[发明专利]三硼酸铋晶体高温压电切型及其在高温压电领域的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种三硼酸铋（BiB₃O₆）的晶体切型及其应用，属于压电晶体技术应用领域。

背景技术

晶体受挤压或拉伸时两端会产生不同的电荷，这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。利用晶体的正压电效应可以研制成各类压电传感元器件，探测各类非电物理量，例如形变、位移、压力、压强、振动、加速度等；利用晶体的逆压电效应可以研制成各类压电执行器，在电声和超声技术领域有着广泛应用。随着石油探测工业的发展，迫切需要能在苛刻环境下（温度300～600℃）工作的超声探测传感元器件。要求压电材料特性包括：（1）较高的压电常数。压电常数越高，探测灵敏度越高；（2）较低的介电损耗。介电损耗越低，超声探测元件的能量损耗越低，产生的热量越少；（3）较高的压电和机电性能温度稳定性。温度稳定性越高，受外界温度的影响和干扰越低，传感元器件的精度就会越高。

目前国内外大多是采用压电陶瓷和压电晶体来制作超声探测器，如锆钛酸铅（PZT）、偏铌酸铅（PbNb₂O₆）和铌酸锂(LiNbO₃)。压电陶瓷材料虽然具有较高的压电系数（d₃₃=300～800pC/N，PbNb₂O₆的d₃₃=～70pC/N），但多数压电陶瓷在160～350℃区间存在居里相变（PbNb₂O₆居里温度约为530℃），且在该温度范围内老化行为较为严重，因此，难以满足高温下的使用要求。铌酸锂晶体虽具有较高的居里点（T_c=1170℃）,但压电常数偏低（d₃₃≈20pC/N）且压电性能的温度稳定性较差，室温到600℃范围内压电常数变化率高于-30%(Journal of Applied Physics,104,084103,2008)，不利于探测元器件的性能提高。其它可能的高温压电晶体，如硅酸镓镧（La₃Ga₅SiO₁₄,LGS）和磷酸镓（GaPO₄）晶体等，虽具有较高的熔点或相变点，但压电常数较低（d₃₃<6～7pC/N）且生长成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有高压电活性、高温度稳定性的（BiB₃O₆）晶体切型，该晶体切型可实现较宽温度范围内压电元器件的使用要求。

本发明还提供所述晶体切型在高温压电领域的应用。

术语解释：

1.压电效应：当一些电介质沿一定方向上受到外力的作用发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它可以恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生形变，电场去掉后，电介质的形变随之消失，这种现象称为逆压电效应。

2.压电常数：表征压电材料力学参量（应力、应变）与电学参量（电荷、电位移）之间耦合关系的参数，可分为压电应力常数和压电应变常数。本文压电常数为压电应变常数的简称，涉及BiB₃O₆晶体8个独立的压电常数：长度伸缩振动模式对应的压电常数d₂₁、d₂₃，纵向伸缩振动模式对应的压电常数d₂₂，面切变和厚度切变振动模式对应的压电常数d₁₄、d₁₆、d₂₅、d₃₄和d₃₆。

3.晶片切型符号说明：晶片切型符号包括一组字母和角度，符号的前两个字母是坐标轴X、Y、Z中的两个，第一个字母表示旋转前晶片的厚度方向，第二个字母表示旋转前晶片的长度方向。例如YX切型，表示晶片的厚度为Y方向，长度为X方向。晶片切型符号中的其余字母表示晶片的旋转轴，绕厚度旋转记为t，绕长度旋转记为l，绕宽度旋转记为w；绕X轴旋转一定角度记为α，绕Y轴旋转一定角度记为β，绕Z轴旋转一定角度记为γ。旋转方式遵循右手螺旋法则。

例如(ZXtw)γ/β切型，含义是厚度方向为Z，长度方向为X的晶片，以厚度t方向（即Z方向）为旋转轴转动γ角度，然后以宽度w方向（即Y方向）为旋转轴转动β角度制成切型，旋转方式遵循右手螺旋法则。