Пассивные и активные диэлектрические материалы РЭС. Чернышов А.В

Пьезокварц применяется в виде пластинок (срезов) различных размеров, вырезанных из монокристаллов по определенным направлениям относительно осей X, Y, Z. Принята система условных обозначений срезов пьезопластин, которые обозначают двумя буквами. Первая буква обозначает ось, вдоль которой направлена толщина пьезоэлемента, вторая буква - ось, вдоль которой направлена длина пластины. Например, срез YX (рис. 4.5 а) представляет собой пластину, выре-

Рис.4.5. Ориентировка типовых срезов относительно осей кварца

занную в плоскости XZ перпендикулярно оси Y. В этом срезе толщина пластины направлена вдоль механической оси Y, а длина - вдоль электрической оси Х.

При обозначении более сложных (косых) срезов к двум буквам добавляются индексы l, b, s и углы через косые линии, которые в совокупности фиксируют положение пьезопластин относительно осей кристалла. Индексом l обозначают длину ребра пластины, служащей осью поворота на угол ; индексом b - ребро по ширине пластины, служащей осью поворота на угол ; s - ребро пьезопластины по толщине, обозначающей

141

ось вращения на угол . При этом порядок расположения индексов определяет очередность поворота пластин. Если угол, обозначенный после косой линии, стоит со знаком минус, то вращение пластины относительно индекса происходит против часовой стрелки; а если с плюсом, то вращение осуществляется по часовой стрелке.

Срез YXl/-обозначает, что пластина первоначально ориентируется в плоскости XZ так, что ось Х направлена вдоль ребра l, ось Z вдоль ребра b, а ось Y - вдоль толщины пластины. Затем она повернута на угол вокруг ребра l против часовой стрелки. Ряд срезов, имеющих такую ориентацию

Пьезопластина кварца ориентирована YXl/42o45` (СТ-срез) обладает самой высокой термостабильностью - коэффициент задержки поверхностных акустических волн (ТКЗ) равен 0.

Вследствие малых механических потерь добротность кварцевых пластин велика и может составлять 106-107. Это обеспечивает высокую избирательность кварцевых резонаторов, применяемых для стабилизации и управления частотой автогенераторов.

Широкое применение кварц находит для изготовления фильтров на ПАВ с полосой f/fo = 5-8 % с низким уровнем отраженных сигналов благодаря небольшому коэффициенту электромеханической связи. В табл. 4.1 приведены основные физические характеристики кварца, в табл. 4.2 даны пьезоэлектрические параметры кварца некоторых срезов.

142

Таблица 4.1

Основные физические характеристики пьезоэлектриков

Примечание: модуль упругости, коэффициенты теплопроводности и расширения даны параллельно направлениям ориентации.

Таблица 4.2

Основные параметры материалов звукопроводов

143

Продолжение табл.4.2

Ниобат лития (НЛ) - это бесцветный синтетический монокристалл (химическая формула LiNbO3), выращенный из расплава поликристаллического НЛ по методу Чохральского. В качестве исходных компонентов для получения НЛ используют литий углекислый (Li2CO3) и пятиокись ниобия (Nb2O5). Выраженные монокристаллы НЛ (були) имеют диаметр до 50 мм и длину около 100 мм. Как правило, полученные вначале монокристаллы являются полидоменными (сегнетоэлектриками). Монодоменизация кристаллов осуществляется приложением электрического поля определенной величины при температуре близкой к точке Кюри.

Ниобат лития - это прочный, мало пластичный материал не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах. По электрическим свойствам НЛ представляет собой пьезоэлектрик с температурой Кюри 1160 оС, близкой к температуре плавления (Тпл = 1250 оС).

Элементарной ячейкой LiNbO3 является кислородный октаэдр. Образуемые кислородными ионами октаэдрические пустоты на 1/3 заполнены Nb и на 1/3 ионами Li, а остальные - вакантные. Кислородный каркас структуры построен по типу плотнейшей гексагональной упаковки с осями симметрии

Z, Y, X (рис.4.6).

НЛ благодаря относительно высокому значению коэффициента электромеханической связи применяется при изго-

144

товлении различных устройств на ПАВ, в том числе фильтров с полосой f/fo = 50-60 %. Сильное подавление ложных сигналов объемных акустических волн в фильтрах удается полу-

чить в косых срезах (zyb/46o, yxl/127,86o, zyls/-16,5/45o).

Рис. 4.6. Взаимное расположение кристаллографических направлений в доменах LiNbO3

В НЛ существуют х-срезы, y-срезы и z-срезы в плоскостях YZ, XZ и XY и косые срезы с различными видами поляризации, в направлении которых распространяются поверхностные акустические волны. Они отличаются по видам колебаний (продольные, сдвиговые), по величине скорости и по температурной стабильности. Физические и пьезоэлектрические параметры ниобата лития в табл.4.1 и в табл.4.2.

Танталат лития (ТЛ) - это синтетический монокристалл (химическая формула LiTaO3), который выращивается по методу Чохральского из расплава поликристаллического ТЛ.

Температура фазового перехода из пьезоэлектрического состояния в параэлектрическое (точка Кюри) составляет примерно 660 оС, температура плавления Тпл = 1650 оС.

Танталат лития имеет оси симметрии Y,Z, вдоль направления которых существует поляризация. Для использования в качестве звукопроводов на поверхностных акустиче-

145

ских волнах используются x-срезы, y-срезы и z-срезы в плоскостях YX, XZ и XY. При обозначении срезов применяется две буквы, первая из которых обозначает срез относительно оси симметрии, а вторая - направление распространения акустической волны. Например, ZY обозначает пластину, вырезанную в плоскости YX перпендикулярно оси z, а y обозначает направление распространения акустической волны.

Физические характеристики и пьезоэлектрические параметры некоторых срезов приведены в табл.4.1 и табл.4.2.

Танталат лития является материалом, в котором сочетается высокая пьезоэлектрическая активность с хорошей термостабильностью.

Германат висмута – это прозрачный синтетический монокристалл с кубической симметрией, химическая формула Bi12GO20. Температура плавления 930 оС; фазовых переходов в кристаллах не обнаружено. Пьезокристаллические свойства проявляются в плоскостях и направлениях (001), [110], (110),

[001]и других.

Втаблице 4.2 приведены пьезоэлектрические параметры германата висмута, используемый при изготовлении линий задержки на большие длительности благодаря низкой скорости распространения поверхностных акустических волн.

4.3.2. Поликристаллические пьезоматериалы

В качестве поликристаллических пьезоматериалов в основном применяются пьезоэлектрические керамики. В исходном состоянии после синтеза по керамической технологии (обычным или горячими прессованием) они представляют собой сегнетоэлектрики кислородно-октаэдрического типа, не имеющие центра симметрии.

При температуре ниже точки Кюри сегнетоэлектрики имеют область (домены) с различными направлениями спонтанной поляризации и обнаруживают одинаковые физические свойства во всех направлениях.

146

Пьезоэлектрические свойства в них обнаруживаются в результате поляризации под действием внешнего электрического поля, в результате чего домены получают преимущественную ориентацию в направлении приложенного поля. После снятия внешнего электрического поля сохраняется устойчивая остаточная поляризация; материал становится полярно текстурированным, обладающим пьезоэффектом. Величина пьезомодулей, определяющих пьезоэлектрические параметры, зависит от величины электрического напряжения, температуры и времени выдержки в процессе поляризации.

Пьезоэлектрическая ось у керамических пьезоэлектриков не является заранее заданным направлением, как это имеет место в пьезоэлектрических материалах. Поэтому в них возможно возбуждение различных видов пьезоэлектрических колебаний, определяемых только условиями поляризации.

Пьезокерамика почти на порядок дешевле монокристаллов, их свойства легко могут управляться изменением состава и введением различных модификаторов. Из пьезокерамик можно получать звукопроводы различной конфигурации и размеров, в том числе крупногабаритных. Кроме того, пьезокерамики имеют значительно больший коэффициент электромеханической связи, чем монокристаллы.

Принципиальным недостатком пьезокерамик по сравнению с пьезокристаллами является большее затухание поверхностных акустических волн, обусловленных рассеянием на дефектах (пористость), рассеяние энергии на границе зерен кристаллов. Затухание значительно возрастает с увеличением частоты. На частоте выше 20-25 МГц существует нелинейная зависимость затухания. На более низких частотах, когда длина акустической волны , больше размера зерен, коэффициент затухания р (дБ/см) оценивают из соотношения

147

где Q - механическая добротность материала.

Снижение затухания добиваются получением пьезокерамик с низкой пористостью и меньшим размером зерен кристаллов, и повышением добротности. Для повышения мелкозернистости структуры производят синтез пьезокерамических материалов с добавлением стекол.

Синтезировано большое количество пьезокерамик различных типов, нашедших применение при изготовлении высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний. Для производства звукопроводов на поверхностных акустических волнах в основном применяются пьезокерамики на основе систем цирконат-титанат-свинца-натрий-ниобата с различными модификаторами.

Материалы на основе системы цирконат-титанат- свинца представляют собой твердые растворы титаната свинца PbTiO3 и цирконата свинца PbZrO3, носящих условное наименование ЦТС. Для улучшения свойств вводят окислы Nb2O3, Ta2O3, La2O3, Nd2O3 и другие. Точка Кюри этих материалов находится в области 250-350 оС; у них отсутствуют низкотемпературные фазовые переходы, что приводит к большой стабильности диэлектрической прочности, пьезомодуля и резонансных частот.

Лучшим материалом из этой системы керамик считается пьезоэлектрик марки ЦТС-22, пьезоэлектрические характеристики которого приведены в табл.4.3. Однако он во многом уступает по параметрам монокристаллам. Его добротность составляет примерно 10-3, временная стабильность параметров около 0,03 % в год (временная стабильность монокристаллов порядка 10-5-10-6 в год и менее), относительная диэлектрическая проницаемость ~ 260. Высокое значение диэлектрической проницаемости приводит к возрастанию статической емкости преобразователей, для снижения шунтирующего действия которой необходимо введение компенсирующей индуктивности.

148

Из ниобатных керамик удовлетворительные характеристики имеет пьезоэлектрик с химической формулой (Na1-xLx)NbO3. Он обладает низкой пористостью с малыми размерами кристаллических зерен невысокой диэлектрической проницаемостью по сравнению с керамикой других систем. Некоторые свойства этой пьезокерамики приведены в табл.4.3.

Кроме указанных выше недостатков пьезокерамики имеют более низкую по сравнению с монокристаллами воспроизводимость пьезоэлектрических констант в процессе формообразования изделий из исходных компонентов.

Перечисленные недостатки позволяют использовать пьезокерамики только для изготовления широкополосных устройств с нежесткими эксплуатационными характеристиками.

Таблица 4.3

Пьезоэлектрические свойства керамик

4.4. Электреты

Электретом называют диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризацию и создающий в окружающем пространстве электрическое поле после окончания внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Свойство длительно сохранять электризованное состояние (в течение нескольких лет) называют электронным эффектом. Электреты являются

149

формальным аналогом постоянного магнита. Способ внешнего воздействия для получения электретного состояния диэлектрика определяет название электретов.

Термоэлектреты получают нагревом диэлектриков до температуры, превышающей комнатную и охлаждением в постоянном электрическом поле.

Фотоэлектреты получают одновременным воздействием постоянного электрического поля и воздействием света.

Коронноэлектреты – воздействием коронного разряда в окружающей газовой срде.

Радиоэлектреты – воздействием пучка заряженных частиц высокой энергии.

Электроэлектреты получают воздействием постоянного электрического поля при комнатной температуре.

Образование электретного состояния в диэлектрике можно пояснить с помощью рис.4.7.

Рис.4.7. Схема образования электретного состояния диэлектрика.

Получение электретов сводится к электризации диэлектрика под действием сильного электрического поля. Электрическое поле выбирают настолько большим, что над поверхностью материала возникает газовый разряд, но нет пробоя диэлектрика. Ионы, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая структурные дефекты и образуя поверхностный заряд. На каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами, образуются заряды обоих знаков (рис.4.7 а). Заряды на поверхности твердого диэлектрика, имеющие тот же знак, что и на поляри-

150