Brevet FR2789386A1 — publié le 20000811

La présente invention concerne une composition céramique piézoélectrique et un dispositif céramique piézoélectrique utilisant cette composition. En particulier, la présente invention concerne une composition céramique piézoélectrique qui est utile comme matériau pour filtres céramiques piézoélectriques, oscillateurs céramiques piézoélectriques et vibrateurs céramiques piézoélectriques, ainsi qu'un dispositif céramique piézoélectrique utilisant cette composition. Des compositions céramiques piézoélectriques comprenant du titanate zirconate de plomb (Pb(TixZrlx)O3) ou du titanate de plomb (PbTiO3) comme composant principal sont largement utilisées dans les filtres céramiques piézoélectriques, les oscillateurs céramiques piézoélectriques et les vibrateurs céramiques piézoélectriques. On utilise généralement de l'oxyde de plomb dans la production des compositions céramiques piézoélectriques comprenant du titanate zirconate de plomb ou du titanate de plomb comme composant principal. Cependant, l'oxyde de plomb exige des dispositifs tels que des filtres pour retirer l'oxyde de plomb pulvérulent qui est dispersé par vaporisation pendant la production. Ces dispositifs entraînent des coûts de production accrus. Par ailleurs, la vaporisation de l'oxyde de plomb conduit à une dégradation de l'uniformité de la qualité des produits. Par ailleurs, les compositions céramiques piézoélectriques comprenant des composés du bismuth comme (SrlxMx)Bi2Nb2O9 comme composant principal et Mn comme composant facultatif ne contiennent pas d'oxyde de plomb et ne présentent pas les inconvénients évoqués ci-dessus, mais elles doivent être frittées à des températures élevées d'au moins 1250 C pour obtenir des céramiques piézoélectriques ayant des coefficients de couplage électromécanique kt d'au moins 10 %, c'est-à-dire ayant des valeurs permettant une utilisation pratique. Ainsi, ces compositions céramiques piézoélectriques nécessitent des fours de frittage qui résistent à ces hautes températures. En outre, les supports d'enfournement destinés à contenir les compositions céramiques piézoélectriques pendant le frittage ont une faible durabilité dans les conditions d'utilisation à haute température, ce qui fait croître les coûts de production. Pour remédier aux inconvénients cités ci-dessus, la présente invention a pour but de fournir une composition céramique piézoélectrique pouvant être frittée à une température de 1100 C ou moins, qui ne contient pas de plomb ou de composés du plomb et qui présente un niveau de coefficient de couplage électromécanique kt permettant une utilisation pratique à cette basse température de frittage. Cette composition céramique piézoélectrique est utile comme matériau pour filtres céramiques piézoélectriques, oscillateurs céramiques piézoélectriques et vibrateurs céramiques piézoélectriques. La présente invention a également pour but de fournir un dispositif céramique piézoélectrique qui utilise cette composition céramique piézoélectrique. Selon un premier mode de réalisation, la composition de céramique piézoélectrique selon l'invention comprend un composant principal représenté par la formule générale SrBi2(NblyWy)209 o 0 Selon un second mode de réalisation, la composition céramique piézoélectrique selon l'invention comprend un composant principal représenté par la formule générale (SrixMlx)Bi2(NblyWy)209 o Ml est l'un des métaux divalents autres que Sr et des métaux trivalents autres que Bi, 0 en masse, en MnCO3. La présente invention concerne également un dispositif céramique piézoélectrique qui comprend une céramique piézoélectrique comprenant la composition céramique piézoélectrique selon l'un des modes de réalisation ci- dessus, et des électrodes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels: la figure 1 est une vue isométrique d'un vibrateur céramique piézoélectrique selon la présente invention, et la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique du vibrateur céramique piézoélectrique de la figure 1. Dans la composition céramique piézoélectrique comprenant un composant principal représenté par la formule générale (SrixMlx)- Bi2(NblyWy)2Og9, l'indice x représentant la teneur en MI est situé dans le domaine de 0 permettant une utilisation pratique. Dans la composition céramique piézoélectrique comprenant un composant principal représenté par la formule générale (Sr1-XM22x/3)- Bi2(Nbl-yWy)209, l'indice x représentant la teneur en M2 est situé dans le domaine définit par 0 permettant une utilisation pratique. Dans les compositions céramiques piézoélectriques selon la présente invention, l'indice y qui représente la teneur en W est situé dans un domaine défini par 0 un niveau permettant une utilisation pratique. Dans la composition céramique piézoélectrique comprenant un composant principal représenté par la formule générale SrBi2Nb209 et W à titre de composant supplémentaire, la teneur en W est supérieure à 0 et peut atteindre 0,3 mole par mole de Bi dans le composant principal. Quand la teneur en W est égale à 0, la composition céramique piézoélectrique n'est pas suffisamment frittée à une température de 1100 C ou moins et n'est pas polarisée tandis que quand la teneur en W dépasse 0,3 mole, le coefficient de couplage électromécanique kt n'atteint pas un niveau permettant une utilisation pratique. Cette composition céramique piézoélectrique peut comprendre en outre l'un des métaux divalents autres que Sr et des métaux trivalents autres que Bi en une quantité supérieure à 0 et pouvant atteindre 0,15 mole par mole de Bi dans le composant principal. Quand la teneur du métal divalent ou trivalent dépasse 0,15 mole, le coefficient de couplage électromécanique kt n'atteint pas un niveau permettant une utilisation pratique. La composition céramique piézoélectrique selon la présente invention comprend en outre de préférence du manganèse à titre de composant auxiliaire en une quantité supérieure à 0 et pouvant atteindre 1,0 % en masse en MnCO3. L'addition de manganèse contribue à améliorer les caractéristiques de frittage. Quand la teneur en manganèse dépasse 1,0 % en masse en MnCO3, la composition céramique piézoélectrique n'est pas polarisée. Les effets obtenus grâce à la présente invention sont particulièrement notables quand M1 est au moins un élément choisi dans le groupe consistant en Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc et Y et quand M2 est au moins un élément choisi dans le groupe consistant en La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc et Y. De plus, les effets procurés par la présente invention sont particulièrement notables quand le métal divalent autre que Sr ou le métal trivalent autre que Bi est au moins un élément choisi dans le groupe consistant en Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc et Y. La figure 1 représente un vibrateur céramique piézoélectrique 10 qui comprend une céramique piézoélectrique rectangulaire 12 constituée par deux couches céramiques piézoélectriques 12a et 12b superposées qui sont constituées par la composition céramique piézoélectrique selon la présente invention. En outre, les couches céramiques piézoélectriques 12a et 12b sont polarisées dans le même sens, dans la direction de l'épaisseur, comme le montrent les flèches de la figure 2. Une électrode vibrante circulaire 14a est formée entre les couches céramiques piézoélectriques 12a et 12b et une électrode d'extraction 16a en forme de T s'étend entre l'électrode vibrante 14a et une face extrême de la céramique piézoélectrique 12. Une autre électrode vibrante circulaire 14b est formée sur la couche céramique piézoélectrique 12a, et une autre électrode d'extraction 16b en forme de T s'étend entre l'électrode vibrante 14b et la face extrême opposée de la céramique piézoélectrique 12. Par ailleurs, une troisième électrode vibrante circulaire 14c est formée sur la couche céramique piézoélectrique 12b, et une électrode d'extraction 16c en forme de T s'étend entre l'électrode vibrante 14c et la même face extrême de la céramique piézoélectrique 12 que l'électrode d'extraction 16b. L'électrode d'extraction 16a est reliée à une borne externe 20a par un conducteur 18a tandis que les électrodes d'extraction 16b et 16c sont reliées à une autre borne externe 20b par un autre conducteur 18b. La présente invention n'est pas limitée à la configuration illustrée par le vibrateur céramique piézoélectrique 10 mais elle est applicable à d'autres configurations et à d'autres dispositifs céramiques piézoélectriques tels que les vibrateurs céramiques piézoélectriques utilisant des modes de vibration (par exemple vibration de cisaillement d'épaisseur ou ondes harmoniques d'épaisseur de rang trois), les filtres piézoélectriques et les oscillateurs céramiques piézoélectriques. On va maintenant présenter des exemples non limitatifs illustrant l'invention. Exemples On a préparé des produits de départ constitués par SrCO3, Bi203, Nb2O5, CaCO3, BaCO3, La2O3, Nd2O3, Sm203, Y203, W03 et MnCO3 que l'on a ensuite pesés et mélangés en mettant en oeuvre un procédé humide dans un broyeur à boulets pendant environ 4 heures pour obtenir une composition (Srx.Mlx)Bi2(NblyWy)209 + z pour cent en masse de MnCO3 o M1 est l'un des métaux divalents autres que Sr et des métaux trivalents autres que Bi, 0 du quatrième mode de réalisation décrit ci-dessus. On a mesuré la masse volumique, la résistivité et le coefficient de couplage électromécanique kt de chacun des échantillons. Les tableaux 1 à 3 ci- dessous montrent les résultats obtenus, ainsi que le type de MI ou M2, x, y, la teneur en MnCO3 et la température de frittage. Dans les tableaux 1 à 3, les échantillons dont le numéro comporte un astérisque ne sont pas conformes à la présente invention. Tableau 1 Exemple MI x y MnCO3 Temp. Masse Résisti- kt n (% en de volu- vité (%) masse) frittage mique (Q.cm) ( C) (g/cm3) 1* 0 0 0 1100 5,70 5,0x108 Non polarisé 2 - 0 0, 1 0 1100 6,85 3,Ox1012 13,1 3 - 0 0, 3 0 1100 6,96 4,0x1012 11,8 4* - 0 0, 35 0 1100 6,80 3,0x1012 8,8 * 0 0 0,5 1250 6,96 6,0x1012 17,6 6* - 0 0 0,5 1100 6,05 2,0x 109 Non polarisé 7 - 0,05 0,5 1100 6,98 8,0x0O12 17,9 8 - 0 0,1 0,5 1100 7,01 6,0xIO12 17,3 9 - 0 0,1 0,5 1000 6,99 8,0x,10. 16,0 - 0 0,3 0,5 1100 7,02 5,0xO12 15,7 11* - 0 0,35 0,5 1100 6,98 2,0x012 8,1 12* - 0 0,35 0,5 1000 6,65 2,OxIO0 6,5 13* - O0 0,35 0,5 900 5,65 5,0x108 Non polarisé 14* - 0 0 1,0 1100 5,98 1,Ox109 Non polarisé - 0 0,3 1,0 1100 6,97 4,0x1012 14,6 16* - 0 0,35 1,0 1100 6,84 2,0x1012 8,0 17 - 0 0,1 1,1 1100 6,96 7,0x109 11,8 18 - O 0,3 1,1 1100 6,95 5,0x109 10,8 19* Ca 0,1 0 0,5 1100 6,07 4,0x 109 Nonpolarisé Ca 0,1 0,1 0,5 1100 7,05 6,0x1012 18,3 21 Ca 0,1 0,3 0,5 1100 7,07 6,0x1012 16,6 22* Ca 0,1 0,35 0,5 1100 6,98 2,0x10z2 9,1 23* Ca 0,3 0 0,5 1100 6,07 2,0x1013 Non polarisé 24 Ca 0,3 0,1 0,5 1100 7,07 2,0x1013 20,9 Ca 0,3 0,3 0,5 1100 7,07 1,OxO1013 19,1 Tableau 2 Exemple Ml1 x y MnCO3 Temp. Masse Résisti- kt n (% en de volu- vité (%) masse) frittage mique (Q2.cm) ( C) (g/cm3) 26* Ca 0,3 0,35 0,5 1100 7,05 2,0x1012 9,4 27 Ca 0,35 0,1 0,5 1100 6,67 9,0xl0l 10,3 28 Ca 0,35 0,3 0,5 1100 6,55 5,0x1010 10,1 29* Ba 0,1 O 0,5 1100 6,06 4,0x109 Non polarisé Ba 0,1 0,1 0,5 1100 7,05 6,0x1012 18,0 31 Ba 0,1 0,3 0,5 1100 7,05 6,0x1012 16,1 32* Ba 0,1 0,35 0,5 1100 6,98 9,0xlOll 8,1 33* La 0,1 O 0,5 1100 6,03 4,0x109 Non polarisé 34 La 0,1 0,1 0,5 1100 7,00 6,0x1012 17,6 La 0,1 0,3 0,5 1100 7,02 6,0x1012 16,0 36* La 0,1 0,35 0,5 1100 6,80 l,Ox0l12 7,8 37* Nd 0,1 O 0,5 1100 6,05 4,0x 109 Non polarisé 38 Nd 0,1 0,1 0,5 1100 7,05 6,0x1012 17,7 39 Nd 0,1 0,3 0,5 1100 7,06 6,0x102 15,9 * Nd 0,1 0,35 0,5 1100 6,89 9,0x1011 7,6 41* Sm 0,1 O 0,5 1100 6,00 4,0x109 Non polarisé 42 Sm 0,1 0,1 0,5 1100 7,10 6,0x1012 17,9 43 Sm 0,1 0,3 0,5 1100 7,08 6,0x1012 16,1 44* Sm 0,1 0,35 0,5 1100 7,00 9,0x1Oll 8,0 * Y 0,1 0 0,5 1100 6,06 4,0x109 Non polarisé 46 Y 0,1 0,1 0,5 1100 7,09 6,0x1012 17,9 47 Y 0,1 0,3 0,5 1100 7,06 6,0x1012 15,7 48* Y 0,1 0,35 0,5 1100 6,92 2,0x1012 7,9 Tableau 3 Exemple M2 x y MnCO3 Temp. Masse Résisti- kt n (% en de volu- vité (%) masse) frittage mique (Q*cm) ( C) (g/cm3) 49* La 0, 15 0 0,5 1100 6,01 2,0x109 Non polarisé La 0,15 0,1 0,5 1100 6,87 4,0x10-2 15,8 51 La 0,15 0,3 0,5 1100 6,75 4,0x1012 14,3 52* La 0,15 0,35 0,5 1100 6,52 5,0x1011 7,2 53* La 0,45 0 0,5 1100 5,99 1,0x109 Non polarisé 54 La 0,45 0,1 0,5 1100 6,75 4, 0x10l2 14,7 La 0,45 0,3 0,5 1100 6,76 4,0x1012 13,9 56* La 0,45 0,35 0,5 1100 6, 29 4,0x1011 6,6 57 La 0,5 0,1 0,5 1100 6,50 4,0x109 10,4 58* Nd 0,15 0 0,5 1100 5,98 2,0x109 Non polarisé 59 Nd 0,15 0,1 0,5 1100 6,90 4,0x1012 15,9 Nd 0,15 0,3 0,5 1100 6,86 4,0xO1012 14,7 61* Nd 0,15 0,35 0, 5 1100 6,59 5,0x10l11 7,9 Comme le montrent les tableaux 1 à 3, les échantillons selon la présente invention ont des coefficients de couplage électromécanique kt dont les niveaux permettent une utilisation pratique, quand les échantillons sont frittés à une température de 1100 C ou moins. REVENDICATIONS 1. Composition céramique piézoélectrique caractérisée en ce qu'elle comprend un composant principal représenté par la formule générale SrBi2(NblyWy)209 o O 2. Composition céramique piézoélectrique caractérisée en ce qu'elle comprend un composant principal représenté par la fonrmule générale (Sri. xMlx)Bi2(Nb-yW,)209 o MI est l'un des métaux divalents autres que Sr et des métaux trivalents autres que Bi, O 3. Composition céramique piézoélectrique selon la revendication 2 caractérisée en ce que M1 est au moins un élément choisi dans le groupe consistant en Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc et Y. 4. Composition céramique piézoélectrique caractérisée en ce qu'elle comprend un composant principal représenté par la formule générale (SrilxM22x/3)Bi2(Nbl.yWy)209 o M2 est un métal trivalent autre que Bi, 0 5. Composition céramique piézoélectrique selon la revendication 4 caractérisée en ce que M2 est au moins un élément choisi dans le groupe consistant en La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc et Y. 6. Composition céramique piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre du manganèse à titre de composant auxiliaire en une quantité supérieure à O et pouvant atteindre 1,0 % en masse, en MnCO3. 7. Dispositif céramique piézoélectrique caractérisé en ce qu'il comprend une céramique piézoélectrique (12) comprenant une composition céramique piézoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et des électrodes (14a, 14b, 14c).