技術領域

本發明涉及陶瓷結晶技術以及晶體生長技術；該技術適合二元系晶體鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)晶體的工業化生產，與傳統的布里奇下降法(Bridgman)相比，垂直凝固法(^Vertical?Gradient?Freeze)生長爐的配置更為簡單，成本更低。

背景技術

壓電材料能進行電能與機械能的轉換而發射與接收超聲信號，是超聲探頭之中的核心部件。近年來，一種弛豫鐵電單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(簡寫作PMN-PT)晶體開始被運用于醫療超聲成像領域。在鈦酸鉛PT的化學組分接近MPB象界(25～35％PT)的情況下，該晶體的機電耦合系數(k33)可以達到90％以上，壓電常數(d33)可以達到2000PC/N以上，是一種性能十分優異的壓電材料。傳統生產PMN-PT晶體的方法是布里奇下降法，即通過使裝有PMN-PT陶瓷的坩堝相對加熱爐緩慢下降的方法獲取PMN-PT單晶。這種方法既要控制爐溫，又要控制坩堝下降速度，結構較復雜，成本也較高。

本發明提供一種生長多元系晶體的垂直凝固法(VerricalGradient?Freeze)，即坩堝的位置相對于加熱爐保持不變，通過控制幾組加熱器使得爐內溫區相對于坩堝垂直向上運動，從而達到與布里奇下降法同樣的效果。這種方法與布里奇下降法相比，結構簡單，成本更低。

發明內容

本發明的目的是，提供一種用垂直凝固法工業化生長PMN-PT晶體的方法，從而達到提高晶體成品率，降低生長成本的目的。

為達到以上目的，本發明的技術方案是：在傳統的晶體生長電爐的基礎上，增加晶體生長坩堝系統、溫度采集控制系統和坩堝軸向旋轉系統等三個系統。在結晶過程中，在垂直方向上，晶體生長坩堝系統相對晶體生長爐不做機械運動，利用溫度采集控制系統控制爐內溫區的移動形成結晶，以達到用布里奇下降法生長PMN-PT晶體的相同效果；在坩堝軸向方向上，利用坩堝軸向旋轉系統充分攪拌熔融原料，以達到提高晶體質量的目的。

本發明由以下結構組成：晶體生長爐、晶體生長坩堝系統、溫度采集控制系統和坩堝軸向旋轉系統。晶體生長爐的作用是對晶體生長坩堝系統保溫；其結構包括保溫層和晶體生長室。晶體生長坩堝系統的作用是提供晶體結晶的合適場所，并為晶體坩堝提供結構支撐和保護，從而達到高效結晶的目的；其結構包括晶體坩堝、晶體坩堝保溫層和導熱棒。溫度采集控制系統的作用是控制加熱器形成有利于晶體生長的溫度梯度，并且移動溫區使其在垂直方向上結晶；其結構包括坩堝溫度采集裝置和加熱器溫度控制裝置。坩堝軸向旋轉系統的作用是通過軸向旋轉充分攪拌PMN-PT熔融原料，從而提高結晶的質量；其結構包括絲桿定位裝置和旋轉電機。

本發明需要的硬件包括：至少一個垂直電爐，該垂直電爐的溫材料為氧化鋁、高鋁保溫磚或者高鋁保溫纖維，耐火溫度在1500℃以上；至少一個用于晶體生長的鉑金坩堝，該坩堝的容積在500～5000cm3之間，厚度在0.2～2.0mm之間；該坩堝的保溫層對坩堝提供結構支撐，其材料為氧化鋁、高鋁保溫磚或者高鋁保溫纖維，耐火溫度在1400℃以上；至少3對坩堝熱電偶，型號為S型或者B型或者R型，與晶體坩堝直接連接；至少1個溫度采集器與上述熱電偶相連接，以采集在坩堝垂直方向上的溫度分布；至少3組電爐加熱器，垂直分布于電爐內側，該加熱器為硅鉬加熱器或者硅碳加熱器；至少3對加熱器熱電偶，測量上述加熱器周圍的溫度，型號為S型或者B型或者R型；至少3個溫度控制器，控溫精度在±1℃以內，與上述至少3對加熱器和熱電偶獨立形成控制系統，以控制結晶時的溫度分布；至少一個絲桿升降機，用于坩堝進爐和出爐；至少一個電機和軸向連接裝置，用于控制坩堝的軸向旋轉速率，電機為伺服電機或步進電機，軸向連接裝置為齒輪連接或者皮帶連接或者鏈條連接。

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

附圖說明

圖1是通過垂直凝固法生長PMN-PT晶體的原理示意圖

圖2是通過布里奇下降法生長PMN-PT晶體的原理示意圖。

圖3是垂直凝固法生長PMN-PT晶體設備的整體示意圖。