硅酸镓镧介绍.doc

硅酸镓镧单晶与其它压电材料的性能比较 SAW性能的比较与石英相比，硅酸镓镧晶体的机电耦合系数高两至三倍，石英滤波器的带宽在1%以下，硅酸镓镧单晶滤波器的带宽在10%左右，且温度特性几乎完全一样。硅酸镓镧单晶与钽酸锂晶体相比，具有与钽酸锂晶体接近的机电耦合系数，温度特性大大优于钽酸锂晶体，而且由于硅酸镓镧单晶不是铁电体，无热释电效应，不需极化且不存在反畴区问题，而且直到熔点温度前硅酸镓镧单晶都无相变，消除了由于极化不完全或翻转而造成的器件性能劣化或完全失效的可能性。硅酸镓镧单晶的硬度适中，莫氏硬度为5.5，不潮解且不易溶于常用酸和碱中，非常利于晶片加工和器件制作。同时，硅酸镓镧单晶具有低声散射、体波干扰小的特性，这又非常有利于SAW器件的设计、制作和声表面波性能的充分发挥，减小器件噪声；硅酸镓镧单晶还具有SAW工艺不敏感性，材料具有SAW温度特性的自稳定性，这又非常有利于SAW器件性能重复性、一致性，如允许SAW器件换能器的膜厚有较大误差，也大大提高了器件的可靠性。 BAW性能的比较与石英相比，硅酸镓镧频响更好，等效串联电阻更小，更大的谐振间隔；用硅酸镓镧单晶谐振器与石英谐振器相比，硅酸镓镧单晶谐振器甚至在高次谐振模式的等效串联阻抗也比较小，特别是石英谐振器高次谐振模式有较大的等效串联阻抗而不能起振，而硅酸镓镧单晶谐振器即使是粗糙的表面也可以做较高次的谐振。硅酸镓镧与石英晶体关键性能比较如下：a. 声表面波性能比较表2-2 硅酸镓镧单晶与石英晶体SAW性能b. 工艺适应性比较石英LGS备注温度引起的频率漂移（ppm，50C） 80170TCSiO2=-0.032ppm/C2TCLGS=-0.068ppm/C2金属膜厚引起的频漂 （ppm） 305100-金属化比引起的频漂 （ppm）9025-相速度引起的频漂 （ppm）50120-总频漂 （ppm）525415-表2-3 典型切型（YXLT/50/25）的声表面波的频漂比较c. 体声波性能比较表2-4 硅酸镓镧单晶与石英晶体超声衰减对比 表2-5 优化切向硅酸镓镧与石英晶体性能对比La3Ga5SiO14晶体材料的主要理化和电性能如下： La3Ga5SiO14晶体材料的物理性能表2-6 La3Ga5SiO14单晶基本物理性能 图2-1硅酸镓镧单晶在不同酸中的腐蚀速度 La3Ga5SiO14晶体材料的压电、介电和弹性常数表2-7给出了La3Ga5SiO14晶体材料的弹性、压电和介电常数，根据表中的参数可计算出表2-8所列的SAW参数。名称符号单位数值名称符号单位数值相对介电常数11S/019.05短路弹性劲度常数C11E1011N/m21.8933S/051.81C12E1.04压电应力常数e11C/m2-0.44C13E1.02e140.10C14E0.14热胀系数11ppm/K5.05C33E2.68333.46C44E0.53密度Kg/m35760C66E0.42表2-7 La3Ga5SiO14晶体材料的弹性、压电和介电常数 La3Ga5SiO14晶体材料的BAW性能图2-2 N、k及TCF(1)与的关系 La3Ga5SiO14晶体材料的SAW性能图2-3 vs，K2/2，TCD(1) 及TCD(2)与切角及传播方向的关系（=0）图2-4 k2/2、TCD(1) 和TCD(2)的等值图 图2-5 25Z切硅酸镓镧单晶的vs，K2/2，TCD(1) 及TCD(2)与传播方向的关系图2-6 从-4+4 变化时的频率-温度变化图2-7 不同传播方向声速与弹性常数的关系表2-8给出了La3Ga5SiO14晶体材料主要切型的SAW性能，需要指出的是，对La3Ga5SiO14晶体切型与SAW性能关系的研究目前正处于研究高潮，表中所列切型未必是最佳切型。切向名称符号单位数值(0,140,25) 声表面波速度机电耦合系数延迟温度系数VSKS2TCDm/s%10-6/K27400.460（15,151,40.5）声表面波速度机电耦合系数延迟温度系数VSKS2TCDm/s%10-6/K26810.410（0,150,24）漏表面波速度机电耦合系数延迟温度系数VLSKLS2TCDm/s%10-6/K276511.3表2-8 La3Ga5SiO14晶体材料的SAW性能硅酸镓镧单晶应用分析硅酸镓镧晶体的综合性能优于钽酸锂晶体和石英晶体。在SAW领域，硅酸镓镧晶体是制作高稳定、高频、大带宽、低插损、小体积SAW滤波器的理想材料。同时，由于硅酸镓镧晶体的声速较低，也是制作高稳定、大带宽、低插损SAW中长延迟线的理想材料。在BAW领域，由于硅酸镓镧晶体比石英晶体的机电耦合系统高24倍，Q值更大，频响特性及温度特性更好，等效感抗及阻抗更大，谐振间隔更大，因此采用硅酸镓镧晶体可以做成高稳定、大带宽、低插损、小体积滤波器，在VCXO及TCXO的应用上也具有很大应用潜力。目前，利用石英零温度系数特性制作的压电陀螺大量应用于载体姿态测控中，若用硅酸镓镧晶体替代石英制作压电陀螺，将能显著提高压电陀螺的灵敏度、响应速度、抗干扰能力。国外技术现状和发展趋势：俄罗斯对硅酸镓镧单晶的研究工作一直走在世界各国的前列。1984年，前苏联的Andreev A.I.等人报道硅酸镓镧单晶的弹性振动具有零频温度系数切向后，引起了器件研究设计人员的关注，而当1986年前苏联的Bronnikova E.G.等人报道用硅酸镓镧单晶制作出了高稳定的BAW单片滤波器和谐振器后，引起俄、法、美、日等国的重视。同年，前苏联的Ssakharov等人申请了单片式硅酸镓镧晶体滤波器的专利。1992年及1994年召开的两次国际超声会议上，任IEEE高级会员的美国军事研究实验室的J.G. Gualtieri等人对硅酸镓镧单晶在SAW领域的潜在应用作了预测，认为硅酸镓镧单晶是一种具有较大应用潜力的优良SAW基片材料，引起SAW器件研究设计人员的重视。1995年，俄罗斯科学院西伯利亚分院的Yakovkin I.B.等人对硅酸镓镧单晶的SAW性能进行了初步的理论和实验研究，结果认为硅酸镓镧既具有高的温度稳定性（一次延迟温度系数TCD为零），同时又具有大的机电耦合系数的SAW基片切向，它是一种性能优异的SAW材料。由于硅酸镓镧单晶在BAW及SAW领域都显示出相当乐观的应用前景，因此大尺寸硅酸镓镧单晶生长技术也受到人们的重视。1992年，俄罗斯Fonon研究所的Ssakharov S.A. 等人详细报道了硅酸镓镧单晶的生长、晶体结构及性能参数测量的实验结果，生长的晶体样品直径约50mm，但该文未对晶体缺陷情况进行描述和讨论，质量状况不详。1995年，日本Tohoku大学的Kiyoshi Shimamura等人也报道说生长出直径25mm50mm的硅酸镓镧单晶，并对晶体结构及晶体颜色深浅与工艺条件的关系及变色机理进行了讨论，但未对硅酸镓镧单晶缺陷问题进行阐述与讨论。进入21世纪后，硅酸镓镧晶体生长和器件应用得到迅速发展，俄罗斯已开发了4的硅酸镓镧单晶，美国、日本对3硅酸镓镧单晶进行了产业化开发，发达国家已将硅酸镓镧单晶制作的BAW、SAW器件广泛地应用到了军事和民用领域。图2