CN101775657B - 硅酸镓镧系列晶体高温零温度补偿切型及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅酸镓镧系列晶体高温零温度补偿切型及应用。对于32点群的硅酸镓镧系列晶体，正的d11的方向取为x的正方向，y、z方向根据右手螺旋法则确定；晶体厚度方向为Y，长度方向为X，以X方向按右手螺旋法则旋转α角度，记为YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α为逆时针旋转，-α为顺时针旋转；切型尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝0.2～2∶6～12∶6～12。本发明的硅酸镓镧系列晶体高温零温度补偿切型和频率器件具有频率稳定性高，适应温度范围广，晶片加工简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅酸镓镧系列晶体高温零温度补偿切型及应用，使用于航空航天、冶金钻井等需要用于高温传感的场所，属于高温传感器领域。
背景技术
硅酸镓镧系列晶体具有优良的压电性能，广泛应用于无线电频率的控制器件(共振器)核选择器件(滤波器)，是电子设备，遥测导航和通讯等系统中的关键元器件，随着传感技术的发展以及航空航天技术的发展，石英，铌酸锂等晶体已经不能满足宽温度范围内(＜900℃)的传感技术要求。该系列晶体包括La3Ga5.5Nb05O14(LGN)，La3Ga5.5Ta0.5O14(LGT)，La3Ga5SiO14(LGS)，Ca3TaGa3Si2O14(CTGS)，Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)，Sr3TaGa3Si2O14(STGS)和Sr3NbGa3Si2O14(SNGS)。关于该系列晶体的频率温度补偿，现有报道为(1)-40℃-200℃温度范围以内；(2)采用Y切零度片和双旋转角度切型。参见P.A.Senjushenkov等人，TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF LANGANITE BULK WAVE VIBRATIONS，1996IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM，137-140；Shen Jen等人，EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE BAW DEVICE POTENTIALS OF SINGLEROTATED Y-CUT ORDERED LANGASITE-STRUCTURE CRYSTALS，2002IEEEInternational Frequency Control Symposium and PDA Exhibition，348-352.Maurício Pereira daCunha等人，BAW TEMPERATURE SENSITIVITY AND COUPING IN LANGANITE，1999IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM，883-886。
高温环境下的硅酸镓镧系列晶体的零温度补偿未见报道。
发明内容
为了满足航空航天，冶炼钻井等对高温传感器件的要求，本发明提供了可以实现高频率温度稳定性，高机电耦合系数温度稳定性的硅酸镓镧系列晶体切型。该硅酸镓镧系列晶体切型可以使传感器件的使用温度范围有较大的提高(＞500℃)，满足国防与民用传感器要求。
术语解释：
1.零温度补偿：晶体的弹性常数随温度是变化的，若某一切型的有效弹性系数是某些弹性常数的线形组合，并且各个弹性常数的温度系数彼此可以抵消，从而使有效弹性常数的温度系数接近于零，那么该切型就是零温度补偿切型。
2.d26激发的厚度切变振动模式下的谐振反谐振频率：在Y方向上加电场E，由压电应变常数d26激发产生沿厚度方向T6的切变振动模式得到弹性常数c66对应的谐振反谐振频率。
本发明所述的硅酸镓镧系列晶体具有32点群结构，选自：La3Ga5.5Nb0.5O14(LGN)，La3Ga5.5Ta0.5O14(LGT)，La3Ga5SiO14(LGS)，Ca3TaGa3Si2O14(CTGS)，Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)，Sr3TaGa3Si2O14(STGS)和Sr3NbGa3Si2O14(SNGS)，Ca3NbAl3Si2O14(CNAS)，Ca3TaAl3Si2O14(CTAS)或用铝取代镓的任一种公知的同类32点群结构的高温压电晶体。
一、硅酸镓镧系列晶体切型，按以下方法制得：
对于32点群的硅酸镓镧系列晶体，正的d11的方向取为x的正方向，y，z方向根据右手螺旋法则确定；晶体厚度方向为Y，长度方向为X，以X方向按右手螺旋法则旋转α角度，记为YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α为逆时针旋转，-α为顺时针旋转，如图1所示；加工切型尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝0.2～2∶6～12∶6～12。
本发明有关压电晶体坐标轴以及正负x的方向选择方法，可参阅美国电子电器工程师协会(IEEE)关于压电材料的有关规定，属于本领域公知常识。本发明的关键特点在于将硅酸镓镧系列晶体在绕x轴一次旋转特定角度后所得的切型，都可以得到相似的高频率温度稳定性。
优选的：
对于硅酸镓镧(LGS)晶体，旋转角度-10°＜α＜+20°，
对于铌酸镓镧(LGN)晶体，旋转角度-10°＜α＜+20°，
对于钽酸镓镧(LGT)晶体，旋转角度-30°＜α＜+10°，
对于Ca3TaGa3Si2O14(CTGS)或Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)晶体，旋转角度-40°＜α＜0°，
对于Sr3TaGa3Si2O14(STGS)或Sr3NbGa3Si2O14(SNGS)晶体，旋转角度-90°＜α＜-30°。
优选的，切型样品尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝1.5∶9∶9。
二、本发明硅酸镓镧系列晶体零温度补偿切型的应用，用于航空航天、冶金或钻井领域的高温传感器中作为频率器件。应用方法如下：
在上述硅酸镓镧系列晶体零温度补偿切型厚度方向上镀铂金电极，电极厚度为200-220nm。利用d26激发的厚度切变振动模式下的谐振反谐振频率，在800℃以内，晶片谐振频率的温度稳定性可以控制在30ppm/℃以内。
优选的，以上系列晶体的使用温度范围如下：LGS、LGN或LGT使用温度＜600℃；CTGS、CNGS、STGS、SNGS、CNAS或CTAS使用温度＜900℃。
本发明的硅酸镓镧系列晶体高温零温度补偿切型和频率器件具有频率稳定性高，适应温度范围广，晶片加工简单的特点。
本发明硅酸镓镧系列晶体零温度补偿切型可满足高温应用，并具有单次旋转、加工简单的优点，此外本发明的切型应用的频率器件还具有以下优点：
1.具有较高的频率温度稳定性，能够很容易地达到频率温度稳定性30ppm/℃以内。
2.具有较低的机械损耗，较高的机电耦合系数温度稳定性。
3.在硅酸镓镧系列晶体适宜的使用温度范围内都具有较高的电阻率，电阻率大于106Ω·cm。
附图说明
图1是本发明样品旋转角度示意图。
图2是本发明实施例1的LGT零温度补偿切型500℃范围内阻抗-频率随温度变化图。
图3是本发明实施例1-3的LGT零温度补偿切型500℃范围内频率相对变化值随温度的变化关系图，纵坐标是频率相对变化值，横坐标是温度。图3中三条线分别对应于α+10°，α+0°，α-5°的样品，其中α＝-20°，三条线代表的切型角度即为：α+10°＝-10°，α+0°＝-20°，α-5°＝-25°。图3中500℃时的频率温度稳定性是纵坐标500℃的数值2*0.001(标度)除以对应的横坐标的温度变化(500-180℃拐点)＝6.3ppm/℃得到的；400℃时的频率温度稳定性＝纵坐标0.5*0.001(纵坐标标度)除以(400-180℃拐点)＝2.3ppm/℃。
图4是本发明实施例4CTGS零温度补偿切型800℃范围内阻抗-频率随温度的变化图。
图5是本发明实施例5的CTGS零温度补偿切型800℃范围内频率相对变化值随温度的变化关系图，纵坐标是频率相对变化值，横坐标是温度。图5中三条线分别对应于α+10°，α+0°，α-5°的样品，此处α＝-20°，则α+10°＝-10°，α+0°＝-20°，α-5°＝-25°。
图6是本发明实施例9的STGS，实施例6的CNGS，实施例7的LGN零温度补偿切型800℃范围内机电耦合系数(纵坐标)随温度的变化图。
具体实施方式
实验仪器说明：HP4284阻抗分析仪，美国惠普公司生产，型号4294。
实施例1：钽酸镓镧晶体零温度补偿切型
1.如图1所示，钽酸镓镧晶体正的d11的方向取为X的正方向，Y，Z方向根据右手螺旋法则确定。YXltw(α)即厚度方向为Y，长度方向为X，以长度方向，即X方向按右手螺旋法则旋转α角度，α＝-20°，按以上方法加工LGT切型样品YXltw(-20°)，样品尺寸为1.5×9.0×9.0mm3。
2.在LGT切型样品厚度方向上镀铂金电极，电极厚度为200nm，将镀铂金的样品器件置于程序控制升温炉中测试频率温度特性，消除电磁干扰，温度范围设为：20-500℃。使用HP4284阻抗分析仪测定由压电常数d26激发的厚度切变振动模式，准确测量弹性常数c66的谐振反谐振频率，记录晶片在温度范围内的阻抗，谐振反谐振频率随温度的变化，有关数据绘制为图2所示。
重复以上步骤，分别加工LGT切型样品YXltw(+10°)、YXltw(-5°)、YXltw(-15°)、YXltw(-30°)进行测定，结果证明在-30°≤α≤+10°时，在20-500℃范围内，频率器件的温度稳定性均可控在20ppm/℃以内。
实施例2：
如实施例1，所不同的是，还采用YXltw(-25°)切型，样品尺寸为0.6×12.0×12.0mm3的频率器件，20-500℃范围内测定其频率随温度的变化，得到频率器件的温度稳定性在8ppm/℃以内，参见图3所示。
实施例3：
如实施例1，所不同的是，样品角度加工为YXltw(-10°)，样品尺寸为0.6×9.0×9.0mm3的频率器件，20-500℃范围内测定其频率随温度的变化，得到频率器件的温度稳定性在15ppm/℃以内，参见图3所示。
实施例4：
如实施例1，所不同的是晶片样品为CTGS，加工YXltw(α)，α＝-20°，CTGS晶片尺寸为1.0×10.0×10.0mm3，封装成频率器件，20-800℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性可控在15ppm/℃以内，参见图4所示。
实施例5：
如实施例4，所不同的是，加工CTGS样品YXltw(-25°)，晶片尺寸0.6×12.0×12.0mm3，20-800℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性均可控在18ppm/℃以内，参见图5所示。
同样的方法加工CTGS样品YXltw(-20°)和CTGS样品YXltw(-10°)，20-800℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性均可控在30ppm/℃以内，参见图5所示。
实施例6：
如实施例4，所不同的是，加工CNGS样品YXltw(-25°)，1.5×9.0×9.0mm3，20-800℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性均可控在30ppm/℃以内。机电耦合系数随温度的变化率如图6所示。
实施例7：
如实施例1，所不同的是，加工LGN样品YXltw(+5°)，1.5×9.0×9.0mm3，20-500℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性均可控在20ppm/℃以内，机电耦合系数随温度的变化率如图6所示。
实施例8：
如实施例1，所不同的是，加工LGS样品YXltw(+10°)，1.5×9.0×9.0mm3，20-500℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性均可控在15ppm/℃以内。
实施例9：
如实施例1，所不同的是，加工STGS样品YXltw(-70°)，1.5×9.0×9.0mm3，20-800℃范围内测定频率温度变化，频率器件的温度稳定性均可控在30ppm/℃以内，机电耦合系数随温度的变化率如图6所示。
Claims (9)
1.硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，对于32点群的硅酸镓镧系列晶体，正的d11的方向取为x的正方向，y、z方向根据右手螺旋法则确定；晶体厚度方向为Y，长度方向为X，以X方向按右手螺旋法则旋转α角度，记为YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α为逆时针旋转，-α为顺时针旋转；切型尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝0.2～2∶6～12∶6～12。
2.如权利要求1所述的硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，所述切型样品尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝1.5∶9∶9。
3.如权利要求1所述的硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，对于硅酸镓镧晶体(LGS)，旋转角度-10°＜α＜+20°。
4.如权利要求1所述的硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，对于铌酸镓镧晶体(LGN)，旋转角度-10°＜α＜+20°。
5.如权利要求1所述的硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，对于钽酸镓镧(LGT)晶体，旋转角度-30°＜α＜+10°。
6.如权利要求1所述的硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，对于Ca3TaGa3Si2O14(CTGS)或Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)晶体，旋转角度-40°＜α＜0°。
7.如权利要求1所述的硅酸镓镧系列晶体切型，其特征在于，对于Sr3TaGa3Si2O14(STGS)或Sr3NbGa3Si2O14(SNGS)晶体，旋转角度-90°＜α＜-30°。
8.权利要求1～7任一项所述的硅酸镓镧系列晶体零温度补偿切型的应用，用于高温传感器中作为频率器件，在硅酸镓镧系列晶体零温度补偿切型厚度方向上镀铂金电极，电极厚度为200-220nm。
9.如权利要求8所述的硅酸镓镧系列晶体零温度补偿切型的应用，其特征在于，硅酸镓镧系列晶体的使用温度范围如下：LGS、LGN或LGT使用温度小于600℃；CTGS、CNGS、STGS、SNGS、CNAS或CTAS使用温度小于900℃。
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