Piezoelektrische und akustische Werkstoffe für ... · Aufbereitung von PZT Keramik Rohstoffe -...

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Vorlesung 3 - 23.06.2017

Piezoelektrische und akustische Werkstoffe für elektromechanische Wandler

Bleizirkonattitanat

Bleifreie Piezokeramiken

Ferroelektrische Einkristalle

Piezoelektrische Kompositwerkstoffe

Kontakt : Peter.Neumeister@ikts.fraunhofer.de

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Bleizirkonattitanat - PZT

Ferroelektrische Phasen, Phasendiagramm

Pulvertechnologische Herstellung

Modifikation durch Dotierung und Mischkristallbildung

Stabilitätsbereich der Perowskitstruktur

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Pb (Blei)

O (Sauerstoff)

Bleizirkonattitanat Pb(ZrxTi1-x)O3 [PZT]

Kommerziell bedeutsamstes

Werkstoffsystem der

piezoelektrischen Keramiken

- zeigt die „besten“ Kenndaten

- Konventionelle Keramiktechnologie

anwendbar

- Hohe Flexibilität zur Anpassung des

Eigenschaftsprofils (Dotierung,

Mischkristallbildung)

Basis sind lückenlos mischbare

Verbindungen aus

PbTiO3 – PbZrTiO3 = Pb(ZrxTi1-x)O3

Ti oder

Zr

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Ferroelektrische Phasen von PZT

PZT bildet, in

Abhängigkeit vom

Zr/Ti-Verhältnis,

unterhalb von Tc in eine

tetragonale oder eine

rhomboedrische

Modifikation

kubisch

paraelektrisch

Ferroelektrisch- rhomboedrisch

Tc Curie Temperatur

Ferroelektrisch- tetragonal

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Phasendiagramm mit

Darstellung der

ferroelektrischen Phasen,

Morphotrope

Zusammensetzungen (rote

Schraffur, symbolisch)

bestehen aus einem Gemisch

verschiedener

ferroelektrisch Phasen

(verschiedene

Lehrmeinungen:

tetragonal-rhomboedrisch,

tetragonal-monoklin)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

PbTiO [Mol.- %]

Te

mp

era

tur

[°C

]

FT

F (HT)R

PC

a

3PTPZ

Phasenkoexistenzbereich

(MPB)

morphotroprhomboedrisch

tetragonal

Ferroelektrische Phasen von PZT- Phasenkoexistenz

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Morphotropes PZT - Domänenstruktur

Phasenkoexistenz innerhalb der

Körner!

Abbildung der

Domänenstruktur im FESEM

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Kennwerte in

Phasenkoexistenbereich:

1 Dielektrizitätszahl e33T/e0,

2 Kopplungsfaktor kp

3 Piezokonstante d33

4 Dehnung Sm

Die Einstellung der

Kennwerte erfolgt in

erster Linie über das Zr /

Ti – Verhältnis.

Morphotropes PZT- erhöhte piezoelektrische Aktivität

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Aufbereitung von PZT KeramikRohstoffe- Hohe Reinheit ( besser 99 %)- Kritische Verunreinigungen sind z.B. Fe2O3, SiO2, Al2O3

Verglühen (Kalzinieren)- Zersetzung von Rohstoffen- Verbindungsbildung, atomare Diffusion, ca. 800 - 900 °C

Formgebung- Trockenpressen -> Formteile- Schlickergießen -> Folien 25µm ... 1mm- Extrusion -> Fasern 30 µm ... 800 µm

Sintern- Bildungs- und Zersetzungsprozesse

Metallis ieren- Siebdruck / Einbrand: Ag, Ag/Pd, Au- Sputtern Cu/Ni, Au

Polaris ieren- 2- 5 kV/mm, 20 – 130°C, 10 s bis 20 Minuten

Pb3O3 ZrO2 TiO2 Dotierung

(PbO) Substitution

Mischen

Trocknen

Verglühen Verglühen 2

Feinmahlen

Garanulieren

Formgebung

Sintern

Metallisieren

Polarisieren

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Phasenbildung, s. Grafik

Zersetzungsreaktion

900° C

Pb(Zr,Ti)O3 --> PbO+ ZrO2 + TiO2

PbO - verdampft (ohne Steuerung der Atmosphäre bei 860°C )

Methode zur Regulierung der PbO-Atmosphäre: geschlossener, gefüllter Brennraum, zusätzlich Atmosphärenscheiben aus PbZrO2 + 4% PbO

Bildungs- und Zersetzungstemperaturen

ZrO2

PbO rot

TiO2

PbO gelb

PbTiO3

Pb[Tix Ti1-x]O3

Mo

lan

teil

e

PZT

PbTiO3TiO2

ZrO2

PbO

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Beschreibung des PZT mittels allgemeiner Formel

A = Substitution auf A-PlatzB = Substitution auf B-Platze = Bleileerstellend = Sauerstoffleerstellen

Defektnotation nach Kröger-Vink

Modifikation von PZT durch Dotierung

44

43

-2

Ti zGitterplatzu Vergleich im neutral ,Feon Substituti isovalente

Ti zGitterplatzu Vergleich im negativeinfach ,Fe z.B. Akzeptor,

O Platzbesetzten demmit Vergleich imgeladen positivfach 2 ,leerstelleSauerstoff z.B. Donator,

x

Ti

Ti

O

Fe

Fe

V

de -3z1xx-1y-y-1 OB)ZrTi)(APb( z

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PbOTi, Zr

B-Platz-Dotierung

undotiertes PZT

A-Platz-Dotierung

AgPb

VO

FeTi

VO

Ladungsbilanz

2 Ag 1+ bilden 1 bzw.

1 Fe 2+ bildet 1

Akzeptor-Dotierung führt

zur Bildung von

Sauerstoffleerstellen,

Ergebnis “harte” Keramik

A Platz: Pb 2+ ersetzt durch K 1+ , Ag 1+

B Platz: Zr 4+, Ti 4+ ersetzt durch Mg 2+, Ni 2+, Fe 2+, Fe 3+, Al 3+,

In 3+ , Sc 3+

Modifikation von PZT durch Akzeptor-Dotierungniedrigere Wertigkeit auf A- bzw. B-Platz

2/,2/31y1 VO)]FeTiZrPb)[( xO-xx-xy

OV

OV

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Ladungsbilanz:

2 La 3+ ersetzen 3 Pb 2+ bzw.

2 Nb 5+ ersetzen 1 Pb 2+

+ 2 (Zr 4+, Ti 4+)

Donator-Dotierung führt zur

Bildung von Bleileerstellen

Ergebnis „weiche Keramik“

PbOTi, Zr

B-Platz-Dotierung

undotiertes PZT

A-Platz-Dotierung

LaPb

VPb

NbTi

VPb

A Platz: Pb 2+ ersetzt durch La 3+ , Bi 3+

B Platz: Zr 4+, Ti 4+ ersetzt durch Sb 5+ , Nb 5+

Modifikation von PZT durch Donator-Dotierunghöhere Wertigkeit auf A- bzw. B-Platz

31y1

||

2Pb,2/1 ]O)Tir()[V ( -xyxx/x ZNbPb

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Polarisation

E-Feldstärke

remanente

Polarisation

Koerzitiv-

feldstärke

hartes PZT

weiches PZT

harte PZT-Keramiken:

hohe Koerzitivfeldstärke, stabil

d, e, tan d „klein“,

Q „groß“

weiche PZT-Keramiken:

kleine Koerzitivfeldstärke, weniger stabil

d, e, tan d „groß“,

Q „klein“

Ferroelektrisch harte und weiche PZT-Keramiken

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Perowskitstruktur, Gitterverzerrung

Perowskit-Struktur – tolerant gegenüber Variation der chemischen Zusammensetzung und Verzerrungen durch geänderte Ionenradien (elastische Deformation).

In Abhängigkeit von der Temperatur findet man Phasenübergänge, vor allem durch:

• Ionenverschiebung in Gitterpositionen mit reduzierter Symmetrie

• Kooperative Verschiebungen der Sauersoffoktaeder als gekoppelte Verkippung oder Rotation

1

2

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Perowskitstruktur, Toleranzfaktor t

Einführung durch Goldschmidt* auf Basis einer einfachen geometrischen Betrachtung

Würfel, Kantenlänge a, für Flächendiagonale gilt:

Als Toleranzfaktor wird definiert:

Dieser ist für einen Würfel = 1

ad 2

* V. M. Goldschmidt: Die Gesetze der Krystallochemie.. In: Die Naturwissenschaften. Nr. 21, 1926, S. 477-485.

d

a

2a

dt

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Perowskitstruktur, Toleranzfaktor t

„Kugelmodell“ , Darstellung der Gitterparameter durch Ionenradien

* V. M. Goldschmidt: Die Gesetze der Krystallochemie.. In: Die Naturwissenschaften. Nr. 21, 1926, S. 477-485.

A- Platz

B- Platz

OAaOA rrrrrd 2

12

1

)(2

2

OB

OA

OB

OA

rr

rrt

rra

rrd

a

dt

d

a

OBOBO rrrrra 2

12

1)(2

)(2

00

00

rrtrr

rrrr

BA

BA

ideal

real

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Stabilitätsbereich der Perowskitstruktur, Pb – haltige Perowskite

Toleranzfaktor t

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

Perowskitstruktur t = [0,8…1,06]

rhomboedrisch

tetragonal

morphotrop

Muller O, Roy R (1974) The Major Ternary Structural Families. Springer-Verlag, New York

Shrout TR, Halliyal A (1987) Preparation of lead-based ferroelectric relaxors for capacitors. Am. Ceram. Soc. Bull. 66: 714–711.

Eitel RE, Randall CA, Shrout TR, Rehrig PW, HackenbergerW, Park SE (2001) New high temperature morphotropic phase boundary piezoelectrics based on Bi(Me)O3-PbTiO3

ceramics. Jpn.J. Appl. Phys., 40(Pt 1): 5999–6002.

Toleranzfaktor

beschreibt, die

Verzerrung einer

Perowskitstruktur. Er

weist auf das

Auftreten struktureller

Modifikationen der EZ

hin:

Verzerrung

Rotation

Verkippung

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[A1x1,A

2x2 ... A

KxK] (B1

y1 , B2

y2 ... BLyL) O3 Ak Bl O3

Zusammenfassung: Bedingungen für die Perowskitbildung

1,05 0,8 )( 2

6,5,4,3,2 3,2,1

1 1

6

OB

OA

BA

1l

B

1

A

1

BBA

1

A

trr

rrt

nn

yx

nynx

L

l

K

k

k

L

l

llk

K

k

kBedingung elektrische Neutralität

Bedingung Stöchiometrie

Wertigkeitsstufen

Ionenradienbedingung

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Theoretische Vorhersage verschiedener Komplexperowskite durch Smolenski,Entwicklung eine großen Vielfalt an Verbindungen

Vorhersage: Komplexperowskite durch Mischkristallbildung

[A1x1,A

2x2 ... A

KxK] (B1

y1 , B2y2 ... B

LyL) O3 Ak Bl O3

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Bleifreie Piezokeramiken

Vermeidung von Blei in elektronischen Keramiken

Das System Bismutnatriumtitanat BNT-BT

Das System Kaliumnatriumniobat KNN

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Materialverbote, Ausnahmen

RoHS – Restriction of the use of certain hazardous substances

EU Directive 2011/65/EU RoHS II

zeitlich begrenzte Ausnahmen(Annexes II und IV): Pb in Piezokeramiken und Einkristallen sowieKondensatoren

derzeitiger Stand: Ausnahmenausgelaufen Mitte 2016, keineEntscheidung über Verlängerung

Allgemein

keine Ausnahme, wenn bleifreieAlternative vorhanden (zunehmendanwendungsspezifisch)

Ausnahmen jederzeit kündbar Verlängerung nur auf Antrag durch

Industrie

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Bleifreie Piezokeramiken

Alternative piezokeramische Systeme:

Wolfram-Bronzen

Bismutschichtverbindungen

Bismutnatriumtitanate (BNT)

Kaliumnatriumniobare (KNN)

Bariumtitanate (BT)

Hauptmängel:

• zu niedrige Curie-Temperatur

• zusätzliche Phasenübergänge

• geringe piezoelektrische Aktivität

• aufwändige und teure Herstellung

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Bleifreie Piezokeramiken

Zur Zeit aussichtsreiche piezokeramische Systeme für die

Kommerzialis ierung :

Bi0,5Na0,5TiO3 – BaTiO3 Familie -> BNT-BT

K0,5Na0,5NbO3 Familie -> KNN

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BNT-BT Bi0,5Na0,5TiO3-BaTiO3-Mischsystem

Morphotrope Phasengrenze vorhanden

Zwei charakteristische Temperaturen

Depolarisationstemperatur Td

Maximumtemperatur der Dielektrizitätszahl Tm

TEinsatz < Td => piezoelektrisches Verhalten

TEinsatz < Tm => „Giant Strain“, jedoch instabil

rhomboedrisch morphotrop tatragonal

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Ferroelektrische Phasen von PZT – Phasenkoexistenz W

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

PbTiO [Mol.- %]

Te

mp

era

tur

[°C

]

FT

F (HT)R

PC

a

3PTPZ

Phasenkoexistenzbereich

(MPB)

morphotrop

rhomboedrisch

tetragonal

rhomboedrisch morphotrop tatragonal

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BNT-BT Bi0,5Na0,5TiO3-BaTiO3-MischsystemPiezoelektrische Eigenschaften

Elektromechanische Kopplungsfaktoren:

kein signifikantes Maximum bei morphotroperZusammensetzung!

rhomboedrisch morphotrop tatragonal

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BNT-BT Bi0,5Na0,5TiO3-BaTiO3-Mischsystem

rhomboedrisch morphotrop tatragonal

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KNN K0,5Na0,5NbO3-System

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KNN K0,5Na0,5NbO3-System

Phasengrenze vorhanden

Positive Ergebnisse:

Toyota/Denso:

(Li,K,Na)(Nb,Ta,Sb)O3

d33= 300 pm/V

d33= 400 pm/V (texturiert)

TDK:

(Li,K,Na)(Nb,Ta)O3 + Ba(Nb,Ta)2O6+ (Mn,Zn)O

d33= 436 pm/V

Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K, Homma T, Nagaya T, Nakamura M

(2004) Lead free Piezoceramics. Nature 432:84–87

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KNN K0,5Na0,5NbO3-System

Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K, Homma T,

Nagaya T, Nakamura M (2004) Lead free Piezoceramics. Nature

432:84–87

Phasengrenze vorhanden

Positive Ergebnisse:

Toyota/Denso:

(Li,K,Na)(Nb,Ta,Sb)O3

d33= 300 pm/V

d33= 400 pm/V (texturiert)

TDK:

(Li,K,Na)(Nb,Ta)O3 + Ba(Nb,Ta)2O6+ (Mn,Zn)O

d33= 436 pm/V

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Warum Texturierung?

Domänenorientierungen im ungepolten, rhomboedrischen Kristall

Erlaubte Polarisationsrichtungen im E-Feld [oben 100, unten 110] und netto -Polarisation

E. Park et al, J Appl Phys 82 1802 (1997)

Kornorientierung - erhöht den Betrag der max.

Polarisation in Feldrichtung- Verbessert die piezoelektrischen

Eigenschaften - ausgeprägte Anisotropie

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Texturbildung

Herstellung geeigneter Template (Keime)

Anisotrope Form

Chemisch kompatibel zum Grundversatz

Einbringen in den Grundversatz und Orientierung

Geeignetes Grünformgebungsverfahren

Übertragung der Keimorientierung auf die polykristalline Matrix beim Sintern

Klärung des Wachstumsmechanismus

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Texturierung KNN K0,5Na0,5NbO3-System

Potassium-Sodium-Niobate : basic composition*:

(K0,44Na0,52Li 0,04)0,998Nb0,84Ta0,1Sb0,06O3

-> KNN

Potassium-Sodium-Niobate + Sodiumniobate (NaNbO3 ) seeds:

(K0,44Na0,52Li 0,04)0,998Nb0,84Ta0,1Sb0,06O3 + NN seeds

-> KNN - NN

* Juan Du, Jin-Feng Wang, Guo-Zhong Zang, Peng Qi, Shu-Jun Zhang, Thomas R. Shrout, “(Na0.52K0.04)Nb0.9-

xSbxTa0.1O3 Lead-Free Piezoelectric Ceramics with High Performance and High Curie Temperature”, Chin. Phys. Lett., vol.25, no. 4 (2008), p.1446

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Preparation of KNN ceramic

Dryed raw materials

Mixing

Drying

Calcination

Pressing pellets

Sintering

Electrode deposition

Na2CO3 / K2CO3 / Li2CO3/ Nb2O5 / Ta2O5 / Sb2O3

Isopropanol/6h/ZrO2 balls and bowls

Drying

800°C / 6h

10 mm diameter / 1,5mm thick

1125°C / 4h /O2 atmosphere

Electrode deposition

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Ceramic microstructure KNN

20 µm

KNN

atmosphere O2

density 4,5 g/cm3

er 1400-1500

tan δ 0,016

kp [%] 52

Ec 1,1 kV/mm

Pr 15 µC / cm2

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Preparation of NN seeds

Raw materials

Synthesis of Bi2.5Na3.5Nb5O18 –BNN5

Washing in hot water

Conversion of BNN5 to NaNbO3

(NN)

Washing in hot water

Removing of Bi2O3

Bi2O3 / Na2CO3 / NbO5 – NaCl melting agent

5Bi2O3+7Na2CO3+10Nb2O5=4Bi2.5Na3.5Nb5O18+7CO2

NaCl melt 6h/1125°C, Pt crucible

4Bi2.5Na3.5Nb5O18 + 3Na2CO3 = 20NaNbO3 + 5Bi2O3 + 3CO2

NaCl melt 6h/1125°C, Pt crucible

Reaction with diluted HNO3

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Preparation of NN seeds

Raw materials

Synthesis of Bi2.5Na3.5Nb5O18 –BNN5

Washing in hot water

Conversion of BNN5 to NaNbO3

(NN)

Washing in hot water

Removing of Bi2O3Lab technology : “kg”- scale

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Preparation of textured KNN-NN ceramics

Seed preparation

Slurry preparation:

KNN powder +NN seeds

Tape casting

Lamination

Cutting

Sintering

Green tape thickness < 50 µm, seeds aligned

1140°C / several hours / O2 atmosphere

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Preparation of textured KNN-NN ceramics

density 4,5 g/cm3

er 600 - 1000

tan d 5 %

(100) - texture

Results of XRD measurement showing clear [100] texture of the KNN-NN ceramics

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Ceramic microstructure KNN and KNN-NN

20 µm 20 µm

KNN - NNKNN

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Dehnung einer texturierten KNN-Keramik –deutliche Stabilisierung des Temperaturganges durch Textur

Ansteuerfeldstärke 2 kV/mm

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Bleifreie Piezokeramiken, aktuelle Themen

Reproduzierbare Herstellung:RohstoffeProzesstechnik

Verbesserte Kenndaten: DotierungDomänenengineeringTexturierung

Erkundung der Stabilitätsgrenzen als Funktion der Umgebungseinflüsse

Kostensenkung generell

Herstellung von Multilayer-Bauelementen (Stapelaktoren => Reduktion Ansteuerspannung)

Synthese von Dick- und Dünnschichten

KNN

BNBST 12-3

Raumtemperatur

150°C

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Ferroelektrische Einkristalle

Ferroelektrische Einkristalle – Warum?

Herstellung ferroelektrischer Einkristalle

Anwendungen

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Ferroelektrische Einkristalle - Warum?Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PT (PMN-PT) Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PT (PIN-PMN-PT)

S. E. Park and T. R. Shrout, “Ultrahigh Strain and Piezoelectric Behavior in Relaxor based Ferroelectric Single Crystals,” J. Appl. Phys., 82 (1997) 1804.

Einkristalled33 > 2000 pc/N

Einkristallek33 > 90%

Ausgewählte Kennwerte signifikant erhöht

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Ferroelektrische Einkristalle – Qualitätssprung in der medizinischen Diagnostik

Hoher Koppelfaktor erlaubt höhere Auflösung und höhere Durchdringung bei der Bildgebung

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Ferroelektrische Einkristalle – Qualitätssprung in der medizinischen Bilderfassung

Philips iU22 ultrasound system

Ultraschallwandler mit ferroelektrischen Einkristallen als Wandlerwerkstoff

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Herstellung ferroelektrischer Einkristalle

Abscheidung aus Hochtemperaturlösung (Flux)

Schmelzverfahren (z. B.: Bridgman)

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Herstellung ferroelektrischer Einkristalle

Festkörper-Rekristallisation (SSCG)

© Fraunhofer IKTS Seite 49Seite 49

Weitere Anwendungen

Hochempfindliche Beschleunigsmesser X-Pod Actuators

Ungekühlte IR Detektoren Piezotransformatoren hoher Leistung, 40 W

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Piezoelektrische Kompositwerkstoffe

Piezokomposite, Konnektivität

Technologien

© Fraunhofer IKTS Seite 51

Piezokomposite: Verbundwerkstoffe aus Piezokeramik und Kunststoffen

0-3 1-3 2-2 2-2

PbTiO3-POLYMER PZT FIBERS IN

POLYMER

TAPE - CAST PZT

MULTILAYERCANTILEVERS

PIEZORUBBER PZT SPAGHETTI PZT ACTUATOR PZT BIMORPHS

0 (0)-3 1 (0)-3 2(0)-2-2 2-0-2

PZT HOLLOW SPHERES PZT TUBULES IN

POLYMER

CAPPED PZT

MULTILAYERSPLIT BIMORPH

BB BUCKING BALLS PZT MACARONI PZT MOONIE PZT ZIG-ZAG

Quelle : R.E. Newnham

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Klassifizierung anhand Konnektivität

Definition

Dimensionszahl verbundener Phasen

Beispiel

Zweiphasenmaterial:

0 - 1

Dimensionszahl der Dimensionszahl der

aktiven Phase inaktiven Phase

Konnektivität für einen Komposit aus zwei Phasen

Prinzipiell existieren 16 strukturelle Verknüpfungen.

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Design

Werkstoff-auswahl

Formgebung

Sintern,Komposit

Elektroden,Packaging

Funktions-eigenschaften

HerstellungVollkeramik :

z.B. PZT 4

Piezokomposit :

1-3-Konnektivität

Volumenanteile

Stäbchenform

Stäbchengröße

Stäbchenverteilung

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„Dice & Fill“-Prozess

- Industriell eingeführt

- Stabilität der Werkstoffe begrenzt

Strukturfeinheiten auf ca. 20 µm

- Begrenzung für Ultraschallwandler auf < 25 MHz

- Probleme:Abplatzungen und Bruch

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„Soft Mold“-Prozess

MasterAnisotropic Silicon etching ASE

Schlicker

UrformPZT Pulver

Keramik-Grünkörper

Gesinterter Keramikkörper

weicheTransferform(Silikon)

200 µm

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„Soft Mold“-Prozess, keramische Strukturen

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„Arrange & Fill”-Prozess

Faserherstellung

Faserbündel

Infiltration

Kompositblock

Mechanische Bearbeitung

Wandlerelement

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Piezokeramische Fasern durch Spinnen

organics / solvent

binder

powder

Referenz: TITK e.V., Rudolstadt

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Piezokeramische Fasern durch Spinnen

Quelle : R.E. Newnham

gerade

Durchmesser : 250 µm

Länge : 150 mm

Keramik: kommerzielle

Werkstoffe

Piezokeramikfasern

Standardqualität

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„Arrange & Fill”-Prozess: 1-3-Piezofaserkomposite

Elementabstand : regulär nichtregulär

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Anwendungsbeispiele: Sensor- und Ultraschallwandlerhalbzeuge

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Piezocomposite Actuator Concept

AFC

(Bent, Hagood, et al, 1993-2000)

MFC

(NASA, 1997-2003)

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NASA-MFC: Fiber Sheet Manufacture

1. Ceramic wafer on

grip frame

Computer controlled dicing saw

3. Completed piezoceramic fiber sheet

2. Wafer and grip frame positioned for dicing

Diamond saw blade

(1 - 3 mil thick)

Piezoceramic wafer

(5 - 9 mil thick)

Polymer grip film

(5 mil thick)

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NASA-MFC: Assembly Procedure

a) Preparation of bottom electrode

film with epoxy adhesive.b) Placement of fiber sheet on

electrode film.

c) Fiber sheet and electrode film

after heat tacking.

d) Removal of polymer carrier film

from transferred piezoceramic fibers.

Macro-Fiber Composite (MFC) Actuator

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Literatur zur Vertiefung

Heywang, Lubitz, Wersing: Piezoelectricity – Evolution and Future of a Technology, Springer Series in Material Science 114, ISBN 978-3-540-68680-4

Safari, Akdogan: Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications , Springer (2008), ISBN 978-0-378-76538-9

Single-Crystal Piezoelectrics

material K3T (1kHz) k33 d33, pm/V d31, pm/V , g/cm

3 s33

E † s11

E s13

E s44

E

PZT-5A 1900 0.72 390 -190 7.8 18.8 16.4 -7.22 47.5

PZT-5H 3800 0.75 650 -320 7.8 20.7 16.5 -9.1 43.5

PMN-PT 7151 0.91 2285 -1063 8.05 86.5 59.7 -45.3 14.4 †elastic constants, s, 10

-12 m

2/N

MFC Piezoelectric Materials: Bulk Properties

(Refs.: Jaffe, Cook, Jaffe; CTS Wireless; Morgan-Matroc, TRS)

property dimension

Package active area width, wmfc 20 mm

Package active area length, lmfc 20 mm

Package maximum thickness, tmfc 290 m

Piezoelectric fiber thickness, tf 175 m

Piezoelectric fiber width, wf 350 m

Piezoelectric fiber spacing, kf 60 m

Interdigitated electrode gap, center-to-center, pe 530 m

Interdigitated electrode finger width, we 100 m

Interdigitated electrode thickness, tc 17.5 m

Electrode laminate acrylic adhesive thickness, ta 12.5 m

Polyimide outer electrode film thickness, tp 25 m

MFC Specimen Geometry