一种高温压电陶瓷传感器制造技术

一种高温压电陶瓷传感器，本发明专利技术涉及压电陶瓷传感器领域。本发明专利技术可解决现有压电传感器工作温度低，使用范围有局限性的技术问题。传感器采用的陶瓷材料是通式为[Bi2O2][Am‑1BmMxO3m+1]的陶瓷体，其中A是单价离子、二价离子和三价离子中的一种或其中几种的组合，B是过渡元素，M是Fe

A High Temperature Piezoelectric Ceramic Sensor

The invention relates to a high temperature piezoelectric ceramic sensor, which relates to the field of piezoelectric ceramic sensors. The invention can solve the technical problems of low working temperature and limited application range of the existing piezoelectric sensor. The ceramic material used in the sensor is a ceramic body with a general formula of [Bi2O2] [Am_1BmMxO3m+1]. Among them, A is one or several combinations of univalent ions, divalent ions and trivalent ions, B is a transition element and M is Fe.

【技术实现步骤摘要】
一种高温压电陶瓷传感器
本专利技术涉及陶瓷传感器领域。
技术介绍
目前压电传感器主要使用石英晶体和多晶材料，如钛酸锆铅(PZT)陶瓷等材料制作压电元件。然而，这些压电材料不适合在高温下使用。由这些材料制成的压电传感器的最大工作温度受到材料的相变温度和居里温度Tc的限制。例如，目前基于石英的压电传感器由于在较高温度下的相变，其工作温度仅在150℃左右。PZT陶瓷的Tc为300℃，该种传感器的工作温度限制在200℃以内；钛酸铋陶瓷的Tc为650℃，该种传感器只能在450℃以内的温度环境下工作。越来越多的燃气发动机和武器平台将在更高的温度下工作，并且由于缺乏可以在高温环境下工作的传感器，不得不在传感器和热源的隔离上投入大量的设计。因此，需要具有更高工作温度范围的压电传感器，其可以用于测量加速度和压力等物理量，以提高燃料的效率、减轻整体的重量并降低制造成本。如果传感器内的压电元件具有低的电阻率，压电元件产生的电荷将会迅速耗尽，从而对电荷的检测造成不利影响。因此，特别是对于低频应用来说，需要压电元件具有较高的电阻率。所以，目前采用陶瓷元件的压电传感器需要做出改进。
技术实现思路
本专利技术要解决现有压电传感器工作温度低，使用范围有局限性的技术问题，而提供一种高温压电陶瓷传感器。一种高温压电陶瓷传感器，该传感器采用的陶瓷材料是通式为[Bi2O2][Am-1BmMxO3m+1]的陶瓷体，其中m＝2，A是单价离子、二价离子和三价离子中的一种或其中几种的组合，B是过渡元素，M是Fe3+、Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+和Mo6+中的一种或其中几种的组合，x＝0～0.15。该陶瓷体为BLSP陶瓷，x代表M的掺杂浓度。该传感器包括壳体、隔膜、陶瓷材料和连接器，其中隔膜与壳体耦合，陶瓷材料连接到隔膜上，连接器将陶瓷材料与电流源连接。所述[Bi2O2][Am-1BmMxO3m+1]陶瓷体的制备方法按以下步骤进行：一、称取Bi2O3、A源化合物、B源化合物和M源掺杂剂；二、将步骤一称取的Bi2O3、A源化合物、B源化合物和M源掺杂剂放入球磨罐中，搅拌2.0～8.0h，然后放入氧化铝坩埚中，煅烧，得到预制粉末，然后采用X-射线衍射仪进行检测，确认形成BLSP相后，留存预制粉末备用；三、将步骤二得到的预制粉末与粘结剂聚合物混合，然后干燥，得到复合材料；四、将步骤三得到的复合材料放入模具中，压制成型，然后烧结，得到所述[Bi2O2][Am-1BmMxO3m+1]陶瓷体。进一步，所述传感器的陶瓷材料为CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体，其中M为W和Mo中的一种或两种的组合。进一步，所述传感器的陶瓷材料为CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体的制备方法具体按以下步骤进行：一、按质量份数称取1397.9份Bi2O3、300.3份CaCO3、797.4份Nb2O5和0～69.6份M源掺杂剂；二、将步骤一称取的Bi2O3、CaCO3、Nb2O5和M源掺杂剂放入球磨罐中，搅拌2.0～8.0h，然后放入氧化铝坩埚中，煅烧，得到预制粉末，然后采用X-射线衍射仪进行检测，确认形成BLSP相后，留存预制粉末备用；三、将步骤二得到的预制粉末与粘结剂聚合物混合，然后干燥，得到复合材料；四、将步骤三得到的复合材料放入模具中，压制成型，然后烧结，得到所述CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体。采用本专利技术制备的CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体组装用于测量在高温下的振动和加速度的传感器的方法如下：陶瓷部件或其堆栈用柱子安装在晶体支撑件上，由高温金属和合金制成的质量被带到堆栈的顶部，然后用螺母固定，螺母也由高温金属和合金制成。在陶瓷部件或其堆的底部和顶部都设置绝缘体，以隔离陶瓷部件和晶体支撑或质量块。垫片用于补偿陶瓷部件或其堆叠和金属柱之间的膨胀失配。预加载被施加到包以允许适当的灵敏度输出。将这样获得的子组件放入金属外壳中，然后密封，形成传感器封装。封装中使用的所有金属部件都是由高温金属或合金制成。用本专利技术制备的CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体组装用于测量在高温下的力和压力的传感器的方法如下：陶瓷部件或它们的堆栈安装在晶体支架上，然后用螺母固定。在陶瓷部件或其堆栈的底部和顶部都设置绝缘体，以隔离陶瓷部件和晶体支撑或质量块。垫片用于补偿陶瓷部件或其叠层和晶体支架之间的膨胀失配。预加载被施加到包以允许适当的灵敏度输出。将如此获得的组件放入金属外壳中，用金属制成的盖子与陶瓷部件或其堆栈的顶部紧密接触，然后密封以形成传感器封装。金属盖的背面暴露于外部大气，使得传感器能够感知压力和力。所有用于封装的金属部件都是由高温金属或合金制成。本专利技术的有益效果是：本专利技术开发了制造陶瓷材料的方法。本专利技术的多晶陶瓷使用适当量的氧化物和/或碳酸盐的固相反应来制备具有BLSP结构的粉末。Bi2O3、TiO2、Nb2O5、CaCO3、Ta2O5、WO3、MoO3通过湿式或干式球磨或高能机械化学研磨进行称重和紧密混合。这种混合之后是煅烧，煅烧是阳离子和阴离子相互扩散以获得所需BLSP相的热过程，可用X射线衍射法测定BLSP的相。煅烧的粉末随后被碾磨以增强粉末的压电性能，并压制成具有特定尺寸的所需形状的陶瓷部件。陶瓷部件被烧结以致密化、研磨或精细研磨、涂覆电极，然后暴露于达到最大极化所需的直流电场，即多晶结构的极的最大对准，从而得到最佳的压电性能。多晶[Bi2O2][Am-1BmO3m+1](m＝2)陶瓷具有很高的居里温度(＞900℃)和良好的加工性能，施主掺杂可以大大改善其压电响应和电阻率。因此，将其作为压电材料，并由其制成的传感器能够满足对压力和加速度进行高温动态测量的需要。经测定，陶瓷的压电系数为3.5～10.2pC/N。陶瓷材料的居里温度为900～940℃。加速度传感器的谐振频率高达20000Hz，带宽为±1dB时的谐振频率高达6000Hz。加速度传感器的复位频率不高于5％。传感器可以在高达800℃的温度下工作，热偏差不大于10％。传感器的振动灵敏度不大于0.05pC/g。传感器可以在最高温度为800℃的环境下工作。本专利技术的可以通过掺杂来改变压电电荷系数和电阻率。例如，对于x＝0(无掺杂)，CaBi2Nb2-xMxO9的压电电荷系数d33仅为3.5pC/N，而对于x＝0.02，d33将增加到10pC/N以上。本专利技术的可以提高陶瓷的电阻率。例如，在500℃下，CaBi2Nb2-xMxO9的电阻率从x＝0时的105Ω·cm增加到x＝0.02时的107Ω·cm。本专利技术所述传感器用于在高温下测量加速度和压力等物理量。附图说明图1为具体实施方式一所述的传感器的示意图，其中12代表壳体，14代表隔膜，16代表陶瓷材料，18代表连接器；1代表电流源；图2为具体实施方式三所述的传感器子组件的示意图；图3为实施例一制备的CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体的d33与退火温度变化曲线图；其中▼代表x＝0.02，■代表x＝0；图4为实施例一制备的CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体的d33与M掺杂浓度的关系图；图5为实施例一制备的CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体中M掺杂浓度与电阻率的关系图；其中其中▼代表x＝0.02，■代表x＝0；图6为采用实施例一制备的CaBi2Nb2-xMxO9陶瓷体组装加速度传感器的侧视图，图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温压电陶瓷传感器，其特征在于该传感器采用的陶瓷材料是通式为[Bi2O2][Am‑1BmMxO3m+1]的陶瓷体，其中m＝2，A是单价离子、二价离子和三价离子中的一种或其中几种的组合，B是过渡元素，M是Fe3+、Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+和Mo6+中的一种或其中几种的组合，x＝0～0.15。

【技术特征摘要】
1.一种高温压电陶瓷传感器，其特征在于该传感器采用的陶瓷材料是通式为[Bi2O2][Am-1BmMxO3m+1]的陶瓷体，其中m＝2，A是单价离子、二价离子和三价离子中的一种或其中几种的组合，B是过渡元素，M是Fe3+、Ti4+、Nb5+、Ta5+、W6+和Mo6+中的一种或其中几种的组合，x＝0～0.15。2.根据权利要求1所述的一种高温压电陶瓷传感器，其特征在于该传感器包括壳体12、隔膜14、陶瓷材料16和连接器18，其中隔膜14与壳体12耦合，陶瓷材料16连接到隔膜14上，连接器18将陶瓷材料16与电流源连接。3.一种高温压电陶瓷传感器，其特征在于所述[Bi2O2][Am-1BmMxO3m+1]陶瓷体的制备方法按以下步骤进行：一、称取Bi2O3、A源化合物、B源化合物和M源掺杂剂；二、将步骤一称取的Bi2O3、A源化合物、B源化合物和M源掺杂剂放入球磨罐中，搅拌2.0～8.0h，然后放入氧化铝坩埚中，煅烧，得到预制粉末，然后采用X-射线衍射仪进行检测，确认形成BLSP相后，留存预制粉末备用；三、将步骤二得到的预制粉末与粘结剂聚合物混合，然后干燥，得到复合材料；四、将步骤三得到的复合材料放入模具中，压制成型，然后烧结，得到所述[Bi2O2][Am-1BmMxO3m+1]陶瓷体。4.根据权利要求1所述的一种高温压电陶瓷传感器，其特征在于该传感器采用的陶瓷材料是通式为CaBi2Nb2-xMxO9的陶瓷体，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐兴烨，宋尔冬，邵志强，王辉，孙立凯，桂永雷，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十九研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23