NdCa₄O(BO₃)₃晶體零頻率溫度系數切型及應用的制作方法

專利名稱：NdCa₄O(BO₃)₃晶體零頻率溫度系數切型及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電晶體NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型及應用，屬于頻率控制技術領域。
背景技術：
石英晶體具有優良的壓電性能，廣泛應用于無線電頻率的控制器件(振蕩器，諧 振器)和選擇器件(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。現 行的壓電晶體頻率控制用零溫度補償切型多為石英晶體，溫度范圍一般在-40-100°C。但 石英晶體壓電系數較低W11 < 4pC/N)，機電耦合系數偏低(< 8% )，已不能滿足現代電 子通訊技術的發展以及傳感技術的發展，人們迫切需要新的具有更高壓電常數和機電耦 合系數的晶體材料。鉭酸鋰(X切)，四硼酸鋰((YXl)51°切)雖然有零頻率溫度系數切 型，但是補償溫度范圍有限，溫度系數也較大，參見張沛霖，鐘維烈《壓電材料和器件物理》 p. 141 ；Yoshiro Fujiwara,Masaaki 0N0,Masayuki Sakai,Noboru Wakatsuki,STRIP TYPE RESONATOR OF LITHIUMTETRABORATE, Proc. 39th Ann.Freq. Control Symp. 1985，p.351。 磷酸鎵(GaPO4)、硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14)等晶體生產成本較高，而且頻率穩定范圍相對較窄 (-130 150°C ),參見Robert C. Smythe, Robert C. HeImboId, G. Eric Hague, II, and Karen A.Snow, Langasite, langanite, andlangatate bulk-wave Y_cut resonators,2000 IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, andfrequency control，2000 年第二期 47 卷 355-360 頁；A. Zarka,B. Capelle, J. Detaint,D. Palmier,Ε. Philippot,0. V. Zvereva, Studies of GaP04 crystals and resonators,1996 IEEE InternationalFrequency Control Symposium, 66-71 頁。

發明內容
為了克服現有技術中石英晶體機電耦合系數較低，而鉭酸鋰、硅酸鎵鑭等晶體頻 率穩定范圍較窄的問題，本發明提供NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型，以實現獲得寬 溫度范圍內使用的具有較高頻率溫度穩定性、高機電耦合系數和壓電常數晶體器件。該晶 體切型可以使頻率控制器件的使用溫度范圍有較大的提高(-140 200°C )，滿足國防與民 用頻率控制器件要求。本發明采用壓電晶體材料NdCa4O(BO3)3(ZXw) θ切型，采用壓電常數d26寬度切變 振動模式，獲得適用于-140-200°C范圍內該晶體的零頻率溫度系數切型。適合制成寬溫度 范圍使用的頻率控制器件。術語解釋1.零頻率溫度系數晶體的彈性常數隨溫度是變化的，其諧振(反諧振)頻率隨 溫度的變化可以寫成的溫度的函數
(1)
JrQJrOη
浐)=去(祭、(2) Tf(n)為η級頻率溫度系數，fr0是在溫度為、(拐點溫度)下的諧振頻率，fr是在任 意溫度t時的諧振頻率。通常考慮前三級(Tfa)，Tf⑵和Tf(3))溫度系數，當Tfω = 0時， 就是零頻率溫度系數。2. d26激發的寬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激發產生的T6方向的切變振動模式得到彈性常數S66對應的諧振頻率。本發明所述的NdCa4O(BO3)3晶體屬單斜晶系，具有Cm空間群結構。該晶體采用提 拉法生長，容易得到大尺寸的單晶體。晶體的制備參見T. Karaki,M. Adachi, Y. Kuniyoshi, J.Electroceram 823-826。一、晶體切型NdCa4O (BO3) 3晶體切型，按以下方法制得對于單斜晶系的NdCa4O(BO3)3晶體，正的d22的方向取為Y的正方向，物理坐標軸 的Y和Z軸平行于結晶軸的b和C軸，物理坐標軸的X軸與Y和Z軸相互垂直并遵循右手 螺旋法則。晶體厚度方向為Z，長度方向為X，寬度方向為Y，以Y方向按右手螺旋法則旋轉 α角度，記為(ZXw) α，-20°彡α彡45°，樣品切型以及加工角度如圖1所示。本發明有關壓電晶體坐標軸以及正負χ的方向選擇方法，可參閱美國電子電器工 程師協會(IEEE)關于壓電材料的有關規定，屬于本領域公知常識。本發明的關鍵特點在于 將NdCa4O(BO3)3晶體繞Y軸一次旋轉特定角度后所得到的切型，可以獲得高頻率溫度穩定 性的壓電振子。對于NdCa4O(BO3)3晶體，旋轉角度滿足-20°彡α彡45°，最優選的α = 30°， 這時的切型頻率溫度系數為零。
優選的，切型樣品尺寸比例為厚度寬度長度=1 (2-3) (6-10)。最優選 的，切型樣品尺寸比例為1 2.2 10。二、應用本發明NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型的應用，用于無線電頻率控制器件 和頻率選擇器件，在軍用和民用均可應用。上述的頻率控制器件是指振蕩器或諧振器，頻率選擇器件是指濾波器。應用方法如下在上述NdCa4O(BO3)3晶片切型的寬度方向上鍍鉬金電極，電極厚度為200-220nm。 利用d26模式激發下的S66所對應的諧振反諧振頻率，在-140-200°C以內，晶片諧振頻率的 溫度穩定性能控制在0 25ppm/°C。在下面的表1-2中給出了本發明中不同尺寸和切角樣品的頻率變化曲線擬和參 數，及與現有的具有零頻率溫度系數壓電晶體的溫度特性對比。表1本發明不同尺寸和切角樣品的頻率變化曲線擬和參數 表2.零頻率溫度系數的壓電晶體溫度特性對比 表2中現有晶體[l]-[5]參見以下文件[l]ff. P. Mason, Piezoelectric Crystals and Their Application to Ultrasonics. (D.Van Nostrand, New York 1950)p.101.[2]Robert C. Smythe,Robert C. Helmbold,G. Eric Hague,II,and Karen A. Snow, 2000 IEEETransactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control,47, No. 2，2000，p. 355.[3]張沛霖，鐘維烈，《壓電材料與器件物理》，山東科技出版社，1997年，第141頁。[4]Yoshiro Fujiwara, Masaaki 0N0, Masayuki Sakai, Noboru Wakatsuki, Proc. 39th Ann. Freq. Control Symp. 1985, p.351.[5]A.Zarka,B. Capelle,J.Detaint,D. Palmier,E. Philippot,0. V. Zvereva, 1996 IEEEInternational Frequency Control Symposium, 1996, p.66.本發明采用(ZXw) θ NdCa4O(BO3)3晶體的切型，采用寬度切變振動模式，發現了該 晶體的零頻率溫度系數切型。本發明克服了石英晶體機電耦合系數較低(<8%)，鉭酸鋰， 硅酸鎵鑭等晶體頻率穩定范圍較窄的問題，研制成功寬溫度范圍內使用的NdCa4O(BO3)3晶 體的切型頻率控制器件。本發明NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型和頻率器件具有頻率穩定性高，適應溫度范圍廣，晶片加工簡單的特點。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0 25ppm/°C，特別的，當α =30°時，頻率溫度系數為零。2.具有較低的機械損耗(< 0. )，較高的機電耦合系數(20% -30% )。3.相對于其他可用于頻率控制的具有較高壓電常數的晶體，如鉭酸鋰(LT)，四硼 酸鋰(LBO)，硅酸鎵鑭(LGS)晶體以及磷酸鎵(GaPO4)晶體等，NdCa4O(BO3)3晶體具有生產 成本較低，易于大尺寸單晶生長的優點。


圖1是本發明中部分樣品旋轉角度示意圖。圖2是本發明實施例1-3的NdCa4O (BO3) 3晶體不同零溫度補償切型樣品 在-140-200°C范圍內頻率相對變化值隨溫度的關系圖，縱坐標是頻率相對變化值，橫坐標 是溫度。圖3是本發明實施例5的NdCa4O(BO3)3晶體零溫度補償切型-140-200°C范圍內頻 率變化隨溫度的關系圖，縱坐標是頻率值，橫坐標是溫度。圖3中同時給出了該切型樣品的 壓電常數和機電耦合系數隨溫度的變化。
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 =NdCa4O (BO3) 3晶體零溫度補償切型1.如圖1所示，NdCa4O(BO3)3晶體正的d22的方向取為Y的正方向，物理坐標軸的 Y和Z軸平行于結晶軸的b和C軸，物理坐標軸的X軸與Y和Z軸相互垂直并遵循右手螺旋 法則。晶體厚度方向為Z，長度方向為X，寬度方向為Y，以Y方向按右手螺旋法則旋轉-20° 角度，記為(ZXw)-20°，樣品切型以及加工角度如圖1所示；加工切型尺寸比例為厚度寬 度長度=1:3:8。2.在NdCa4O (BO3) 3切型樣品寬度方向上鍍鉬金電極，電極厚度為200nm，將鍍 鉬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 為-140-200°C。使用HP 4284阻抗分析儀測定由壓電常數d26激發的寬厚度切變振動模 式，準確測量彈性常數S66的諧振反諧振頻率，記錄晶片在溫度范圍內的諧振頻率隨溫度的 變化，有關數據如圖2((ZXw)-18°樣品)所示。重復以上步驟，加工NdCa4O (BO3) 3 (ZXw) -20 °切型樣品，加工切型尺寸比例為 厚度寬度長度=1:4: 8進行測定，結果證明尺寸比例在厚度寬度長度= 1 (3 4) 8之間，在-140-200°C范圍內，頻率器件的溫度穩定性均可控在24ppm/°C以 內。實施例2 如實施例1，所不同的是，還采用(ZXw)-10°切型，樣品尺寸比例為厚度寬度 長度=1 3 9的頻率器件，-140-200°C范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25ppm/°C以內，參見圖2 ((ZXw)-10°樣品)所示。
實施例3 如實施例1，所不同的是，還采用(ZXw)0°切型，樣品尺寸比例為厚度寬度長 度=1 2.4 7的頻率器件，-140-200°c范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12ppm/°C以內，參見圖2 ((ZXw) 0°樣品)所示。實施例4:如實施例1，所不同的是，還采用(ZXw) 15°切型，樣品尺寸比例為厚度寬度 長度=1 2.4 14的頻率器件，-140-200°C范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6. 8ppm/°C以內，參見圖2 ((ZXw) 15°樣品)所示。
實施例5 如實施例1，所不同的是，還采用(ZXw)30°切型，樣品尺寸比例為厚度寬度 長度=1 2.2 10的頻率器件，-140-200°C范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0. 2ppm/°C以內，參見圖2 ((ZXw) 30°樣品)所示。并將-140-200°C范 圍內的頻率特性和壓電特性繪制于圖3中。實施例6 如實施例1，所不同的是，還采用(ZXw)45°切型，樣品尺寸比例為厚度寬度 長度=1 2 7的頻率器件，-140-200°C范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8. 5ppm/°C以內，參見圖2 ((ZXw) 45°樣品)所示。以上壓電振子的參數，包括尺寸比例，一級溫度系數和二級溫度系數，拐點溫度 (參考溫度)，壓電常數和機電耦合系數數值，機械損耗和品質因子列于表1中。優選的，(ZXw) 30°切型振子的頻率特性和壓電特性與目前常用的壓電晶體的零 溫度切型頻率特性參數匯總于表二中。數據表明，NdCa4O(BO3)3晶體(ZXw)30°切型振子 在-140-200°C范圍內具有很高的頻率溫度穩定性，其一級頻率溫度特性為零。
權利要求
NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型，正的d22的方向取為Y的正方向，物理坐標軸的Y和Z軸平行于結晶軸的b和c軸，物理坐標軸的X軸與Y和Z軸相互垂直并遵循右手螺旋法則，晶體厚度方向為Z，長度方向為X，寬度方向為Y，以Y方向按右手螺旋法則做一次旋轉α角度，記為(ZXw)α，-20°≤α≤45°，切型尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝1∶(2-3)∶(6-10)。
2.如權利要求1所述的NdCa4O(BO3) 3晶體零頻率溫度系數切型，其特征在于，切型尺寸 比例為厚度寬度長度=1 2. 2 10。
3.如權利要求1所述的NdCa4O(BO3) 3晶體零頻率溫度系數切型，其特征在于，所述旋轉 角度α = 30°。
4.權利要求1-3任一項所述的NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度補償切型的應用，用 于-140-200°C范圍內的無線電頻率控制器件或頻率選擇器件；所述的頻率控制器件是指振蕩器或諧振器，頻率選擇器件是指濾波器。
5.如權利要求4所述的NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型的應用，其特征在于在 NdCa4O(BO3)3晶片切型的寬度方向上鍍鉬金電極，電極厚度為200-220nm ；利用d26模式激發 下的S66所對應的諧振反諧振頻率，在-140-200°C范圍內，晶片諧振頻率的溫度穩定性控制 在 0 25ppm/°C。
全文摘要
本發明涉及一種NdCa4O(BO3)3晶體零頻率溫度系數切型及應用，晶體旋轉α角度，記為(ZXw)α，-20°≤α≤45°，切型尺寸比例為厚度∶寬度∶長度＝1∶(2-3)∶(6-10)。NdCa4O(BO3)3晶片切型的寬度方向上鍍鉑金電極，電極厚度為200-220nm；采用寬度切變振動模式，在-140-200℃范圍內，晶片諧振頻率的溫度穩定性控制在0～25ppm/℃。本發明克服了石英晶體機電耦合系數較低(＜8％)，鉭酸鋰、硅酸鎵鑭等晶體頻率穩定范圍較窄的問題，適于制成寬溫度范圍內使用的頻率控制器件。
文檔編號H03H3/04GK101847975SQ20101013621
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者于法鵬, 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