简述YCOB压电晶体的化学结构特性

高温环境对于压电石英晶体来讲,是很具备挑战性的,通常也被应用于汽车设备和基站发射基地等领域环境使用较广泛,这些设备设施领域需要使用到耐高温度的电子零件,从而保障系统的安全性,YCOB压电晶体是稀有的耐高压电灵敏度和温度稳定性的石英晶体,它早电路中的物理阻抗在高温下具有高电阻率,是温度传感器选择的适合电子元器件压电材料.

在迄今为止所研究的所有高温压电材料中,已经广泛研究了三角形,四角形和单斜晶系中的晶体谐振器,据报道,在这些材料中,具有3m对称性的三角形铌酸锂(LiNbO3,LN)晶体具有高压电系数,在室温下约为6-70 pC/N,约为商业α的3-30倍,然而,LN基压电器件的最高工作温度受到低电阻率的限制(要求>106Ohm·cm)用于比较,其中低电阻率的材料可用于高频应用)在高温下限制在<600°C,但居里温度高于1150°C ,然而,昂贵的组分Ga2O3限制了它们的其他工具.

表1总结了单斜晶,三角晶和四方晶系中各种高温压电晶体的基本特性,其中发现单斜晶ReCOB晶体具有相对高的熔点,以及相对大的压电系数,有希望的高温压电传感器应用,不同高温压电晶体的比较,LGS,La3Ga5SiO14,CTGS,Ca3TaGa3Si2O14,CTAS,Ca3TaAl 3Si2O14,SLG,SrLaGa3O7,CAS,Ca2Al2SiO7,BTS,Ba2TiSi2O8,ReCOB,ReCa4O(BO3)3.

通过高纯度(99.99％)CaCO3,Re2O3(Pr6O11)和H3BO3粉末制备ReCOB多晶材料,根据它们的名义成分对它们进行称重,考虑B的蒸发2?3晶体生长,过量的H的期间3BO3(1-3重量％)加入到该起始组分,这将有利于YCOB压电晶体生长{38,45,46}将原料完全混合,然后在约1000℃下煅烧5-10小时以分解H3BO3和CaCO3,然后将煅烧的粉末研磨,再混合,然后压成片剂,在1100-1200℃下制备ReCOB多晶组分10-20小时,固态反应遵循以下等式:Re 2O3+6H3BO3+8CaCO3=2ReCa4O(BO3)3+8CO2↑+9H2O↑.

不同的技术已被应用于ReCOB晶体生长,在ReCOB晶体研究的早期阶段,采用高温熔剂法进行晶体生长,选择合适的助熔剂(高温溶剂)至关重要,特别是对于具有不一致特征的石英晶体谐振器,Bridgman方法,也称为Bridgman-Stockbarger方法,涉及在高于其熔点的铂或铱坩埚中加热多晶材料,并从一端缓慢冷却,其中定向的晶种位于其中,坩埚以特殊设计的速度从高温区域转移到低温区域,沿着坩埚的长度逐渐形成单晶,图1显示了Bridgman生长系统的示意图.

在Cz牵引技术中,通常选择铱,铂,钼和石墨坩埚并在低中频射频炉中加热,特别是对于ReCOB晶体生长,由于其高熔点(~2450℃)和对原料的化学惰性,主要使用铱坩埚,图2给出了Cz牵引系统的示意图,YCOB和GdCOB单个晶体已经通过CZ法[生长27,33,49},将ReCOB材料熔化并保持在其各自熔点以上30-80℃超过10小时,以确保熔体的均匀性,选择<010>取向的晶种用于生长,这将有益于大直径晶体,据报道,所得到的压电石英晶体具有X射线衍射,具有非常低的半高全宽(FWHM)(~30“){51}和高光学均匀性(10-6){52},表现出高的晶体质量.

因此,由于石英晶体对称性存在三种不同的取向系统,包括晶体学,光学和物理系统,为了确定完整的弹性化一致性,设计了不同方向的压电晶体切口,对于压电传感器应用,可以使用各种具有不同压电振动模式的切割方式,包括纵向和剪切振动模式等,因此,有必要讨论具有高压电系数且无压电的俱佳晶体切割,对于理想的压电传感器,只有在沿其灵敏度轴加载时才需要输出电流电压.通过元器件结构设计可以减弱或减少串扰效应,通过使用晶体切割设计来实现最小化压电串扰对于提高传感器的精度期望.