ReCOB型压电晶体的力频效应及其苛刻环境下性能稳定性研究

High temperature piezoelectric sensors are essential for aerospace, chemosynthesis and oil exploitation etc., due to their simple structure, low loss, long lifetime, high sensitivity and good reliabilities etc. ReCa4O(BO3)3 (ReCOB, Re: Rare-earth elements ) type piezoelectric crystals possess low dielectric loss, relatively high electromechanical coefficient and good temperature stability, and become one kind of promising high temperature piezoelectrics.. In this work, high quality ReCOB single crystals with high resistivity and low loss will be grown, and their high temperature piezoelectric properties will be investigated for applicable sensing elements preparation. Particularly, stress-frequency effect will be studied for ReCOB piezoelectric crystals, including ErCOB, YCOB, GdCOB, NdCOB and LaCOB. Property stability under harsh enviroment, such as high temperature in low oxygen partial pressure, high temperature in vacuum, will be studied, to further reveal their structure-property relationships. Additionally, ReCOB crystals with high stress sensitivity coefficient and strong property stabilities will be selected. Moreover, various crystal cuts will be designed for high temperature sensors and their properties will be optimized,for ReCOB-type high temperature pressure sensing elements.

高温压电传感器由于结构简单、功耗小、寿命长、灵敏度高、可靠性好等优点在航空航天、化学合成、石油开采等领域有着重要应用。ReCa4O(BO3)3（ReCOB，Re:稀土元素）构型压电晶体具有较低的介电损耗、较高的机电耦合系数和机电性能温度稳定性，是一种具有光明应用前景的高温压电材料。. 本项目主要研究ReCOB系列晶体的高温压电性能，研究高阻抗低损耗优质单晶的生长，尝试有应用背景的传感元器件制备。重点研究ErCOB、YCOB、GdCOB、NdCOB和LaCOB晶体的力频效应，及在高温低氧分压、高温真空等苛刻环境下的性能稳定性；深入研究ReCOB系列晶体的构效关系，揭示其规律性；优选具有较高力灵敏度系数且性能稳定的高温压电晶体，开展高温压力传感器用晶体切型的设计和性能优化，力争推出实用的ReCOB型高温压力传感元器件。

高温压电传感器由于结构简单、功耗小、寿命长、灵敏度高、可靠性好等优点在航空航天、化学合成、石油开采等领域有着重要应用。ReCa4O(BO3)3（ReCOB，Re:稀土元素）构型压电晶体具有较低的介电损耗、较高的机电耦合系数和机电性能温度稳定性，是一种具有光明应用前景的高温压电晶体。本项目主要研究ReCOB构型晶体的高温压电性能，研究高阻抗低损耗优质单晶的生长，尝试有应用背景的传感元器件制备。重点研究ErCOB、YCOB、GdCOB、NdCOB和LaCOB等晶体的电弹性能及在苛刻环境下的性能稳定性；深入研究ReCOB构型晶体的构效关系，揭示其规律性；优选出综合性能优良的高温压电晶体，开展高温压电传感器用晶体切型的设计和性能优化，力争推出实用的ReCOB型高温压电传感元器件。.在课题资助下，本项目取得的创新性研究成果主要有：（1）通过对ReCOB构型压电晶体关键功能基元研究，设计并生长了不同稀土离子配比的(RexRe’1-x)COB晶体和新晶体TmCOB，通过晶体生长工艺优化，获得了大尺寸优质ReCOB单晶，最大直径达6cm；（2）通过对ReCOB构型压电晶体室温和高温电弹性能的测试研究，得到Y0.32Gd0.68COB晶体具有最为稳定的高温介电、机电和压电性能，在室温到900oC范围内压电常数的变化率低于5%，是综合性能最为优良的高温压电晶体；（3）为高温压电传感器设计需要，研究了ReCOB构型晶体的热释电效应及温度依赖性，得出ReCOB构型晶体具有相对较高的热释电系数(-60μC/(m2·oC))，因此在设计电荷为基础的传感器件时，需要考虑热释电信号对传感信号的影响；（4）研究了ReCOB构型晶体最佳化晶体切型，得到ReCOB构型晶体最大纵向压电系数d33，最大切变压电常数d26的晶体切向，并获得了压电cross-talk影响较小的压电切型，为器件研制提供了参考；（5）测算了ReCOB构型晶体的高温热学性质，得到该构型晶体具有适中的热导率，室温到700oC范围内为1.8~2.0W/(m·oC)，与人工陶瓷材料可比，从而为高温压电传感器件用结构材料的优选提供了依据；（6）以优选的YGdCOB晶体为基础，设计并制作的振动传感原型器件，测试并获得了~0.7pC/g的传感信号输出，稳定性良好。.该项目的成果有利于推动我国高温压电传感器件的研制。