Керамический пироэлектрический материал для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения

Изобретение относиться к области электроники, а именно к пироэлектрическим материалам для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения диапазона 8-14 мкм. Керамический пироэлектрический материал для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения содержит поликристаллический титанат бария-стронция с легирующими добавками. В качестве легирующих добавок материал содержит MnO, Dy2О3, ZnO при следующем соотношении компонентов, мас.%: MnO - 0,05-0,1; Dy2O3 - 0,1-0,2; ZnO - 0,05-0,15; титанат бария-стронция - остальное. Технический результат изобретения: материал обладает высоким пироэлектрическим коэффициентом, высоким критерием качества и низкой диэлектрической проницаемостью, а также низкой температурой обжига. 2 табл.

 

Изобретение относится к области электроники, более конкретно к пироэлектрическим материалам для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения диапазона 8-14 мкм.

Известно применение керамических материалов на основе титаната бария-стронция в неохлаждаемых приемниках инфракрасного (ИК) излучения.

Такого типа материалы должны обладать определенным комплексом свойств: пироэлектрическим коэффициентом выше 250 нКл/см2·К, диэлектрической проницаемостью не выше 18000, тангенсом угла потерь ниже 18×10-3, теплоемкостью не выше 500 Дж/кг·К, критерием качества материала выше 350×10-6, размером зерна 1-5 мкм и удовлетворительными технологическими свойствами.

Критерий качества материала (Мd) характеризует отношение сигнал/шум, где доминирующим шумом является шум диэлектрических потерь.

где S/N материала - отношение сигнал/шум;

Md - критерий качества материала (относительный показатель пироэлектрических свойств материала)

γ - пироэлектрический коэффициент;

С - теплоемкость образца;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

ε0=8,85×10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Критерий качества измеряется в относительных единицах.

Известны керамические материалы на основе титаната бария-стронция с различными легирующими добавками: US п.5434410, оп.18.07.95 г. с легирующими добавками Nb, Та, Bi, Sb, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er - как донорами и Cu, Fe, Mn, Ru, Al, Ga, Mg, Sc, K, Na, U, B, Mg, Ni, Yb - как акцепторами, и их комбинацией;

US п.5314651, оп.24.05.94 г. с легирующими добавками Nb, Та, Bi, Sb, Y, La, Се, Pr, Nd. Sm, Gd, Tb, Dy, Но, Er - как донорами и Со, Cu, Fe, Mn, Ru, Al, Ga, Mg, Sc, К, Na, U, In, Mg, Ni, Yb - как акцепторами, и их комбинацией;

US п.5566046, оп.15.10.96 г. с легирующими добавками - донорами: Nb, Та, Bi, Sb, Y, La, Се, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Но, Er и их комбинацией.

Эти керамические материалы обладают высоким пироэлектрическим коэффициентом 90-225 нКл/см2·К, при температуре от 0 до 150°С, что позволяет создавать приемники на их основе чувствительные в ИК-области спектра в диапазоне 1-12 мкм.

Однако они обладают недостаточным пироэлектрическим коэффициентом (ниже 225 нКл/см2·K), низким критерием качества материала 350×10-6 и сложной технологией получения чистых материалов.

В качестве прототипа был выбран пироэлектрический материал на основе татаната бария-стронция с легирующими добавками Nb, Та, Bi, Sb, Y, La, Се, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Но, Er - как донорами и Cu, Fe, Mn, Ru, Al, Ga, Mg, Sc, К, Na, U, В, Mg, Ni, Yb как акцепторами и их комбинацией (US п. №5,434,410, оп.18.07.95 г.).

Однако, обладая вышеперечисленными преимуществами, этот материал имеет недостаточный пироэлектрический коэффициент, ниже 225 нКл/см2·K, низкий критерий качества материала, ниже 310×10-6, что приводит к низкой чувствительности неохлаждаемого приемника ИК-излучения до разности температур, эквивалентной шуму 0,1°С, при фокальном числе объектива F=1,5 в диапазоне 8-14 мкм. Кроме того, материал имеет высокую температуру спекания, что сказывается на его свойствах (большая теплоемкость, сложность регулирования размера зерен) и в итоге приводит к сложной технологии приготовления материала.

Задачей изобретения является создание пироэлектрического керамического материала на основе титаната бария-стронция для неохлаждаемых приемников ИК-излучения, имеющих высокую чувствительность, у которых пирокоэффициент выше 225 нКл/см2·К, высоким критерием качества не менее 350×10-6, диэлектрической проницаемостью не выше 18000, обладающего температурой обжига не более 1150°С и размером зерна не более 7 мкм, тангенсом угла потерь ниже 18×10-3.

Решение задачи достигается тем, что известный керамический пироэлектрический материал для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения, содержащий поликристаллический титанат бария-стронция с легирующими добавками MnO и Dy2О3, дополнительно содержит легирующую добавку ZnO, при следующем соотношении компонентов, мас.%: MnO - 0,05-0,6; Dy2О3 - 0,1-0.8; ZnO - 0,1-1,5; титанат бария-стронция - остальное.

Заявляемый материал позволяет достичь пироэлектрического коэффициента выше 300 нКл/см2·K, при диэлектрической проницаемости ниже 18000, температуре спекания ниже 1250°С, размере зерна в материале в пределах 1-5 мкм, тангенсе угла потерь 15,8×10-3.

Добавка MnO повышает температуру спекания и позволяет понизить диэлектрическую проницаемость, что повышает параметр критерия качества материала.

Кроме того, добавка оксида марганца позволяет повысить устойчивость материала к электрохимическому старению.

Добавка в титанат бария-стронция MnO свыше 0,6% приводит к повышению температуры спекания более чем 1450°С.

Добавка MnO менее 0,05% приводит к повышению диэлектрической проницаемости и соответственно понижается критерий качества.

Рентгеноструктурный анализ показал, что формирование основного твердого раствора на стадии синтеза достигается только в присутствии оксида цинка. Добавка ZnO способствует также снижению температуры спекания используемого состава легированной керамики (температура обжига основного состава становится ниже 1250°С).

Применяя оксид цинка, повысился параметр критерия качества до 444,6, также увеличилось отношение пироэлектрического коэффициента к диэлектрической проницаемости.

При добавке ZnO более 1,5% увеличивается размер зерна выше 15 мкм, падает пироэлектрический коэффициент, вследствие чего пироэлектрические свойства материала не будут отвечать требованиям по созданию пироэлектрической матрицы для неохлаждаемого приемника ИК-излучения.

При добавке ZnO ниже 0,1% не сформировывается основной состав титанат бария-стронция, вследствие чего пироэлектрические свойства материала не будут отвечать требованиям по созданию пироэлектрической матрицы для неохлаждаемого приемника ИК-излучения.

Добавка в титанат бария-стронция Dy2O3 ниже 0,1% приводит к низкому показателю критерия качества материала, вследствие повышения диэлектрической проницаемости и увеличению размера зерна более 10 мкм. Все это приводит к сложности производства при относительно низких свойствах материала (критерий качества, удельное сопротивление, тангенс угла потерь).

Добавка Dy2O3 выше 0,8% приводит к повышению точки Кюри более 35°С, то есть выше оптимальной 30°С, к неравномерности структуры по объему материала, что приводит к низкому значению пироэлектрического коэффициента, низкому показателю критерия качества материала и, как следствие, к низкой чувствительности в неохлаждаемых приемниках ИК-излучения.

Как показали экспериментальные данные, заявляемый материал имеет пироэлектрический коэффициент выше 300 нКл/см2·K, позволяющий увеличить чувствительность пироэлектрического приемника ИК-излучения и достичь разности температур, эквивалентной шуму не выше 0,05°С, при фокальном числе объектива F=1,5 в диапазоне 8-14 мкм. А такие параметры заявляемого материала, как диэлектрическая проницаемость ε=12,5×103, тангенс угла потерь tgδ=15,8×10-3, рабочая температура (фазовый переход происходит при 30°С), подтверждают возможность повышения критерия качества пироэлектрического материала, повышения пироэлектрического коэффициента, а следовательно, и повышения чувствительности неохлаждаемого приемника ИК-излучения выше 300 нКл/см2·К, с эквивалентной шуму разностью температур (минимальная обнаруживаемая разность температур) ниже 0,05°С, при фокальном числе объектива, равном 1,5 (F=1,5) в диапазоне 8-14 мкм.

Пример конкретного выполнения

Твердые растворы (Ва, Sr, Ca) TiO3 были получены по технологии совместного разложения в процессе синтеза раздельно полученных титанилоксалатов бария, стронция и кальция. Титанилоксалаты смешивались в вибрационной мельнице совместно с легирующими добавками, затем прокаливались при температуре 800°С, при этом из титанилоксалатов удаляется кристаллизационная вода, углекислый газ и образуется твердый раствор титанатов. Из полученного порошка с добавлением связующего материала (10% водного раствора поливинилового спирта) прессовались заготовки в виде дисков. Спекание дисков производилось в электрической печи с силитовыми нагревателями. Заготовки после обжига шлифовались и полировались, а затем на них наносились серебряные электроды.

Электрические характеристики, пироэлектрический коэффициент, критерий качества, температура спекания для заявляемого материала на основе титанат бария-стронция - керамики с различными добавками и различным их содержанием, представлены в таблице 1.

В таблице 1 образец под номером 1-7 соответствует заявляемому составу, а под номером 8-9 - не соответствуют заявляемому составу и соответственно имеют параметры, не удовлетворяющие поставленной задаче. В образце 9 содержание ZnO меньше 0,1%, вследствие чего не сформировывается основной состав титаната бария-стронция. В образце 10 содержание ZnO больше 1,5% - увеличивается размер зерна, низкий пироэлектрический коэффициент и остальные параметры материала не соответствуют требованию для создания пироэлектрической матрицы для неохлаждаемого приемника ИК-излучения.

Параметры материала-прототипа, а также пироэлектрический коэффициент и критерий качества для материала-прототипа, электрические характеристики представлены в таблице 2.

Таблица 2
Параметры материала-прототипа
МатериалДонор, %Акцептор, %Размер зерна, мкмПирокоэффициент, γ нКл/см2·ККритерий качества, Mds×106, при 30°С
(Baa Srb Cac)TiO3Y/0,6Mn/0,14,282197
La/0,7Mn/0,10,955125
Sm/0,7Mn/0,11,7173248
Dy/0,5Mn/0,11,8225345

Как видно из приведенных данных (таблица 1, и таблица 2), заявляемый материал на основе титанат бария-стронция керамики с легирующими добавками Dy2O3; ZnO и MnO имеет по сравнению с прототипом более высокие характеристики, например материал на основе титанат бария-стронция керамики с легирующими добавками 0,2% Dy2O3; 0,15% ZnO и 0,1 MnO имеет, по сравнению с прототипом, пироэлектрический коэффициент выше на 75 нКл/см2·K, критерий качества на 101×10-6, при этом заявляемый материал имеет точку Кюри, равную 30°С, в прототипе 150°C.

Таким образом, применение заявляемого материала на основе титаната бария-стронция с легирующими добавками Dy2O3, ZnO, MnO позволит получить высокочувствительный неохлаждаемый приемник ИК-излучения с эквивалентной шуму разностью температуры (минимальная обнаруживаемая разность температур) ниже, чем на 0,05°С, при фокальном числе объектива, равном 1,5 (F=1,5), работающий в диапазоне 8-14 мкм, с пирокоэффициентом 300 нКл/см2·K, критерием качества 444,6×10-6, диэлектрической проницаемостью 12500, обладающего температурой обжига не более 1250°С, размером зерна 3 мкм, тангенсом угла потерь 15,8×10-3.

Керамический пироэлектрический материал для неохлаждаемых приемников инфракрасного излучения, содержащий поликристаллический титанат бария-стронция с легирующими добавками MnO и Dy2О3, отличающийся тем, что он содержит легирующую добавку ZnO при следующем соотношении компонентов, мас.%:

MnO 0,05-0,6
Dy2O3 0,1-0,8
ZnO 0,1-1,5
Титанат бария-стронция остальное



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области электронной техники, а именно к способу изготовления нагревательных терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к составам и способам получения керамических резистивных материалов. .

Изобретение относится к производству материалов для электронной техники и может быть использовано в технологии производства изделий микроволновой и СВЧ-техники. .

Изобретение относится к созданию материалов на основе титаната бария. .
Изобретение относится к керамическим материалам, используемым в радиотехнике и радиоэлектронике, и может быть применено для изготовления приемных и передающих устройств, зондов для диагностики полупроводящих сред, а также для получения сверхтонких пленок для микроэлектротехники.

Изобретение относится к материалам для электронной техники, которые могут быть использованы для изготовления изделий СВЧ-техники и микроволновой техники. .

Изобретение относится к керамической полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления полупроводниковой керамики на основе титаната бария, а также полупроводниковой керамики с позисторным эффектом.

Изобретение относится к керамическим однородным суспензиям керамического порошка и способу их приготовления. .

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, в частности, к составам сегнетокерамических материалов, и может быть использовано в керамическом конденсаторостроении при изготовлении низкочастотных конденсаторов.

Изобретение относится к материалам радиоэлектронной техники и может быть использовано в производстве многослойных монолитных керамических конденсаторов. .

Изобретение относится к низкотемпературным стеклокерамическим материалам и может быть использовано в электронной технике СВЧ
Изобретение относится к области материалов для устройств, работающих на сегнето- и пироэлектрическом эффекте

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению титанатов щелочноземельных металлов или свинца, частично замещенных железом, и может быть использовано для производства материалов газовых сенсоров, работающих при высоких (выше 1000°C) температурах, а также материалов, обладающих важными для практического использования электрическими, магнитными, оптическими и магнитооптическими характеристиками

Изобретение относится к получению сырья для производства керамических изделий с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления (ПТК-керамики) методом инжекционного формования
Изобретение может быть использовано при изготовлении пигментов для белых красок и покрытий, в том числе для терморегулирующих покрытий. Для получения порошков твердых растворов Ba(1-x)SrxTiO3 порошки карбоната бария BaCO3, карбоната стронция SrCO3 и диоксида титана TiO2 смешивают в необходимом количестве весовых частей. Затем полученную смесь прогревают. Прогрев смеси порошков осуществляют в последовательном режиме: 2 часа при 800°С, затем, после остывания, 2 часа при 1200°С. Изобретение позволяет исключить операции высокотемпературного прогрева, прессования и размола при получении порошков твердых растворов Ba(1-x)SrxTiO3, повысить выход продукта. 1 табл., 4 пр.

Изобретение относится к многослойному пьезоэлектрическому элементу, содержащему слои пьезоэлектрического материала и электроды, включая в себя внутренний электрод, при этом слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно; каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита (Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3, где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x (1); и содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовых частей или менее. Также изобретение относится к пьезоэлектрическому элементу, головке для выброса жидкости, устройству для выброса жидкости, ультразвуковому двигателю, оптическому устройству, электронному устройству. Изобретение обеспечивает бессвинцовый пьезоэлектрический элемент, который устойчиво работает в широком диапазоне температур. 7 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 табл., 10 ил., 55 пр.

Состав композиции для получения сегнетоэлектрического материала титаната бария-стронция предназначен для получения сегнетоэлектрических материалов и может быть использован в области радиоэлектронной промышленности, например, в качестве конденсаторов малых линейных размеров. Шихта для получения сегнетоэлектрического материала состава Ba0,8Sr0,2TiO3 включает нитрат бария, нанокристаллический диоксид титана и нитрат калия, а также дополнительно содержит нитрат стронция при следующем соотношении компонентов, мол. %: Ba(NO3)2 10-16; Sr(NO3)2 2,5-4,0; TiO2 12,5-20; ΚNO3 60-75. Исходные порошки смешивают, отжигают при температуре 600°С и промывают дистиллированной водой, удаляя нитрат калия. Полученные ультра- и наноразмерные порошки сегнетоэлектрического материала позволят уменьшить линейные размеры элементов микроэлектроники при сохранении их электрофизических характеристик. Кроме того, достигается снижение энергоемкости процесса получения сегнетоэлектрического материала за счет понижения температуры, сокращения времени синтеза, отсутствия дополнительных этапов промежуточного и финального помола. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к многослойному пьезоэлектрическому элементу, содержащему слои пьезоэлектрического материала и электроды, включая в себя внутренний электрод, при этом слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно; каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита (Ba1- xCax)a(Ti1-yZry)O3, где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x (1); и содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовых частей или менее. Также изобретение относится к пьезоэлектрическому элементу, головке для выброса жидкости, устройству для выброса жидкости, ультразвуковому двигателю, оптическому устройству, электронному устройству. Изобретение обеспечивает бессвинцовый пьезоэлектрический элемент, который устойчиво работает в широком диапазоне температур. 7 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 табл., 10 ил., 55 пр.

Изобретение относится к области синтеза неорганических материалов, а именно титаната бария, используемого в качестве сырья для изготовления сегнетоэлектрической керамики. Способ получения мелкокристаллического титаната бария включает обработку в реакторе в статическом режиме смеси порошков диоксида титана и оксида бария паром воды в сверхкритических условиях: при температуре от 380 до 420°С и давлении от 22,5 до 30,5 МПа, в течение 16-48 часов, после чего реактор охлаждают до комнатной температуры, полученный титанат бария сначала высушивают при температуре 70±20°С в течение 10-12 ч, промывают раствором уксусной кислоты с концентрацией 5-10 мас.%, затем дистиллированной водой и снова высушивают при температуре 70±20°С до постоянного веса. Изобретение позволяет получать однофазный титанат бария с размером кристаллов 40-300 нм с содержанием основного вещества не менее 99,98%. 2 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл., 8 пр.

Изобретение относится к области производства материалов для электронной техники и может быть использовано в диэлектриках на основе титаната бария (ВаTiO3) при изготовлении многослойных керамических конденсаторов. Карбонат бария и двуокись титана смешивают с водой в смесителе. Из смесителя суспензия поступает в размольную камеру бисерной мельницы, где происходит измельчение смеси карбоната бария и двуокиси титана мелющими телами в виде бисера из двуокиси циркония диаметром 0,8-1,8 мм. Процесс помола длится до достижения размера частиц смеси не более 1,0 мкм. Полученную смесь сушат и обжигают при температуре 1050-1150°С. Обеспечивается снижение себестоимости изготовления титаната бария и многослойных керамических конденсаторов на его основе. 1 табл.
Наверх