CN115124016A - 一种稀土磷酸盐晶体压电切型及其在高温传感领域中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稀土磷酸盐晶体的压电切型及其在高温传感领域中的应用，所述稀土磷酸盐晶体的压电切型兼具高压电活性和低串扰响应特征，同时具有良好的温度稳定性，有利于提高压电传感器件的灵敏度。本发明的压电加速度传感器在25‑650℃温度范围内实现了较为稳定的信号输出，在压电传感技术领域具有明朗的应用前景。本发明所提出的具有最优切变振动模态晶体切型，加工方法简单，只需绕X轴旋转一次即可直接加工出最优晶体切型，样品制备简便。
Description
技术领域
本发明属于压电晶体及压电传感技术应用领域，尤其涉及一种稀土磷酸盐晶体的压电切型及其在高温传感领域中的应用。
背景技术
公开该背景技术部分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。
由高温压电晶体材料研制的压电振动传感器、加速度传感器、压力传感器、换能器和谐振器等器件，在航空航天、石油勘测、化学工业和结构健康监测等领域有着重要应用。目前已开发了多种高温压电晶体材料，但其综合性能仍然存在一定的不足。ReM3(PO4)3(Re：稀土元素，M：碱土金属)系列晶体是一类新型高温压电晶体材料，具有较高的熔点(～1800℃)且熔点之前无相变。而且该系列晶体的压电系数d14约为12pC/N，电阻率在800℃时大于106Ω.cm，在高温压电领域具有潜在的应用价值。然而受晶体对称性制约，该系列晶体在未旋转坐标系下只有一个面切变振动模态。要开发该系列晶体在压电传感技术领域中的应用，必须进行压电切型的设计，使之兼具高压电活性和低串扰响应特征，满足传感器件应用要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种稀土磷酸盐晶体的压电切型及其在高温传感领域中的应用，所述稀土磷酸盐晶体的压电切型兼具高压电活性和低串扰响应特征，可用于高温压电传感技术领域。
术语说明：
ReM3(PO4)3晶体的压电物理轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，X轴与Y、Z轴相互垂直，且遵循右手螺旋法则。
晶片切型符号说明：晶片切型符号包含一组字母和角度，其中符号的前两个字母代表坐标轴X、Y和Z轴中的两个，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，比如YX切型，表示晶片的厚度和长度方向分别为Y和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、长度和宽度方向旋转分别记为t，l和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(ZXtl)γ/α切型，表示厚度方向为Z，长度方向为X，宽度方向为Y的晶片，先沿厚度方向旋转γ角度，然后绕长度方向旋转α角度之后形成的切型。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种稀土磷酸盐晶体的压电切型，所述稀土磷酸盐晶体的化学通式为ReM3(PO4)3，Re格位为稀土元素；M格位为Mg,Ca,Sr或Ba或其组合，结晶于立方晶系，室温到熔点(～1800℃)之前无相变；晶体的压电物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a、b和c轴，压电物理学坐标轴X、Y和Z轴相互垂直并遵循右手螺旋法则；晶体样品的厚度、长度和宽度方向分别记为t，l和w；所述压电切型选自下列任一种：
(a)最优纵向压电系数切型
将ZX切型晶片先绕着厚度方向Z轴旋转γ角度，然后绕着长度方向X轴旋转α角度，即可得到最优晶体切型，即(ZXtl)γ/α，40°≤γ≤50°，50°≤α≤60°，纵向压电系数为5□9pC/N；
(b)最优切变压电系数切型
将YX切型晶片绕着长度方向X轴旋转α角度，即可得到最优晶体切型，(YXl)α，40°≤α≤50°，切变压电系数为9□15pC/N。
根据本发明优选的，将上述不同晶体切型加工成方片状、方片异形状(如中间具有圆孔的方片)、长方片状、圆片状、圆环状、柱状或环柱状。
进一步优选的，将上述最优纵向压电系数晶体切型加工成圆片状或圆环状；优选的，圆片状的直径为9.5±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm；圆环状的外径为9.5±0.1mm，内径为4.5±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm。本发明的ReM3(PO4)3压电晶体纵向压电异形元件的尺寸不限于此。
进一步优选的，将上述最优切变压电系数晶体切型加工成方片状或中间具有圆孔的方片；优选的，方片状的边长为10.0±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm；中间具有圆孔的方片的边长为10.0±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm，方片中心圆孔的直径为4.5±0.1mm。本发明的ReM3(PO4)3压电晶体切变压电异形元件的尺寸不限于此。
根据本发明优选的，所述的稀土元素选自Y，La，Nd，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm或Yb中的一种或两种或两种以上的组合；碱土金属M选自Sr或Ba。
进一步优选的，所述的稀土磷酸盐晶体为磷酸镱钡(YbBa3(PO4)3)晶体或磷酸钇钡(YBa3(PO4)3)晶体。
上述稀土磷酸盐晶体的压电切型在高温压电传感技术领域的应用。
进一步优选的，所述稀土磷酸盐晶体的压电切型在压缩式和切变式高温压电加速度传感领域的应用。
本发明的有益效果：
1.本发明的ReM3(PO4)3晶体压电切型，采用稀土磷酸盐晶体，兼具高压电活性和低串扰响应的压电切型，同时具有良好的温度稳定性，有利于提高压电传感器件的灵敏度。
2.基于本发明设计的最优压电灵敏切型，研制的压电加速度传感器在25□650℃温度范围内实现了较为稳定的信号输出，在压电传感技术领域具有广阔的应用前景。
3.本发明所提出的具有最优切变振动模态晶体切型，加工方法简单，只需绕X轴旋转一次即可直接加工出最优晶体切型，样品制备简便。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明最优纵向压电系数切型示意图；
图2为本发明最优切变压电系数切型示意图；
图3为纵向压电系数d33在空间中的分布示意图以及第二次旋转后数值分布；
图4为切变压电系数d26沿X轴旋转后的分布示意图；
图5为本发明的ReM3(PO4)3压电晶体加工为圆环状压电灵敏元件的实物图；
图6为本发明的ReM3(PO4)3压电晶体加工为中间具有圆孔的方片压电灵敏元件的实物图；
图7为应用实施例1的YbBa3(PO4)3晶体的压缩式压电加速度传感器的测试结果示意图；
图8为应用实施例2的YbBa3(PO4)3晶体的切变式压电加速度传感器的测试结果示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步地说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
一种YbBa3(PO4)3压电晶体切型，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，确定出磷酸镱钡晶体的Z轴和X轴方向，所述的最优晶体切型为：将ZX切型晶片先绕着厚度方向Z轴旋转45度，然后绕着长度方向X轴旋转55度，60°，样品切型示意图如图1所示。
最优纵向压电系数的磷酸镱钡晶体切型验证：
针对磷酸镱钡晶体，通过研究得到，晶体的ZX切型先沿Z轴旋转γ角度，然后再沿X轴旋转α角度，其压电系数d′33可用下式表示：
d′33＝3d36*sinγcosγsin2αcosα (1)
通过上式可以得到YbBa3(PO4)3晶体旋转之后的压电系数d33在空间上的分布以及第二次旋转后数值分布，其结果如图3所示。从图中分析可知，本发明设计的最优纵向压电系数切型，具有较低的频率串扰，有利于在压缩式压电加速度传感器领域的应用。
实施例2
一种YbBa3(PO4)3压电晶体切型，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，确定出磷酸镱钡晶体的Y轴方向，所述的磷酸镱钡晶体的最优压电切型为绕X轴旋转45γ度，样品切型示意图如图2所示。
最优切变压电系数的磷酸镱钡晶体切型验证：
针对磷酸镱钡晶体，通过研究得到，晶体的YX切型绕着X轴旋转α角度，其压电系数d26可用下式表示：
d'26＝d14*sin2α (2)
通过上式可以得到YbBa3(PO4)3晶体的压电系数d26绕X轴旋转后的数值变化曲线，其结果如图4所示。从图中可以明显看出，本发明所设计的最优切变压电系数切型具有较低的振动模态串扰，有利于在切变式加速度传感器领域的应用。
实施例3
如实施例1所述的YbBa3(PO4)3压电晶体切型，所不同的是压电晶体为YBa3(PO4)3，也兼具高压电活性和较低的频率串扰。
实施例4
如实施例2所述的YbBa3(PO4)3压电晶体切型，所不同的是压电晶体为YBa3(PO4)3，也兼具高压电活性和较低的振动模态串扰。
应用实验例1
图7展示了基于本发明实施例1最优纵向压电晶体切型研制的压缩式压电加速度传感器原型器件在25□650℃范围内的测试结果，其中所采用的压电灵敏元件为圆环状(图5)。从图7中可以看出，所设计的传感器灵敏度在25□650℃温度范围内的变化率为9.2％，具有良好的温度稳定性，在高温压电传感技术领域具有潜在的应用价值。
应用实验例2
图8展示了基于本发明实施例2最优切变压电晶体切型研制的切变式压电加速度传感器原型器件在25□650℃范围内的测试结果，其中所采用的压电灵敏元件为中间具有圆孔的方片(图6)。从图8中可以看出，所设计的传感器灵敏度在25□650℃温度范围内的变化率为8.9％，具有良好的温度稳定性，在高温压电传感技术领域具有良好的应用前景。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，所述稀土磷酸盐晶体的化学通式为ReM3(PO4)3，Re格位为稀土元素；M格位为Mg,Ca,Sr或Ba或其组合，结晶于立方晶系；晶体的压电物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a、b和c轴，压电物理学坐标轴X、Y和Z轴相互垂直并遵循右手螺旋法则；晶体样品的厚度、长度和宽度方向分别记为t，l和w；所述压电切型选自下列任一种：
(a)最优纵向压电系数晶体切型
将ZX切型晶片先绕着厚度方向Z轴旋转γ角度，然后绕着长度方向X轴旋转α角度，即可得到最优晶体切型，即(ZXtl)γ/α，40°≤γ≤50°，50°≤α≤60°，纵向压电系数为5□9pC/N；
(b)最优切变压电系数晶体切型
将YX切型晶片绕着长度方向X轴旋转α角度，即可得到最优晶体切型，(YXl)α，40°≤α≤50°，切变压电系数为9□15pC/N。
2.根据权利要求1所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，将所述晶体切型加工成方片状、方片异形状、长方片状、圆片状、圆环状、柱状或环柱状；优选的，所述方片异形状为中间具有圆孔的方片。
3.根据权利要求1所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，将所述最优纵向压电系数晶体切型加工成圆片状或圆环状。
4.根据权利要求3所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，所述圆片状的直径为9.5±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm；所述圆环状的外径为9.5±0.1mm，内径为4.5±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm。
5.根据权利要求1所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，将所述最优切变压电系数晶体切型加工成方片状或方片异形状。
6.根据权利要求5所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，所述方片状的边长为10.0±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm；所述中间具有圆孔的方片的边长为10.0±0.1mm，厚度为1.2±0.1mm，方片中心圆孔的直径为4.5±0.1mm。
7.根据权利要求1所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，所述的稀土元素选自Y，La，Nd，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm或Yb中的一种或两种或两种以上的组合；碱土金属M选自Sr或Ba。
8.根据权利要求5所述稀土磷酸盐晶体的压电切型，其特征在于，所述的稀土磷酸盐晶体为磷酸镱钡晶体或磷酸钇钡晶体。
9.根据上述权利要求任一项所述稀土磷酸盐晶体的压电切型在高温压电传感技术领域的应用。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述应用为在压缩式和切变式高温压电加速度传感领域的应用。
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