[發明專利]壓電晶體元件

有效

• 申請號: 200910047335.8
• 申請日: 2009-03-10
• 公開（公告）號: CN101834268A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 鄭燕青;孔海寬;涂小牛;陳輝;施爾畏
• 申請（專利權）人: 上海硅酸鹽研究所中試基地;中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01L41/08
• 分類號: H01L41/08;H01L41/18;H01L41/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種壓電晶體元件，屬于晶體元件領域。

背景技術

當一些電介質晶體在外力的作用下發生變形時，它的某些表面上就會出現正負相反的極化電荷，這種沒有電場的作用，只是由于應變或應力，在晶體內產生電極化的現象稱為正壓電效應，又稱壓電效應。當對壓電材料施加交變電場時，壓電材料不但產生極化，還產生應變和應力。這種由電場產生應變或應力的現象稱為逆壓電效應。

壓電器件大多是利用壓電材料的正壓電效應制成的，根據這一特性就可以用來測量力和能變換為力的非電物理量，如位移、壓力、振動、加速度等。人們利用上述效應，制備成功各類壓電器件，包括聲學傳感器(例如：噪音、振動、聲音和超聲波傳感器)、力傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和慣性傳感器等等，廣泛應用于國民經濟的各個領域。而壓電執行器則是利用壓電材料的逆壓電效應而制成的，在電聲和超聲工程等領域中具有廣泛的應用。

由于壓電傳感器基于壓電效應制成，這就決定其不能應用于靜態量的測量。這是因為外力作用后在壓電材料中產生的電荷，只有在回路具有無限大的輸入電阻時才能得到保存。

然而，實際的情況并不是這樣的。比如一種具有較小電阻率的壓電材料，由于受到外力作用而產生的電荷很快就會流動中和，不能被探測到。另外，電荷的保持時間與制作器件的壓電材料(特別是在壓電材料兩表面涂覆電極形成三明治結構時)的時間常數RC之間具有比例關系。當測量回路的時間常數不大時，保存的電荷量十分有限，造成傳感器不能很好的工作。此外，傳感器最低的使用頻率與時間常數成反比，因此為了擴大傳感器的低頻響應范圍，就必須盡量提高回路的時間常數。當某種材料的時間常數足夠大，其工作的頻率就可以很低，可以將傳感器的動態響應頻帶拓寬到更長的波段。所以，對于大多數的應用大的時間常數是必需的。

但是這不能依靠增加測量回路的電容量來提高時間常數，因為傳感器的靈敏度與電容量是成反比的。切實可行的辦法是通過提高測量回路的電阻率來提高傳感器的靈敏度，也就是說采用具有大電阻率的材料來制作此類器件是十分必要的。

同時，大多數用來監測聲波、振動、噪音信號的靜態傳感器和聲學傳感器等壓電器件都在常溫下使用。目前，這些器件大都采用鈮酸鋰晶體制作壓電元件。

然而，在工業應用中，往往需要能夠在高溫下工作的壓電器件。由于鈮酸鋰晶體電阻率低，其最高使用溫度不超過650℃，所以極大的限制了其制作的壓電器件的應用。

另一種相對常用的晶體是電氣石，但是它價格昂貴、不易合成、且壓電系數相對比較低，也不能廣泛應用。而價格相對廉價的壓電陶瓷材料，由于其居里溫度較低，在高于居里溫度時就失去了壓電性能，不能作為壓電器件的壓電元件，且目前其應用溫度最高不超過650℃。

綜上所述，工業應用中十分迫切需要能夠制作在高于650℃下使用的壓電元件。

發明內容

為了解決上述問題，目標在于找到價格低廉，性能優異，且能制成晶體元件應用于高溫環境中的壓電晶體材料，本發明在對已有的壓電材料進行了充分的調研基礎上，利用第一性原理計算方法為理論指導來設計材料。

在對已有壓電材料的調研中發現，大部分硅酸鎵鑭類壓電晶體材料具有優異性能，但是都含有價格昂貴的Ga元素，且高溫性能不理想，極大的限制了其在各領域中的廣泛應用。針對上述現實，我們提出了用其他廉價的元素來替代昂貴的Ga元素，在不降低材料性能的前提下，以降低材料的成本。

然而，新材料的發現并不是簡單的元素替換，過程是十分復雜和艱難的，需要大量的理論指導和實驗。首先，元素替換后的新材料不一定能穩定存在。其次，元素替換后的新材料能穩定存在并不意味著能保持被替換前材料所具有的結構和性能。再次，即使能保持被替換前材料所具有的結構和性能，但是并不能保證元素替換后的新材料可以制備成晶體材料。

根據上述元素替換思路，本發明采用第一性原理方法預測Ga元素被替換后的新材料的穩定性和性能。最后對理論計算結果進行分析，選擇性能優異的新材料進行固相合成，固相合成成功后再進行晶體的生長研究，直至獲得設計的晶體材料。

通過大量的理論計算發現，當用廉價的Al元素代替十分昂貴的Ga元素后，晶體材料的成本大幅下降的同時，晶體的性能也有進一步的提高，特別是高溫性能，且Al元素替換后的新材料能穩定存在。

根據理論計算結果，通過大量反復的實驗探索，最終成功生長出按理論設計的新晶體材料。對生長出的新晶體材料進行性能測試，性能測試結果與理論計算結果十分接近，很好的論證了理論計算的正確性。

由上述機理性原因和大量的實驗結果，引出：