[发明专利]压电陶瓷组合物

说明书

本发明涉及一种压电陶瓷组合物，尤其涉及一种用作压电陶瓷元件(如压电陶瓷滤波器和压电陶瓷振荡器)的材料的压电陶瓷组合物。

主要包括钛锆酸铅(Pb(Ti_xZr_1-x)O₃)或钛酸铅(PbTiO₃)的压电陶瓷组合物被广泛用于压电陶瓷元件如压电陶瓷滤波器。在这些压电陶瓷组合物的生产步骤中，通常采用氧化铅。然而，氧化铅的汽化会使制得的元件的均匀性变差。

相反，主要包括铌酸钾钠锂(用通式(K_1-x-yNa_xLi_y)NbO₃表示)的压电陶瓷组合物不会引起上述问题，因为它们不含氧化铅。某些这样的包含铌酸钾钠锂的组合物有较高的电气机械耦合系数K_p，并被认为是生产压电陶瓷元件(如压电陶瓷滤波器和压电陶瓷振荡器)的有前途的材料。

然而，主要含铌酸钾钠锂压电陶瓷组合物的相对介电常数低于钛锆酸铅或钛酸铅的相对介电常数。因此，当将它们用作压电陶瓷元件如压电陶瓷滤波器和压电陶瓷振荡器的材料时，与包括该陶瓷元件的电路的阻抗匹配较差，且有时电路设计会很困难。

当压电陶瓷组合物用于高频区时，会产生下列问题。例如，由于主要含钛锆酸铅的压电陶瓷组合物通常具有较高的相对介电常数(约1000-2000)，因此在高频区(如超过100MHz)中阻抗会降低，使得其很难用于这样的高频区中。

相反，主要含钛酸铅(PbTiO₃)的压电陶瓷组合物的相对介电常数约为200，低于上述主要含钛锆酸铅的压电陶瓷组合物的相对介电常数。因此，已经知道，含钛酸铅(PbTiO₃)的组合物适用于高频区。然而，考虑到在更高的高频区中的应用，需要有更低的相对介电常数。

另外，主要含钛锆酸铅或钛酸铅的压电陶瓷组合物在厚度方向上振动的谐振频率低达约2000-2500Hz·m。因此，当将这种压电陶瓷组合物压制成薄片来制备振荡器时，振荡器必须在有限的频率波段内使用。

相反，一些主要含铌酸钾钠锂(用通式(K_1-x-yNa_xLi_y)NbO₃表示)的压电陶瓷组合物在厚度方向上振动的谐振频率低达约3000-3500Hz·m，且相对介电常数约为100，低于钛酸铅的相对介电常数。因此，已经知道，从高频区应用的角度来看，这些组合物是比钛锆酸铅或钛酸铅更有利的材料。

然而，主要含铌酸钾钠锂的压电陶瓷组合物，其在厚度方向上振动的谐振频率温度系数(该系数称为fr-TC，是压电陶瓷滤波器和压电陶瓷振荡器材料的一个重要特性)较大，可高达约150-300ppm。因此，与钛锆酸铅、钛酸铅等相比，该压电陶瓷组合物还未被广泛用于实践。

上述以fr-TC表示的厚度方向上的谐振频率的温度系数可从下式计算获得：

fr-TC＝(fr_max-fr_min)/(fr₂₀·100)其中fr_max代表在-20℃至+80℃的温度范围内厚度方向上的最大谐振频率；fr_min代表在-20℃至+80℃的温度范围内厚度方向上的最小谐振频率；fr20代表20℃下厚度方向上的谐振频率。

本发明采用主要含铌酸钾钠锂的压电陶瓷组合物解决了上述问题。

因此，本发明的一个目的是提供一种无铅的压电陶瓷组合物，该组合物的相对介电常数提高到大于等于1000，以K_p表示的电气机械耦合系数有实践上足够的数值，如25％或更高。

本发明的另一个目的是提供一种压电陶瓷组合物，其中组合物的谐振频率温度系数(以fr-TC表示)是有利的(即小于等于100ppm)，相对介电常数小于等于180，该组合物适于在高频区以及厚度方向的谐振频率温度系数大于等于3000Hz·m的条件下使用。

本发明第一个方面提供了一种压电陶瓷组合物，该组合物主要包含下式表示的组合物：