RU2099859C1

RU2099859C1 - Piezoelectric element

Info

Publication number: RU2099859C1
Application number: RU9696111134A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Писаревский; Б.В. Милль; П.А. Сенющенков
Original assignee: Московское представительство Консорциума "Экохимия-экотоксиметрия"
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 1997-12-20

Abstract

FIELD: radio electronics, applicable in production of resonators and acoustical body-wave filters. SUBSTANCE: piezoelectric element uses a crystal wafer of lanthangallium niobate, whose normal is turned relative to the Y-crystallographic axis up to 25 deg. and relative to the X-ray - up to 10 deg. EFFECT: improved combination of high temperature stability and high electromechanical coupling coefficient. 3 dwg , 1 tbl

Description

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано в устройствах селекции и стабилизации сигналов по частоте, резонаторов, узкополосных и среднеполосных фильтров. The invention relates to electronics, in particular to piezoelectric technology, and can be used in devices for the selection and stabilization of frequency signals, resonators, narrow-band and mid-band filters.

Известны пьезоэлементы на кристаллических пластинах кварца [1] Они обладают высокой термостабильностью. Known piezoelectric elements on crystalline quartz plates [1] They have high thermal stability.

Недостатком таких пьезоэлементов является невысокий коэффициент электромеханической связи, затрудняющий изготовление фильтров с полосой шире 0,2% и резонаторов с большим диапазоном перестройки. The disadvantage of such piezoelectric elements is the low coefficient of electromechanical coupling, which makes it difficult to manufacture filters with a band wider than 0.2% and resonators with a large tuning range.

Известны также пьезоэлементы на кристаллических пластинах ниобата и танталата лития [2] Эти пьезоэлементы имеют высокие коэффициенты электромеханической связи. Also known are piezoelectric elements on crystalline plates of lithium niobate and tantalate [2]. These piezoelectric elements have high electromechanical coupling coefficients.

Недостатком таких пьезоэлементов является низкая термостабильность. The disadvantage of such piezoelectric elements is the low thermal stability.

Известны пьезоэлементы на кристаллических пластинах лангасита La₃Ga₅SiO₁₄ (ЛГС): резонатор, содержащий пару электродов, и монолитный фильтр, содержащий по крайней мере две пары перекрывающих электродов, размещенных на пластине из ЛГС, угол между нормалью к главной грани которой и кристаллографической осью Y выбран равным 1^o50'+1^o [3] Такие пьезоэлементы имеют лучшую термостабильность, чем пьезоэлементы из танталата и ниобата лития, и более высокий коэффициент связи, чем кварцевые пьезоэлементы.Piezoelectric elements are known on La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ (LGS) langasite crystal plates: a resonator containing a pair of electrodes and a monolithic filter containing at least two pairs of overlapping electrodes placed on an LGS plate, the angle between the normal to the main face of which is crystallographic the Y axis was chosen equal to 1 ^o 50 '+ 1 ^o [3] Such piezoelectric elements have better thermal stability than piezoelectric elements from tantalate and lithium niobate, and a higher coupling coefficient than quartz piezoelectric elements.

Известны также пьезоэлементы, выполненные из кристалла лантангаллиевого ниобата La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄ Y-среза и X-среза [4] Эти пьезоэлементы имеют невысокую термостабильность.Also known are piezoelectric elements made of a crystal of the lantangallium niobate La ₃ Ga _5.5 Nb _0.5 O ₁₄ Y-section and X-section [4] These piezoelectric elements have a low thermal stability.

Вышеуказанный пьезоэлемент, выполненный из кристалла лантангаллиевого ниобата La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄, является наиболее близким к заявляемому по технической сущности, количеству сходных существенных признаков и достигаемому результату. Поэтому данное устройство принимаем за прототип.The above piezoelectric element made of a crystal of lantangallium niobate La ₃ Ga _5.5 Nb _0.5 O ₁₄ is the closest to the claimed technical essence, the number of similar significant features and the achieved result. Therefore, this device is taken as a prototype.

Недостатком вышеуказанных пьезоустройств является недостаточно высокая термостабильность: уход частоты пьезоэлементов на лангасите, использующих колебания сдвига по толщине, превышает 150•10⁶ в интервале температур -20+70^oC для всех, как для одноповоротных, так и для двуповоротных срезов.The disadvantage of the above piezoelectric devices is the insufficiently high thermal stability: the departure of the frequency of piezoelectric elements on langasite using shear thickness fluctuations exceeds 150 • 10 ⁶ in the temperature range of -20 + 70 ^o C for all, both for single-turn and double-turn sections.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения термостабильности при улучшении других параметров. The present invention solves the problem of increasing thermal stability while improving other parameters.

Это достигается за счет того, что пьезоэлементы изготавливаются из кристаллических пластин La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄ среза yx1b/α/β . В соответствии с изобретением угол α между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее кристаллографической осью Y в плоскости ZY выбран в пределах - 15^° < α < + 25^°, в угол β между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и кристаллографической осью Y в плоскости XY выбран в пределах - 10^° < β < + 10^°.This is achieved due to the fact that the piezoelectric elements are made of La ₃ Ga _5.5 Nb _0.5 O ₁₄ crystal plates with a cut of yx1b / α / β. In accordance with the invention, the angle α between the normal to the main face of the piezoelectric plate and its crystallographic axis Y in the ZY plane is selected within the range of −15 ^° <α <+ 25 ^° , to the angle β between the normal to the main face of the piezoelectric plate and the crystallographic Y axis in the plane XY is selected in the range - 10 ^° <β <+ 10 ^° .

На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого пьезоэлемента. Пьезоэлемент содержит пластину 1 плосковыпуклую или двояковыпуклую, одну или несколько пар перекрывающихся электродов 2,3 и 4,5 соответственно и выводы 6. In FIG. 1 shows the design of the proposed piezoelectric element. The piezoelectric element contains a plate 1 flat-convex or biconvex, one or more pairs of overlapping electrodes 2,3 and 4,5, respectively, and conclusions 6.

На фиг. 2 приведена температурная характеристика плоского резонатора из ланганита, изготовленного на основе пьезоэлемента yxlb/+7^o/+1,5^o в диапазоне температур -20+75^oC.In FIG. 2 shows the temperature characteristic of a flat resonator made of langanite, made on the basis of the yxlb / + 7 ^o / + 1.5 ^o piezoelectric element in the temperature range of -20 + 75 ^o C.

На фиг. 3 показана ориентация кристаллической пластины. In FIG. 3 shows the orientation of the crystal plate.

Пьезоэлемент работает следующим образом. Напряжение высокой частоты подается на выводы возбуждающих электродов пьезоэлемента и вызывает в нем упругие колебания сдвига по толщине, которые за счет высокой добротности и термостабильности могут быть использованы в резонаторах и монолитных кристаллических фильтрах. При уходе углов α и β за пределы вышеуказанных термостабильность резко падает. The piezoelectric element works as follows. High-frequency voltage is applied to the terminals of the exciting electrodes of the piezoelectric element and causes elastic shear vibrations in the thickness in it, which, due to the high quality factor and thermal stability, can be used in resonators and monolithic crystal filters. When the angles α and β go beyond the above, the thermal stability drops sharply.

Сравнительные данные пьезоэлементов согласно изобретению и прототипов приведены в таблице. Comparative data of the piezoelectric elements according to the invention and prototypes are shown in the table.

Из таблицы видно, что пьезоэлемент из ланганита имеет существенно лучшую термостабильность при некотором улучшении коэффициента электромеханической связи по сравнению с прототипом и является наилучшим для большого числа устройств, и в первую очередь для устройств мобильной связи, где необходимы полосы частот 0,2-1% при сдвиге частоты <10^-4.The table shows that the piezoelectric element from langanite has significantly better thermal stability with some improvement in the coefficient of electromechanical coupling compared to the prototype and is the best for a large number of devices, and primarily for mobile communication devices where frequency bands of 0.2-1% are required at frequency shift <10 ^-4 .

Источники информации. Sources of information.

1. Bechman R. Frequency-temperature-anqle characteristic of AT and BT type quartz oscillators in an extended temperature range.// Pros. of the IRE. 1960. Vol. 48 N 8, p. 1494. 1. Bechman R. Frequency-temperature-anqle characteristic of AT and BT type quartz oscillators in an extended temperature range.// Pros. of the IRE. 1960. Vol. 48 N 8, p. 1494.

2. Кочетков Ю.А. Ярославский М.И. Васильев Е.Н. Танталолитиевые резонаторы с колебаниями изгиба в плоскости XY.// Электронная техника. Сер. 5. 1983. Вып. 1(50). С. 52-55. 2. Kochetkov Yu.A. Yaroslavsky M.I. Vasiliev E.N. Tantalum lithium resonators with bending vibrations in the XY plane.// Electronic technology. Ser. 5.1983. 1 (50). S. 52-55.

3. Авторское свидетельство СССР N 1780147, кл. Н 03Н 9/56, 1990. 3. Copyright certificate of the USSR N 1780147, cl. H 03H 9/56, 1990.

4. И.М. Сильвестрова, Ю.В. Писаревский, А.А. Каминский, Б.В. Милль. Упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические свойства кристаллов La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄.// ФТТ, том 29, в. 5, 1987.4. I.M. Silvestrova, Yu.V. Pisarevsky, A.A. Kaminsky, B.V. Mill. Elastic, piezoelectric, and dielectric properties of La ₃ Ga _5.5 Nb _0.5 O ₁₄ crystals. // FTT, vol. 29, c. 5, 1987.

Claims

Piezoelectric element for devices based on body elastic waves from a piezoelectric crystal of the La ₃ Ga _5.5 Nb _0.5 O ₁₄ lantagallium crystal cut yxlb / α / β, having one or more pairs of electrodes, characterized in that the angle α between the normal to the main face of the piezoelectric element and its crystallophysical axis Y lies in the range - 10 ^° <α <25 ^° , and the angle β between the crystallophysical plane ZY and the normal to the main face of the piezoelectric element lies in the range - 10 ^° <β <10 ^° .