矽酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用的製作方法

2023-08-05 17:53:31

專利名稱：矽酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種矽酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用，使用於航空航
天、冶金鑽井等需要用於高溫傳感的場所，屬於高溫傳感器領域。
背景技術：
矽酸鎵鑭系列晶體具有優良的壓電性能，廣泛應用於無線電頻率的控制器件(共 振器)核選擇器件(濾波器)，是電子設備，遙測導航和通訊等系統中的關鍵元器件，隨著傳 感技術的發展以及航空航天技術的發展，石英，鈮酸鋰等晶體已經不能滿足寬溫度範圍內 (< 900°C )的傳感技術要求。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)。關於該系列晶體的頻率溫度補償，現有報導為(1)-40°C _200°C 溫度範圍以內；(2)採用Y切零度片和雙旋轉角度切型。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。
高溫環境下的矽酸鎵鑭系列晶體的零溫度補償未見報導。

發明內容
為了滿足航空航天，冶煉鑽井等對高溫傳感器件的要求，本發明提供了可以實現
高頻率溫度穩定性，高機電耦合係數溫度穩定性的矽酸鎵鑭系列晶體切型。該矽酸鎵鑭系
列晶體切型可以使傳感器件的使用溫度範圍有較大的提高(> 500°C )，滿足國防與民用傳
感器要求。
術語解釋 1.零溫度補償晶體的彈性常數隨溫度是變化的，若某一切型的有效彈性係數是 某些彈性常數的線形組合，並且各個彈性常數的溫度係數彼此可以抵消，從而使有效彈性 常數的溫度係數接近於零，那麼該切型就是零溫度補償切型。
2. (126激發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d26激發產生沿厚度方向T6的切變振動模式得到彈性常數c66對應的諧振反諧振 頻率。 本發明所述的矽酸鎵鑭系列晶體具有32點群結構，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點群結構的高溫壓電晶體。
3
—、矽酸鎵鑭系列晶體切型，按以下方法製得 對於32點群的矽酸鎵鑭系列晶體，正的du的方向取為x的正方向，y，z方向根據 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a角 度，記為YXltw(a)，-90° < a <+20° ， + a為逆時針旋轉，-a為順時針旋轉，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。 本發明有關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 程師協會(IEEE)關於壓電材料的有關規定，屬於本領域公知常識。本發明的關鍵特點在於 將矽酸鎵鑭系列晶體在繞x軸一次旋轉特定角度後所得的切型，都可以得到相似的高頻率 溫度穩定性。
優選的 對於矽酸鎵鑭(LGS)晶體，旋轉角度-10。 < a <+20° ，
對於鈮酸鎵鑭(LGN)晶體，旋轉角度-10。 < a <+20° ，
對於鉭酸鎵鑭(LGT)晶體，旋轉角度-30° < a <+10° ，對於Ca3TaGa3Si2014 (CTGS)或Ca3NbGa3Si2014 (CNGS)晶體，旋轉角度-40 ° < a
< 0° ，對於Sr3TaGa3Si2014 (STGS)或Sr3NbGa3Si2014 (SNGS)晶體，旋轉角度-90 ° < a
< -30° 。
優選的，切型樣品尺寸比例為厚度寬度長度=1.5 : 9 : 9。 二、本發明矽酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型的應用，用於航空航天、冶金或鑽井 領域的高溫傳感器中作為頻率器件。應用方法如下 在上述矽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激發的厚度切變振動模式下的諧振反諧振頻率，在800°C以內，晶片諧 振頻率的溫度穩定性可以控制在30ppm/°C以內。 優選的，以上系列晶體的使用溫度範圍如下LGS、 LGN或LGT使用溫度< 600°C ; CTGS、 CNGS、 STGS、 SNGS、 CNAS或CTAS使用溫度< 900°C 。 本發明的矽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定性高， 適應溫度範圍廣，晶片加工簡單的特點。 本發明矽酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型可滿足高溫應用，並具有單次旋轉、加 工簡單的優點，此外本發明的切型應用的頻率器件還具有以下優點 1.具有較高的頻率溫度穩定性，能夠很容易地達到頻率溫度穩定性30ppm/°C以 內。 2.具有較低的機械損耗，較高的機電耦合係數溫度穩定性。 3.在矽酸鎵鑭系列晶體適宜的使用溫度範圍內都具有較高的電阻率，電阻率大於 106Q cm。


圖1是本發明樣品旋轉角度示意圖。 圖2是本發明實施例1的LGT零溫度補償切型50(TC範圍內阻抗_頻率隨溫度變 化圖。
4
圖3是本發明實施例1-3的LGT零溫度補償切型50(TC範圍內頻率相對變化值 隨溫度的變化關係圖，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 應於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時的頻率溫度穩定性 是縱坐標500°C的數值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是本發明實施例4CTGS零溫度補償切型80(TC範圍內阻抗_頻率隨溫度的變 化圖。 圖5是本發明實施例5的CTGS零溫度補償切型80(TC範圍內頻率相對變化值隨 溫度的變化關係圖，縱坐標是頻率相對變化值，橫坐標是溫度。圖5中三條線分別對應於 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範圍內機電耦合係數(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，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 件置於程序控制升溫爐中測試頻率溫度特性，消除電磁幹擾，溫度範圍設為20-500°C。使 用HP4284阻抗分析儀測定由壓電常數d26激發的厚度切變振動模式，準確測量彈性常數c66 的諧振反諧振頻率，記錄晶片在溫度範圍內的阻抗，諧振反諧振頻率隨溫度的變化，有關數 據繪製為圖2所示。 重複以上步驟，分別加工LGT切型樣品YXltw(+10 ° ) 、 YXltw(-5 ° )、 YXltw(-15° )、YXltw(-30° )進行測定，結果證明在-30°《a《+10°時，在20-500。C 範圍內，頻率器件的溫度穩定性均可控在20卯m廣C以內。
實施例2 : 如實施例1，所不同的是，還採用YXltw(-25 ° )切型，樣品尺寸為 0. 6X 12. OX 12. 0mm3的頻率器件，20-50(TC範圍內測定其頻率隨溫度的變化，得到頻率器 件的溫度穩定性在8ppm廣C以內，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範圍內測定其頻率隨溫度的變化，得到頻率器件 的溫度穩定性在15卯m廣C以內，參見圖3所示。
5
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範圍內測定頻率溫度變化，頻率器 件的溫度穩定性可控在15卯m廣C以內，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範圍內測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩定性均可控 在18卯m廣C以內，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 範圍內測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩定性均可控在30ppm/°C以內，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範圍內測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩定性均可控在30ppm/°C以內。機電 耦合係數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範圍內測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩定性均可控在20ppm/°C以內，機電 耦合係數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範圍內測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩定性均可控在15ppm/°C以內。
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範圍內測定頻率溫度變化，頻率器件的溫度穩定性均可控在30ppm/°C以內，機電 耦合係數隨溫度的變化率如圖6所示。
權利要求
矽酸鎵鑭系列晶體切型，其特徵在於，對於32點群的矽酸鎵鑭系列晶體，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α角度，記為YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α為逆時針旋轉，-α為順時針旋轉；切型尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝0.2～2∶6～12∶6～12；優選的，切型樣品尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝1.5∶9∶9。
2. 如權利要求i所述的矽酸鎵鑭系列晶體切型，其特徵在於，對於矽酸鎵鑭晶體(LGS)，旋轉角度-IO。 < a <+20° 。
3. 如權利要求l所述的矽酸鎵鑭系列晶體切型，其特徵在於，對於鈮酸鎵鑭晶體 (LGN)，旋轉角度-IO。 < a <+20° 。
4. 如權利要求l所述的矽酸鎵鑭系列晶體切型，其特徵在於，對於鉭酸鎵鑭(LGT)晶 體，旋轉角度-30° < a < +10° 。
5. 如權利要求1所述的矽酸鎵鑭系列晶體切型，其特徵在於，對於 Ca3TaGa3Si2014(CTGS)或Ca3NbGa3Si2014(CNGS)晶體，旋轉角度-40。 < a < 0° 。
6. 如權利要求1所述的矽酸鎵鑭系列晶體切型，其特徵在於，對於 Sr3TaGa3Si2014(STGS)或Sr3NbGa3Si2014(SNGS)晶體，旋轉角度-90。 < a <-30° 。
7. 權利要求l-6任一項所述的矽酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型的應用，用於高溫傳 感器中作為頻率器件，在矽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. 如權利要求7所述的矽酸鎵鑭系列晶體零溫度補償切型的應用，其特徵在於，矽酸 鎵鑭系列晶體的使用溫度範圍如下LGS、LGN或LGT使用溫度小於600°C;CTGS、CNGS、STGS、 SNGS、 CNAS或CTAS使用溫度小於900°C 。
全文摘要
本發明涉及一種矽酸鎵鑭系列晶體高溫零溫度補償切型及應用。對於32點群的矽酸鎵鑭系列晶體，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α角度，記為YXltw(α)，-90°＜α＜+20°，+α為逆時針旋轉，-α為順時針旋轉；切型尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝0.2～2∶6～12∶6～12。本發明的矽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定性高，適應溫度範圍廣，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 優先權日2010年1月7日
發明者於法鵬, 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