一种硅酸钛钡压电晶体切型及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种硅酸钛钡压电晶体切型，所述的硅酸钛钡压电晶体切型为任意沿偏离Z轴θ角切割即可获得具有较高压电常数和线性的热膨胀系数的切型，记为(θ，ψ)，其中45°≤θ≤50°，‑180°≤ψ≤180°。该切型在室温到500℃范围内，线性热膨胀系数为8.0‑8.2ppm/℃，有效压电常数d

【技术实现步骤摘要】
一种硅酸钛钡压电晶体切型及其应用
本专利技术涉及一种硅酸钛钡压电晶体切型及其应用，属于压电晶体应用

技术介绍
由高温压电晶体材料研制的压电振动传感器、压力传感器、加速度传感器、换能器、谐振器等，在航空航天、核电系统、石油勘测、燃动机在线监测等领域有着重要应用。目前开发了多种高温压电晶体材料，但综合性能仍然存在一定的不足。铌酸锂晶体具有较高的纵向压电常数(d22＝21pC/N)和机电耦合系数(keff＝60％)，但该晶体材料在高温300℃时物理化学性质不稳定，电阻率显著降低，最高使用温度不超过600℃，高温稳定性差。硅酸镓镧晶体有较高压电常数(d11＝5～7pC/N)和较高的电阻率(104～105Ω·cm@600℃)，但晶体无序结构的存在使得该晶体在高温下损耗增大，压电性能稳定性变差。此外，硅酸镓镧系列晶体中Ga元素含量较高，成本较高，不利于后期大批量生产制备。稀土钙硼酸盐晶体是最近几年发展的高温压电晶体材料，该类晶体具有与硅酸镓镧系列晶体相近的有效压电常数(d33＝6～7pC/N)，较高的高温电阻率(～108Ω·cm@600℃)，然而受晶体对称性影响，该类晶体存在热释电效应，需要在高温应用中考虑热释电对压电信号的干扰。(参见ShujunZhangandFapengYu,Piezoelectricmaterialsforhightemperaturesensors,J.Am.Ceram.Soc.94(2011)3153-3170.)硅酸钛钡(Ba2TiSi2O8，BTS)也是一种具有潜在应用前景的高温压电晶体材料，可采用提拉法生长获得。该晶体有效压电常数d33为～6pC/N，电阻率在600℃时可达到109Ω·cm(Z方向)。然而，该晶体在170℃左右存在无公度相变，晶体和热膨胀和电弹参数在该温度附近存在拐点，性能稳定性不高。(参见C.Shen,H.Zhang,H.Cong,H.Yu,J.Wang,S.Zhang,InvestigationsonthethermalandpiezoelectricpropertiesoffresnoiteBa2TiSi2O8singlecrystals,J.Appl.Phys.116(2014)044106；S.Cao,B.Jiang,Y.Zheng,X.Tu,K.Xiong,P.Gao,E.Shi,Thegrowthandthermal,electricalpropertiescharacterizationofBa2TiSi2O8piezoelectriccrystal,J.Cryst.Growth451(2016)207-213.)对硅酸钛钡晶体进行热膨胀测试，硅酸钛钡晶体热膨胀结果如图1所示，通过图1可以看出，晶体沿X轴跟Z轴的热膨胀在无公度相变温度(约为180℃)之前各向异性比较小，基本成一条直线，但在180℃之后，晶体的热膨胀系数α11与α33分别为2.3ppm/℃和15ppm/℃，呈现出很强的各向异性，限制了其在压电传感器件方面的应用。对于高温压电传感器来讲，压电性能的稳定性以及热膨胀的线性对于器件整体而言至关重要。研究表明，传感器件在热循环负载作用下失效的主要原因是由于封装器件内部各构件热膨胀系数的不匹配，在温变条件下产生一定的热应力。(参见张宇，杨雪霞，赵振东等。焊点形状对焊点可靠性的影响[EB/OL].中国科技论文在线，http://www.paper.edu.cn.)。因此，如果使压电灵敏元件的热膨胀与封装用结构材料的热膨胀(如绝缘陶瓷，典型热膨胀系数～8ppm/℃)等保持一致，可以避免高温应用过程中由于热膨胀的不匹配造成灵敏元件的破裂损坏。要开发硅酸钛钡晶体在高温压电传感器件领域中的应用，必须克服该晶体在170℃附近的无公度相变对材料性能的影响，同时解决热膨胀的线性及与封装结构材料的热膨胀匹配性问题。
技术实现思路
为解决硅酸钛钡晶体在170℃附近的无公度相变对材料性能的影响的问题，本专利技术提供一种硅酸钛钡压电晶体切型及其应用，该切型不仅具有较高压电常数和压电常数温度稳定性，而且具有优异的热膨胀线性及热膨胀匹配性(与氧化铝陶瓷材料匹配)，在压电传感器件方面有较大的应用价值。术语说明1、热膨胀系数：晶体的温度发生变化时所产生的应变现象称为热膨胀，热膨胀具有各向异性，与晶体对称性有关。2、有效压电常数：晶体绕压电物理轴X-Y-Z坐标系某一个轴旋转后测得的压电常数，成为有效压电常数，记作d*。3、欧拉坐标系：欧拉角是用来确定定点转动物体位置的三个一组的独立的角参量，欧拉角由章动角θ、进动角ψ和自转角组成，如图2所示。本专利技术的切型方向用参考欧拉角表示，记作(θ，ψ，)。对于自转角为零的方向，简写为(θ，ψ)，亦即方向矢量K与Z轴夹角成θ度，其投影在Z-O-Y平面内的方向矢量与X轴成ψ角度。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种硅酸钛钡压电晶体切型，对于四方晶系硅酸钛钡晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，晶体压电系数d33数值为正的方向为+Z轴，数值为负的方向为-Z轴，确定出硅酸钛钡晶体的Z轴方向，所述的硅酸钛钡压电晶体切型为任意沿偏离Z轴θ角切割即可获得具有较高压电常数和线性的热膨胀系数的切型，记为(θ，ψ)，其中-180°≤ψ≤180°。本专利技术优选的一个方案，所述θ角为40°≤θ≤50°，晶体有效热膨胀系数α*33介于7.5～8.5ppm/℃之间，有效压电常数d*33>7.0pC/N。本专利技术优选的一个方案，所述θ角为45°≤θ≤50°，晶体的有效热膨胀系数α*33介于8.0～8.2ppm/℃之间，有效压电常数d*33>8.0pC/N。本专利技术优选的一个方案，所述θ角为45°≤θ≤48°，晶体的有效热膨胀系数α*33达到～8.0ppm/℃，有效压电常数d*33>8.5pC/N。本专利技术最为优选的一个方案，所述θ角为46°，晶体的有效热膨胀系数α*33达到8.03ppm/℃，有效压电常数d*33为8.8pC/N。本专利技术硅酸钛钡晶体的最佳压电晶体切型，具有较大压电系数和优异的线性热膨胀系数，该切型可用于压缩式压电振动传感器、压力传感器和压电加速度传感器件，在室温到650℃范围内具有良好的压电性能温度稳定性。本专利技术硅酸钛钡晶体Z轴方向的确定，可参阅美国电子电器工程师协会(IEEE)关于压电材料的有关规定，为本领域公知常识。本专利技术的第二个目的是提供一种硅酸钛钡压电晶体切型的应用。一种硅酸钛钡压电晶体切型的应用，应用于高温压电领域，用于压缩式压电振动传感器、压力传感器和压电加速度传感器件，稳定工作温度为20～650℃。本专利技术优选的一个方案，作为压电元器件应用的具体方法如下：在硅酸钛钡晶体切型(θ，ψ)方向端面上镀铂金电极，电极厚度为200-220nm，利用有效压电常数d*33激发的纵向伸缩振动模式，在室温到650℃下压电常数d*33的变化率可控制在13％以内。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术的硅酸钛钡压电晶体切型，具有优异的热膨胀线性及热膨胀匹配性，在室温到650℃范围内可克服无公度相变对材料性能的影响，获得线性热膨胀系数(8.0～8.2ppm/℃)，热膨胀系数大小与氧化铝(热膨胀系数～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅酸钛钡压电晶体切型，对于四方晶系硅酸钛钡晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，晶体压电系数d33数值为正的方向为+Z轴，数值为负的方向为‑Z轴，确定出硅酸钛钡晶体的Z轴方向，所述的硅酸钛钡压电晶体切型为任意沿偏离Z轴θ角切割即可获得具有较高压电常数和线性的热膨胀系数的切型，记为(θ，ψ)，其中‑180°≤ψ≤180°。

【技术特征摘要】
1.一种硅酸钛钡压电晶体切型，对于四方晶系硅酸钛钡晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，晶体压电系数d33数值为正的方向为+Z轴，数值为负的方向为-Z轴，确定出硅酸钛钡晶体的Z轴方向，所述的硅酸钛钡压电晶体切型为任意沿偏离Z轴θ角切割即可获得具有较高压电常数和线性的热膨胀系数的切型，记为(θ，ψ)，其中-180°≤ψ≤180°。2.根据权利要求1所述的硅酸钛钡压电晶体切型，其特征在于，所述θ角为40°≤θ≤50°，晶体有效热膨胀系数α*33介于7.5～8.5ppm/℃之间，有效压电常数d*33>7.0pC/N。3.根据权利要求1所述的硅酸钛钡压电晶体切型，其特征在于，所述θ角为45°≤θ≤50°，晶体的有效热膨胀系数α*33介于8...

【专利技术属性】
技术研发人员：于法鹏，姜超，陈菲菲，程秀凤，张树君，赵显，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37