CN108695430B - 一种高性能压电传感器元件及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：40％‑50％的Bi2O3、25％‑35％的TiO2、6％‑10％的BaCO3、6％‑9％的Na2CO3、4％‑6.5％的SrCO3。本发明可获得压电系数d33为150‑190pC/N、居里温度为300‑450℃的多层结构，解决了传统钛酸钡压电元件及铋层状压电元件不能同时具备好的耐热性及强的电性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电感元件及制备工艺，具体涉及一种高性能压电传感器元件及制备工艺。
背景技术
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电元件是压电传感器的重要组成部分，压电常数、居里温度是判断压电元件好坏的重要参数；不是在任何温度下，磁性材料都具有磁性，磁性材料具有一个临界温度Tc，即居里温度，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序，铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，它确定了磁性器件工作的上限温度，超过居里温度，磁芯的电感量会减小直至消失，电路无法正常工，居里温度越高压电元件的耐热性越好；压电常数表征压电体在压力下产生极化强弱(电压大小)的常数。某些电介质在压力作用下发生极化而在两端表面出现电位差的性质称为压电性，其中压电常数d33是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般陶瓷的压电常数越高，压电性能越好。
传统的压电元件主要包括钛酸钡压电元件、铋层状压电元件；钛酸钡是一种强介电化合物材料，具有高介电常数和低介电损耗，是电子元件中使用最广泛的材料之一，钛酸钡压电元件压电常数d33高，但是其居里温度低；铋层状压电元件居里温度高，耐热性强，但其压电常数d33低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是传统钛酸钡压电元件及铋层状压电元件不能同时具备好的耐热性及强的电性能，目的在于提供一种高性能压电传感器元件，解决传统钛酸钡压电元件及铋层状压电元件不能同时具备好的耐热性及强的电性的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：40％-50％的Bi2O3、25％-35％的TiO2、6％-10％的BaCO3、6％-9％的Na2CO3、4％-6.5％的SrCO3。
本发明结合铋层状压电元件与钛酸钡压电元件，制备出了介电常数高、居里温度高的压电元件；现有铋层状结构压电元件的居里温度高达500℃-700℃，但压电系数d33通常在4-9pC/N；BaCO3与TiO2制得钛酸钡基压电材料，二氧化钛、碳酸钡为初始原料制得的结晶结构为四方相的钛酸钡基有利于形成具有四方相结晶结构的陶瓷晶粒，起着促进提高压电活性的效果，压电常数d33约为190-225pC/N，但其居里温度不高于120℃。本发明中Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3、SrCO3反应可制备获得压电系数d33为150-190pC/N、居里温度为300-450℃的多层结构。
本发明制备得到的压电传感器元件的压电系数d33高于铋层状结构压电元件的压电常数，本发明制备得到的压电传感器元件的居里温度高于钛酸钡基压电材料的居里温度。本发明中Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3的用量少于制备钛酸钡基质材料中的用量，CN201310576855.4一种有效提高钛酸钡基介质材料居里温度的方法的专利公开了钛酸钡基压电材料中的制备原料，其Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3的用量多余本发明中的用量，但是其居里温度只能够达到200℃，远低于本发明所能够达到的居里温度；本发明制备的压电元件较于现有钛酸铋钠基-钛酸钡基系列压电元件，本发明未添加如Ca、Mn、Zr等掺杂物，就能够满足压电元件压电常数及居里温度的要求。本发明中Sr的加入不仅能够提高压电元件的压电常数，还有利于晶体结构的形成。
一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：45％-48％的Bi2O3、30％-35％的TiO2、7％-9％的BaCO3、7％-9％的Na2CO3、5％-6％的SrCO3。本发明进一步优选出了最佳的配比范围，随着Sr含量的加入，压电元件的压电常数会呈现先增大后减小的趋势。
一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：46％的Bi2O3、33％的TiO2、8％的BaCO3、7.5％的Na2CO3、5.4％的SrCO3。本发明优选出了最佳的配比，压电元件的压电常数、居里温度均达到最大值；居里温度高达450℃，压电系数d33为190pC/N，与现有单独的铋层状结构压电元件、钛酸钡基压电材料相比，具有显著的进步，满足压电传感器的使用要求。
一种高性能压电传感器元件的制备工艺，包括以下步骤：
S1、配料：按照预设好的重量分数，分别称取原料Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3、SrCO3。
S2、混料：将步骤S1中称取的原料全部投入球磨机中，初步研磨、混料、烘干后获得混合原料；
S3、预烧：步骤S2中获得的混合原料在900-1100℃下预烧1-1.5小时后获得预烧粉末，将预烧粉末放入球磨机中进行二次研磨；
S4、造粒、成型、烧结：将步骤S3中二次研磨后的预烧粉末加入溶液进行造粒、成型，成型后在1200-1400℃下进行烧结，获得半成品；
S5、极化：步骤S4中获得的半成品按照规定尺寸进行加工后，进行烧银极化，极化后放置24小时得到目标产物；
S6、性能检测：对目标产物进行性能检测。
步骤S3中预烧温度为1000℃。
步骤S4中烧结温度为1300℃。
步骤S6中对目标产物进行的性能检测参数包括：压电常数、居里温度。
本发明通过配料、混料、预烧、造粒、成型、烧结、极化制备了压电元件，本发明的制备工艺的原理与传统的制备工艺原理相同，结合压电元件性能及生产成本，本发明优选出了最佳的预烧温度、烧结温度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种高性能压电传感器元件可制备获得压电系数d33为150-190pC/N、居里温度为300-450℃的多层结构，解决了传统钛酸钡压电元件及铋层状压电元件不能同时具备好的耐热性及强的电性；
2、本发明一种高性能压电传感器元件未添加如Ca、Mn、Zr等掺杂物，就能够满足压电元件压电常数及居里温度的要求；
3、本发明一种高性能压电传感器元件节约能源，原料用量少于现有技术中的原料用量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：40％-50％的Bi2O3、25％-35％的TiO2、6％-10％的BaCO3、6％-9％的Na2CO3、4％-6.5％的SrCO3。
本发明结合铋层状压电元件与钛酸钡压电元件，制备出了介电常数高、居里温度高的压电元件；现有铋层状结构压电元件的居里温度高达500℃-700℃，但压电系数d33通常在4-9pC/N；BaCO3与TiO2制得钛酸钡基压电材料，二氧化钛、碳酸钡为初始原料制得的结晶结构为四方相的钛酸钡基有利于形成具有四方相结晶结构的陶瓷晶粒，起着促进提高压电活性的效果，压电常数d33约为190-225pC/N，但其居里温度不高于120℃。本发明中Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3、SrCO3反应可制备获得压电系数d33为150-190pC/N、居里温度为300-450℃的多层结构。
本发明制备得到的压电传感器元件的压电系数d33高于铋层状结构压电元件的压电常数，本发明制备得到的压电传感器元件的居里温度高于钛酸钡基压电材料的居里温度。本发明中Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3的用量少于制备钛酸钡基质材料中的用量，CN201310576855.4一种有效提高钛酸钡基介质材料居里温度的方法的专利公开了钛酸钡基压电材料中的制备原料，其Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3的用量多余本发明中的用量，但是其居里温度只能够达到200℃，远低于本发明所能够达到的居里温度；本发明制备的压电元件较于现有钛酸铋钠基-钛酸钡基系列压电元件，本发明未添加如Ca、Mn、Zr等掺杂物，就能够满足压电元件压电常数及居里温度的要求。本发明中Sr的加入不仅能够提高压电元件的压电常数，还有利于晶体结构的形成。
实施例2
基于实施例1，本发明一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：40％的Bi2O3、25％的TiO2、6％的BaCO3、6％的Na2CO3、4％的SrCO3。本实施例制备得到的压电元件的压电系数d33为150.2pC/N、居里温度为302℃。
实施例3
基于实施例1，本发明一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：50％的Bi2O3、35％的TiO2、10％的BaCO3、9％的Na2CO3、6.5％的SrCO3。本实施例制备得到的压电元件的压电系数d33为150.5pC/N、居里温度为304℃。
实施例4
基于实施例1，一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：45％的Bi2O3、30％的TiO2、7％的BaCO3、7％的Na2CO3、5％的SrCO3。本发明进一步优选出了最佳的配比范围，随着Sr含量的加入，压电元件的压电常数会呈现先增大后减小的趋势。本实施例制备得到的压电元件的压电系数d33为180-180.5C/N、居里温度为440-443℃。
实施例5
基于实施例1，一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：48％的Bi2O3、35％的TiO2、9％的BaCO3、9％的Na2CO3、6％的SrCO3。本实施例制备得到的压电元件的压电系数d33为180.2-180.6C/N、居里温度为442-443℃。
实施例6
基于上述实施例，一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：46％的Bi2O3、33％的TiO2、8％的BaCO3、7.5％的Na2CO3、5.4％的SrCO3。本发明优选出了最佳的配比，压电元件的压电常数、居里温度均达到最大值；居里温度高达450℃，压电系数d33为190pC/N，与现有单独的铋层状结构压电元件、钛酸钡基压电材料相比，具有显著的进步，满足压电传感器的使用要求。
实施例7
基于上述实施例，一种高性能压电传感器元件的制备工艺，包括以下步骤：
S1、配料：按照预设好的重量分数，分别称取原料Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2CO3、SrCO3。
S2、混料：将步骤S1中称取的原料全部投入球磨机中，初步研磨、混料、烘干后获得混合原料；
S3、预烧：步骤S2中获得的混合原料在900-1100℃下预烧1-1.5小时后获得预烧粉末，将预烧粉末放入球磨机中进行二次研磨；
S4、造粒、成型、烧结：将步骤S3中二次研磨后的预烧粉末加入溶液进行造粒、成型，成型后在1200-1400℃下进行烧结，获得半成品；
S5、极化：步骤S4中获得的半成品按照规定尺寸进行加工后，进行烧银极化，极化后放置24小时得到目标产物；
S6、性能检测：对目标产物进行性能检测。
步骤S3中预烧温度为1000℃。
步骤S4中烧结温度为1300℃。
步骤S6中对目标产物进行的性能检测参数包括：压电常数、居里温度。
对比例1
与实施例2相比，本实施例不同的是：一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：30％的Bi2O3、18.75％的TiO2、4.5％的BaCO3、4.5％的Na2CO3、3％的SrCO3。本实施例制备得到的压电元件的压电系数d33为82.5C/N、居里温度为118℃。
对比例2
与实施例3相比，一种高性能压电传感器元件，包括以下重量分数的组分：60％的Bi2O3、42％的TiO2、12％的BaCO3、10.8％的Na2CO3、7.8％的SrCO3。本实施例制备得到的压电元件的压电系数d33为150.5pC/N、居里温度为118.8-120℃。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高性能压电传感器元件的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、配料：按照预设好的重量分数，分别称取原料Bi2O3、TiO2、BaCO3、Na2 CO3、SrCO3；原料的重量分数如下：46％的Bi2O3、33％的TiO2、8％的BaCO3、7.5％的Na2 CO3、5.4％的SrCO3；
S2、混料：将步骤S1中称取的原料全部投入球磨机中，初步研磨、混料、烘干后获得混合原料；
S3、预烧：步骤S2中获得的混合原料在900-1100℃下预烧1-1.5小时后获得预烧粉末，将预烧粉末放入球磨机中进行二次研磨；
S4、造粒、成型、烧结：将步骤S3中二次研磨后的预烧粉末加入溶液进行造粒、成型，成型后在1200-1400℃下进行烧结，获得半成品；
S5、极化：步骤S4中获得的半成品按照规定尺寸进行加工后，进行烧银极化，极化后放置24小时得到目标产物；
S6、性能检测：对目标产物进行性能检测。
2.根据权利要求1所述的一种高性能压电传感器元件的制备工艺，其特征在于，步骤S3中预烧温度为1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种高性能压电传感器元件的制备工艺，其特征在于，步骤S4中烧结温度为1300℃。
4.根据权利要求1所述的一种高性能压电传感器元件的制备工艺，其特征在于，步骤S6中对目标产物进行的性能检测参数包括：压电常数、居里温度。
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