Фомос-Материалс - пьезоэлектрические материалы и приборы
russian versionswitch to english

Лангасит La3Ga5SiO14

Лангасит - пьезоэлектрический монокристалл

Кристаллы лантангаллиевого силиката (лангасит — ЛГС) впервые были получены в России, в начале 80-х годов, в результате совместной разработки МГУ и Института Кристаллографии (ИКАН). Первоначально данный кристалл предполагалось применять для лазерной техники, но в силу ряда причин он не нашел должного применения в этих целях. В ИКАНе было проведено исследование его физических свойств, которое показало, что лангасит является пьезоэлектрическим кристаллом с уникальными характеристиками, позволяющими применять его в пьезотехнике.

Наиболее распространенные изделия в пьезотехнике — это элементы стабилизации и селекции радиочастот — резонаторы и фильтры. Основным материалом в пьезотехнике является кварц, имеющий высокостабильные температурно-частотные характеристики, что обуславливает его широкое применение для производства резонаторов. Кварц также применяется и для изготовления фильтров, но область его применения ограничена в силу невысокого значения коэффициента электромеханической связи (Кэмс), приблизительно 7%. Данное ограничение позволяет изготавливать только узкополосные фильтры, с относительным значением полосы пропускания к центральной частоте фильтра до 0,3%.

В настоящее время в приемопередающей радиоаппаратуре широко применяются цифровые методы обработки сигналов, что выдвигает требования по расширению полосы пропускания полезного сигнала в усилителях промежуточных частот. Для изготовления широкополосных фильтров необходимо применять дополнительные элементы (расширительные катушки индуктивности) при применении кварца, что приводит к значительному увеличению габаритно-весовых показателей изделия, либо применять пьезоэлектрический материал с более высоким значением Кэмс.

Одним из таких пьезоэлектрических материалов является танталат лития, позволяющий создавать широкополосные фильтры, однако в силу низкой температурной стабильности частоты и низкой добротности резонаторов на основе этого материала их применение ограничено. Величина относительных полос пропускания для этих фильтров лежит в пределах от 0,6 до 4,0%. Для реализации фильтров с относительными полосами пропускания от 0,3 до 0,8% необходим пьезоэлектрический материал, обладающий свойствами, промежуточными между кварцем и танталатом лития. Такими свойствами обладают кристаллы лангасита. Применение лантангаллиевого силиката позволяет реализовать фильтры с относительными полосами пропускания от 0,3 до 0,85%, а также создавать резонаторы с резонансным промежутком 0,8%, для новых типов управляемых по частоте генераторов.

Кристаллы лангасита относятся к пьезоэлектрическим материалам с промежуточным значением коэффициента электромеханической связи, между кристаллами кварца и танталата лития. Основные сравнительные характеристики этих кристаллов приведены в таблице 1.

Наиболее перспективным применением кристаллов лангасита является использование его в качестве пьезоэлектрической подложки для фильтров, работающих как на объемных (ОАВ), так и на поверхностных волнах (ПАВ).

В таблице 1 представлены основные пьезоэлектрические свойства различных кристаллов для объемных волн. Из этой таблицы видно, что по величине коэффициента электромеханической связи кристаллы ЛГС занимают промежуточное место между кристаллами кварца и сильными пьезоэлектриками типа танталата лития, температурный коэффициент частоты также занимает промежуточное значение.

Таблица 1. Сравнительные характеристики пьезоэлектрических кристаллов.

Характеристики\Кристалл Кварц, SiO2 Лангасит, La3Ga5SiO14 Тетраборат лития, Li2B2O3 Танталат лития, LiTaO3
Коэффициент электромеханической связи К2эмс,% (ОАВ) 7,0 15,8 24,0 47,0
Резонансный промежуток Δf, % 0,25 0,90 4,00 7,00
Добротность Q, ×103 100 50 10 2
Темп. коэф. частоты, TFC, ×10-6/°C 0,5 1,6 6,0 4,0

Разработанные на основе лангасита фильтры на объемных волнах обладают высокой конкурентоспособностью по сравнению с аналогичными фильтрами на основе кварца. Конструкция фильтров такого типа запатентована.

Применение кристаллов лангасита для создания фильтров на поверхностных акустических волнах имеет высокую перспективу в связи бурными темпами развития мобильной телефонии. Разрабатываемые телефоны новых стандартов (WCDMA), позволяющих не только разговаривать, но и передавать изображение, открывают новые возможности для данного типа передачи информации.

В таблице 2 представлены основные сравнительные характеристики лангасита для поверхностных волн.

Таблица 2. Сравнительные характеристики поверхностных волн в кварце и лангасите (ЛГС).

Характеристики\Кристалл Кварц, SiO2 Лангасит, La3Ga5SiO14
Vef , м/с (скорость ПАВ) (0°, 132.75°, 0°) 3157 (0°, 140°, 22.5°) 2742 (0°, 140°, 25°) 2736
K2эмс , % (ПАВ) 0,14 0,32 0,38
α2, ×10-8/°C2 -3,2 -7,8 -6,8
TT0 ,°C (темп. коэф.) 25 25 23
E (отн. диэл. постоянная) 4,92 - 27
M, градусы (угол потока энергии) 0 52 51

Из представленной таблицы видно, что кристаллы лангасита имеют значение Кэмс в два раза больше, чем у кристалла кварца, а их температурные коэффициенты равны. Это позволяет изготавливать широкополосные фильтры с высокой температурной стабильностью. Также необходимо отметить, что величина скорости распространения поверхностной волны в лангасите значительно ниже, эта величина определяет размеры фильтра. При изготовлении фильтров из кварца и лангасита на одинаковую среднюю частоту, геометрические размеры ЛГС фильтров будут меньше, что отвечает требованиям современной электроники и экономит материал.

© 2001 - 2017 ОАО «Фомос-Материалс»

Valid XHTML 1.0! ipv6 ready