一种硅酸铋晶体压电切型及其应用

本发明涉及压电晶体及压电传感，尤其涉及一种硅酸铋晶体压电切型及其应用。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、压电材料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。利用压电材料的压电效应可以研制成各类压电传感器件，检测形变、位移、振动和加速度等各类非电物理量。随着航空航天、石油勘测、化学工业和能源等领域的快速发展，迫切需要能在极端环境下(>500℃)服役的高温压电振动加速度计元器件。要求压电敏感元件特性包括：(1)较高的压电系数。压电系数越高，元器件输出灵敏度越高；(2)良好的压电性能温度稳定性。温度稳定性越高，元器件的精度越高；(3)低压电振动模式耦合。压电振动模式越单一，元器件的噪声和横向灵敏度越小；(4)无热释电效应，降低额外电荷干扰。(5)低成本，易于大批量生产。

3、目前国内外大多数采用压电陶瓷和压电晶体来制备压电振动加速度计。压电陶瓷材料虽然具有较高的压电活性(deff>200pc/n)，但居里温度较低，且高温下易退极化，很难满足高温下的应用要求。相比而言，压电晶体具有高的居里温度和高的性能均一性，成为高温压电领域的首选材料。

4、目前已开发的压电晶体及其压电切型，虽具有良好的耐高温性能，但综合性能仍不够理想。例如，铌酸锂晶体虽具有较高的居里温度(～1070℃)和高的压电系数(d15≈65pc/n)，但存在多畴结构，高温下性能显著降低，且很难获得单一压电振动模态的晶体切型；硅酸镓镧系列晶体具有较高的熔点(～1400℃)且良好的温度稳定性，但其压电系数偏低(deff＝～8pc/n)，而且含有ga元素，生产成本高昂；ba2tisi2o8晶体具有高的熔点(～1500℃)和较高的压电活性(deff＝～18pc/n)，且生产成本低廉，但该晶体存在无公度相变(～160℃)，限制了其元器件的温度应用范围；reca4o(bo3)3系列晶体具有优异的温度稳定性和较高的压电活性(deff＝～15pc/n)，但该系列晶体属于单斜晶系m点群，对称性低且存在热释电效应干扰，也无法获得单一压电振动模式的晶体切型。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种硅酸铋晶体压电切型及其应用。所述硅酸铋晶体压电切型具有高的压电系数、良好的压电性能温度稳定性和低压电振动模式耦合，可作为高温压电振动加速度计的敏感元件。除此之外，硅酸铋晶体属于立方晶系23点群，无热释电效应，且该晶体原料成本低廉以及易获得大尺寸优质单晶。

2、术语说明

3、bi12sio20晶体的压电物理坐标轴x、y和z轴分别平行于晶体学坐标轴[100]、[010]和[001]的结晶学方向，x轴与y、z轴相互垂直，且遵循右手螺旋法则。

4、晶片切型符号说明：切型符号表示晶片切割方位的一种符号，它包含一组字母和角度。符号的前两个字母表示晶片的原始方位，第一个字母(x或y或z)表示晶片在原始方位时的厚度方向，第二个字母表示晶片在原始方位时的长度方向。比如xy切型，表示晶片在原始方位时的厚度和长度方向分别为x轴和y轴方向。切型符号中的其余字母表示作为旋转轴的晶片棱边，根据第一次旋转是沿厚度、长度或宽度方向，符号的第一个字母选用t、l或w表示。沿着x轴旋转一定角度选用α表示，沿着y轴旋转一定角度选用β表示，沿着z轴旋转一定角度选用γ表示。如果只需要一次旋转绕，则切型符号只有三个字母，如(xyt)α。如果需要第二次旋转，可根据同样的法则选用第四个字母，如(xytl)α/β。

5、xy切型：在物理坐标轴中厚度沿着x方向、长度沿着y方向切割的晶片；

6、yz切型：在物理坐标轴中厚度沿着y方向、长度沿着z方向切割的晶片；

7、xz切型：在物理坐标轴中厚度沿着x方向、长度沿着z方向切割的晶片；

8、zy切型：在物理坐标轴中厚度沿着z方向、长度沿着y方向切割的晶片。

9、第一方面，本发明提供了一种硅酸铋晶体压电切型，所述硅酸铋晶体的化学式为bi12sio20，结晶于立方晶系，物理坐标轴x、y和z轴分别平行于晶体学坐标轴a、b和c轴，物理学坐标轴x、y和z轴相互垂直并遵循右手螺旋法则；晶片样品的厚度、长度和宽度方向分别记为t、l和w；所述压电切型选自以下任一种：

10、(a)(xytl)α/β切型：将xy切型晶片先沿着x轴旋转α角度，然后沿着y轴旋转β角度，40°≤α≤50°，50°≤β≤60°，纵向伸缩振动模式d11>25pc/n；

11、(b)(yztl)β/γ切型：将yz切型晶片先沿着y轴旋转β角度，然后沿着z轴旋转γ角度，40°≤β≤50°，50°≤γ≤60°，纵向伸缩振动模式d22>25pc/n；

12、(c)(xzl)γ切型：将xz切型晶片沿着z轴旋转γ角度，40°≤γ≤50°，厚度切变振动模式d15>45pc/n；

13、(d)(zyl)β切型：将zy切型晶片沿着y轴旋转β角度，40°≤β≤50°，厚度切变振动模式d34>45pc/n。

14、选项(a)和选项(b)的压电切型属于纵向伸缩振动模式的晶体切型，选项(c)和选项(d)的压电切型属于厚度切变振动模式的晶体切型。

15、优选的，所述选项(a)中，α＝45°，β＝55°，纵向伸缩振动模式d11＝27.3pc/n。

16、优选的，所述选项(b)中，β＝45°，γ＝55°，纵向伸缩振动模式d22＝27.3pc/n。

17、优选的，所述选项(c)中，γ＝45°，厚度切变振动模式d15＝47.2pc/n。

18、优选的，所述选项(d)中，β＝45°，厚度切变振动模式d34＝47.2pc/n。

19、优选的，将所述(xytl)α/β切型或(yztl)β/γ切型加工成圆环形晶片。

20、优选的，将所述(xzl)γ切型或(zyl)β切型加工成方片异形状晶片，所述方片异形状为中间具有圆孔的方片。本发明所述的压电切型晶片的形状不限于此。

21、第二方面，本发明提供了上述硅酸铋晶体压电切型的应用，所述应用为将所述硅酸铋晶体压电切型应用于高温压电振动传感领域。

22、优选的，所述应用为将所述硅酸铋晶体压电切型用于压缩式或剪切式高温压电振动加速度计元器件中。进一步优选的，所述压缩式或剪切式高温压电振动加速度计元器件在25～650℃温度范围内的输出灵敏度变化率为5～8％。

23、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

24、(1)本发明提供的硅酸铋晶体压电切型具有高的压电系数和良好的压电性能温度稳定性，以其设计的压电加速度传感器原型器件灵敏度高，且在25～650℃温度范围内实现了稳定的信号输出，变化率低，在高温压电传感技术领域具有明朗的应用前景。

25、(2)本发明提供的硅酸铋晶体压电切型具有低的压电振动模式耦合，有效地降低了元器件的噪声和横向灵敏度。

26、(3)本发明提供的硅酸铋晶体压电切型无热释电效应，且晶片原料成本低廉，加工方法简单，特别是厚度切变振动模态晶体切型，只需绕y轴或z轴旋转一次即可直接加工出最优晶体切型，样品制备简便，易大批量制备。