[发明专利]压电晶体元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电晶体元件，属于晶体元件领域。

背景技术

当一些电介质晶体在外力的作用下发生变形时，它的某些表面上就会出现正负相反的极化电荷，这种没有电场的作用，只是由于应变或应力，在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应，又称压电效应。当对压电材料施加交变电场时，压电材料不但产生极化，还产生应变和应力。这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应。

压电器件大多是利用压电材料的正压电效应制成的，根据这一特性就可以用来测量力和能变换为力的非电物理量，如位移、压力、振动、加速度等。人们利用上述效应，制备成功各类压电器件，包括声学传感器(例如：噪音、振动、声音和超声波传感器)、力传感器、压力传感器、加速度传感器和惯性传感器等等，广泛应用于国民经济的各个领域。而压电执行器则是利用压电材料的逆压电效应而制成的，在电声和超声工程等领域中具有广泛的应用。

由于压电传感器基于压电效应制成，这就决定其不能应用于静态量的测量。这是因为外力作用后在压电材料中产生的电荷，只有在回路具有无限大的输入电阻时才能得到保存。

然而，实际的情况并不是这样的。比如一种具有较小电阻率的压电材料，由于受到外力作用而产生的电荷很快就会流动中和，不能被探测到。另外，电荷的保持时间与制作器件的压电材料(特别是在压电材料两表面涂覆电极形成三明治结构时)的时间常数RC之间具有比例关系。当测量回路的时间常数不大时，保存的电荷量十分有限，造成传感器不能很好的工作。此外，传感器最低的使用频率与时间常数成反比，因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。当某种材料的时间常数足够大，其工作的频率就可以很低，可以将传感器的动态响应频带拓宽到更长的波段。所以，对于大多数的应用大的时间常数是必需的。

但是这不能依靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的灵敏度与电容量是成反比的。切实可行的办法是通过提高测量回路的电阻率来提高传感器的灵敏度，也就是说采用具有大电阻率的材料来制作此类器件是十分必要的。

同时，大多数用来监测声波、振动、噪音信号的静态传感器和声学传感器等压电器件都在常温下使用。目前，这些器件大都采用铌酸锂晶体制作压电元件。

然而，在工业应用中，往往需要能够在高温下工作的压电器件。由于铌酸锂晶体电阻率低，其最高使用温度不超过650℃，所以极大的限制了其制作的压电器件的应用。

另一种相对常用的晶体是电气石，但是它价格昂贵、不易合成、且压电系数相对比较低，也不能广泛应用。而价格相对廉价的压电陶瓷材料，由于其居里温度较低，在高于居里温度时就失去了压电性能，不能作为压电器件的压电元件，且目前其应用温度最高不超过650℃。

综上所述，工业应用中十分迫切需要能够制作在高于650℃下使用的压电元件。

发明内容

为了解决上述问题，目标在于找到价格低廉，性能优异，且能制成晶体元件应用于高温环境中的压电晶体材料，本发明在对已有的压电材料进行了充分的调研基础上，利用第一性原理计算方法为理论指导来设计材料。

在对已有压电材料的调研中发现，大部分硅酸镓镧类压电晶体材料具有优异性能，但是都含有价格昂贵的Ga元素，且高温性能不理想，极大的限制了其在各领域中的广泛应用。针对上述现实，我们提出了用其他廉价的元素来替代昂贵的Ga元素，在不降低材料性能的前提下，以降低材料的成本。

然而，新材料的发现并不是简单的元素替换，过程是十分复杂和艰难的，需要大量的理论指导和实验。首先，元素替换后的新材料不一定能稳定存在。其次，元素替换后的新材料能稳定存在并不意味着能保持被替换前材料所具有的结构和性能。再次，即使能保持被替换前材料所具有的结构和性能，但是并不能保证元素替换后的新材料可以制备成晶体材料。

根据上述元素替换思路，本发明采用第一性原理方法预测Ga元素被替换后的新材料的稳定性和性能。最后对理论计算结果进行分析，选择性能优异的新材料进行固相合成，固相合成成功后再进行晶体的生长研究，直至获得设计的晶体材料。

通过大量的理论计算发现，当用廉价的Al元素代替十分昂贵的Ga元素后，晶体材料的成本大幅下降的同时，晶体的性能也有进一步的提高，特别是高温性能，且Al元素替换后的新材料能稳定存在。

根据理论计算结果，通过大量反复的实验探索，最终成功生长出按理论设计的新晶体材料。对生长出的新晶体材料进行性能测试，性能测试结果与理论计算结果十分接近，很好的论证了理论计算的正确性。

由上述机理性原因和大量的实验结果，引出：