 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 5,00 dargestellt werden.
  • Zumindest ein Teil des oben genannten Oxids wird durch x[BimFeO3]-y[BanTiO3] dargestellt, wobei 0,6 ≤ x ≤ 0,8 gelten kann, 0,2 ≤ y ≤ 0,4 gelten kann, x + y = 1 sein kann, 0,96 ≤ m ≤ 1,06 gelten kann und 0,96 ≤ n ≤ 1,06 gelten kann.
  • Piezoelektrisches Bauteil entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung, welches die piezoelektrische Verbindung, wie sie oben beschrieben wurde, enthält.
  • [Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine piezoelektrische Zusammensetzung bereitgestellt, welche einen hohen spezifischen Widerstand und eine große piezoelektrische Konstante aufweist, zudem wird ein Bauteil bereitgestellt, welches die piezoelektrische Zusammensetzung umfasst.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle einer Perowskitstruktur eines Oxids, welches in der piezoelektrischen Zusammensetzung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
    • 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Bauteils entsprechend einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Im Weiteren werden hier bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen begrenzt.
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Ausführung umfasst Silber (Ag) und ein Oxid, welches Bismut (Bi), Barium (Ba), Eisen (Fe) und Titan (Ti) umfasst. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden Oxide, die Bi, Ba, Fe und Ti enthalten, als „BFO-BTO“ bezeichnet. BFO-BTO hat Perowskitstruktur. BFO-BTO kann zumindest einen Kristall des Typs ausgewählt aus folgender Gruppe enthalten:
    • Tetragonaler Kristall mit Perowskitstruktur, kubischer Kristall mit Perowskitstruktur und rhomboedrischer Kristall mit Perowskitstruktur. Ein Beispiel einer Perowskiteinheitszelle wird in 1 gezeigt. Eine Einheitszelle kann aus einem Element A auf der A-Stelle, einem Element B auf der B-Stelle und Sauerstoff (O) bestehen. Das Element A kann Bi oder Ba sein. Das Element B kann Fe oder Ti sein.
  • Die Masse des Oxids (BFO-BTO) wird durch MABO3 repräsentiert, die Masse von Silber wird durch MAG repräsentiert. MAG kann auch als die Masse von Silber allein bezeichnet werden. Dabei gilt: 0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3 ≤ 10,00. Wenn 0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3 ≤ 10,00 erfüllt ist, kann eine piezoelektrische Zusammensetzung erhalten werden, welche einen hohen spezifischen Widerstand (p) und eine große piezoelektrische Konstante (d33) besitzt. Die Erklärung dafür wird im Folgenden gegeben.
  • Die BFO-BTO-Perowskitstruktur kann leicht einen Teil des ursprünglich enthaltenen Sauerstoffs verlieren. Somit entstehen leicht Sauerstofffehlstellen in der Perowskitstruktur. Der Verlust von Sauerstoff aus der Perowskitstruktur wird zum Beispiel durch die im Folgenden angegeben Formel 1 dargestellt. Es werden zwei Elektronen (e-) für jede Sauerstofffehlstelle (VO'') gebildet. Deshalb tritt in einer piezoelektrischen Verbindung, welche Sauerstofffehlstellen enthält, leicht ein Leckstrom, verursacht durch die Sauerstofffehlstellen, auf. Mit anderen Worten, der spezifische Widerstand einer piezoelektrischen Zusammensetzung, welche Sauerstofffehlstellen enthält, ist gering. Als Folge ist es schwer, hohe Spannungen an die piezoelektrische Zusammensetzung anzulegen, wodurch die piezoelektrische Zusammensetzung nicht ausreichend polarisiert wird und wodurch es schwierig ist, dass die piezoelektrische Zusammensetzung eine hohe piezoelektrische Konstante aufweist. Da aber die piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Ausführung Ag enthält, wird ein Teil von Ba in Kristallstelle A der Perowskitstruktur von BFO-BTO durch Ag substituiert. Die Substitution von Ba durch Ag wird zum Beispiel durch die folgende Formel 2 beschrieben. AgBA in Formel 2 steht für das Ag in der Kristallstelle A der Perowskitstruktur, welches dort Ba ersetzt. Nachdem Ba in der Perowskitstruktur eine Valenz von 2 aufweist, die Valenz von Silber aber 1 ist, wird ein Loch (h+) erzeugt, wenn Ba durch Ag substituiert wird. Wenn 0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3 ≤ 10,00 erfüllt ist, dann werden die Elektronen, welche durch Sauerstofffehlstellen gebildet wurden, leicht durch die Löcher (h+), welche durch das Ag eingebracht wurden, ausgeglichen. Somit wirkt Ag als Elektronenakzeptor. Als Folge ist der spezifische Widerstand der piezoelektrischen Zusammensetzung höher als der spezifische Widerstand einer piezoelektrischen Zusammensetzung, in der 100 × MAG/MABO3 außerhalb des oben genannten Bereichs liegt. Außerdem wird so ein Leckstrom in der piezoelektrischen Zusammensetzung unterdrückt. Deshalb können hohe Spannungen an die piezoelektrische Zusammensetzung angelegt werden, wodurch die piezoelektrische Zusammensetzung ausreichend polarisiert wird und es somit möglich ist, eine piezoelektrische Zusammensetzung mit großer piezoelektrischer Konstante erhalten. Wenn 100 × MAG/MABO3 innerhalb des zuvor genannten Bereichs liegt, ist es zum Beispiel möglich, dass die piezoelektrische Zusammensetzung einen Wert für d33 von 140 pC/N oder mehr besitzt. Wenn 100 × MAG/MABO3 kleiner als 0,01 ist, ist es schwer in ausreichendem Maße die Elektronen, welche von den Sauerstofffehlstellen gebildet werden, durch Ag auszugleichen. Wenn 100 × MAG/MABO3 größer als 10,00 ist, wird es schwierig, Ladungen in der piezoelektrischen Zusammensetzung auszugleichen, wodurch leicht die Kristallstruktur (Perowskitstruktur) von BFO-BTO durch den Überschuss an Ag beschädigt werden kann wodurch wiederum leicht die piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Zusammensetzung abnimmt. In Anbetracht dessen die piezoelektrische Zusammensetzung dahingehend zu verbessern, einen möglichst hohen spezifischen Widerstand und eine hohe piezoelektrische Konstante aufzuweisen, sollte bevorzugt 0,01 ≤ MAG/MABO3 ≤ 5,00 erfüllt sein oder es sollte sogar noch bevorzugter 0,01 ≤ MAG/MABO3 ≤ 0,50 erfüllt sein. Wenn die piezoelektrische Zusammensetzung kein Ag, aber stattdessen Kupfer (Cu) enthält, welches eine Valenz von 2 besitzt, kann die piezoelektrische Zusammensetzung nur schwer einen hohen spezifischen Widerstand annehmen und auch nur schwer eine große piezoelektrische Konstante besitzen. Jedoch ist es möglich, dass die piezoelektrische Zusammensetzung Cu zusätzlich zu Ag aufweist. Die Spannung, welche an der piezoelektrischen Zusammensetzung angelegt wird, kann auch als elektrisches Feld beschrieben werden. O → V O ' ' + 2 e −
    Figure DE102019135245B4_0001
     Ag → Ag BA + h +
    Figure DE102019135245B4_0002
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung kann weiterhin zumindest ein Element D umfassen, welches aus der folgenden Gruppe bestehend aus Vanadium (V), Niobium (Nb), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Mangan (Mn) ausgewählt wird. Die piezoelektrische Zusammensetzung kann mehrere Arten von Elementen D umfassen. Die Elemente der Sorte D haben eine Valenz von 5 oder 6. Zum Beispiel ist die Valenz von Vanadium, Niobium oder Tantal jeweils 5. Die Valenz von Molybdän, Wolfram oder Mangan ist jeweils 6. Wenn die piezoelektrische Zusammensetzung zumindest eine Art des Elements D enthält, ist es wahrscheinlich, dass der spezifische Widerstand (p) der piezoelektrischen Zusammensetzung steigt und auch die piezoelektrische Konstante (d33) der piezoelektrischen Zusammensetzung steigt. Der Grund dafür wird im Folgenden erläutert. Jedoch ist an dieser Stelle anzumerken, dass die piezoelektrische Zusammensetzung durch das Aufweisen von Ag auch dann eine einen hohen spezifischen Widerstand und eine große piezoelektrische Konstante aufweisen kann, selbst wenn die piezoelektrische Zusammensetzung kein Element D enthält.
  • Da Bi leicht flüchtig ist, kann ein Teil von Bi aus den A-Stellen der Perowskitstruktur während des Produktionsprozesses der piezoelektrischen Zusammensetzung verlorengehen. Daher können in der Perowskitstruktur Bismutfehlstellen entstehen. Der Verlust eines Teils von Bismut aus der Perowskitstruktur kann zum Beispiel durch die unten angegebene Formel 3 beschrieben werden. Da die Valenz von Bismut in der Perowskitstruktur 3 ist, werden für jede Bismutfehlstelle (VBI''') drei Löcher (h+) gebildet. Deshalb kann in einem Fall, in dem die piezoelektrische Zusammensetzung Bismutfehlstellen enthält, einen Leckstrom in der piezoelektrischen Zusammensetzung auftreten, der durch die Löcher (h+) erzeugt wird. Mit anderen Worten, wenn die piezoelektrische Zusammensetzung Bismutfehlstellen aufweist, ist es wahrscheinlich, dass der spezifische Widerstand der piezoelektrischen Zusammensetzung abnimmt. Folglich ist es schwer, eine hohe Spannung an die piezoelektrische Zusammensetzung anzulegen, wodurch es schwierig wird die piezoelektrische Zusammensetzung ausreichend zu polarisieren, wodurch es wiederum schwierig wird, die piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Zusammensetzung zu erhöhen. Die Valenz der Fe-Ionen in der BFO-BTO-Perowskitstruktur ist 3. Jedoch kann die Valenz der Fe-Ionen während des Produktionsprozesses der piezoelektrischen Zusammensetzung abnehmen. Zum Beispiel kann die Valenzabnahme von Fe-Ionen durch die im Folgenden angegebene Formel 4 beschrieben werden. Nachdem die ursprüngliche Valenz der Fe-Ionen in der Perowskitstruktur 3 ist, wird ein Loch (h+) pro Valenzabnahme von Fe erzeugt. Deshalb tritt leicht ein Leckstrom in der piezoelektrischen Zusammensetzung verursacht durch die Löcher auf, wenn die Valenz von Fe abnimmt. Mit anderen Worten, wenn eine Valenzabnahme von Eisen auftritt, ist es wahrscheinlich, dass auch eine Abnahme des spezifischen Widerstands der piezoelektrischen Zusammensetzung auftritt. Als Folge ist es deshalb schwer, eine hohe Spannung an die piezoelektrische Zusammensetzung anzulegen, wodurch es schwer wird, die piezoelektrische Zusammensetzung ausreichend zu polarisieren und wodurch es wiederum schwer ist, die piezoelektrische Konstante der piezoelektrischen Zusammensetzung zu erhöhen. Auf der anderen Seite, wenn die piezoelektrische Zusammensetzung ein Element D enthält, dann wird ein Teil der Elemente auf der B-Stellen der Perowskitstruktur von BFO-BTO durch dieses Element D substituiert. Das Element auf den B-Stellen ist zum Beispiel Titan. Für den Fall, in dem die Valenz des Elements D 5 ist, wird die Substitution von Ti durch das Element D zum Beispiel durch die im Folgenden angegebene Formel 5 beschrieben. Für den Fall, in dem die Valenz des Elements D 6 ist, wird die Substitution von Ti durch das Element D zum Beispiel durch die im Folgenden angegebene Formel 6 beschrieben. DTI in den Formeln 5 und 6 steht für das Element D auf den B-Stellen der Perowskitstruktur welches dort Titan ersetzt. Da die Valenz von Titan in der Perowskitstruktur 4 ist, und die Valenz der Elemente D 5 oder 6 ist, wird (werden) durch die Substitution von Ti mit dem Element D ein (zwei) Elektron(en) (e-) erzeugt. Deshalb gleichen sich die Löcher, welche durch die Bismutfehlstellen oder durch die Valenzabnahme von Eisen entstehen, und die Elektronen, die vom Element D herrühren, leicht aus. Folglich fungiert das Element D als Elektronendonator. Folglich ist es wahrscheinlich, dass der spezifische Widerstand der piezoelektrischen Zusammensetzung zunimmt, verglichen mit dem Fall der spezifischen Widerstände einer piezoelektrischen Zusammensetzung, welche kein Element D enthält. Dadurch wird der Leckstrom in der piezoelektrischen Zusammensetzung leicht unterdrückt. Dadurch kann leicht eine hohe Spannung an die piezoelektrische Zusammensetzung angelegt werden, wodurch sich die piezoelektrische Zusammensetzung ausreichend polarisieren lässt und die piezoelektrische Zusammensetzung eine große piezoelektrische Konstante aufweist. Bi → V BI ' ' ' + 3 h +
    Figure DE102019135245B4_0003
     Fe 3 + → Fe 2 + + h +
    Figure DE102019135245B4_0004
     D → D TI + e −
    Figure DE102019135245B4_0005
     D → D TI + 2 e −
    Figure DE102019135245B4_0006
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung kann weiterhin zumindest Niobium als Element D umfassen. Die piezoelektrische Zusammensetzung, die Niobium umfasst, weist wahrscheinlich einen höheren elektrischen Widerstand auf als eine piezoelektrische Zusammensetzung, die das andere Element D als Niobium umfasst. Daher ist es wahrscheinlich, dass die piezoelektrische Zusammensetzung, die Niobium umfasst, eine größere piezoelektrische Konstante aufweist als eine piezoelektrische Zusammensetzung, die ein anderes Element D als Niobium umfasst.
  • Die Gesamtmasse des Elements D kann durch MD wiedergegeben werden, wobei 0,00 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 5,00 erfüllt ist. Hierbei kann MD auch als Gesamtmasse des Elements D verstanden werden. Wenn 0,00 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 5,00 erfüllt ist, werden die Löcher, die durch Bismutfehlstellen oder die Valenzabnahme von Eisen erzeugt werden, leicht durch die Elektronen, welche durch das Element D eingebracht wurden, ausgeglichen. Folglich nimmt leicht der spezifische Widerstand einer piezoelektrischen Zusammensetzung zu, verglichen mit dem spezifischen Widerstand einer piezoelektrischen Zusammensetzung, in der 100 × MD/MABO3 außerhalb des oben genannten Bereichs liegt. Somit ist es auch wahrscheinlich, dass ein Leckstrom in der piezoelektrischen Zusammensetzung unterdrückt wird. Deshalb kann leicht eine große Spannung an die piezoelektrische Zusammensetzung angelegt werden, wodurch die piezoelektrische Zusammensetzung in ausreichendem Maß polarisiert wird und es so wahrscheinlich ist, dass die piezoelektrische Konstante in der piezoelektrischen Zusammensetzung groß wird. Wenn 100 × MD/MABO3 im oben genannten Bereich liegt, ist es zum Beispiel möglich, dass die piezoelektrische Zusammensetzung einen d33-Wert von 150 pC/N oder mehr erreicht. Um zu erleichtern, dass die piezoelektrische Zusammensetzung einen hohen spezifischen Widerstand und eine große piezoelektrische Konstante aufweist, gilt bevorzugt:
    1. 0,01 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 1,00 und es gilt noch bevorzugter:
      • 0,01 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 0,10.
  • Der Grund, warum die piezoelektrische Zusammensetzung einen hohen spezifischen Widerstand und eine große piezoelektrische Konstante aufweist, ist nicht notwendigerweise auf die oben genannten Mechanismen beschränkt.
  • Zumindest ein Teil des Oxids (BFO-BTO) kann durch die im Folgenden angegebene chemische Summenformel A wiedergegeben werden. Die im Folgenden angegebene chemische Summenformel A ist äquivalent zur auch im Folgenden angegebene chemische Summenformel B. x [ Bi m FeO 3 ] − y [ Ba n TiO 3 ]
    Figure DE102019135245B4_0007
     ( B i x m B a y n ) ( F e x T i y ) O 3
    Figure DE102019135245B4_0008
  • Dabei gilt: x+y=1. Für x kann 0,6 ≤ x ≤ 0,9 oder 0,6 ≤ x ≤ 0,8 erfüllt sein. Für y kann 0,1 ≤ y ≤ 0,4 oder 0,2 ≤ y ≤ 0,4 erfüllt sein. Für m kann 0,96 ≤ m ≤ 1,06 erfüllt sein. Für n kann 0,96 ≤ n ≤ 1,06 erfüllt sein. Für den Fall, in 0,6 ≤ x ≤ 0,8 0,2 ≤ y ≤ 0,4 erfüllt sind, ist es wahrscheinlich, dass die piezoelektrische Zusammensetzung mit einen hohen spezifischen Widerstand und eine große piezoelektrische Konstante aufweist.
  • Das oben genannte MABO3 ist der berechnete Wert der Masse von x[BimFeO3]-y[BanTiO3] basierend auf der Annahme, dass alle Elemente Bi, Fe, Ba und Ti in der piezoelektrischen Zusammensetzung allein in dem Oxid auftreten, welches durch die Formel A beschrieben wird. Folglich ist MABO3 die Berechnungsgrundlage für 100 × MAG/MABO3. Ba oder Bi kann in den chemischen Summenformeln A oder B teilweise durch Ag ersetzt sein. Ti oder Fe kann in den chemischen Summenformeln A oder B teilweise durch das Element D substituiert sein. Folglich kann das Oxid, welches Bi, Ba, Fe und Ti enthält, des Weiteren Silber enthalten. Das Oxid, welches Bi, Ba, Fe und Ti enthält, kann weiterhin sowohl Ag als auch das Element D enthalten. Die piezoelektrische Zusammensetzung kann aus einem einzigen Oxid bestehen, welches Bi, Ba, Fe, Ti, Ag und O enthält. Die piezoelektrische Zusammensetzung kann aus einem einzigen Oxid bestehen, welches Bi, Ba, Fe, Ti, Ag, das Element D und O enthält. Ein Teil der piezoelektrischen Zusammensetzung kann eine Phase bestehend aus BimFeO3 sein. Ein Teil der piezoelektrischen Zusammensetzung kann eine Phase, bestehend aus BanTiO3, sein. Neben den Elementen Bi, Fe, Ba, Ti, Ag, dem Element D und Sauerstoff kann die piezoelektrische Zusammensetzung weitere Elemente in der Form von Verunreinigungen oder Zusätzen enthalten. Beispielsweise kann die piezoelektrische Zusammensetzung eines oder mehrere ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfassend Natrium (Na), Kalium (K), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Schwefel (S), Zirkon (Zr), Silizium (Si), Phosphor (P), Kupfer (Cu), Zink (Zn) und Hafnium (Hf) umfassen. Die piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Ausführung kann frei von Pb sein. Jedoch ist die piezoelektrische Zusammensetzung, welche Blei umfasst, nicht notwendigerweise vom technischen Umfang der vorliegenden Ausführung ausgeschlossen.
  • Die durchschnittliche Zusammensetzung der gesamten piezoelektrischen Zusammensetzung kann zum Beispiel durch Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF-Analyse) oder durch induktiv gekoppelte Plasmaemissionsspektroskopie (ICP-Spektroskopie) analysiert werden. Die Struktur der piezoelektrischen Zusammensetzung kann durch Röntgendiffraktion (XRD) festgestellt werden.
  • Wie in 2 dargestellt, umfasst eine piezoelektrische Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Substrat 2, eine erste Elektrode 4, die auf einer Oberfläche des Substrats 2 gestapelt ist, einen piezoelektrischen Körper 6, der auf einer Oberfläche der ersten Elektrode 4 gestapelt ist, und eine zweite Elektrode 8, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Körpers 6 gestapelt ist. Der piezoelektrische Körper enthält die oben genannte piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Ausführung. Der piezoelektrische Körper 6 kann ein Sinterkörper der piezoelektrischen Zusammensetzung sein. Der piezoelektrische Körper 6 kann weitere Komponenten zusätzlich zur piezoelektrischen Zusammensetzung umfassen. Der piezoelektrische Körper 6, wie er in 2 gezeigt wird, ist ein dünner Quader, wobei die Form und die Dimensionen des piezoelektrischen Körpers 6 nicht beschränkt sind. Zum Beispiel kann das Substrat ein Metall sein, ein Halbleiter, ein Harz, ein Glas oder eine Keramik. Solang die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 8 elektrische Leitfähigkeit aufweisen, ist die Zusammensetzung der jeweiligen ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 8 nicht beschränkt. Die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 8 können jeweils aus einem einzigen Metall bestehen oder aus einer Legierung. Die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 8 können jeweils auch aus einem Metalloxid mit elektrischer Leitfähigkeit bestehen.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten des piezoelektrischen Bauteils entsprechend der vorliegenden Ausführungsform sind vielseitig. Das piezoelektrische Bauteil kann zum Beispiel ein piezoelektrisches Mikrofon, ein piezoelektrischer Spannungsumwandler, ein Generator, ein Oszillator, ein Resonator oder ein akustischer Multilagenfilm sein. Das piezoelektrische Bauteil kann auch zum Beispiel ein piezoelektrischer Aktuator sein. Der piezoelektrische Aktuator kann für die Haptik verwendet werden. Das heißt, der piezoelektrische Aktuator kann in einer Vielzahl von Geräten verwendet werden, welche Feedback basierend auf Hautkontakt (Tastsinn) benötigen. Geräte, die zum Beispiel Feedback basierend auf Hautkontakt benötigen, können tragbare Geräte, Touchpads, Displays oder Spielcontroller sein. Piezoelektrische Aktuatoren können zum Beispiel in Kopfanordnungen, in Kopfstapelanordnungen oder in Festplattenlaufwerken verwendet werden. Zum Beispiel kann der piezoelektrische Aktuator in einem Druckerkopf oder einem Tintenstrahldrucker verwendet werden. Der piezoelektrische Aktuator kann auch in einem piezoelektrischen Schalter verwendet werden. Das piezoelektrische Bauteil kann zum Beispiel ein piezoelektrischer Sensor sein. Der piezoelektrische Sensor kann zum Beispiel als Gyrosensor, als Drucksensor, als Pulswellensensor, als Ultraschallsensor oder als Schocksensor verwendet werden. Das piezoelektrische Bauteil, wie es oben beschrieben wurde, kann Teil eines MEMS sein.
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform kann durch die folgenden Produktionsmethode hergestellt werden.
  • In der Produktion der piezoelektrischen Zusammensetzung wird ein Rohmaterialpulver (Rohmaterialpartikel) aus einem Ausgangsmaterial hergestellt. Ein Grünling wird durch Pressformung der Rohmaterialpartikel geformt. Ein Sinterkörper wird durch Sintern des Grünlings erhalten. Ein piezoelektrischer Körper wird dadurch erhalten, dass der Sinterkörper einem Polarisationsprozess unterzogen wird. Piezoelektrische Zusammensetzungen entsprechend der vorliegenden Ausführungsform steht sowohl für den Sinterkörper vor als auch nach dem Polarisationsprozess. Im Folgenden werden Details der Verfahrensschritte dargelegt.
  • Im Granulationsschritt werden die Ausgangsmaterialien der piezoelektrischen Zusammensetzung abgewogen. Eine Vielzahl von Ausgangsmaterialien kann verwendet werden. Die Ausgangsmaterialien enthalten Bi, Fe, Ba, Ti und Ag. Die Ausgangsmaterialien können des Weiteren das Element D umfassen. Die Ausgangsmaterialien können einen einfachen Stoff (ein Metall) oder eine Verbindung der Elemente enthalten. Eine solche Verbindung kann zum Beispiel ein Oxid, ein Carbonat, ein Hydroxid, ein Oxalat oder ein Nitrat sein. Die Ausgangsmaterialien können fest sein (zum Beispiel ein Pulver). Das Molverhältnis von Bi, Fe, Ba und Ti im gesamten Ausgangsmaterial kann an das Molverhältnis von Bi, Fe, Ba und Ti in der oben genannten chemischen Summenformel A angepasst werden, indem die Ausgangsmaterialien entsprechend abgewogen werden. Die Masse von Ag im gesamten Ausgangsmaterial kann so eingestellt werden, dass 0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3 ≤ 10,00 erfüllt ist. Die Gesamtmasse des Elements D im gesamten Ausgangsmaterial kann so eingestellt werden, dass 0,00 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 5,00 erfüllt ist.
  • Die Bismutverbindung (Bi-Verbindung) kann Bismutoxid (Bi2O3), Bismutnitrat (Bi(NO3)3) oder ähnliches sein. Die Eisenverbindung (Fe-Verbindung) kann Eisenoxid (Fe2O3), Eisenchlorid (FeCl3), Eisennitrat (Fe(NO3)3) oder ähnliches sein. Die Bariumverbindung (Ba-Verbindung) kann Bariumoxid (BaO), Bariumcarbonat (BaCO3), Bariumoxalat (BaC2O4), Bariumacetat ((CH3COO)2Ba), Bariumnitrat (Ba(NO3)2) Bariumsulfat (BaSO4), Bariumtitanat (BaTiO3) oder ähnliches sein. Die Titanverbindung (Ti-Verbindung) kann Titanoxid (TiO2) oder ähnliches sein. Die Verbindung von Ag kann Ag2O (Silberoxid) sein. Die Verbindung des Elements D kann ein Oxid des Elements D sein. Zum Beispiel kann das Oxid des Elements D zumindest eines ausgewählt aus der folgenden Gruppe bestehend aus Vanadiumoxid (V2O5), Niobiumoxid (Nb2O5), Tantaloxid (Ta2O5), Molybdänoxid (MoO3), Wolframoxid (WO3) und Manganoxid (MnO3) sein.
  • Im Granulationsschritt werden die Rohmaterialpartikel des Ausgangsmaterials wie oben beschrieben bereitgestellt. Dabei kann eine Vielzahl von Rohmaterialpartikeln mit verschiedenen Zusammensetzungen hergestellt werden. Die Herstellungsmethode der Rohmaterialpartikel kann zum Beispiel wie folgt erfolgen.
  • Eine Aufschlämmung kann durch Mischen der Ausgangsmaterialien mit einem Lösungsmittel hergestellt werden. Die Ausgangsmaterialien in der Aufschlämmung können durch Nassmischen unter Verwendung einer Kugelmühle pulverisiert werden. Zum Beispiel kann Wasser als Lösungsmittel für die Herstellung der Aufschlämmung verwendet werden. Das Lösungsmittel kann auch ein Alkohol, wie zum Beispiel Ethanol, sein. Das Lösungsmittel kann auch eine Mischung von Wasser und Ethanol sein. Nach dem Nassmischen kann das Ausgangsmaterial durch Sprühtrocknung oder ähnliches getrocknet werden.
  • Ein temporärer Grünling wird durch Formung der Mischung des pulverisierten Ausgangsmaterials gebildet. Ein temporärer Sinterkörper wird durch Heizen (Kalzinierung) des temporären Grünlings in oxidierender Atmosphäre hergestellt. Die oxidierende Atmosphäre kann zum Beispiel Luft sein. Die Kalzinierungstemperatur kann zwischen 700 und 1050 °C liegen. Die Kalzinierungszeit kann zwischen 1 und 3 Stunden liegen. Die Rohmaterialpartikel werden durch Pulverisierung des temporären Sinterkörpers erhalten. Durch Vermischung des Rohmaterials mit einem Lösungsmittel kann eine Aufschlämmung erhalten werden. Die Rohmaterialpartikel in der Aufschlämmung können durch Nassmischen der Aufschlämmung unter Verwendung einer Kugelmühle oder ähnlichem pulverisiert werden. Durch diese Nassmischung kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser der Rohmaterialpartikel angepasst werden. Der Durchschnittswert der ursprünglichen Partikeldurchmesser der Rohmaterialpartikel kann zwischen 0,01 µm und 20 µm liegen. Nach dem Nassmischen können die Rohmaterialpartikel durch Sprühtrocknung oder ähnliches getrocknet werden.
  • Ein Grünling wird durch Druckformung einer Mischung aus den Rohmaterialpartikeln und einem Bindemittel erhalten. Das Bindemittel kann ein organisches Bindemittel sein, wie zum Beispiel Polyvinylalkohol oder Ethylzellulose. Ein Dispersionsmittel kann dem Bindemittel zugegeben werden.
  • Ein Sinterkörper kann durch Sintern des Grünkörpers in oxidierender Atmosphäre erhalten werden. Vor dem Sintern des Grünkörpers kann ein Bindemittelentfernungsprozess durchgeführt werden. Das bedeutet, das Bindemittel in dem Grünling kann durch Erhitzen zersetzt werden. Das Entfernen des Bindemittels und das Sintern können in einem kontinuierlichen Verfahren stattfinden. Das Entfernen des Bindemittels und das Sintern können in zwei getrennten Verfahren stattfinden. Die Sintertemperatur kann zwischen 900 °C und 1250 °C betragen. Die Sinterzeit kann zwischen 1 Stunde und 8 Stunden betragen.
  • Vor dem Polarisationsschritt kann eine dünne Platte aus dem Sinterkörper durch Schneiden des Sinterkörpers gebildet werden. Die Oberfläche der dünnen Platte des Sinterkörpers kann einem Glättungsschritt durch Läppen unterzogen werden. Zum Schneiden des Sinterkörpers kann als Schneidemaschine ein Cutter, ein Slicer oder eine Trennsäge verwendet werden. Nach dem Läppen wird eine temporäre Elektrode für den Polarisationsprozess auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Sinterkörpers erzeugt. Die temporäre Elektrode kann durch Vakuumabscheidung oder Sputtern erzeugt werden. Die temporäre Elektrode kann einfach durch einen Ätzprozess unter der Verwendung von Eisenchloridlösung oder durch ähnliche Verfahren wieder entfernt werden.
  • Im Polarisationsprozess wird ein elektrisches Polarisationsfeld an die beiden Elektroden angelegt, welche zwischen sich den Sinterkörper einschließen. Während des Polarisationsprozesses kann der Sinterkörper geheizt werden. Die Heiztemperatur des Sinterkörpers während des Polarisationsprozesses kann zwischen 80 und 300 °C betragen. Die Zeitdauer währenddessen das elektrische Polarisationsfeld anliegt, kann zwischen 1 Minute und 30 Minuten liegen. Das elektrische Polarisationsfeld kann das 0,9-Fache oder mehr als das 0,9-Fache des elektrischen Koerzitivfeldes des Sinterkörpers betragen.
  • Nach dem Polarisationsprozess werden die temporären Elektroden vom Sinterkörper entfernt. Die gewünschte Form der piezoelektrischen Zusammensetzung (piezoelektrischer Körper) kann durch weitere Verfahrensschritte eingestellt werden.
  • Obwohl bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt. Eine piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel ein piezoelektrischer Dünnfilm sein.
  • Beispiele
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele limitiert.
  • (Beispiel 1)
  • Ein Bi2O3-Pulver, ein Fe2O3-Pulver, ein BaCO3-Pulver, ein TiO2-Pulver und Ag (einfaches Metall) -Pulver wurden als Ausgangsmaterialien verwendet. BaCO3, TiO2, Bi2O3, und Fe2O3 wurden so abgewogen, dass die Molverhältnisse von Bi, Fe, Ba und Ti im gesamten Ausgangsmaterial die gleichen waren wie die Molverhältnisse von Bi, Fe, Ba und Ti in der unten folgenden chemischen Summenformel A1. In diesem ersten Beispiel entsprechen die Werte von x und y in der chemischen Summenformel A1 denen unten in Tabelle 1 angegebenen. Ag wurde so abgewogen, dass 100 × MAG/MABO3=5.2 war. Dabei ist MAG die Masse von Silber, welche im Ausgangsmaterial enthalten ist. Das oben genannte MABO3 ist der berechnete Wert der Masse von x[BiFeO3]-y[BaTiO3] basierend auf der Annahme, dass alle Elemente Bi, Fe, Ba und Ti in der piezoelektrischen Zusammensetzung allein in dem Oxid auftreten, welches durch die Formel A1 beschrieben wird. Im Folgenden wird 100 × MAG/MABO3 durch α ausgedrückt. x[BiFeO3] -y[BaTiO3] (A1)
  • Alle Ausgangsmaterialien wurden zusammen mit Reinstwasser in einer Kugelmühle über 10 Stunden vermischt. Nach Trocknen des vermischten Ausgangsmaterials wurde ein temporärer Grünling durch Pressformung des Ausgangsmaterials erhalten. Der temporäre Sinterkörper wurde durch Heizen des temporären Grünlings auf 800 °C erhalten. Der temporäre Sinterkörper wurde durch eine Kugelmühle pulverisiert. Die Rohmaterialpartikel wurden durch Trocknen des pulverisierten temporären Sinterkörpers erhalten. Ein Grünling wurde durch Pressformung einer Mischung bestehend aus den Ausgangsmaterialpartikeln und einem Bindemittel (Polyvinylalkohol) erhalten. Das Bindemittel wurde durch Erhitzen des Grünlings entfernt. Nach diesem Prozessschritt, in dem das Bindemittel entfernt wurde, wurde der Grünling an Luft über 4 Stunden hinweg bei 1000 °C gesintert, um einen Sinterkörper zu erhalten. Der Sinterkörper entspricht der piezoelektrischen Zusammensetzung vor dem Polarisationsprozess.
  • Eine aus dem Sinterkörper bestehende Platte wurde durch die Bearbeitung des Sinterkörpers mit einer doppelseitigen Läppmaschine und einer Trennsäge gebildet. Nach diesem Verfahren waren die Dimensionen des gesinterten Körpers 16 mm Länge × 16 mm Breite × 0,5 mm Dicke.
  • Unter Verwendung einer Vakuumabscheidevorrichtung wurden Silberelektroden auf beiden Seiten des gesinterten Körpers erzeugt. Die Dicke der Elektroden war jeweils 1,5 µm. Die Dimensionen der Elektrode waren 15 × 15 mm2.
  • Der spezifische Widerstand ρ (Einheit: Ω·cm) der piezoelektrischen Zusammensetzung wurde durch Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes an die piezoelektrische Zusammensetzung, welche zwischen dem Elektrodenpaar angeordnet war, gemessen. Das elektrische Gleichstromfeld betrug 0,1 kV/cm. Das Gleichstromfeld wurde an die piezoelektrische Zusammensetzung über einen Zeitraum von 40 Sekunden angelegt. Der spezifische Widerstand ρ des Beispiels 1 ist in Tabelle 1 gezeigt.
  • Der Sinterkörper wurde durch Anlegen des elektrischen Feldes an den Sinterkörper, welcher zwischen dem Elektrodenpaar angeordnet war, polarisiert. Die Stärke des an den Sinterkörper angelegten elektrischen Feldes betrug das 1,5- bis 2-fache der Koerzitivfeldstärke. Das elektrische Feld wurde über einen Zeitraum von 15 Minuten an den Sinterkörper angelegt. Der oben beschriebene Polarisationsprozess wurde in einem Silikonölbad bei einer Temperatur von 120 °C durchgeführt. Nach dem Polarisationsprozess wurde der spezifische Widerstand ρ der piezoelektrischen Zusammensetzung nochmals gemessen. Der spezifische Widerstand ρ der piezoelektrischen Zusammensetzung nach dem Polarisationsprozess in Beispiel 1 war 1 × 1012 Ω·cm oder höher.
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung von Beispiel 1 wurde durch die oben genannte Methode erhalten. Durch Röntgenfluoreszenzanalyse wurde bestätigt, dass das Molverhältnis von Bi, Fe, Ba und Ti in der piezoelektrischen Zusammensetzung mit dem Molverhältnis von Bi, Fe, Ba und Ti in der oben genannten chemischen Summenformel A1 übereinstimmt. Auch die Werte für x und y, welche in der chemischen Summenformel A1 enthalten sind, stimmen mit den Werten wie sie unten in Tabelle 1 gezeigt werden überein. Auch das Massenverhältnis α von Silber in der piezoelektrischen Zusammensetzung stimmt mit den Werten, wie sie unten in Tabelle 1 gezeigt werden, überein. Das Röntgenbeugungsbild bestätigte, dass die piezoelektrische Zusammensetzung Perowskitstruktur hatte.
  • Die piezoelektrische Konstante d33 (Einheit: pC/N) der piezoelektrischen Zusammensetzung von Beispiel 1 wurde mit einem d33-Messgerät bestimmt. Das d33-Messgerät ist ein Apparat zur Messung von d33 mittels einer quasi statischen Methode (auch als Berlincourt method bezeichnet) entsprechend der JIS (Japan Industrial Standards) Richtlinie R1696. In der quasi statischen Methode (Berlincourt method) wird d33 über den positiven piezoelektrischen Effekt gemessen, während die piezoelektrische Zusammensetzung Vibrationen ausgesetzt wird. Im Gegensatz zu anderen Methoden, welche auf einem inversen piezoelektrischen Effekt beruhen, tritt bei der quasi statischen Methode (Berlincourt method) kein Einfluss von Elektrostriktion auf, wenn ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Zusammensetzung angelegt wird und der Originalwert von d33 der piezoelektrischen Zusammensetzung kann ermittelt werden. Der d33-Wert von Beispiel 1 ist in Tabelle 1 gezeigt.
  • (Beispiele 2 bis 28)
  • Die Werte für x, y und α der jeweiligen Beispiele 2 bis 28 wurden entsprechend den Werten aus Tabelle 1 bis 3, wie sie unten gezeigt werden, angeglichen, indem die Ausgangsmaterialien entsprechend abgewogen wurden.
  • In den Beispielen 3 bis 28 wurde zusätzlich ein Oxid des Elements D als Ausgangmaterial verwendet. Das Element D oder der jeweiligen Beispiel 3 bis 28 sind in den Tabellen 1 bis 3 unten gezeigt. In jedem der Beispiele 3 bis 28 wurde 100 × MD/MABO3 entsprechend einem vorgebenden Wert durch entsprechendes Einwiegen des Oxids des Elements D eingestellt. Hierbei ist MD die Gesamtmasse des Elements D, welche im Ausgangsmaterial enthalten ist. Im Weiteren wird 100 × MD/MABO3 durch β ausgedrückt. Der Wert für β jedes der Beispiele 3 bis 28 ist unten in den Tabellen 1 bis 3, angegeben. Da kein Element D im Beispiel 2 verwendet wurde ist konsequenterweise β des Beispiels 2 Null.
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung der jeweiligen Beispiele 2 bis 28 wurde auf gleiche Art und Weise wie das Beispiel 1 hergestellt mit Ausnahme der oben angegebenen Sachverhalte.
  • Die piezoelektrischen Zusammensetzungen der jeweiligen Beispiele 2 bis 28 wurden auf die gleiche Art und Weise analysiert wie es für Beispiel 1 durchgeführt wurde. In allen Fällen der Beispiele 2 bis 28 entsprachen die Molverhältnisse von Bi, Fe, Ba und Ti in der piezoelektrischen Zusammensetzung den Molverhältnissen von Bi, Fe, Ba und Ti in der oben genannten chemischen Summenformel A1. In jedem der Beispiele 2 bis 28 entsprachen die Werte für x und y aus der chemischen Summenformel A1 den Werten wie sie in den Tabellen 1 bis 3 unten angegeben sind. Auch das Massenverhältnis α von Ag aller Beispiele 2 bis 28 entsprach den Werten wie sie in den Tabellen 1 bis 3 unten angegeben sind. Auch das Massenverhältnis β des Elements D in der piezoelektrischen Zusammensetzung entsprach in allen Beispielen 2 bis 28 den Werten wie sie in den Tabellen 1 bis 3 unten angegeben sind. Es konnte für alle Beispiele 2 bis 28 bestätigt werden, dass die piezoelektrische Zusammensetzung Perowskitstruktur aufwies.
  • Die spezifischen Widerstände ρ der piezoelektrischen Zusammensetzungen aller Beispiele 2 bis 28 wurde auf die gleiche Art und Weise gemessen wie es für das Beispiel 1 durchgeführt wurde. Der Wert von ρ vor dem Polarisationsprozess der jeweiligen Beispiele 2 bis 28 ist in den Tabellen 1 bis 3 aufgeführt. Die piezoelektrische Konstante d33 der piezoelektrischen Zusammensetzung aller jeweiligen Beispiele 2 bis 28 wurde auf die gleiche Art und Weise gemessen wie es für Beispiel 1 durchgeführt wurde. d33 der jeweiligen Beispiele 2 bis 28 ist in den Tabellen 1 bis 3 unten aufgeführt.
  • (Vergleichsbeispiele 1 bis 8)
  • In allen Vergleichsbeispielen 1 bis 8 kein Silber als Ausgangsmaterial verwendet. Beim Abwiegen der Ausgangsmaterialien der jeweiligen Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurden x, y und β den Wertenangepasst, wie sie unten in Tabelle 4 angegeben sind. Nachdem das Oxid des Elements D im Vergleichsbeispiel 1 nicht verwendet wurde, ist β des Vergleichsbeispiels 1 Null.
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung der jeweiligen Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurde auf die gleiche Art und Weise hergestellt wie im Beispiel 1 mit Ausnahme der oben genannten Sachverhalte.
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung der jeweiligen Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurden auf die gleiche Art und Weise analysiert wie das Beispiel 1. Das Molverhältnis von Bi, Fe, Ba und Ti in der piezoelektrischen Zusammensetzung aller jeweiliger Vergleichsbeispiele 1 bis 8 stimmt mit den Molverhältnissen von Bi, Fe, Ba und Ti, wie sie in der chemischen Summenformel A1 oben angegeben wurden, überein. Die Werte von x und y aus der chemischen Summenformel A1 stimmen für alle Vergleichsbeispiele 1 bis 8 mit den Werten, wie sie in Tabelle 4 unten angegeben sind, überein. Für alle Vergleichsbeispiele 1 bis 8 war das Massenverhältnis α von Ag in der piezoelektrischen Zusammensetzung Null. Der Wert des Massenverhältnisses β des Elements D in der piezoelektrischen Zusammensetzung stimmt für alle Vergleichsbeispiele 1 bis 8 mit den unten in Tabelle 4 angegebenen Werten überein. Es wurde für alle Vergleichsbeispiele 1 bis 8 bestätigt, dass die piezoelektrischen Zusammensetzungen Perowskitstruktur aufwiesen.
  • Der spezifische Widerstand der piezoelektrischen Zusammensetzungen in den jeweiligen Vergleichsbeispielen 1 bis 8 wurde auf die gleiche Art und Weise im Beispiel 1 bestimmt. Der jeweilige Wert von ρ vor der Polarisation für alle Vergleichsbeispiele 1 bis 8 ist in Tabelle 4 gezeigt. Die piezoelektrische Konstante d33 der piezoelektrischen Zusammensetzung wurde in allen Vergleichsbeispielen 1 bis 8 auf die gleiche Art und Weise wie im Beispiel 1 ermittelt. Der jeweilige Wert von d33 wird für alle Vergleichsbeispiele 1 bis 8 in der Tabelle 4 gezeigt.
  • Die Größen A, B, C und D wie sie in den Auswertungsspalten der Tabellen 1 bis 4 gezeigt werden, werden wie folgt definiert:
    A bedeutet: ρ ≥ 1,0 × 1012 Ω·cm und d33 ≥ 160 pC/N
    B bedeutet: ρ ≥ 1,0 × 1012 Ω·cm ist und 150 pC/N ≤ d33 < 160 pC/N.
    C bedeutet: ρ ≥ 1,0 × 1012 Ω cm und 140 pC/N ≤ d33 < 150 pC/N
    D bedeutet: ρ < 1,0 × 1012 Ω·cm und d33 < 140 pC/N.
    [0061] [Tabelle 1]
    Tabelle 1 BiFeO3 BaTiO3 Ag Element D Spez. Widerstand Piezoel. Konstante Auswertung
    x y α Typ β ρ[Ω·cm] d33 [pC/N] -
    Beispiel 1 0,9 0,1 5,2 - 0 1,0E+12 141 C
    Beispiel 2 0,9 0,1 1,2 - 0 1,1E+12 145 C
    Beispiel 3 0,69 0,31 0, 01 Nb 0, 01 2,8E+12 195 A
    Beispiel 4 0,69 0,31 0, 01 Nb 0, 02 3,0E+12 196 A
    Beispiel 5 0,69 0,31 0, 01 Nb 0, 05 3,0E+12 198 A
    Beispiel 6 0,69 0,31 0, 01 Nb 0,1 8,9E+12 210 A
    Beispiel 7 0,69 0,31 0, 01 Nb 0,2 4,2E+12 203 A
    Beispiel 8 0, 67 0,33 0, 01 Nb 1 2,1E+12 190 A
    Beispiel 9 0, 66 0,34 0, 01 Nb 0, 05 2,7E+12 196 A
    Beispiel 10 0,71 0,29 0, 01 Nb 0,5 3,9E+12 203 A
    [0062] [Tabelle 2]
    Tabelle 2 BiFeO3 BaTiO3 Ag Element D Spez. Widerstand Piezoel. Konstante Auswertung
    x y α Typ β ρ[Ω·cm] d33 [pC/N] -
    Beispiel 11 0,7 0,3 0,1 Nb 0,1 2,0E+12 190 A
    Beispiel 12 0,73 0,27 0,1 Nb 0,2 1,2E+12 180 A
    Beispiel 13 0,66 0,34 0,2 Nb 0,2 1,3E+12 185 A
    Beispiel 14 0,7 0,3 0,2 Nb 1 1,2E+12 180 A
    Beispiel 15 0,7 0,3 0,5 Nb 0,01 1,0E+12 175 A
    Beispiel 16 0,7 0,3 0,5 Nb 1 1,2E+12 177 A
    Beispiel 17 0,7 0,3 1 Nb 0, 01 1,0E+12 160 A
    Beispiel 18 0,7 0,3 1 Nb 0,5 1,0E+12 161 A
    Beispiel 19 0,7 0,3 1 Nb 1 1,1E+12 168 A
    Beispiel 20 0,7 0,3 5 Nb 5 1,0E+12 162 A
    [0063] [Tabelle 3]
    Tabelle 3 BiFeO3 BaTiO3 Ag Element D Spez. Widerstand Piezoel. Konstante Auswertung
    x y α Typ β ρ[Ω·cm] d33 [pC/N] -
    Beispiel 21 0,7 0,3 10 Nb 5 1,0E+12 151 B
    Beispiel 22 0, 8 0,2 0, 01 Nb 0,1 4,0E+12 160 A
    Beispiel 23 0, 6 0,4 0, 01 Nb 0,1 2,6E+12 164 A
    Beispiel 24 0,69 0,31 0, 01 Ta 0,1 3,0E+12 172 A
    Beispiel 25 0,69 0,31 0, 01 Mo 0,1 3,5E+12 176 A
    Beispiel 26 0,69 0,31 0, 01 Mn 0,1 3,3E+12 173 A
    Beispiel 27 0,69 0,31 0, 01 W 0,1 2,8E+12 168 A
    Beispiel 28 0,69 0,31 0, 01 V 0,1 2,8E+12 170 A
    [0064] [Tabelle 4]
    Tabelle 4 BiFeO3 BaTiO3 Ag Element D Spez. Widerstand Piezoel. Konstante Auswertung
    x y α Typ β ρ[Ω·cm] d33 [pC/N] -
    Vergleichsbeispiel 1 0, 68 0,32 0 - 0 7, 6E+10 135 D
    Vergleichsbeispiel 2 0,69 0,31 0 Nb 0,5 9,0E+10 122 D
    Vergleichsbeispiel 3 0,69 0,31 0 Nb 5,1 7,0E+10 100 D
    Vergleichsbeispiel 4 0,69 0,31 0 Ta 5,1 1,0E+05 0 D
    Vergleichsbeispiel 5 0,69 0,31 0 Mo 5,1 1,3E+05 0 D
    Vergleichsbeispiel 6 0,69 0,31 0 Mn 5,1 1,7E+06 0 D
    Vergleichsbeispiel 7 0,69 0,31 0 W 5,1 1,5E+06 0 D
    Vergleichsbeispiel 8 0,69 0,31 0 V 5,1 1,0E+06 0 D
  • [0065] [Industrielle Anwendung]
  • Die piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend der Erfindung kann zum Beispiel als piezoelektrischer Aktuator verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Substrat
    4
    erste Elektrode
    6
    piezoelektrischer Körper (piezoelektrische Zusammensetzung)
    8
    zweite Elektrode
    UC
    Einheitszelle der Perowskitstruktur

Claims (5)

  1. Piezoelektrische Zusammensetzung aufweisend: Silber und ein Oxid, welches Bismut, Barium, Eisen und Titan enthält, wobei das Oxid Perowskitstruktur aufweist, die Masse des Oxids durch MABO3 repräsentiert ist, die Masse von Silber durch MAG repräsentiert ist und 0,01 ≤ 100 × MAG/MABO3 ≤ 10,00 gilt und wobei zumindest ein Teil des Oxids durch x[BimFeO3]-y[BanTiO3] repräsentiert wird, wobei 0,6 ≤ x ≤ 0,8 gilt, 0,2 ≤ y ≤ 0,4 gilt, x + y = 1 gilt, 0,96 ≤ m ≤ 1,06 gilt und 0,96 ≤ n ≤ 1,06 gilt.
  2. Piezoelektrische Zusammensetzung nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist: zumindest ein Element D ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadium, Niobium, Tantal, Molybdän, Wolfram und Mangan.
  3. Piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 2, welche weiterhin aufweist: zumindest Niobium als ein Element D.
  4. Piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Gesamtmasse des Elements D durch MD repräsentiert wird, und 0,00 ≤ 100 × MD/MABO3 ≤ 5,00 gilt.
  5. Piezoelektrische Anwendung aufweisend: Die piezoelektrische Zusammensetzung entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4.
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