PZT热释电厚膜低温烧结特性及温区扩展研究

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锆钛酸铅(PZT)材料因其优异的铁电、压电、热释电性,被广泛的用于制备各种传感器、换能器和驱动器。富锆型PZT在铁电低温三方相到高温三方相转变时,拥有较高的热释电系数,是重要的热释电材料之一。与体材料和薄膜相比厚膜在加工的过程中成品率高、性能稳定、成膜面积大有利于器件的微型化、集成化。丝网印刷法作为一种工艺简单、成本低、成膜面积大的厚膜制备技术被广泛应用。然而PZT材料致密成瓷温度较高(≥1200℃),PZT厚膜若在此高温下烧结易引起铅挥发和电学性能恶化。另外,随着电子器件向微型化、集成化和多功能化方向发展,低温共烧技术(LTCC)得到了广泛的关注,该技术要求电子材料能与银(Ag)、铜(Cu)等金属电极共烧。因此,降低厚膜烧结温度意义重大。本文的目标是将PZT厚膜的烧结温度降低到银的熔点以下,减少铅挥发,提高厚膜致密度,提升厚膜的电性能。首先,本文采用丝网印刷技术,通过添加Bi2O3-Li2CO3助烧剂将Pb(Zr0.9Ti0.1O3厚膜制备在氧化铝基片上。研究了Bi2O3-Li2CO3的含量对厚膜的烧结温度、微观形貌、相结构、介电性能和热释电性能的影响。结果表明:适量Bi2O3-Li2CO3的添加,可以将PZT厚膜的烧结温度降低到1050℃,促进了晶粒的生长和厚膜的致密化,提高PZT厚膜的介电常数和热释电系数。当Bi2O3-Li2CO3的含量为6wt%时,厚膜样品在30℃时,热释电系数达到4.5×10-8Ccm-2K-1,热释电探测率优值达到2.3×10-5Pa-1/2。在此基础上,为了进一步降低PZT厚膜的烧结温度以及抑制铅挥发,选用PbO和Bi2O3-Li2CO3作为共同助烧剂。研究了助烧剂含量对厚膜微观形貌、相结构、介电性能和热释电性能的影响。研究表明:随着PbO和Bi2O3-Li2CO3含量的增加,烧结温度从1100℃降低到了900℃,晶粒尺寸和晶格常数减小。当PbO含量为6.4wt%,Bi2O3-Li2CO3含量为5.4wt%时,PZT厚膜可在900℃下烧结,在30℃时具有最大的热释电系数10.51×10-8Ccm-2K-1和最大的热释电探测率优值10.58×10-5Pa-1/2。针对富锆型PZT厚膜在应用过程中热释电温区过窄的问题,通过设计制备梯度厚膜得到了热释电温区较宽的PZT厚膜。热处理PZT粉体以抑制不同层组分粉体间的相互反应。制备出的梯度PZT厚膜在17℃35℃宽温区内热释电系在5.5×10-8Ccm-2K-1以上、热释电探测率优值在5×10-5Pa-1/2以上。
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