Лангасит La3Ga5SiO14
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.
