本发明专利技术涉及一种ＮｄＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３晶体零频率温度系数切型及应用，晶体旋转α角度，记为（ＺＸｗ）α，－２０°≤α≤４５°，切型尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝１∶（２－３）∶（６－１０）。ＮｄＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３晶片切型的宽度方向上镀铂金电极，电极厚度为２００－２２０ｎｍ；采用宽度切变振动模式，在－１４０－２００℃范围内，晶片谐振频率的温度稳定性控制在０～２５ｐｐｍ／℃。本发明专利技术克服了石英晶体机电耦合系数较低（＜８％），钽酸锂、硅酸镓镧等晶体频率稳定范围较窄的问题，适于制成宽温度范围内使用的频率控制器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压电晶体NdCa4O(BO3)3晶体零频率温度系数切型及应用，属于频率控制
技术介绍
石英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(振荡器，谐 振器)和选择器件(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。现 行的压电晶体频率控制用零温度补偿切型多为石英晶体，温度范围一般在-40-100°C。但 石英晶体压电系数较低W11 < 4pC/N)，机电耦合系数偏低(< 8% )，已不能满足现代电 子通讯技术的发展以及传感技术的发展，人们迫切需要新的具有更高压电常数和机电耦 合系数的晶体材料。钽酸锂(X切)，四硼酸锂((YXl)51°切)虽然有零频率温度系数切 型，但是补偿温度范围有限，温度系数也较大，参见张沛霖，钟维烈《压电材料和器件物理》 p. 141 ；Yoshiro Fujiwara,Masaaki 0N0,Masayuki Sakai,Noboru Wakatsuki,STRIP TYPE RESONATOR OF LITHIUMTETRABORATE, Proc. 39th Ann.Freq. Control Symp. 1985，p.351。 磷酸镓(GaPO4)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)等晶体生产成本较高，而且频率稳定范围相对较窄 (-130 150°C ),参见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 页；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 页。
技术实现思路
为了克服现有技术中石英晶体机电耦合系数较低，而钽酸锂、硅酸镓镧等晶体频 率稳定范围较窄的问题，本专利技术提供NdCa4O(BO3)3晶体零频率温度系数切型，以实现获得宽 温度范围内使用的具有较高频率温度稳定性、高机电耦合系数和压电常数晶体器件。该晶 体切型可以使频率控制器件的使用温度范围有较大的提高(-140 200°C )，满足国防与民 用频率控制器件要求。本专利技术采用压电晶体材料NdCa4O(BO3)3(ZXw) θ切型，采用压电常数d26宽度切变 振动模式，获得适用于-140-200°C范围内该晶体的零频率温度系数切型。适合制成宽温度 范围使用的频率控制器件。术语解释1.零频率温度系数晶体的弹性常数随温度是变化的，其谐振(反谐振)频率随 温度的变化可以写成的温度的函数 (1)JrQJrOη浐)=去(祭、(2) Tf(n)为η级频率温度系数，fr0是在温度为、(拐点温度)下的谐振频率，fr是在任 意温度t时的谐振频率。通常考虑前三级(Tfa)，Tf⑵和Tf(3))温度系数，当Tfω = 0时， 就是零频率温度系数。2. d26激发的宽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激发产生的T6方向的切变振动模式得到弹性常数S66对应的谐振频率。本专利技术所述的NdCa4O(BO3)3晶体属单斜晶系，具有Cm空间群结构。该晶体采用提 拉法生长，容易得到大尺寸的单晶体。晶体的制备参见T. Karaki,M. Adachi, Y. Kuniyoshi, J.Electroceram 823-826。一、晶体切型NdCa4O (BO3) 3晶体切型，按以下方法制得对于单斜晶系的NdCa4O(BO3)3晶体，正的d22的方向取为Y的正方向，物理坐标轴 的Y和Z轴平行于结晶轴的b和C轴，物理坐标轴的X轴与Y和Z轴相互垂直并遵循右手 螺旋法则。晶体厚度方向为Z，长度方向为X，宽度方向为Y，以Y方向按右手螺旋法则旋转 α角度，记为(ZXw) α，-20°彡α彡45°，样品切型以及加工角度如图1所示。本专利技术有关压电晶体坐标轴以及正负χ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。本专利技术的关键特点在于 将NdCa4O(BO3)3晶体绕Y轴一次旋转特定角度后所得到的切型，可以获得高频率温度稳定 性的压电振子。对于NdCa4O(BO3)3晶体，旋转角度满足-20°彡α彡45°，最优选的α = 30°， 这时的切型频率温度系数为零。 优选的，切型样品尺寸比例为厚度宽度长度=1 (2-3) (6-10)。最优选 的，切型样品尺寸比例为1 2.2 10。二、应用本专利技术NdCa4O(BO3)3晶体零频率温度系数切型的应用，用于无线电频率控制器件 和频率选择器件，在军用和民用均可应用。上述的频率控制器件是指振荡器或谐振器，频率选择器件是指滤波器。应用方法如下在上述NdCa4O(BO3)3晶片切型的宽度方向上镀钼金电极，电极厚度为200-220nm。 利用d26模式激发下的S66所对应的谐振反谐振频率，在-140-200°C以内，晶片谐振频率的 温度稳定性能控制在0 25ppm/°C。在下面的表1-2中给出了本专利技术中不同尺寸和切角样品的频率变化曲线拟和参 数，及与现有的具有零频率温度系数压电晶体的温度特性对比。表1本专利技术不同尺寸和切角样品的频率变化曲线拟和参数 表2.零频率温度系数的压电晶体温度特性对比 表2中现有晶体-参见以下文件ff. P. Mason, Piezoelectric Crystals and Their Application to Ultrasonics. (D.Van Nostrand, New York 1950)p.101.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.张沛霖，钟维烈，《压电材料与器件物理》，山东科技出版社，1997年，第141页。Yoshiro Fujiwara, Masaaki 0N0, Masayuki Sakai, Noboru Wakatsuki, Proc. 39th Ann. Freq. Control Symp. 1985, p.351.A.Zarka,B. Capelle,J.Detaint,D. Palmier,E. Philippot,0. V. Zvereva, 1996 IEEEInternational Frequenc本文档来自技高网...
【技术保护点】
ＮｄＣａ↓［４］Ｏ（ＢＯ↓［３］）↓［３］晶体零频率温度系数切型，正的ｄ２２的方向取为Ｙ的正方向，物理坐标轴的Ｙ和Ｚ轴平行于结晶轴的ｂ和ｃ轴，物理坐标轴的Ｘ轴与Ｙ和Ｚ轴相互垂直并遵循右手螺旋法则，晶体厚度方向为Ｚ，长度方向为Ｘ，宽度方向为Ｙ，以Ｙ方向按右手螺旋法则做一次旋转α角度，记为（ＺＸｗ）α，－２０°≤α≤４５°，切型尺寸比例为厚度∶宽度∶长度＝１∶（２－３）∶（６－１０）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：袁多荣，于法鹏，张树君，潘立虎，尹鑫，郭世义，段秀兰，赵显，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]
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