JP4637485B2 - Capacitive pressure transducer and process for adjusting relaxor material for the capacitive pressure transducer - Google Patents
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Description
本発明は、タングステン酸鉄鉛容量性トランスデューサに関する。さらに詳細には、本発明は、温度係数が小さく、圧力係数が大きく、低ヒステリシスであるタングステン酸鉄鉛容量性圧力トランスデューサに関する。 The present invention relates to a lead iron tungstate capacitive transducer. More particularly, the present invention relates to a lead iron tungstate capacitive pressure transducer having a low temperature coefficient, a large pressure coefficient, and low hysteresis.
圧力の測定は工業的な製造及び加工において極めて重要である。特に、広範囲にわたって正確に圧力を測定することは、自動車、航空機、鉄鋼などの産業、及び高強度材料の合成に必要である。これら全ての産業分野において、測定の正確さは品質上の配慮からだけでなく、安全の要求事項からも極めて重要である。単一の装置では圧力範囲全体を同じ正確さと再現性で測定することはできない。また、装置は、小さな圧力変化に十分敏感であり、広い動作温度(10〜50℃の範囲)にわたって安定であることはできない。したがって、高い絶対圧力においても小さな変化を検知できる大きな圧力係数の特性を有し、広い温度範囲にわたってドリフトが最小である、すなわち、小さな温度係数を有するシステムが必要である。圧力測定は従来液体カラムマノメーターを用いて行われてきた。これは絶対的な装置として働くが、その使用は0.1Paから200kPaのより低い圧力に制限される。この装置の他の欠点は、ひとつの場所から他の場所へ移動できないことである。非特許文献1及び非特許文献2は、ピストンゲージによって300MPaまでの圧力を容易に測定できること、及び、これらのピストンゲージはある注意を払えば移動できること、を開示している。しかし、これらのピストンゲージは、組立体全体のサイズを増加させずに300MPaを超える圧力には使用できず、それによって、訓練された作業者でも使用することが厄介である。結果としてこの装置は現場では役に立たない。
Pressure measurement is extremely important in industrial manufacturing and processing. In particular, accurate pressure measurement over a wide range is necessary for industries such as automobiles, aircraft, steel, and for the synthesis of high strength materials. In all these industrial fields, the accuracy of measurement is very important not only for quality considerations but also for safety requirements. A single instrument cannot measure the entire pressure range with the same accuracy and repeatability. Also, the device is sensitive enough to small pressure changes and cannot be stable over a wide operating temperature (range 10-50 ° C.). Therefore, there is a need for a system that has the characteristics of a large pressure coefficient that can detect small changes even at high absolute pressures and that has minimal drift over a wide temperature range, ie, a small temperature coefficient. Pressure measurement has been conventionally performed using a liquid column manometer. This serves as an absolute device, but its use is limited to lower pressures of 0.1 Pa to 200 kPa. Another drawback of this device is that it cannot move from one location to another.
非特許文献3は、広範囲の圧力を検知するマンガニン抵抗ワイアの使用を開示している。マンガニン抵抗ワイアの主な欠点は、通常少なくとも±0.05%の精度が必要とされるとき、±0.1%の精度しかないことである。さらに、このセンサーは、時間とともにゼロ点がシフトする望ましくない特性を有して、誤った測定値を招き、測定中厳密な温度制御を必要とする。この装置は高い圧力動作には有用であるが、58MPaなどの低い圧力範囲には制約がある。より低い範囲を包含させるには、必ず他の装置を使用しなければならない。他の圧力測定装置は、非特許文献4に開示されている。この開示は、歪みゲージとしての装置を記載している。しかし、この装置も、マンガニンワイアと同じ欠点があり、この装置の圧力測定の精度は、大きなヒステリシスとゼロシフトのため低い。
Non-Patent Document 3 discloses the use of a manganin resistance wire that detects a wide range of pressures. The main drawback of manganin resistance wires is that they typically have an accuracy of ± 0.1% when an accuracy of at least ± 0.05% is usually required. Furthermore, this sensor has the undesirable property that the zero point shifts with time, leading to erroneous measurements and requiring strict temperature control during the measurement. While this device is useful for high pressure operation, it has limitations in the low pressure range such as 58 MPa. Other devices must be used to cover the lower range. Another pressure measuring device is disclosed in
抵抗測定に基づくさらに他の種類の圧力測定装置は、特許文献1に開示されている。前記特許の開示は、本質的に抵抗要素からなるトランスデューサアレイ上に加えられた力による圧力は、加える力が変化するとき抵抗値の変化を招くことを教示している。圧力への依存性は、2個のアレイが徐々に接触し、それによってシステムの抵抗が低下することに関連がある。発明者達は、測定された抵抗と印加圧力との間の曲線関係を開示した。高い圧力では、抵抗は非常に低い値へ低下する。この低い抵抗値は正確に測定できないので、それによって圧力測定における誤りの危険性を生じる。他の欠点は、この特許の装置は圧力センサーとして働くために閾値圧力を必要とすることである。その結果、この装置の使用は、必要な閾値よりも低い圧力に関して制約を受ける。G.F.Molinar, et alは、1998年に既存の圧力センサーを改善するためにセラミックロッドの使用を試みた(非特許文献5)。この圧力トランスデューサは改善された解像度及び感度を有していたが、再現性に欠け、ヒステリシスが大きかった。最後の特性の存在は、測定された圧力の誤差を大きくするので望ましくない。
Still another type of pressure measuring device based on resistance measurement is disclosed in
特許文献2は、100PSIの低さから22,000PSIまでの圧力を測定することのできる容量性トランスデューサを開示している。しかし、使用された構造はどちらかといえば複雑であり、金属ダイアフラムが誘電性アルミナから0.00005インチ及び0.020インチの距離に隔てられる。金属ダイアフラムと絶縁体ディスクとの間のこの小さな距離は維持するのが難しい。さらに、トランスデューサは現場での実験が必要なとき、輸送の動きに耐える堅牢性がない。また、この開示の装置は、その構造そのものからくる大きなヒステリシスを有する。非特許文献6は、イオン性結晶をサンドイッチ構造のキャパシタに形成して、圧力検知要素として使用することを開示している。圧力測定は、2個の電極間に誘電性媒体としての材料を備えるキャパシタ構造の容量が、印加された圧力で変化する原理に基づく。しかし、報告された材料は、温度変化(温度係数=250ppm/℃)によって容量が大きく変化し、圧力係数(−38ppm/MPa)が小さい。結果として、開示された材料は圧力センサーとしてよりも温度センサーとして働く。 Patent Document 2 discloses a capacitive transducer capable of measuring pressures from as low as 100 PSI to 22,000 PSI. However, the structure used is rather complex and the metal diaphragm is separated from the dielectric alumina by a distance of 0.00005 inches and 0.020 inches. This small distance between the metal diaphragm and the insulator disk is difficult to maintain. Furthermore, the transducer is not robust to withstand transport movements when field experiments are required. Also, the disclosed device has a large hysteresis due to its structure itself. Non-Patent Document 6 discloses that an ionic crystal is formed in a capacitor having a sandwich structure and used as a pressure sensing element. Pressure measurement is based on the principle that the capacitance of a capacitor structure comprising a material as a dielectric medium between two electrodes changes with applied pressure. However, the reported material has a large capacity change due to temperature change (temperature coefficient = 250 ppm / ° C.) and a small pressure coefficient (−38 ppm / MPa). As a result, the disclosed material acts as a temperature sensor rather than as a pressure sensor.
非特許文献7は、酸化ゲルマニウムビスマスの使用を開示している。容量の圧力係数及び温度係数は、それぞれ100ppm/MPa及び60ppm/℃であることが開示されている。これは、圧力による容量変動が圧力測定の手段として有用であることを示唆するものである。小さな温度係数によって信頼性はある程度保証されるが、圧力ゲージとしてのレベルではない。さらに他の材料が、非特許文献8に開示されている。開示された材料は、以下の組成物のリラクサ材料である:ニオブ酸鉄鉛44%、ニオブ酸ジルコニウム鉛44%、チタン酸バリウム12%。この複合体の圧力係数は向上することが観察されたが、温度係数は顕著に低下せず、そのため、やはり材料には、容量パラメーターによる圧力トランスデューサとして使用する価値が与えられない。典型的な焼結プロセスの温度パラメーターは900℃である。圧力係数は430ppm/MPaであり、温度係数は+0.002/℃であった。したがって、前記リラクサ材料は、圧力トランスデューサとして大きな用途はない。 Non-patent document 7 discloses the use of germanium bismuth oxide. It is disclosed that the pressure and temperature coefficients of the capacity are 100 ppm / MPa and 60 ppm / ° C., respectively. This suggests that capacity fluctuation due to pressure is useful as a means for measuring pressure. Reliability is guaranteed to some extent by a small temperature coefficient, but it is not a level as a pressure gauge. Still other materials are disclosed in Non-Patent Document 8. The disclosed material is a relaxor material with the following composition: 44% lead iron niobate, 44% lead zirconium niobate, 12% barium titanate. Although the pressure coefficient of this composite was observed to improve, the temperature coefficient did not decrease significantly, so again the material was not worth using as a pressure transducer with capacitive parameters. A typical sintering process temperature parameter is 900 ° C. The pressure coefficient was 430 ppm / MPa and the temperature coefficient was + 0.002 / ° C. Therefore, the relaxor material has no great application as a pressure transducer.
したがって、先行技術の全ての開示における一般的な欠点は、精度の低さ、使用可能な圧力範囲の制約、トランスデューサの温度を正確に維持する必要性、及びヒステリシスである。
本発明の主要目的は、タングステン酸鉄鉛容量性トランスデューサを提供することである。 The main object of the present invention is to provide a lead iron tungstate capacitive transducer.
本発明の他の目的は、小さな熱係数、大きな圧力係数、小さなヒステリシスを有するタングステン酸鉄鉛材料の調製プロセスを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a process for preparing a lead iron tungstate material having a small thermal coefficient, a large pressure coefficient, and a small hysteresis.
本発明のさらに他の目的は、ドーピングしたタングステン酸鉄鉛リラクサ材料を調製するための固体状態のか焼プロセスを提供することである。 Yet another object of the present invention is to provide a solid state calcination process for preparing doped lead iron tungstate relaxor materials.
本発明のさらに他の目的は、ドーピングを何も必要としないタングステン酸鉄鉛リラクサ材料を調製するための2ステップのか焼プロセスを提供することである。 Yet another object of the present invention is to provide a two-step calcination process for preparing a lead iron tungstate relaxor material that does not require any doping.
本発明の他の目的は、0.5MPaの低い圧力から415MPaの高い圧力までの広い圧力範囲を測定するための容量性圧力トランスデューサを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a capacitive pressure transducer for measuring a wide pressure range from a low pressure of 0.5 MPa to a high pressure of 415 MPa.
したがって、本発明は、研磨された平滑な第1の平坦面と、研磨された平滑な第2の平坦面と、を有するディスクを含む、タングステン酸鉄鉛容量性圧力トランスデューサを提供し、前記研磨された平滑な第1平坦面は、金属電極で完全に被覆され、研磨された平滑な第2平坦面も金属電極で被覆され、形成され被覆された円形部分を含む研磨された平滑な第2平坦面上の前記金属電極は、中心部分と、同心状の環状空隙領域によって中心部分から分離された、被覆された同心状環状部分と、を含み、導電性金属ワイアが、研磨された平滑な第1平坦面上の金属電極と、研磨された平滑な第2平坦面の被覆された中心部分上の金属電極と、研磨された平滑な第2平坦面の被覆された同心状環状部分上の金属電極と、に固定される。 Accordingly, the present invention provides a lead iron tungstate capacitive pressure transducer comprising a disk having a polished smooth first flat surface and a polished smooth second flat surface, wherein the polishing The smoothed first flat surface is completely covered with the metal electrode, and the polished smooth second flat surface is also covered with the metal electrode, and the polished smooth second surface including the circular portion formed and coated is formed. The metal electrode on a flat surface includes a central portion and a coated concentric annular portion separated from the central portion by a concentric annular void region, the conductive metal wire being polished smooth A metal electrode on the first flat surface, a metal electrode on the coated central portion of the polished smooth second flat surface, and a coated concentric annular portion of the polished smooth second flat surface Fixed to the metal electrode.
本発明の一実施形態では、金属電極は、銀、アルミニウム、金からなる群より選択される。 In one embodiment of the invention, the metal electrode is selected from the group consisting of silver, aluminum, and gold.
本発明の他の実施形態では、金属電極の厚さは1000〜2000Åの範囲である。 In another embodiment of the invention, the thickness of the metal electrode is in the range of 1000 to 2000 mm.
本発明の他の実施形態では、同心状環状領域の幅は10〜50Åである。 In another embodiment of the invention, the width of the concentric annular region is 10-50 inches .
本発明の他の実施形態では、金属ワイアは金又は銀である。 In other embodiments of the invention, the metal wire is gold or silver.
本発明の他の実施形態では、金属ワイアの純度は少なくとも99.99%である。 In other embodiments of the invention, the purity of the metal wire is at least 99.99%.
本発明のさらに他の実施形態では、金属電極は、熱蒸着などの知られた真空蒸着法によって堆積される。 In yet another embodiment of the present invention, the metal electrode is deposited by a known vacuum evaporation method such as thermal evaporation.
本発明のさらに他の実施形態では、容量性圧力トランスデューサは、0.5MPa〜415MPaの範囲の圧力測定に有用である。 In yet another embodiment of the invention, the capacitive pressure transducer is useful for pressure measurements in the range of 0.5 MPa to 415 MPa.
本発明の他の実施形態では、圧力トランスデューサの精度は、0.5MPa〜415MPaの全範囲で±0.05%である。 In another embodiment of the present invention, the accuracy of the pressure transducer is ± 0.05% over the entire range from 0.5 MPa to 415 MPa.
さらに本発明の他の実施形態では、トランスデューサの圧力係数の絶対値は497ppm/MPa〜622ppm/MPaの範囲である。 In yet another embodiment of the present invention, the absolute value of the transducer pressure coefficient ranges from 497 ppm / MPa to 622 ppm / MPa.
本発明の他の実施形態では、トランスデューサの温度係数は−0.006/℃〜0.008/℃の範囲である。 In other embodiments of the present invention, the temperature coefficient of the transducer is in the range of -0.006 / ° C to 0.008 / ° C.
本発明の他の実施形態では、トランスデューサはヒステリシスを無視できる。 In other embodiments of the invention, the transducer can ignore the hysteresis.
また、本発明は、容量性トランスデューサの製造に使用される、ドーピングされない形態の化学量論的Pb(Fe2/3W1/3)O3を含むタングステン酸鉄鉛リラクサ材料に関する。 The present invention also relates to a lead iron tungstate relaxor material comprising an undoped form of stoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 used in the manufacture of capacitive transducers.
本発明の一実施形態では、リラクサ材料は1重量%又は5重量%の鉛でドーピングされる。 In one embodiment of the invention, the relaxor material is doped with 1 wt% or 5 wt% lead.
また、本発明は、ドーピングしない化学量論的Pb(Fe2/3W1/3)O3として最終材料が生成されるように重量を計量した、湿式粉砕された酸化鉄、酸化タングステン、酸化鉛の適切な混合物を固体状態で焼結することによって、タングステン酸鉄鉛容量性トランスデューサを製造するのに有用なリラクサ材料を調製するプロセスにも関する。 The present invention also provides wet-milled iron oxide, tungsten oxide, oxidized, weighed to produce the final material as unstoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 It also relates to a process for preparing a relaxor material useful for producing lead iron tungstate capacitive transducers by sintering a suitable mixture of lead in the solid state.
プロセスの一実施形態では、出発材料の純度は少なくとも99.9%である。 In one embodiment of the process, the purity of the starting material is at least 99.9%.
本発明の他の実施形態では、過剰のPbOを使用して、ドーピングのレベルが1重量%〜5重量%程度の、自己ドーピングした化学量論的リラクサ材料を得る。 In another embodiment of the present invention, excess PbO is used to obtain a self-doped stoichiometric relaxor material with a doping level on the order of 1-5% by weight.
プロセスの他の実施形態では、ドーピングは、過剰量のPbO塩を最初の混合物に加え、得られた混合物を湿式粉砕することによって行われる。 In other embodiments of the process, doping is performed by adding an excess amount of PbO salt to the initial mixture and wet milling the resulting mixture.
本発明の他の実施形態では、湿式粉砕された材料は少なくとも800℃の温度で2時間か焼される。 In another embodiment of the invention, the wet milled material is calcined at a temperature of at least 800 ° C. for 2 hours.
本発明の他の実施形態では、か焼された材料は、約10時間さらに粉砕され、混合され反応した構成成分の完全な均質化が確保される。 In another embodiment of the invention, the calcined material is further ground for about 10 hours to ensure complete homogenization of the mixed and reacted components.
本発明の他の実施形態では、バインダー、好ましくはポリビニルアルコールが均質化された粉体に加えられる。 In another embodiment of the invention, a binder, preferably polyvinyl alcohol, is added to the homogenized powder.
また、本発明は、湿式粉砕された酸化鉄と酸化タングステンとの重量を計量した適切な混合物を、2時間、約1000℃のか焼温度にかけ、か焼した材料に酸化鉛を混合した後、さらに約10時間粉砕して、最終製品の化学量論的Pb(Fe2/3W1/3)O3を生成させることによる、2ステップのか焼プロセスに関する。 The present invention also includes subjecting a suitable mixture of wet pulverized iron oxide and tungsten oxide to a calcining temperature of about 1000 ° C. for 2 hours, mixing the calcined material with lead oxide, It relates to a two-step calcination process by grinding for about 10 hours to produce the final product stoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 .
本発明のリラクサ材料は固体状態の焼結によって調製される。全ての焼結材料は純粋であり、99.9%の純度を有することが好ましい。材料は、ドーピングしない化学量論的Pb(Fe2/3W1/3)O3(PFW)として最終材料が生成される重量に計量される。同じ材料は、自己ドーピングした化学量論的PFWが得られるように、過剰のPbO塩を用いることによっても調製することができる。ドーピングは、材料の均質化のために、過剰量のPbO塩を湿式粉砕用の最初の混合物中に加えることによって行われる。過剰量の酸化鉛は、高温処理中の高い蒸気圧による鉛成分の損失を補償するために加えられる。過剰量の酸化鉛を加えることの他の利点は、最終材料中の特性に影響を与える鉛の自己ドーピングを得ることである。計量し湿式粉砕した材料は、次いでか焼して酸化物を完全に反応させ、PFWを形成させる。か焼は、一般に少なくとも800℃で2時間行われる。か焼された材料はさらに約10時間粉砕される。この長時間の粉砕は、混合し反応した構成成分の完全な均質化を確保するために必要である。バインダー、好ましくはポリビニルアルコールがこの粉体に加えられる。次いで、この混合物をペレット化機械に入れてサンプルを作製する。 The relaxor material of the present invention is prepared by solid state sintering. All sintered materials are pure and preferably have a purity of 99.9%. The material is weighed to the weight at which the final material is produced as undoped stoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 (PFW). The same material can also be prepared by using an excess of PbO salt so as to obtain a self-doped stoichiometric PFW. Doping is performed by adding an excess amount of PbO salt into the initial mixture for wet milling for material homogenization. Excess lead oxide is added to compensate for the loss of lead components due to high vapor pressure during high temperature processing. Another advantage of adding an excess of lead oxide is to obtain lead self-doping that affects properties in the final material. The weighed and wet milled material is then calcined to fully react with the oxide and form the PFW. Calcination is generally performed at least 800 ° C. for 2 hours. The calcined material is further ground for about 10 hours. This long grinding is necessary to ensure complete homogenization of the mixed and reacted components. A binder, preferably polyvinyl alcohol, is added to the powder. This mixture is then placed in a pelletizing machine to make a sample.
好ましい実施形態では、タングステン酸鉄鉛リラクサ材料の調製に2ステップのか焼プロセスが用いられる。コロンバイト(Columbite)法と呼ばれるこの方法において、全ての出発材料は純粋であり、純度は少なくとも99.9%であることが好ましい。材料は、最終材料が化学量論的なPb(Fe2/3W1/3)O3(以下、PFWという)として最終材料が生成される重量に計量される。適切に計量した重量の湿式粉砕された酸化鉄と酸化タングステンとは混合され、好ましくは約1000℃で2時間か焼される。か焼した材料に酸化鉛を混合した後、さらに約10時間粉砕される。この長時間の粉砕は、混合し反応した構成成分の完全な均質化を確保するために必要である。混合されか焼された粉体は、750℃〜830℃の範囲の温度、好ましくは810℃の温度で再びか焼される。バインダー、好ましくはポリビニルアルコールがこの粉体に加えられる。次いで、この混合物をペレット化機械に入れてディスク形状のサンプルが作製される。 In a preferred embodiment, a two-step calcination process is used to prepare the lead iron tungstate relaxor material. In this process, called the Colombite process, all starting materials are preferably pure and the purity is at least 99.9%. The material is weighed such that the final material is produced as stoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 (hereinafter referred to as PFW). A suitably weighed weight of wet ground iron oxide and tungsten oxide is mixed and preferably calcined at about 1000 ° C. for 2 hours. After mixing the calcined material with lead oxide, it is pulverized for about another 10 hours. This long grinding is necessary to ensure complete homogenization of the mixed and reacted components. The mixed and calcined powder is again calcined at a temperature in the range of 750 ° C. to 830 ° C., preferably at a temperature of 810 ° C. A binder, preferably polyvinyl alcohol, is added to the powder. This mixture is then placed in a pelletizing machine to produce a disk-shaped sample.
リラクサ材料を調製する両方の好ましい実施形態におけるサンプルの典型的なサイズは、直径18mm、厚さ1.5mmであったが、制限されない。次いで、調製されたPFWサンプルは、圧力測定のパラメーターを決定するために使用した。これらのサンプルは、真空蒸着によって両側に銀フィルムで被覆し、容量性構造を完成させた。電極構造は、ディスクの1個の平坦面が、好ましくは銀の薄膜で被覆されるようにした。ペレットの第1面の反対側の他の平坦面も、縁部の周辺同心状環状フィルムと一緒に被覆フィルムの中心の円形部分が形成されるように、薄いワイアのリングマスクによって銀フィルムで被覆した。 The typical size of the sample in both preferred embodiments for preparing the relaxor material was 18 mm in diameter and 1.5 mm in thickness, but is not limited. The prepared PFW sample was then used to determine pressure measurement parameters. These samples were coated with silver film on both sides by vacuum evaporation to complete the capacitive structure. The electrode structure was such that one flat surface of the disk was preferably coated with a thin film of silver. The other flat surface opposite the first surface of the pellet is also covered with a silver film by a thin wire ring mask so that the central circular portion of the coating film is formed together with the peripheral concentric annular film at the edge. did.
全ての堆積は標準的な真空熱蒸着システムによって行った。2つの部分は狭い空隙の同心状環状空間で分離した。この空隙の環状空間は、典型的には50Åであった。この同心状環状リングは、交流測定中の浮遊容量による誤差を除くために使用した。純度99.99%の薄い銀ワイアを金属電極に付着させた。次いでこのように形成した容量性構造を使用して、本発明のリラクサ材料を調製する2つの好ましい実施形態によって調製された、ドーピングした、及びドーピングしないPFW材料の熱係数及び圧力係数を測定した。温度及び圧力の測定のために容量性構造を標準的な試験片ホルダーに配置した。このホルダーを、従来の高圧容器中に配置した。容器の温度は温度浴(Model No. RTE 8DD, NESLAB, USA)を用いて±0.05℃内に維持した。圧力はセバシン酸ジエチルヘキシル流体を通して伝達した。 All depositions were performed by a standard vacuum thermal evaporation system. The two parts were separated by a concentric annular space with a narrow gap. The annular space of this void was typically 50 mm . This concentric annular ring was used to eliminate errors due to stray capacitance during AC measurements. A thin silver wire of 99.99% purity was deposited on the metal electrode. The capacitive structure thus formed was then used to measure the thermal and pressure coefficients of doped and undoped PFW materials prepared by two preferred embodiments for preparing the relaxor material of the present invention. Capacitive structures were placed in standard specimen holders for temperature and pressure measurements. This holder was placed in a conventional high pressure vessel. The temperature of the vessel was maintained within ± 0.05 ° C. using a temperature bath (Model No. RTE 8DD, NESLAB, USA). Pressure was transmitted through a diethylhexyl sebacate fluid.
予備設定した一定の温度で、圧力を雰囲気圧力から徐々に変化(0.1MPa〜415MPa)させ、試験片の容量の変化を、自動容量ブリッジ(Andeen Hagerling, model 2500 A, USA)によって1kHzの固定周波数で測定した。リラクサ材料の圧力特性の測定中、圧力の大きさを増加させたときの容量変化、並びに印加した最大圧力から圧力を低下させたときの容量変化のデータを取った。これは材料のヒステリシスを求めるために行った。 At a preset constant temperature, the pressure is gradually changed from the atmospheric pressure (0.1 MPa to 415 MPa), and the change in the capacity of the test piece is fixed at 1 kHz by an automatic capacity bridge (Andene Hagerling, model 2500 A, USA). Measured with frequency. During the measurement of the pressure characteristics of the relaxor material, data were taken of the change in capacity when the magnitude of the pressure was increased and the change in capacity when the pressure was reduced from the applied maximum pressure. This was done to determine the hysteresis of the material.
図1は、30℃のサンプル温度で、印加した圧力によるK/K0比の変化を示している。K/K0比は、以下の式を用いて、測定された容量から誘電率K及びK0を計算することによって求めた。
ペレットの厚さ×容量
誘電率=
真空の誘電率×平行プレートの面積
KとK0とは、それぞれ、圧力を印加したとき、及び圧力を印加しないときの誘電率である。
FIG. 1 shows the change in the K / K 0 ratio with applied pressure at a sample temperature of 30 ° C. The K / K 0 ratio was determined by calculating the dielectric constants K and K 0 from the measured capacitance using the following equation.
Pellet thickness x capacitance dielectric constant =
Dielectric constant of vacuum x parallel plate area
K and K 0 are dielectric constants when a pressure is applied and when no pressure is applied, respectively.
図1において、プロット(A)は、ドーピングしないリラクサ材料の圧力に対するK/K0の変化であり、ヒステリシスがなく、ほぼ直線を示している。同じ図中のプロット(B)は、Pbを1重量%ドーピングした材料のものである。この線の傾斜は(A)の傾斜よりも大きく見え、圧力特性の向上に果たすドーピングの役割を示唆している。これは、小さな圧力変化が大きな誘電率の変化をもたらすことによる。曲線(C)は、鉛を5重量%ドーピングした材料のものであり、出力と圧力との間の曲線傾斜をさらに大きくする。したがって、ドーピングの増加は材料のより良好な特性をもたらす。圧力係数は以下の式を用いて計算される。
誘電率の変化
圧力係数=
最初の誘電率×圧力変化
In FIG. 1, plot (A) is a change in K / K 0 with respect to the pressure of the undoped relaxor material, and shows almost a straight line without hysteresis. Plot (B) in the same figure is for a material doped with 1% by weight of Pb. The slope of this line appears to be larger than the slope of (A), suggesting a role for doping in improving pressure characteristics. This is due to the fact that small pressure changes result in large dielectric constant changes. Curve (C) is for a material doped with 5% lead by weight, further increasing the slope of the curve between power and pressure. Thus, increased doping results in better properties of the material. The pressure coefficient is calculated using the following formula:
Dielectric constant change pressure coefficient =
Initial dielectric constant x pressure change
次に、固定圧力を0.1MPaに保って、温度を10℃から50℃に変化させ、容量の温度係数を測定した。リラクサ材料の温度特性を測定する間、材料のヒステリシスを求めるために、温度を上昇させたときの容量変化、並びに到達した最大温度から温度を低下させたときの容量変化のデータを取った。 Next, the temperature was changed from 10 ° C. to 50 ° C. while maintaining the fixed pressure at 0.1 MPa, and the temperature coefficient of the capacity was measured. During the measurement of the temperature characteristics of the relaxor material, in order to determine the hysteresis of the material, data were taken of the change in capacity when the temperature was raised and the change in capacity when the temperature was lowered from the maximum temperature reached.
容量のデータ及び誘電率から、試験片の温度係数と圧力係数とは以下の式を用いて計算した。
誘電率の変化
温度係数=
最初の誘電率×温度変化
From the capacitance data and the dielectric constant, the temperature coefficient and pressure coefficient of the test piece were calculated using the following equations.
Dielectric constant change temperature coefficient =
Initial dielectric constant x temperature change
誘電率は、容量値及び前述の式からの他の材料パラメーターと定数を用いて求めた。 The dielectric constant was determined using the capacitance value and other material parameters and constants from the above equation.
図2は、所定の固定圧力0.1MPaにおける、温度の関数としてのK/K0の変化を示している。曲線(A)はドーピングしない材料のものであり、(B)及び(C)はそれぞれ1重量%、5重量%ドーピングした材料のものである。図のプロット(A)は、プロット(B)や(C)よりも大きな変化の傾斜を与える。これは、鉛によるドーピングがタングステン酸鉄鉛の温度挙動を改善し、材料が、大きな圧力係数と小さな温度係数との望ましい特性を有する圧力トランスデューサとして容易に使用できることを明らかに示唆している。 FIG. 2 shows the change in K / K 0 as a function of temperature at a given fixed pressure of 0.1 MPa. Curve (A) is for the undoped material and (B) and (C) are for the 1 wt% and 5 wt% doped materials, respectively. The plot (A) in the figure gives a greater slope of change than plots (B) and (C). This clearly suggests that doping with lead improves the temperature behavior of lead iron tungstate, and that the material can be readily used as a pressure transducer with the desirable properties of a large pressure coefficient and a small temperature coefficient.
図3は、サンプル温度を30℃で±0.05℃内に維持し、2ステップのか焼(コロンバイトプロセス)で調製したタングステン酸鉄鉛リラクサ材料サンプルの印加圧力によるK/K0比の変化を示している。K/K0比は測定された容量から以下の式を用いて誘電率K及びK0を計算することによって求める。
ペレットの厚さ×容量
誘電率=
真空の誘電率×平行プレートの面積
FIG. 3 shows the change in K / K 0 ratio with the applied pressure of a lead iron tungstate relaxor material sample prepared by two-step calcination (Columbite process) while maintaining the sample temperature within 30 ° C. within ± 0.05 ° C. Is shown. The K / K 0 ratio is obtained by calculating the dielectric constants K and K 0 from the measured capacitance using the following formula.
Pellet thickness x capacitance dielectric constant =
Dielectric constant of vacuum x parallel plate area
Kは圧力を印加したときの誘電率であり、K0は圧力を印加しないときの誘電率である。 K is the dielectric constant when applying a pressure, K 0 is the dielectric constant in the case of not applying pressure.
図3において、プロット(A)はリラクサ材料の圧力によるK/K0の変化であり、ヒステリシスがなく、ほぼ直線を示している。プロットは、化学量論的材料に必要な量の酸化鉛を混合した後、750℃で2回目のか焼を行ったサンプルのものである。同じ図中のプロット(B)は、810℃で2回目のか焼を行ったサンプルのものである。この線の傾斜は(A)の傾斜よりも僅かに小さく見え、焼結温度の上昇が圧力特性に果たす役割を示唆している。曲線(C)は、2回目のか焼温度が830℃のサンプルのものであり、いくらか類似した挙動を示しているが、K/K0と圧力との間の曲線の傾斜が大きくなる傾向がある。これは、か焼温度の上昇が圧力特性に影響を与えることができることを示している。圧力係数は以下の式を用いて計算される。
誘電率の変化
圧力係数=
最初の誘電率×圧力変化
In FIG. 3, plot (A) is a change in K / K 0 due to the pressure of the relaxor material, showing no straight line and almost a straight line. The plot is for a sample that was calcined a second time at 750 ° C. after mixing the required amount of lead oxide in the stoichiometric material. Plot (B) in the same figure is for a sample that was calcined a second time at 810 ° C. The slope of this line appears to be slightly smaller than the slope of (A), suggesting a role that increasing sintering temperature plays in the pressure characteristics. Curve (C) is for a sample with a second calcination temperature of 830 ° C. and shows somewhat similar behavior, but the slope of the curve between K / K 0 and pressure tends to increase. . This indicates that an increase in the calcination temperature can affect the pressure characteristics. The pressure coefficient is calculated using the following formula:
Dielectric constant change pressure coefficient =
Initial dielectric constant x pressure change
次に、固定圧力を0.1MPaに保って、サンプルの温度を10℃から50℃に変化させ、容量の温度係数を測定した。リラクサ材料の温度特性を測定する間、材料のヒステリシスを求めるために、温度の高さを増加させたときの容量変化、並びに到達した最大温度から温度を低下させたときの容量変化のデータを取った。これは、材料のヒステリシスを求めるために行った。容量のデータから、誘電率、試験片の温度係数を以下の式を用いて計算した。
誘電率の変化
温度係数=
最初の誘電率×温度変化
Next, the temperature of the sample was changed from 10 ° C. to 50 ° C. while maintaining the fixed pressure at 0.1 MPa, and the temperature coefficient of the capacity was measured. While measuring the temperature characteristics of the relaxor material, to determine the hysteresis of the material, we took the data of the capacity change when the temperature is increased and the capacity change when the temperature is decreased from the maximum temperature reached. It was. This was done to determine the hysteresis of the material. From the capacitance data, the dielectric constant and the temperature coefficient of the test piece were calculated using the following equations.
Dielectric constant change temperature coefficient =
Initial dielectric constant x temperature change
誘電率は、容量値及び前述の式からの他の材料パラメーター及び定数を用いて求めた。 The dielectric constant was determined using the capacitance value and other material parameters and constants from the above equation.
図4は、所定の固定圧力0.1MPaでの、温度の関数としてのK/K0の変化を示している。ここで、K0は10℃での誘電率である。プロット(A)は、リラクサ材料の温度によるK/K0の変化であり、ヒステリシスのないことを示している。プロットは、酸化鉛を化学量論的材料が必要とする量混合した後、750℃で2回目のか焼を行ったサンプルのものである。曲線は負の傾斜を示し、温度の上昇で小さくなる。これは、材料が僅かに高い温度で動作するとき、より良好な温度特性を有することを意味する。同じ図中のプロット(B)は、2回目のか焼温度が810℃の材料のものである。図中の(B)は、プロット(A)の傾斜よりも変化の傾斜が大きいが、検討している温度範囲ではやはり負である。曲線(C)は、2回目のか焼の温度が830℃のサンプルのものである。この曲線は(A)及び(B)に比べて類似した挙動を示すが、やはり圧力トランスデューサとしての使用が可能である。 FIG. 4 shows the change in K / K 0 as a function of temperature at a given fixed pressure of 0.1 MPa. Here, K 0 is a dielectric constant at 10 ° C. Plot (A) shows the change in K / K 0 with the temperature of the relaxor material and no hysteresis. The plot is for a sample that was lead calcined at 750 ° C. for the second time after mixing the amount of lead oxide required by the stoichiometric material. The curve shows a negative slope and becomes smaller with increasing temperature. This means that the material has better temperature characteristics when operating at slightly higher temperatures. Plot (B) in the same figure is for a material having a second calcination temperature of 810 ° C. (B) in the figure has a greater slope of change than the slope of plot (A), but is still negative in the temperature range under consideration. Curve (C) is for a sample with a second calcination temperature of 830 ° C. This curve behaves similarly to (A) and (B), but can still be used as a pressure transducer.
これは、ドーピング材料を何も使用しない本プロセスが、大きな圧力係数と小さな温度係数との望ましい特性を有する圧力トランスデューサとして容易に使用できることを明らかに示唆している。圧力及び温度特性における上述の挙動は、ペロブスカイト相として形成される多結晶材料のグレインサイズの増加によるものであろう。タングステン酸鉄鉛リラクサ材料を圧力測定に使用することの科学的原理は、これらの材料が印加圧力の単位変化当たりの容量変化が大きいことに基づく。言い換えれば、これらの材料は、容量の圧力係数が大きい。材料の他の特徴は、それが小さな温度係数を有することである。この性質は、材料が温度の変動が避けられない環境で使用可能な圧力センサーとして働くために非常に望ましく重要である。また、圧力センサーとして有用な材料は、記憶効果があってはならない、すなわちヒステリシスがあってはならない。 This clearly suggests that the present process without any doping material can be easily used as a pressure transducer with the desirable characteristics of a large pressure coefficient and a small temperature coefficient. The above behavior in pressure and temperature characteristics may be due to the increase in grain size of the polycrystalline material formed as the perovskite phase. The scientific principle of using lead iron tungstate relaxor materials for pressure measurements is based on the fact that these materials have large capacity changes per unit change in applied pressure. In other words, these materials have a large capacity pressure coefficient. Another feature of the material is that it has a small temperature coefficient. This property is highly desirable and important because the material acts as a pressure sensor that can be used in environments where temperature fluctuations are unavoidable. Also, a material useful as a pressure sensor should not have a memory effect, i.e. no hysteresis.
本発明のリラクサ材料の新規性は、タングステン酸鉄鉛の親材料へ1%過剰に鉛をドーピングする本発明のステップによって、リラクサ材料が小さな温度係数、大きな圧力係数、及び少ないヒステリシスを有することにある。タングステン酸鉄鉛(PFWと省略されるPb(Fe2/3W1/3)O3)を調製するには、出発酸化物は、PbO、Fe2O3、WO3であった。試験片は以下の式を用いて調製した。
PbO+1/3Fe2O3+1/3WO3+X
式中、Xは過剰(0%、1%、5%)重量%のPbOである。PFWは、4.4171グラムのPbO、1.0535グラムのFe2O3、1.5294グラムのWO3を取り、7グラムのサンプルとして調製した。2ステップのコロンバイトプロセスにおいてXはゼロであった。
The novelty of the relaxor material of the present invention is that the relaxor material has a small temperature coefficient, a large pressure coefficient, and a low hysteresis due to the inventive step of doping the lead iron tungstate parent material with 1% excess lead. is there. To prepare lead iron tungstate (Pb, abbreviated PFW (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 ), the starting oxides were PbO, Fe 2 O 3 , WO 3 . The test piece was prepared using the following formula.
PbO + 1 / 3Fe 2 O 3 +1/3 WO 3 + X
Where X is excess (0%, 1%, 5%) wt% PbO. The PFW took 4.4171 grams of PbO, 1.0535 grams of Fe 2 O 3 , 1.5294 grams of WO 3 and was prepared as a 7 gram sample. X was zero in the two-step Columbyte process.
以下の実施例は例示としてのみ与えるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。 The following examples are given by way of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention.
[実施例1]
重量を計量した酸化鉛、三酸化タングステン、酸化第二鉄を取り、混合してアセトン中で10時間湿式粉砕した。次いで、この混合物を810℃で2時間か焼した。か焼した粉体をさらに10時間粉砕した。この粉砕しか焼した粉体に、直径18mm、厚さ1.5mmの円形ペレットを作製するためにポリビニルアルコールをバインダーとして加えた。ペレットは後で870℃の温度で2時間焼結した。焼結の後試験片を冷却し、表面を研磨した後、平坦面上に真空蒸着によって銀電極を形成した。
[Example 1]
Weighed lead oxide, tungsten trioxide and ferric oxide were taken, mixed and wet-ground in acetone for 10 hours. The mixture was then calcined at 810 ° C. for 2 hours. The calcined powder was further pulverized for 10 hours. Polyvinyl alcohol was added as a binder to the pulverized powder to produce circular pellets having a diameter of 18 mm and a thickness of 1.5 mm. The pellet was later sintered at a temperature of 870 ° C. for 2 hours. After sintering, the test piece was cooled and the surface was polished, and then a silver electrode was formed on the flat surface by vacuum deposition.
[実施例2]
実施例1の材料を用いて圧力特性を測定した。材料を一定温度の浴中に保持して材料の温度を30℃±0.05℃に一定に保った。タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、0.1MPaから415MPaまでの印加圧力の関数として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、圧力の関数としてプロットした。圧力による誘電率変化の傾斜から計算した圧力係数は−500ppm/MPaであることが判った。
[Example 2]
The pressure characteristics were measured using the material of Example 1. The material was kept in a constant temperature bath to keep the temperature of the material constant at 30 ° C. ± 0.05 ° C. The capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material was measured as a function of applied pressure from 0.1 MPa to 415 MPa. The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of pressure. The pressure coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with pressure was found to be -500 ppm / MPa.
[実施例3]
実施例1の材料を用いて温度特性を測定した。材料に印加した圧力は100MPaで一定に保った。材料を一定温度の浴中に保持することによって温度を±0.05℃に一定に保ち、タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、材料の温度の関数(10〜50℃に変化する)として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、温度の関数としてプロットした。温度による誘電率変化の傾斜から計算した温度係数は−0.0066/℃であることが判った。
[Example 3]
The temperature characteristics were measured using the material of Example 1. The pressure applied to the material was kept constant at 100 MPa. By holding the material in a constant temperature bath, the temperature is kept constant at ± 0.05 ° C., and the capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material is changed as a function of the material temperature (10-50 ° C. Measured). The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of temperature. It was found that the temperature coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with temperature was -0.0063 / ° C.
[実施例4]
重量を計量した酸化鉛、三酸化タングステン、酸化第二鉄を取り、1重量%の追加のPbOと混合し、アセトン中で10時間湿式粉砕した。次いで、この混合物を810℃で2時間か焼した。か焼した粉体をさらに10時間粉砕した。この粉砕しか焼した粉体に、直径18mm、厚さ1.5mmの円形ペレットを作製するためにポリビニルアルコールをバインダーとして加えた。次いで、ペレットを870℃の温度で2時間焼結した。焼結の後、試験片を冷却し、表面を研磨し、真空蒸着によって銀電極を形成した。
[Example 4]
Weighed lead oxide, tungsten trioxide and ferric oxide were taken and mixed with 1 wt% additional PbO and wet milled in acetone for 10 hours. The mixture was then calcined at 810 ° C. for 2 hours. The calcined powder was further pulverized for 10 hours. Polyvinyl alcohol was added as a binder to the pulverized powder to produce circular pellets having a diameter of 18 mm and a thickness of 1.5 mm. The pellet was then sintered at a temperature of 870 ° C. for 2 hours. After sintering, the specimen was cooled, the surface was polished, and a silver electrode was formed by vacuum deposition.
[実施例5]
実施例4の材料を用いて圧力特性を測定した。材料を一定温度の浴中に保持することによって、材料の温度を30℃±0.05℃に一定に保った。タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、0.1MPaから415MPaまでの印加圧力の関数として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、圧力の関数としてプロットした。圧力による誘電率変化の傾斜から計算した圧力係数は515ppm/MPaであることが判った。
[Example 5]
The pressure characteristics were measured using the material of Example 4. The temperature of the material was kept constant at 30 ° C. ± 0.05 ° C. by keeping the material in a constant temperature bath. The capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material was measured as a function of applied pressure from 0.1 MPa to 415 MPa. The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of pressure. It was found that the pressure coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with pressure was 515 ppm / MPa.
[実施例6]
実施例4の材料を用いて温度特性を測定した。材料に印加した圧力は100MPaで一定に保った。材料を一定温度の浴中に保持することによって温度を±0.05℃に一定に保ち、タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、材料の温度の関数(10〜50℃に変化する)として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、温度の関数としてプロットした。温度による誘電率変化の傾斜から計算した温度係数は−0.0069/℃であることが判った。
[Example 6]
The temperature characteristics were measured using the material of Example 4. The pressure applied to the material was kept constant at 100 MPa. By holding the material in a constant temperature bath, the temperature is kept constant at ± 0.05 ° C., and the capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material is changed as a function of the material temperature (10-50 ° C. Measured). The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of temperature. The temperature coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with temperature was found to be -0.0005 / ° C.
[実施例7]
重量を計量した酸化鉛、三酸化タングステン、酸化第二鉄を取り、5重量%の追加のPbOと混合し、アセトン中で10時間湿式粉砕した。次いで、この混合物を810℃で2時間か焼した。か焼した粉体をさらに10時間粉砕した。この粉砕しか焼した粉体に、直径18mm、厚さ1.5mmの円形ペレットを作製するためにポリビニルアルコールをバインダーとして加えた。次いで、ペレットを870℃の温度で2時間焼結した。焼結の後、試験片を冷却し、表面を研磨し、真空蒸着によって銀電極を形成した。
[Example 7]
Weighed lead oxide, tungsten trioxide and ferric oxide were taken and mixed with 5 wt% additional PbO and wet milled in acetone for 10 hours. The mixture was then calcined at 810 ° C. for 2 hours. The calcined powder was further pulverized for 10 hours. Polyvinyl alcohol was added as a binder to the pulverized powder to produce circular pellets having a diameter of 18 mm and a thickness of 1.5 mm. The pellet was then sintered at a temperature of 870 ° C. for 2 hours. After sintering, the specimen was cooled, the surface was polished, and a silver electrode was formed by vacuum deposition.
[実施例8]
実施例7の材料を用いて圧力特性を測定した。材料を一定温度の浴中に保持することによって、材料の温度を30℃(±0.05℃)に一定に保った。タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、0.1MPaから415MPaまでの印加圧力の関数として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、圧力の関数としてプロットした。圧力による誘電率変化の傾斜から計算した圧力係数は556ppm/MPaであることが判った。
[Example 8]
The pressure characteristics were measured using the material of Example 7. By keeping the material in a constant temperature bath, the temperature of the material was kept constant at 30 ° C. (± 0.05 ° C.). The capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material was measured as a function of applied pressure from 0.1 MPa to 415 MPa. The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of pressure. It was found that the pressure coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with pressure was 556 ppm / MPa.
[実施例9]
実施例7の材料を用いて温度特性を測定した。材料に印加した圧力は0.1MPaで一定に保った。材料を一定温度の浴中に保持することによって温度を±0.05℃に一定に保ち、タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、材料の温度の関数(10〜50℃に変化する)として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、温度の関数としてプロットした。温度による誘電率変化の傾斜から計算した温度係数は−0.007/℃であることが判った。
[Example 9]
The temperature characteristics were measured using the material of Example 7. The pressure applied to the material was kept constant at 0.1 MPa. By holding the material in a constant temperature bath, the temperature is kept constant at ± 0.05 ° C., and the capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material is changed as a function of the material temperature (10-50 ° C. Measured). The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of temperature. The temperature coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with temperature was found to be -0.007 / ° C.
[実施例10]
湿式粉砕した酸化鉄と酸化タングステンとの重量を計量し、1000℃の温度で2時間か焼した。か焼した材料に酸化鉛を混合した後、さらに約10時間粉砕した。次いで、この混合物を750℃で2時間か焼した。か焼した粉体をさらに10時間粉砕した。この粉砕しか焼した粉体に、円筒形試験片を作製するためにポリビニルアルコールをバインダーとして加え、次いで、870℃の温度で2時間焼結した。焼結の後試験片を冷却し、表面を研磨した後、真空蒸着によって銀電極を形成した。
[Example 10]
Wet crushed iron oxide and tungsten oxide were weighed and calcined at a temperature of 1000 ° C. for 2 hours. The calcined material was mixed with lead oxide and then ground for about 10 hours. The mixture was then calcined at 750 ° C. for 2 hours. The calcined powder was further pulverized for 10 hours. To this pulverized powder, polyvinyl alcohol was added as a binder to produce a cylindrical specimen, and then sintered at a temperature of 870 ° C. for 2 hours. After sintering, the test piece was cooled and the surface was polished, and then a silver electrode was formed by vacuum deposition.
[実施例11]
実施例10の材料を用いて圧力特性を測定した。材料を一定温度の浴中に保持することによって、材料の温度を30℃±0.05℃に一定に保った。タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、0.5MPaから415MPaまでの印加圧力の関数として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、圧力の関数としてプロットした。圧力による誘電率変化の傾斜から計算した圧力係数は−497ppm/MPaであることが判った。
[Example 11]
The pressure characteristics were measured using the material of Example 10. The temperature of the material was kept constant at 30 ° C. ± 0.05 ° C. by keeping the material in a constant temperature bath. The capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material was measured as a function of applied pressure from 0.5 MPa to 415 MPa. The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of pressure. The pressure coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with pressure was found to be -497 ppm / MPa.
[実施例12]
実施例11の材料を用いて温度特性を測定した。材料に印加した圧力は0.1MPaで一定に保った。材料を一定温度の浴中に保持することによって温度を±0.05℃に一定に保ち、タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、材料の温度の関数(10〜50℃に変化する)として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、温度の関数としてプロットした。温度による誘電率変化の傾斜から計算した温度係数は−0.0033/℃であることが判った。
[Example 12]
The temperature characteristics were measured using the material of Example 11. The pressure applied to the material was kept constant at 0.1 MPa. By holding the material in a constant temperature bath, the temperature is kept constant at ± 0.05 ° C., and the capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material is changed as a function of the material temperature (10-50 ° C. Measured). The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of temperature. It was found that the temperature coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with temperature was -0.0033 / ° C.
[実施例13]
湿式粉砕した酸化鉄と酸化タングステンとの重量を計量し、1000℃の温度で2時間か焼した。か焼した材料に酸化鉛を混合した後、さらに約10時間粉砕した。次いで、この混合物を810℃で2時間か焼した。か焼した粉体をさらに10時間粉砕した。この粉砕しか焼した粉体に、円筒形試験片を作製するためにポリビニルアルコールをバインダーとして加え、次いで、870℃の温度で2時間焼結した。焼結の後試験片を冷却し、表面を研磨した後、真空蒸着によって銀電極を形成した。
[Example 13]
Wet crushed iron oxide and tungsten oxide were weighed and calcined at a temperature of 1000 ° C. for 2 hours. The calcined material was mixed with lead oxide and then ground for about 10 hours. The mixture was then calcined at 810 ° C. for 2 hours. The calcined powder was further pulverized for 10 hours. To this pulverized powder, polyvinyl alcohol was added as a binder to produce a cylindrical specimen, and then sintered at a temperature of 870 ° C. for 2 hours. After sintering, the test piece was cooled and the surface was polished, and then a silver electrode was formed by vacuum deposition.
[実施例14]
実施例13の材料を用いて圧力特性を測定した。材料を一定温度の浴中に保持することによって、材料の温度を30℃(±0.05℃)に一定に保った。タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、0.5MPaから415MPaまでの印加圧力の関数として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、圧力の関数としてプロットした。圧力による誘電率変化の傾斜から計算した圧力係数は−534ppm/MPaであることが判った。
[Example 14]
The pressure characteristics were measured using the material of Example 13. By keeping the material in a constant temperature bath, the temperature of the material was kept constant at 30 ° C. (± 0.05 ° C.). The capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material was measured as a function of applied pressure from 0.5 MPa to 415 MPa. The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of pressure. The pressure coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with pressure was found to be -534 ppm / MPa.
[実施例15]
実施例13の材料を用いて温度特性を測定した。材料に印加した圧力は0.1MPaで一定に保った。材料を一定温度の浴中に保持することによって温度を±0.05℃に一定に保ち、タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、材料の温度の関数(10〜50℃に変化する)として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、温度の関数としてプロットした。温度による誘電率変化の傾斜から計算した温度係数は−0.008/℃であることが判った。
[Example 15]
The temperature characteristics were measured using the material of Example 13. The pressure applied to the material was kept constant at 0.1 MPa. By holding the material in a constant temperature bath, the temperature is kept constant at ± 0.05 ° C., and the capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material is changed as a function of the material temperature (10-50 ° C. Measured). The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of temperature. The temperature coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with temperature was found to be -0.008 / ° C.
[実施例16]
湿式粉砕した酸化鉄と酸化タングステンとの重量を計量し、1000℃の温度で2時間か焼した。か焼した材料に酸化鉛を混合した後、さらに約10時間粉砕した。次いで、この混合物を830℃で2時間か焼した。か焼した粉体をさらに10時間粉砕した。この粉砕しか焼した粉体に、円筒形試験片を作製するためにポリビニルアルコールをバインダーとして加え、次いで、870℃の温度で2時間焼結した。焼結の後、試験片を冷却し、表面を研磨した後、真空蒸着によって銀電極を形成した。
[Example 16]
Wet crushed iron oxide and tungsten oxide were weighed and calcined at a temperature of 1000 ° C. for 2 hours. The calcined material was mixed with lead oxide and then ground for about 10 hours. The mixture was then calcined at 830 ° C. for 2 hours. The calcined powder was further pulverized for 10 hours. To this pulverized powder, polyvinyl alcohol was added as a binder to produce a cylindrical specimen, and then sintered at a temperature of 870 ° C. for 2 hours. After sintering, the test piece was cooled and the surface was polished, and then a silver electrode was formed by vacuum deposition.
[実施例17]
実施例16の材料を用いて圧力特性を測定した。材料を一定温度の浴中に保持することによって、材料の温度を30℃±0.05℃に一定に保った。タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、0.1MPaから415MPaまでの印加圧力の関数として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、圧力の関数としてプロットした。圧力による誘電率変化の傾斜から計算した圧力係数は−622ppm/MPaであることが判った。
[Example 17]
The pressure characteristics were measured using the material of Example 16. The temperature of the material was kept constant at 30 ° C. ± 0.05 ° C. by keeping the material in a constant temperature bath. The capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material was measured as a function of applied pressure from 0.1 MPa to 415 MPa. The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of pressure. The pressure coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with pressure was found to be -622 ppm / MPa.
[実施例18]
実施例16の材料を用いて温度特性を測定した。材料に印加した圧力は0.1MPaで一定に保った。材料を一定温度の浴中に保持することによって温度を±0.05℃に一定に保ち、タングステン酸鉄鉛材料を組み込んだキャパシタ構造の容量を、材料の温度の関数(10〜50℃に変化する)として測定した。次いで、材料の誘電率を計算し、温度の関数としてプロットした。温度による誘電率変化の傾斜から計算した温度係数は0.007/℃であることが判った。
[Example 18]
The temperature characteristics were measured using the material of Example 16. The pressure applied to the material was kept constant at 0.1 MPa. By holding the material in a constant temperature bath, the temperature is kept constant at ± 0.05 ° C., and the capacitance of the capacitor structure incorporating the lead iron tungstate material is changed as a function of the material temperature (10-50 ° C. Measured). The dielectric constant of the material was then calculated and plotted as a function of temperature. The temperature coefficient calculated from the slope of the change in dielectric constant with temperature was found to be 0.007 / ° C.
本発明の主な利点は、
1)リラクサ材料を広い圧力範囲で使用することができる。
2)リラクサ材料を温度が変化する環境で使用することができ、これにより温度制御のための追加の手段を使用することが回避される。
3)材料を10℃〜50℃の広い温度範囲で使用することができる。
4)容量性トランスデューサは、0.5MPaから415MPaまでの広い範囲を、全範囲にわたり±0.05%の精度での圧力測定に使用することができる。
The main advantages of the present invention are:
1) Relaxor material can be used in a wide pressure range.
2) The relaxor material can be used in an environment where the temperature changes, thereby avoiding the use of additional means for temperature control.
3) The material can be used in a wide temperature range of 10 ° C to 50 ° C.
4) Capacitive transducers can use a wide range from 0.5 MPa to 415 MPa for pressure measurements with an accuracy of ± 0.05% over the entire range.
Claims (11)
前記研磨された平滑な第1平坦面は、金属電極で完全に被覆され、
研磨された平滑な第2平坦面も金属電極で被覆され、
形成され被覆された円形部分を含む研磨された平滑な第2平坦面上の前記金属電極は、中心部分と、同心状の環状空隙領域によって前記中心部分から分離された、被覆された同心状環状部分と、を含み、
導電性金属ワイアが、研磨された平滑な第1平坦面上の金属電極と、研磨された平滑な第2平坦面の被覆された中心部分上の金属電極と、研磨された平滑な第2平坦面の被覆された同心状環状部分上の金属電極と、に固定され、
前記タングステン酸鉄鉛リラクサ材料が、化学量論的Pb(Fe 2/3 W 1/3 )O 3 に過剰のPbOをドーピングした材料であることを特徴とする容量性圧力トランスデューサ。A capacitive pressure transducer comprising a disk of lead iron tungstate relaxor material having a polished smooth first flat surface and a polished smooth second flat surface,
The polished smooth first flat surface is completely covered with a metal electrode,
The polished smooth second flat surface is also covered with a metal electrode,
The metal electrode on a polished smooth second flat surface including a formed and coated circular portion is coated with a concentric annular shape separated from the central portion by a concentric annular void region. Including, and
A conductive metal wire has a metal electrode on the polished smooth first flat surface, a metal electrode on the coated central portion of the polished smooth second flat surface, and a polished smooth second flat surface. Fixed to the metal electrode on the concentric annular part of the coated surface,
Capacitive pressure transducer, wherein the lead iron tungstate relaxor material is a material obtained by doping stoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 with excess PbO .
前記プロセスは、化学量論的Pb(Fe 2/3 W 1/3 )O 3 に過剰のPbOをドーピングした材料として最終材料が生成されるように重量を計量した、湿式粉砕された少なくとも純度が99.9%の酸化鉄、酸化タングステン、酸化鉛の適切な混合物を固体状態で焼結することを含み、
ドーピングは、過剰量のPbO塩を最初の混合物に加え、得られた混合物を湿式粉砕して材料を均質化することによって行われ、
前記湿式粉砕した材料を少なくとも800℃で2時間か焼し、
前記か焼した材料をさらに約10時間粉砕して、混合し反応した構成成分の完全な均質化を確保することを特徴とするプロセス。A process for preparing a relaxor material for a capacitive pressure transducer comprising a disk made of lead iron tungstate relaxor material, comprising:
The process is at least pure, wet-ground, weighed so that the final material is produced as a material doped with excess PbO in stoichiometric Pb (Fe 2/3 W 1/3 ) O 3 Sintering a suitable mixture of 99.9% iron oxide, tungsten oxide, lead oxide in the solid state;
Doping is performed by adding an excess amount of PbO salt to the initial mixture and wet grinding the resulting mixture to homogenize the material;
Calcining the wet milled material at least 800 ° C. for 2 hours;
A process characterized in that the calcined material is further ground for about 10 hours to ensure complete homogenization of the mixed and reacted components.
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