CN1305241A - 静磁波元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种静磁波元件及其制造方法,所述静磁波元件利用基本上无铅的材料制得,对于电功率在频率fo时为Psh或更小的输入信号而言,静磁波元件的窄带宽范围为Ba,其中输出信号以频率fo为中心被抑制3dB或更多。
Description
本发明涉及静磁波元件。特别涉及例如将微波转换成通过单晶磁性石榴石膜传播的静磁波而后再将其转换成微波输出的静磁波元件及其制造方法。
图1示出一例与本发明相关的静磁波元件技术。静磁波元件10包含一块非磁性衬底12,例如用钆镓石榴石(GGG)衬底作为非磁性衬底12,在其上形成单晶磁性石榴石膜14,可用钇铁石榴石(YIG)膜作为该单晶磁性石榴石膜14。另外,在单晶磁性石榴石膜14上以特定间距形成两条微带线(microstripline)16与18。微带线16用于信号输入,微带线18用于信号输出。
例如在使用这种静磁波元件10时,要沿平行于微带线16与18的方向加一磁场H。这样,在微带线之一(如微带线16)输入微波信号时,该信号被转换成静磁波而通过单晶磁性石榴石膜14传播,然后在另一微带线18转换成微波而作为微波输出信号输出。
应用这种静磁波元件,当电功率Pin不小于Psh的输入信号以频率fo输入时,仅在图2A与2B所示的频率fo输入电功率小于该输入信号(值为Pin-Psh)的信号。利用这一特性可制作S/N增强器、限幅器等。
因此,这种静磁波元件提供的输出信号,其功率小于频率为fo的输入信号的电功率。还观察到这样一种现象,即在小于或大于fo的频率区,对于电功率小于Psh的输入信号,输出信号受到了抑制。在实践中,对于电功率不大于Psh的输入信号而言,虽然最好不抑制输出信号,但是实际上却有这种现象,从而劣化了静磁波元件的特性。
一般而言,对于电功率不大于Psh的输入信号,希望特性优良的静磁波元件具有输出信号受抑制的窄带宽范围。即,当在用图2A与2B中的Ba代表带宽范围中输出信号以频率fo为中心受抑制3dB或更多时,具有窄带宽范围Ba的静磁波元件是较佳的。
因此,本发明的目的是提供一种窄带宽范围为Ba的静磁波元件,其中对于电功率不大于Psh的输入信号而言,输出信号以频率fo为中心抑制3dB或更多,还提供一种该静磁波元件的制造方法。
下面对本发明的各个方面进行说明。
(1)根据本发明,制造了含有单晶磁性石榴石膜的静磁波元件,其中这种膜的含铅量约5ppm或更少。
(2)在这种静磁波元件中,可在非磁性衬底上用液相外延法形成单晶磁性石榴石膜。
(3)此外,可用含MoO3的原料以液相外延法形成单晶磁性石榴石膜。
(4)此外,该单晶磁性石榴石膜可以是一种钇铁石榴石基单晶膜。
(5)还有,单晶磁性石榴石膜可以包括两条位于膜上相互平行且保持特定间距的微带线。
(6)根据本发明,可用制造具有单晶磁性石榴石膜的静磁波元件的方法制造这种元件,该方法包括以下步骤:
制备原料,即把形成单晶磁性石榴石膜的单晶膜形成成份熔入一种溶剂,所述溶剂具有作为主成份的氧化钼且基本上无铅;和
将这种原料与籽晶衬底接触以生长单晶磁性石榴石膜,籽晶衬底上铅含量按重量计约为5ppm或更少。
(7)根据本发明,也可以用上述(6)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中氧化钼是MoO3。
(8)根据本发明,也可以用上述(6)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中溶剂还包含碱性金属氧化物。
(9)根据本发明,也可以用上述(8)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中溶剂包含约50~90mol%的氧化钼和约10~50mol%的碱性金属氧化物。
(10)根据本发明,也可以用上述(6)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中单晶膜形成成份是一种钇铁石榴石系成份。
(11)根据本发明,也可以用上述(6)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中籽晶衬底是一种非磁性衬底。
(12)根据本发明,也可用上述(11)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中非磁性衬底是一种由钆镓石榴石系制作的衬底。
(13)根据本发明,也可以用上述(6)中制造静磁波元件的方法制造这种元件,其中在单晶磁性石榴石膜上形成的两条微带线,相互间隔一特定距离基本上平行。
在非磁性衬底上用液相外延法形成的单晶磁性石榴石膜,主要用于静磁波元件。为了在非磁性衬底上形成单晶磁性石榴石膜,使溶剂成份中作为溶质而溶化的单晶膜形成成份溶液过饱和,并使该溶液与旋转的非磁性衬底接触,以便在非磁性衬底上生长单晶。根据最常用的方法,将某种铅化合物用作溶剂的成份之一。因此,这样制作的单晶磁性石榴石膜,其包含的铅不是构成磁性石榴石的一种元素。
对单晶磁性石榴石膜的铅含量与带宽范围Ba的关系作了研究,其中输出信号以频率fo为中心被抑制3dB或更多,如图3所示,结果发现,当存在较低铅含量时,Ba变窄了。由此推断,如果单晶磁性石榴石膜基本上无铅,就能制得特性优良的静磁波元件,并能相应的实现本发明。要注意,按重量计,规定铅含置约为5ppm或更少,因为在测量单晶磁性石榴石膜的铅含量时,感应耦合的等离子体发射谱测量法的检测限制按重量计约为5ppm。
下面,通过参照附图对下述本发明各实施例的详细说明,可进一步了解本发明的上述目的、其它目的、以及各种特征和优点。
根据本发明,利用形成在非磁性衬底上的单晶磁性石榴石膜中铅含量约5ppm(重量)或更少,可以使其中输出国率以频率fo为中心被抑制3dB或更多的带宽范围Ba减窄,结果可制得频率特性优良的静磁波元件。因此,现在能应用这种静磁波元件制造特性优良的S/N增强器或限幅器。
图1表示静磁波元件的结构图。
图2A与2B表示在具有图1所示结构的常规静磁波元件中的输入与输出信号间的关系图。
图3表示单晶磁性石榴石膜中铅杂质含量与图1静磁波元件的带宽范围Ba间的关系图。
下面,参照附图对本发明的实施例进行说明。
根据本发明,使用图1结构的静磁波元件10,例如其中把钆镓石榴石(GGG)衬底作非磁性衬底12,即籽晶衬底,而把钇铁石榴石(YIG)膜用作单晶磁性石榴石膜14。为此,使用了铅含量的5ppm或更少重量的单晶磁性石榴石膜14。
为了形成这种单晶磁性石榴石膜14,制备熔化的原料液体,其单晶膜形成成份熔在包含基本上无铅化合物的溶剂成份里。通过制备过饱和态的原料熔化液体并使之与旋转的非磁性衬底12接触。在该衬底12上形成基本上无铅的即按重量计,铅含量约5ppm或更少的单晶磁性石榴石膜14。作为含无铅化合物的溶剂,例如可使用将氧化钼作为主成份的溶剂。
氧化钼可以使用MoO2和MoO3,因为原料的熔化液体在高温熔化过程中,MoO2转化成MoO3。而且,上述溶剂除含有氧化钼以外,最好还含有碱性金属氧化物,如氧化锂、氧化钾等。这类碱性金属氧化合物的作用是抑制氧化钼蒸发和降低原料熔化液体的粘度。更佳地是以氧化钼为50~90mol%、碱性金属氧化物为10~50mol%的比率将二者混合起来,因为这样可以增强制得的单晶磁性石榴石膜的镜面特性。要注意,当氧化钼含量小于50mol%、碱性金属氧化物含量超过约50mol%时,原料熔化液体的熔点提高了,更难以对单晶磁性石榴石膜作稳定的液相外延生长。另一方面,当氧化钼含量超过约90mol%、碱性金属氧化物含量小于约10mol%时,在晶体长期间增大了被蒸发的氧化钼量,则难以使晶体生长再持续。上述溶剂还可包括氧化铋、氧化钡、氧化硼等。然而,最好不含氧化钡,因为在膜作液相延生长期间,氧化的钡会进入单晶磁性石榴石膜而影响静磁性特性。至于氧化铋,若含量过高,则难以形成带镜面的单晶膜,但可把它用作微量添加物。氧化硼也可以用作微量添加物。
如此制取的静磁波元件10,用感应耦合的等离子体发射谱测量法在其单晶磁性石榴石膜14中检测不到铅,因而具有图3所示较窄的带宽范围Ba,其中输出信号的电功率以频率fo为中心被抑制3dB或更多。这样,可制得频率特性优良的静磁波元件10。
例1
首先,以MoO3∶Li2O∶Y2O3∶Fe2O3=39.1∶37.5∶16.9∶6.5的克分子比,将作为溶剂成份的MoO3与Li2O及作YIG成份的Fe2O3与Y2O3进行化合,以便形成单晶磁性石榴石膜。把如此混合起来的混合物装入铂坩埚作为原料熔化液体,以1200℃熔化12小时,冷却至1100℃,并与直径为52mm的GGG衬底接触2小时,以便在其上形成膜约5im的单晶YIG膜。单晶YIG膜的组份用感应耦合等离子体发射谱测量法分析。结果,检测出的钼、锂与铂作为Fe2O3与Y2O3(单晶成份)以外的成份,如表1所列。然而,其含量都极少,重量不超过40ppm。当然,在单晶膜中捡不出铅。
表1 | |
杂质元素 | 杂质含量(重量ppm) |
钼 | 36 |
锂 | 22 |
铂 | 16 |
在这样制备的单晶YIG膜上基本上相互平行地间隔一特定距离形成两条微带线,制造图1所示的静磁波元件。在测量中,Ba为1.4MHz,其中输入信号的频率fo置成1.5GHz,输入电功率Pin置成-17dBm,施加的磁场H置成8000A/m。由这种静磁波元件得到的值Ba=1.4MHz是极佳的,因为与图3的值相比较可知,该值仅仅是应用含铅单晶YIG膜得到的值的1/5到1/2,而该膜是用PbO-B2O3系原料熔化液体制造的。
例2
以MoO3∶K2O∶Y2O3∶Fe2O3=39.1∶37.5∶16.9∶6.5的克分子比,使溶剂成份MoO3与K2O及作YIG成份的Fe2O3与Y2O3混合起来,将这种混合物装入铂坩埚作为原料熔化液体,以1200℃熔化12小时,冷却至1100℃,使之与直径52mm的GGG衬底接触2小时,以便在其上形成膜厚约5im的单晶YIG膜,其组份用感应耦合的等离子体发射谱测量法分析。结果,检测出的钼、钾与铂作为单晶成份Fe2O3与Y2O3以外的成份,如表2所列。然而,其含量都极少,重量不超过40ppm。当然,在单晶膜中来测出铅。
表2 | |
杂质元素 | 杂质含量(重量ppm) |
钼 | 40 |
锂 | 33 |
铂 | 23 |
在这样制备的单晶YIG膜上基本上相互平行地间隔一特定距离形成两条微带线,制造图1所示的静磁波元件。在测量中,Ba为1.6MHz,其中输入信号的频率fo置成1.5GHz,输入电功率Pin置成-17dBm,施加的磁场H置成8000A/m。由这种静磁波元件得到的值Ba=1.4MHz是极佳的,因为与图3的值相比较可知,该值仅仅是应用含铅单晶YIG膜得到的值的1/5到1/2,而该膜是用PbO-B2O3系原料熔化液体制造的。
因此业已确认,当用感应耦合的等离子体发射谱测量法测不出单晶磁性石榴石膜中的铅成份时,换言之,当铅含量的重量约为5ppm或更少,即低于感应耦合的等离子体发射谱测量法的检测限时,可制出频率特性优良的静磁波元件。
Claims (20)
1.一种静磁波元件,包含单晶磁性石榴石膜,其特征在于,所述膜含有重量约5ppm或更少的铅。
2.如权利要求1所述的静磁波元件,其特征在于,所述单晶磁性石榴石膜含钼。
3.如权利要求2所述的静磁波元件,其特征在于,所述单晶磁性石榴石膜不含钡。
4.如权利要求3所述的静磁波元件,其特征在于,所述单晶磁性石榴石膜包括一种钇铁石榴石单晶膜。
5.如权利要求4所述的静磁波元件,其特征在于,还包括设置在所述单晶磁性石榴石膜上的两条相互基本上平行且隔开的微带线。
6.如权利要求1所述的静磁波元件,其特征在于,所述单晶磁性石榴石膜不含钡。
7.如权利要求1所述的静磁波元件,其特征在于,所述单晶磁性石榴石膜包括一种钇铁石榴石单晶膜。
8.如权利要求1所述的静磁波元件,其特征在于,还包括设置在所述单晶磁性石榴石膜上的两条相互基本上平行且隔开的微带线。
9.一种静磁波元件的制造方法,所述静磁波元件包含单晶磁性石榴石膜,其特征在于,所述制造方法包括以下步骤:
提供一种原料溶液,它包括基本上无铅的溶剂、含氧化钼和单晶磁性石榴石膜成形成份;和
使这种原料溶液与衬底接触,从而在所述衬底上生长铅含量的重量约为5ppm或更少的单晶磁性石榴石膜。
10.如权利要求9所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述氧化钼包括MoO3。
11.如权利要求10所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述溶剂还包括一种碱性金属氧化物。
12.如权利要求11所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述溶剂包括约50~90mol%的所述氧化钼和约10~50mol%的所述碱性金属氧化物。
13.如权利要求12所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述单晶膜形成成份包括一种钇铁石榴石成份。
14.如权利要求9所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述衬底包括一种非磁性衬底。
15.如权利要求14所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述非磁性衬底包括一种钆镓石榴石衬底。
16.如权利要求15所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,还包括在所述单晶磁性石榴石膜上形成一对基本上平行且间隔开的微带线。
17.如权利要求9所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述溶剂还包括一种碱性金属氧化物。
18.如权利要求9所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述单晶膜形成成份包括一种钇铁石榴石成份。
19.如权利要求9所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,所述衬底包括一种非磁性衬底。
20.如权利要求9所述的静磁波元件的制造方法,其特征在于,还包括在所述单晶磁性石榴石膜上形成一对基本上平行且间隔开的微带线。
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