一種硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材料及其生長方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種硼酸媽氧紀札高溫壓電晶體材料（YxGdpxCa 4O(BO3)3, X = 0. 1~ 〇. 9)以及其制備方法和在壓電領(lǐng)域的應(yīng)用，屬于晶體生長技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫壓電材料及傳感器件相比于光纖式和壓阻式傳感器件有高精度、快速響應(yīng)、 易于集成等優(yōu)點，在航空航天、石油勘測、核電能源領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。隨著我國科技 的發(fā)展特別是航空航天技術(shù)的發(fā)展，高溫壓電晶體及傳感器件（服役溫度范圍600~ IOO(TC)需求迫切。目前，獲得廣泛應(yīng)用的壓電晶體主要有石英（SiO2)、鈮酸鋰（LiNbO3)和 硅酸鎵鑭（La 3Ga5SiO14)等晶體。石英晶體雖然壓電系數(shù)較低但是頻率穩(wěn)定性能高，在常溫 范圍（-80~KKTC )內(nèi)應(yīng)用廣泛，但由于在高溫容易產(chǎn)生相變（573°C )，限制了其應(yīng)用的溫 度范圍。鈮酸鋰晶體居里點較高（~ll〇〇°C )但是在溫度達到600°C時，介電損耗急劇增 加，使用溫度很難超過600°C。硅酸鎵鑭（La3Ga 5SiO14)晶體報道是一類性能優(yōu)異的高溫壓 電材料，具有零頻率溫度系數(shù)切型，從室溫至其熔點（~1430°C )不發(fā)生相變，但是該晶體 高溫電阻不高（600°C時<106Ω · cm)，另外體系中成分昂貴（氧化鎵），生產(chǎn)成本很高。
[0003] 因此開發(fā)具有較高高溫電阻率、較高壓電常數(shù)及其溫度穩(wěn)定性且成本較為低廉的 高溫壓電晶體材料成為重要的研宄方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種新組份的高性能低成本硼酸鈣氧釔釓高溫 壓電晶體材料Y xGcUCa4O(BO3)3, (X = 0· 1~0· 9)，本發(fā)明的硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材 料具有較高壓電常數(shù)、較高電阻率及較高壓電性能溫度穩(wěn)定性。
[0005] 本發(fā)明的第二個目的是提供一種硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材料的生長方法。
[0006] 本發(fā)明的第三個目的是一種硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材料的的應(yīng)用。
[0007] 術(shù)語解釋及晶體定向原則：
[0008] (1)壓電晶體：具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的晶體，能夠在外力作用下產(chǎn)生形變，同時晶 體內(nèi)部的帶電質(zhì)點發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正、負束縛電荷，當外力消除后，正 負電荷消失，這樣的晶體稱為壓電晶體。
[0009] (2)壓電常數(shù)：壓電常數(shù)d12表示當晶片受到沿Y方向的應(yīng)力乂2后，在X軸方向的 電極面上產(chǎn)生極化電荷，相應(yīng)的極化強度分量為P 1，并且極化分量P1與應(yīng)力X 2成比例關(guān)系， 比例系數(shù)為d12，即P1= d 12X2。
[0010] 壓電常數(shù)d26表示當晶片受到切應(yīng)力X6作用時，在Y軸方向的電極面上產(chǎn)生極化 電荷，相應(yīng)的極化強度分量為P 2，并且極化分量P2與應(yīng)力X 6成比例關(guān)系，比例系數(shù)為d 26，即 - d 26-^6°
[0011] ⑶相對介電常數(shù)：介電常數(shù)ε τη表示在應(yīng)變?yōu)榱愕臈l件下，X方向電場強度變化 一個單位在X方向所引起的電位移的變化量，介電常數(shù)ε Τη與真空介電常數(shù)ε d勺比，稱為 相對介電常數(shù)ε τη/ε ^。同理，介電常數(shù)ετ22表示在應(yīng)變?yōu)榱愕臈l件下，Y方向電場強度變 化一個單位在Y方向所引起的電位移的變化量，介電常數(shù)εΤ22與真空介電常數(shù)的比值，稱 為相對介電常數(shù)ε τ22/ε(ι。同理相對介電常數(shù)ε V%。
[0012] (4)機電耦合系數(shù)：壓電晶片在振動過程中，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽驅(qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變 為機械能，這種表示能量相互變換的程度用機電耦合系數(shù)表示。
[0013] 橫向機電耦合系數(shù)k12:指壓電晶體長條片沿厚度方向X極化和電激勵，沿長度方 向Y產(chǎn)生伸縮振動的機電耦合效應(yīng)的參數(shù)。
[0014] 厚度切變機電耦合系數(shù)k26:指壓電晶體矩形片沿長度方向極化，激勵電場的方向 垂直于極化方向，作厚度切變振動時機電耦合效應(yīng)的參數(shù)。
[0015] (5) YxGcUCa4O (BO3) 3晶體壓電物理軸：Y XGcUCa4O (BO3) 3晶體的壓電物理軸Y平行 于結(jié)晶軸b，Z平行于結(jié)晶軸c，X與Y、Z軸相互垂直，遵循右手螺旋法則。物理軸X和Z的 正負方向遵循IEEE規(guī)定，由準靜態(tài)d 33測試儀確定。
[0016] 發(fā)明概述
[0017] 本發(fā)明基于對稀土鈣硼酸鹽構(gòu)型高溫壓電晶體的介電、彈性、機電耦合系數(shù)和壓 電常數(shù)的溫度依賴性研宄，設(shè)計并制備出了一種具有較高壓電常數(shù)、較高電阻率、較高壓電 性能溫度穩(wěn)定性的新組份的硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材料，化學(xué)式為Y xGdhCa4O(BO3)3, 簡寫為Y xGdhCOB，其中X = 0· 1~0· 9。利用本發(fā)明YxGdhCOB新晶體制作的壓電異形元 件，有效縱向壓電常數(shù)d33可達4. 5~6. OpC/N ;有效切變壓電常數(shù)d26可達8. 0~11. OpC/ N;高溫600°C時電阻率可達108D/cm，介電損耗低于5% ;室溫到900°C范圍內(nèi)壓電常數(shù)的 變化率低于5%。本發(fā)明新組份的YxGdhCOB晶體，可采用常規(guī)的提拉法或坩堝下降法生長 得到大尺寸優(yōu)質(zhì)單晶，生長工藝簡單，成本低廉。
[0018] 發(fā)明詳述
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0020] -種硼酸媽氧紀札高溫壓電晶體材料，化學(xué)式為YxGdhCa4(KBO 3)3, X = 0. 1~0. 9， 熔點1460°C，室溫到熔點無相變，具有非中心對稱結(jié)構(gòu)，屬于單斜晶系m點群，在該晶體中， 稀土釓和稀土釔相互占據(jù)彼此的格位，該晶體材料的結(jié)晶軸a軸與壓電物理軸X的夾角為 (a，X) = 11. 2°，結(jié)晶軸c軸與壓電物理軸Z的夾角為（c，Z) = 0° ;結(jié)晶軸b與壓電物理 軸Y平行，壓電物理軸X、Y和Z遵循右手螺旋法則。
[0021] 本發(fā)明優(yōu)選的，上述硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材料室溫下相對介電常數(shù)為 ε Τιι/ ε 0= 9 ~11，ε τ22/ ε 〇= 11 ~14，ε τ33/ ε〇= 9 ~11 ;壓電常數(shù)為 d12= 3.0 ~ 4. 5pC/N，d26= 8· 0 ~12. OpC/N ;機電耦合系數(shù)為 k12= 13. 0%~16. 0%，k26= 18. 0%~ 22. 0%。相對介電常數(shù)利用電橋法在IOkHz條件下測得，室溫下晶體的壓電常數(shù)用阻抗法 測算，機電耦合系數(shù)利用阻抗法測算。
[0022] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述的X = 0. 2~0. 45。經(jīng)過多次實驗證明，X取值0. 1~0. 9， 本發(fā)明得到的YxGdhCa4O(BO3)3晶體材料制作成不同外形的壓電振子，相對介電常數(shù)、機電 耦合系數(shù)和壓電常數(shù)較高，比YCa 4O (BO3) 3和GdCa 40 (BO3) 3晶體具有更高的壓電常數(shù)溫度穩(wěn) 定性，尤其當X取值〇. 2~0. 45,效果最優(yōu)。
[0023] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)稀土釔的百分比例X，形成化學(xué)式為YxGdhCa4O(BO 3)3的互熔體。
[0024] 上述硼酸鈣氧釔釓高溫壓電晶體材料的生長方法，包括多晶料的制備和提拉法晶 體生長，步驟如下：
[0025] (1)配料
[0026] 按照化學(xué)式Y(jié)xGcUCa4O (BO3) 3的化學(xué)計量比稱取CaCO 3或CaO、H 3B03或B 203、Y203或 Y2 (CO3) 3、Gd2O3或Gd 2 (CO3) 3,并使駛03或B 203過量1 %~3 %，以硼酸鈣氧釔釓晶體材料總 質(zhì)量計；然后混合均勻，得混合物料；
[0027] (2)制備多晶料
[0028] 將步驟（1)的混合物料于溫度950~1100°C恒溫6~20小時進行一次燒結(jié)，降溫 后，粉碎混合均勻，壓成料塊，于溫度為1150~1300°C恒溫10~20小時進行二次燒結(jié)，得 硼酸鈣氧釔釓多晶料；
[0029] (3)多晶料互熔化
[0030] 把步驟（2)得到的硼酸鈣氧釔釓多晶料加熱至全熔，然后將熔體過熱50~80°C， 恒溫I. 0~5. 0小時，得到互熔均勻的硼酸鈣氧釔釓高溫熔液，然后將硼酸鈣氧釔釓高溫熔