專利名稱：硅酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用，使用于航空航
天、冶金鉆井等需要用于高溫傳感的場所，屬于高溫傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅酸鎵鑭系列晶體具有優(yōu)良的壓電性能，廣泛應用于無線電頻率的控制器件(共 振器)核選擇器件(濾波器)，是電子設(shè)備，遙測導航和通訊等系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，隨著傳 感技術(shù)的發(fā)展以及航空航天技術(shù)的發(fā)展，石英，鈮酸鋰等晶體已經(jīng)不能滿足寬溫度范圍內(nèi) (< 900°C )的傳感技術(shù)要求。該系列晶體包括La3Ga5.sNbOA4(LGN) ，La3Ga5.5Ta。.5014(LGT)， La3Ga5Si014(LGS) ， Ca3TaGa3Si2014 (CTGS) ， Ca3NbGa3Si2014 (CNGS) ， Sr3TaGa3Si2014 (STGS)和 Sr3NbGa3Si2014(SNGS)。關(guān)于該系列晶體的頻率溫度補償，現(xiàn)有報道為(1)-40°C _200°C 溫度范圍以內(nèi)；(2)采用Y切零度片和雙旋轉(zhuǎn)角度切型。參見P.A.Senjushenkov等 人，TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF LANGANITE BULK WAVE VIBRATIONS,1996IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM, 137-140 ;Shen Jen等人，EXPERMENTAL INVESTIGATION OF THE BAW DEVICE POTENTIALS OF SINGLEROTATED Y-CUT ORDERED LANGASITE-STRUCTURE CRYSTALS,2002IEEEInternational Frequency Control Symposium and PDA Exhibition,348_352. Mauricio Pereira daCunha等人，BAW TEMPERATURE SENSITIVITY AND COUPING IN LANGANITE，1999IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM,883-886。
高溫環(huán)境下的硅酸鎵鑭系列晶體的零溫度補償未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足航空航天，冶煉鉆井等對高溫傳感器件的要求，本發(fā)明提供了可以實現(xiàn)
高頻率溫度穩(wěn)定性，高機電耦合系數(shù)溫度穩(wěn)定性的硅酸鎵鑭系列晶體切型。該硅酸鎵鑭系
列晶體切型可以使傳感器件的使用溫度范圍有較大的提高(> 500°C )，滿足國防與民用傳
感器要求。
術(shù)語解釋 1.零溫度補償晶體的彈性常數(shù)隨溫度是變化的，若某一切型的有效彈性系數(shù)是 某些彈性常數(shù)的線形組合，并且各個彈性常數(shù)的溫度系數(shù)彼此可以抵消，從而使有效彈性 常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，那么該切型就是零溫度補償切型。
2. (126激發(fā)的厚度切變振動模式下的諧振反諧振頻率在Y方向上加電場E，由壓電
應變常數(shù)d26激發(fā)產(chǎn)生沿厚度方向T6的切變振動模式得到彈性常數(shù)c66對應的諧振反諧振 頻率。 本發(fā)明所述的硅酸鎵鑭系列晶體具有32點群結(jié)構(gòu)，選自La3Ga5.5Nb。.5014(LGN)， La3Ga5.5Ta0.5014 (LGT) ， La3Ga5Si014 (LGS) ， Ca3TaGa3Si2014 (CTGS) ， Ca3NbGa3Si2014 (CNGS)， Sr3TaGa3Si2014(STGS)和Sr3NbGa3Si2014 (SNGS) ， Ca3NbAl3Si2014 (CNAS) ， Ca3TaAl3Si2014 (CTAS) 或用鋁取代鎵的任一種公知的同類32點群結(jié)構(gòu)的高溫壓電晶體。
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—、硅酸鎵鑭系列晶體切型，按以下方法制得 對于32點群的硅酸鎵鑭系列晶體，正的du的方向取為x的正方向，y，z方向根據(jù) 右手螺旋法則確定；晶體厚度方向為Y，長度方向為X，以X方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)a角 度，記為YXltw(a)，-90° < a <+20° ， + a為逆時針旋轉(zhuǎn)，-a為順時針旋轉(zhuǎn)，如圖l所
示；加工切型尺寸比例為厚度寬度長度=o. 2 2 : 6 12 : 6 12。 本發(fā)明有關(guān)壓電晶體坐標軸以及正負x的方向選擇方法，可參閱美國電子電器工 程師協(xié)會(IEEE)關(guān)于壓電材料的有關(guān)規(guī)定，屬于本領(lǐng)域公知常識。本發(fā)明的關(guān)鍵特點在于 將硅酸鎵鑭系列晶體在繞x軸一次旋轉(zhuǎn)特定角度后所得的切型，都可以得到相似的高頻率 溫度穩(wěn)定性。
優(yōu)選的 對于硅酸鎵鑭(LGS)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-10。 < a <+20° ，
對于鈮酸鎵鑭(LGN)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-10。 < a <+20° ，
對于鉭酸鎵鑭(LGT)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-30° < a <+10° ，對于Ca3TaGa3Si2014 (CTGS)或Ca3NbGa3Si2014 (CNGS)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-40 ° < a
< 0° ，對于Sr3TaGa3Si2014 (STGS)或Sr3NbGa3Si2014 (SNGS)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-90 ° < a
< -30° 。
優(yōu)選的，切型樣品尺寸比例為厚度寬度長度=1.5 : 9 : 9。 二、本發(fā)明硅酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型的應用，用于航空航天、冶金或鉆井 領(lǐng)域的高溫傳感器中作為頻率器件。應用方法如下 在上述硅酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型厚度方向上鍍鉑金電極，電極厚度為
200-220nm。利用d26激發(fā)的厚度切變振動模式下的諧振反諧振頻率，在800°C以內(nèi)，晶片諧 振頻率的溫度穩(wěn)定性可以控制在30ppm/°C以內(nèi)。 優(yōu)選的，以上系列晶體的使用溫度范圍如下LGS、 LGN或LGT使用溫度< 600°C ; CTGS、 CNGS、 STGS、 SNGS、 CNAS或CTAS使用溫度< 900°C 。 本發(fā)明的硅酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型和頻率器件具有頻率穩(wěn)定性高， 適應溫度范圍廣，晶片加工簡單的特點。 本發(fā)明硅酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型可滿足高溫應用，并具有單次旋轉(zhuǎn)、加 工簡單的優(yōu)點，此外本發(fā)明的切型應用的頻率器件還具有以下優(yōu)點 1.具有較高的頻率溫度穩(wěn)定性，能夠很容易地達到頻率溫度穩(wěn)定性30ppm/°C以 內(nèi)。 2.具有較低的機械損耗，較高的機電耦合系數(shù)溫度穩(wěn)定性。 3.在硅酸鎵鑭系列晶體適宜的使用溫度范圍內(nèi)都具有較高的電阻率，電阻率大于 106Q cm。


圖1是本發(fā)明樣品旋轉(zhuǎn)角度示意圖。 圖2是本發(fā)明實施例1的LGT零溫度補償切型50(TC范圍內(nèi)阻抗_頻率隨溫度變 化圖。
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圖3是本發(fā)明實施例1-3的LGT零溫度補償切型50(TC范圍內(nèi)頻率相對變化值 隨溫度的變化關(guān)系圖，縱坐標是頻率相對變化值，橫坐標是溫度。圖3中三條線分別對 應于a+10° ， a+0° ， a-5°的樣品，其中a =-20° ，三條線代表的切型角度即為 a+10° =-10° ， a+0° =-20° ， a-5° =-25° 。圖3中500°C時的頻率溫度穩(wěn)定性 是縱坐標500°C的數(shù)值2*0. 001 (標度)除以對應的橫坐標的溫度變化(500-18(TC拐點) =6. 3ppm廣C得到的；400"時的頻率溫度穩(wěn)定性=縱坐標0. 5*0. 001 (縱坐標標度)除以 (400-180。C拐點)=2. 3卯m,C。 圖4是本發(fā)明實施例4CTGS零溫度補償切型80(TC范圍內(nèi)阻抗_頻率隨溫度的變 化圖。 圖5是本發(fā)明實施例5的CTGS零溫度補償切型80(TC范圍內(nèi)頻率相對變化值隨 溫度的變化關(guān)系圖，縱坐標是頻率相對變化值，橫坐標是溫度。圖5中三條線分別對應于 a+10° ， a+0° ， a-5°的樣品，此處a =-20° ，則a+10° =-10° ， a+0° =-20° ， a -5° = -25° 。 圖6是本發(fā)明實施例9的STGS，實施例6的CNGS，實施例7的LGN零溫度補償切 型80(TC范圍內(nèi)機電耦合系數(shù)(縱坐標)隨溫度的變化圖。
具體實施例方式
實驗儀器說明HP4284阻抗分析儀，美國惠普公司生產(chǎn)，型號4294。
實施例1 :鉭酸鎵鑭晶體零溫度補償切型 1.如圖l所示，鉭酸鎵鑭晶體正的dn的方向取為X的正方向，Y，Z方向根據(jù)右手 螺旋法則確定。YXltw(a)即厚度方向為Y，長度方向為X，以長度方向，即X方向按右手螺 旋法則旋轉(zhuǎn)a角度，a =-20° ，按以上方法加工LGT切型樣品YXltw(-20° )，樣品尺寸 為1. 5X9. 0X9. Omm3。 2.在LGT切型樣品厚度方向上鍍鉑金電極，電極厚度為200nm，將鍍鉑金的樣品器 件置于程序控制升溫爐中測試頻率溫度特性，消除電磁干擾，溫度范圍設(shè)為20-500°C。使 用HP4284阻抗分析儀測定由壓電常數(shù)d26激發(fā)的厚度切變振動模式，準確測量彈性常數(shù)c66 的諧振反諧振頻率，記錄晶片在溫度范圍內(nèi)的阻抗，諧振反諧振頻率隨溫度的變化，有關(guān)數(shù) 據(jù)繪制為圖2所示。 重復以上步驟，分別加工LGT切型樣品YXltw(+10 ° ) 、 YXltw(-5 ° )、 YXltw(-15° )、YXltw(-30° )進行測定，結(jié)果證明在-30°《a《+10°時，在20-500。C 范圍內(nèi)，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控在20卯m廣C以內(nèi)。
實施例2 : 如實施例1，所不同的是，還采用YXltw(-25 ° )切型，樣品尺寸為 0. 6X 12. OX 12. 0mm3的頻率器件，20-50(TC范圍內(nèi)測定其頻率隨溫度的變化，得到頻率器 件的溫度穩(wěn)定性在8ppm廣C以內(nèi)，參見圖3所示。
實施例3 : 如實施例1，所不同的是，樣品角度加工為YXltw(-lO。)，樣品尺寸為 0. 6X9. 0X9. 0mm3的頻率器件，20-500°C范圍內(nèi)測定其頻率隨溫度的變化，得到頻率器件 的溫度穩(wěn)定性在15卯m廣C以內(nèi)，參見圖3所示。
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實施例4 : 如實施例l，所不同的是晶片樣品為CTGS，加工YXltw(a ) ， a = -20° ，CTGS晶片 尺寸為1. OX 10. OX 10. 0mm 封裝成頻率器件，20-80(TC范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器 件的溫度穩(wěn)定性可控在15卯m廣C以內(nèi)，參見圖4所示。
實施例5 : 如實施例4，所不同的是，力n工CTGS樣品YXltw(-25 ° )，晶片尺寸 0. 6X 12. OX 12. 0mm 20-80(TC范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控 在18卯m廣C以內(nèi)，參見圖5所示。 同樣的方法加工CTGS樣品YXltw(-20° )禾P CTGS樣品YXltw (-10° ) ， 20-800°C 范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控在30ppm/°C以內(nèi)，參見圖5所示。
實施例6 : 如實施例4，所不同的是，加工CNGS樣品YXltw(-25 ° ) ， 1. 5X9. 0X9. Omm3， 20-80(TC范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控在30ppm/°C以內(nèi)。機電 耦合系數(shù)隨溫度的變化率如圖6所示。
實施例7 : 如實施例1，所不同的是，加工LGN樣品YXltw(+5 ° ) ， 1. 5X9. 0X9. Omm3， 20-50(TC范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控在20ppm/°C以內(nèi)，機電 耦合系數(shù)隨溫度的變化率如圖6所示。
實施例8: 如實施例1，所不同的是，加工LGS樣品YXltw(+10° ) ， 1. 5X9. 0X9. Omm3， 20-50(TC范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控在15ppm/°C以內(nèi)。
實施例9 : 如實施例1，所不同的是，加工STGS樣品YXltw(-70 ° ) ， 1. 5X9. 0X9. Omm3， 20-80(TC范圍內(nèi)測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩(wěn)定性均可控在30ppm/°C以內(nèi)，機電 耦合系數(shù)隨溫度的變化率如圖6所示。
權(quán)利要求
硅酸鎵鑭系列晶體切型，其特征在于，對于32點群的硅酸鎵鑭系列晶體，正的d11的方向取為x的正方向，y、z方向根據(jù)右手螺旋法則確定；晶體厚度方向為Y，長度方向為X，以X方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)α角度，記為YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α為逆時針旋轉(zhuǎn)，-α為順時針旋轉(zhuǎn)；切型尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝0.2～2∶6～12∶6～12；優(yōu)選的，切型樣品尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝1.5∶9∶9。
2. 如權(quán)利要求i所述的硅酸鎵鑭系列晶體切型，其特征在于，對于硅酸鎵鑭晶體(LGS)，旋轉(zhuǎn)角度-IO。 < a <+20° 。
3. 如權(quán)利要求l所述的硅酸鎵鑭系列晶體切型，其特征在于，對于鈮酸鎵鑭晶體 (LGN)，旋轉(zhuǎn)角度-IO。 < a <+20° 。
4. 如權(quán)利要求l所述的硅酸鎵鑭系列晶體切型，其特征在于，對于鉭酸鎵鑭(LGT)晶 體，旋轉(zhuǎn)角度-30° < a < +10° 。
5. 如權(quán)利要求1所述的硅酸鎵鑭系列晶體切型，其特征在于，對于 Ca3TaGa3Si2014(CTGS)或Ca3NbGa3Si2014(CNGS)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-40。 < a < 0° 。
6. 如權(quán)利要求1所述的硅酸鎵鑭系列晶體切型，其特征在于，對于 Sr3TaGa3Si2014(STGS)或Sr3NbGa3Si2014(SNGS)晶體，旋轉(zhuǎn)角度-90。 < a <-30° 。
7. 權(quán)利要求l-6任一項所述的硅酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型的應用，用于高溫傳 感器中作為頻率器件，在硅酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型厚度方向上鍍鉑金電極，電極 厚度為200-220nm。
8. 如權(quán)利要求7所述的硅酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型的應用，其特征在于，硅酸 鎵鑭系列晶體的使用溫度范圍如下LGS、LGN或LGT使用溫度小于600°C;CTGS、CNGS、STGS、 SNGS、 CNAS或CTAS使用溫度小于900°C 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用。對于32點群的硅酸鎵鑭系列晶體，正的d11的方向取為x的正方向，y、z方向根據(jù)右手螺旋法則確定；晶體厚度方向為Y，長度方向為X，以X方向按右手螺旋法則旋轉(zhuǎn)α角度，記為YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α為逆時針旋轉(zhuǎn)，-α為順時針旋轉(zhuǎn)；切型尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝0.2～2∶6～12∶6～12。本發(fā)明的硅酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型和頻率器件具有頻率穩(wěn)定性高，適應溫度范圍廣，晶片加工簡單的特點。
文檔編號C30B29/34GK101775657SQ20101001181
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者于法鵬, 尹鑫, 張樹君, 段秀蘭, 潘立虎, 袁多榮, 趙顯 , 郭世義 申請人:山東大學