CN1339847A - 高频磁性材料与高频电路元件 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种高频磁性材料与高频电路元件,用于构成例如循环器与隔离器那样的高频不可逆电路装置的高频电路元件里的高频磁性材料。提供了一种能以相对低的温度密实烧结并具有减小的铁磁谐振半宽度的磁性材料。所述高频磁性材料主要由钇铁基石榴石组成,其中用Ca替代一部分Y位置,用V替代一部分Fe位置,而且基本上不包含V以外的四价或五价元素,或者含有约0.5%重量或更少的该元素的氧化物,并且Ca与V原子比Ca/V在2.0<Ca/V≤2.4范围内。

Description

高频磁性材料与高频电路元件
技术领域
本发明涉及适合构成例如循环器与隔离器那样的高频不可逆电路装置的高频磁性材料，以及用高频磁性材料构成的高频电路元件。
背景技术
通过在陶瓷电子元件中采用层迭结构，如单块电容器与层迭电感器，能使电子元件小型化。电子元件的小型化，也能使采用这类电子元件构成的电子设备小型化。
层迭式陶瓷电子元件的制作步骤一般包括：制备多块陶瓷生片，通过丝网印刷蒸发淀积等在特制的陶瓷生片上形成内部导体，将这些陶瓷生片层迭起来，烘干得到的生片层迭件。
在用上述制造方法生产的层迭式陶瓷电子元件中，陶瓷材料必须以相当于或低于所用的内部导体材料的熔点的温度烧结，因为陶瓷材料是与内部导体同时烘干的。
在通信设备领域中，近年来无线电通信装置已实现了小型化，并且扩展了有效的频率带宽，因而进一步要求该领域应用的电路元件实现小型化、扩展带宽和降低成本。
例如，作为在上述通信设备领域中应用的典型的高频电路元件，就要提到循环器与隔离器一类的高频不可逆电路装置。这种不可逆电路装置主要包括：多个相互绝缘且相交的中央导体，与中央导体紧密接触的高频磁性材料，以及对中央导体与高频磁性材料施加直流磁场的永磁铁。这些构成件的每一个都作为一种独立的元件生产，且同其它元件组合使用。
为满足上述高频不可逆电路装置实现小型化、扩展带宽、降低成本等要求，正如日本待审专利申请公报No.6-61708所描述的那样，建议通过一体化烧结法来生产高频磁性材料与中央导体，而不是分开生产每个元件。该公报还描述了用钯或铂作为中央导体材料。
如在用上述一体化烧结法生产的高频不可逆电路装置中，将Ca-V基柘榴石材料用作高频磁性材料。为生产密实的烧结材料，这种Ca-V基枯榴石材料必须以1300℃或更高的温度烘焙。低于该温度时，无法产生足够的烧结密度，由此造成铁磁谐振半宽度变大并且出现多孔的问题。
钯或铂的优点在于熔点高达1300℃或以上，且便于与用Ca-V基柘榴石材料制作的高频磁性材料作一体化烧结。然而，其缺点是电阻率高，在层迭式隔离器装置中使用时有很大的插入损耗。
为解决这一问题，如日本待审专利申请公报No.-7-212108还提议，中央导体由银或主要由银构成，而且它与高频磁性材料一体烧结。
然而，由于银的熔点低达961℃，高频磁性材料必须以相当于或低于银或主要由银构成的导体的熔点的低温烧结。当高频磁性材料未充分烧结时，由于密度低，无法制得损耗小的材料。
例如，为在同时烘烧银或主要由银构成的导体时实现足够的可烧结性，可将把Bi加入Ca-V基柘榴石材料的Bi-Ca-V基柘榴石材料用作高频磁性材料，该材料能以1000℃的低温烧结，而且可向高频磁性材料添加低软化点玻璃，尽管在这种情况下因为会产生不同的相，无法制出损耗小的高频磁性材料。
发明内容
因此，本发明要解决一个技术问题是提供一种高频磁性材料和用这种高频磁性材料构制的高频电路元件，以此解决上述问题。
为解决上述的技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种主要由钇铁基柘榴石组成的高频磁性材料，其中用钙(Ca)代替一部分钇(Y)位置，用钒代替一部分铁(Fe)位置，有0％到约0.5％重量的四价或五价元素的氧化物，以及Ca对V原子的比为2.0＜Ca/V≤2.4。
在本发明的高频磁性材料中，用铋(Bi)与钇(Gd)中至少一种替代一部分Y位置，用铝(Al)与铟(In)中至少一种替代一部分Fe位置，或者可作上述两种位置的替代。
本发明的高频磁性材料较佳地通过以1100℃或更低的温度烘焙而制成。
根据本发明要解决的另一个技术问题是提供一种用上述高频磁性材料构成的高频电路元件。
该高频电路元件配有多个相互绝缘、相互交叉的中央导体和与中央导体紧密接触安置的高频磁性材料。这种高频磁性材料包括上述本发明的高频磁性材料。中央导体和高频磁性材料一体烧结，而永磁铁对中央导体和高频磁性材料施加一直流磁场。
本发明的高频电路元件较佳地是一种高频不可逆电路装置。
附图说明
图1是本发明一实施例的高频电路元件的透视图，示出了其目视的内部结构。
图2是多块为制造图1所示高频电路元件而制备的高频磁性材料生片12～15的拓展透视图。
具体实施方式
图1是本发明一实施例的高频电路元件1的透视图，示出了目视的高频电路元件1的内部结构。
高频电路元件1用于构成例如循环器与隔离器那样的高频不可逆电路装置，并配有由层迭件组成的高频磁性材料2，在其结构中层迭了多块磁性层。在高频磁性材料2内部，埋置了多个相互绝缘并相互交叉安置(即它们位于通路上，若投影到一公共平面，将会交叉)的中央导体3、4和5。具体而言，在构成高频磁性材料2的多块磁性层中间，沿规定的界面形成中央导体3～5。
在高频磁性材料2的外部表面上形成多根外部电极6～11。中央导体3的每个端面分别接至外部电极6和7，中央导体4的每个端子分别接至外部电极8和9，而中央导体5的每个端面分别接至外部电极10和11。
上述外部电极6和10接至匹配电容和外部输入输出端子，外部电极8接至匹配电容，而在该  高频电路元件1构成隔离器时，一电阻与其相接。外部电极7、9和11接至外部接地端子。
如上所述，高频电路元件1提供一种封闭的磁性电路结构。
为了制作上述的高频电路元件1，要制备多块图2所示的高频磁性材料的生片12～15。这些生片具有下述的特征组份，而且较佳地如此制作：用手术刀方法使浆料成形为片状，浆料是把粘合剂与有机溶剂加到能以1100℃或更低温度烧结的高频磁性材料粉里而制成的。
对于特定的高频磁性材料的生片13～15，例如可用丝网印刷法分别形成变为上述中央导体3～5的导电膏膜16～18。
如图2所示，把其上形成有导电膏膜16～18的高频磁性材料生片13～15和其上不形成导电膏膜的高频磁性材料生片12层迭起来加压粘合，得到的生片层迭件作烘焙。接着，把高频磁性材料生片12～15烧结成高频磁性材料2，并把导电膏膜16～18烧结成中央导体3～5。结果，高频磁性材料2与中央导体3～5就一体烧结。
例如，为了在高频磁性材料2的外部表面上形成外部电极6～11，就要印刷与烘焙含银粉和玻璃料的导电膏。
当把上述制成的高频电路元件1用作如循环器与隔离器那样的微波不可逆电路装置时，尽管在图中未示出，要把中央导体3～5和永磁铁组合起来，以便对高频磁性材料2施加一直流磁场。
作为一种上述的高频磁性材料2的材料，使用了主要由上述钇铁基柘榴石组成的材料，其Ca/C原子比为2.0＜Ca/V≤2.4，所含不是V的四价或五价元素氧化物的重量为0％～约0.5％。
把Ca/V原子比的范围定为2.0＜Ca/V≤2.4的理由在于，当Ca量过少时，即Ca/V≤2.0时，就不能降低生产高频磁性材料2的烧结温度，所以必须用常规Ca-V基钇铁柘榴石材料同样的方式以1300℃或更高温度烧结；另一方面，当Ca量过大时，即Ca/V＞2.4时，虽创降低生产高频磁性材料2的烧结温度，但因Ca过量而产生不同的相，使铁磁谐振半宽使变大。
当Ca/V范围为2.0＜Ca/V≤2.4时，则难以对饱和磁化与居里温度等特性取各种值。然而，通过将铋(Bi)与钇(Gd)中的至少一种替代部分Y位置，将铝(Al)与铟(In)中的至少一种替代部分Fe位置，或替代这两种位置，就能控制饱和磁化与居里温度等特性而不劣化低温烧结效果。因此，为实现各种特性，上述的替代法在高频电路元件1中提供的高频磁性材料2中是有效的。
由于具有上述特定组份的高频磁性材料2能以1100℃或更低的温度密实地绕结，所以在烘焙期间期望有节能效果，而且在上述的中央导体3～5中，可以使用主要由银、金等组成的金属。
下面举例说明本发明一特定实施例的高频磁性材料2。
例子
在这些例子中，作为一种变成高频磁性材料的Ca-V替代型钇铁基柘榴石材料，使用了一种已知的(Ca，Y)3(Fe，V)5O12基材料。例如参见Carl E.Patton的论文“多晶钇铁柘榴石与Ca-V替代型钇铁柘榴石在10GHz下由多孔性与各向异性造成的有效线宽”(Phys。Rev.，Vol.179，No.2(1969))。
作为原料，制备每种CaCo3、Y2O3、Fe2O3、V2O5、Al2O3和In2O3粉末，纯度均为99％或更高。
这些材料粉经混合，具有化学式Cax*vY3-a*vFe5-vVvOw代表的组份或具有对应于上述化学式的化学式Cax*vY3-a*vFe5-v-a-iVvAlaIniOw代表的组份，其中Al与In中至少有一种替代一部分Fe位置，如表1与表2所示。
这些混合的材料粉的每一种都在球磨机中干燥混合，然后燃烧。接着，对得到的煅烧的粉末加粘剂，并且作干燥、成粒和压模，从而模制成直径为8mm、厚1mm的盘状压制品。
在表1列出的样品1～22中，不对材料粉添加作为四价元素氧化物的ZrO2，而添加不同量ZrO2的样品列于表2。
将上述压制品以各种温度烘烧5小时，将烧结材料制成高频磁性材料。
对于得到的高频磁性材料，用阿基米德(Archimedes)法确定密度，并相对于理论密度计算相对密度(％)。在将高频磁性材料用作隔离器装置的情况下，用网络分析仪测量指示损耗的铁磁谐振半宽度，其结果列于表1与表2。
在表1与表2中，“烘焙温度”指铁磁谐振半宽度可达到4kA/m或更小的烘焙温度，这在将高频磁性材料用作隔离器装置时是有效的。在表1与表2中，列“烘焙温度”中的标记“X”指铁磁谐振半宽度以任何烘焙温度都达不到4kA/m或更小。
在表1中的”相对密度“与”铁磁谐振半宽度“列中，括号里的值指以1100℃烘焙的值。
在表1与表2中，带星号的样品号指超出本发明范围的样品。
                                   表1
   样品号                 组份Cax*vY3-x*vFe5-v-a-iVvAlaIniOw    ZrO2添加量(重量％)   烘焙温度(℃)   相对密度(％)   铁磁谐振半宽度(kA/m)
x v a i w
   *1   2.00 0.30 0.00 0.00   12.00 0.0   1360     98     2.23
    2   2.05   11.99   1100     98     3.42
    3   2.10   11.99   1100     98     2.78
    4   2.15   11.98   1100     98     2.39
    5   2.20   11.97   1100     98     2.23
    6   2.25   11.96   1100     98     2.47
    7   2.30   11.96   1100     98     2.70
    8   2.35   11.95   1100     98     3.02
    9   2.40   11.94   1100     98     3.58
   *10   2.45   11.93   x    (98)    (4.69)
   *11   2.50   11.93   x    (98)    (6.36)
   *12   2.00 0.40 0.30 0.20   12.00 0.0   1360     98     1.75
    13   2.05   11.99   1100     98     2.31
    14   2.10   11.98   1100     98     1.99
    15   2.15   11.97   1100     98     1.67
    16   2.20   11.96   1100     98     1.59
    17   2.25   11.95   1100     98     1.83
    18   2.30   11.94   1100     98     2.07
    19   2.35   11.93   1100     98     2.39
    20   2.40   11.92   1100     98     2.94
   *21   2.45   11.91   x    (98)    (4.06)
   *22   2.50   11.90   x    (98)    (5.33)
如表1所示，样品2～9和13～20为钇铁基柘榴石材料，组份为Cax*vY3-a*vFe5-vVvOw或Cax*vY3-a*vFe5-v-a-iVvAlaIniOw，当对应于X的Ca/V原子比在2.0＜Ca/V≤2.4范围内时，即使以1100℃相对低的温度，也能实现充分的烧结密度，制出的高频磁性材料具有4kA/m或更小的铁磁谐振半宽度。
另一方面，如在样品1与12中那样，当对应于X的Ca/V比在Ca/V≤2.0时，为制作4kA/m或更小的铁磁谐振半宽度，烧结温度必须达1300℃或更高，因而无法降低烧结温度。
如在样品10、11、21与22中那样，当对应于X的Ca/V比在Ca/V＞2.4的范围内时，烧结温度降低了，而且即使以1100℃的温度烘焙也能达到95％或更高的相对密度，但是应用任何烘焙温度都不能使铁磁谐振半宽度变成4kA/m或更小，原因是过量的Ca会产生不同的相。
                                    表2
  样品号            组份Cax*vY3-x*vFe5-v-aiVvAlaIniOw    ZrO2添加量(重量％)   烘焙温度(℃)    相对密度(％)    铁磁谐振半宽度(kA/m)
    x     v     a    i     w
  23   2.05 0.30 0.00 0.00   11.99     0.00   1100     98     3.42
  24   2.05   11.99     0.25   1100     98     3.50
  25   2.05   11.99     0.50   1100     98     3.66
 *26   2.05   11.99     0.75   x    (97)    (4.30)
 *27   2.05   11.99     1.00   x    (98)    (6.84)
  28   2.20 0.30 0.00 0.00   11.97     0.00   1100     98     2.23
  29   2.20   11.97     0.25   1100     98     2.31
  30   2.20   11.97     0.50   1100     98     2.55
 *31   2.20   11.97     0.75   x    (98)    (4.06)
 *32   2.20   11.97     1.00   x    (98)    (6.76)
  33   2.40 0.30 0.00 0.00   11.94     0.00   1100     98     3.58
  34   2.40   11.94     0.25   1100     98     3.66
  35   2.40   11.94     0.50   1100     98     3.82
 *36   2.40   11.94     0.75   x    (98)    (4.46)
 *37   2.40   11.94     1.00   x    (98)    (7.00)
如表2所示的样品23～25、28～30和33～35，在钇铁基柘榴石材料(组份为Cax*vY3-a*vFe5-vVvOw或Cax*vY3-ax*vFe5-v-a-iVvAlaIniOw)中，当对应于X的Ca/V比在2.0＜Ca/V≤2.4范围内且ZrO2添加量在0～约0.50％(重量)范围内时，即使在1100℃相对低的温度下，可实现充分的烧结密度，并可实现4kA/m或更小的铁磁谐振半宽度。
另一方面，如在样品26、27、31、32、36与37中，当ZrO2添加量超过约0.5％重量时，虽然能以相对低的温度烧结，但是铁磁谐振半宽度在任何烘焙温度下都无法达到4kA/m或更小，因为ZrO2会产生不同的相。
在以上例子中，仅对只用Ca替代一部分Y位置的材料或添加有ZrO2且只用Ca替代一部分Y位置的材料作了评估。此外还证实，只要Ca/V比在2.0＜Ca/V≤2.4范围内，且除了V与Zr外的四价或五价元素的氧化物的含量约为0.5％重量或更低，则即使用Bi与Gd等元素替代一部分Y位置，而且用Al与In等元素替代一部分Fe位置，也能得到与上述类似的效果。
如上所述，可以制出本发明主要由钇铁基柘榴石组成的高频磁性材料，其中能以1100℃或更低的相对低的温度实现密实烧结态，而且铁磁谐振半宽度可达4kA/m或更小。
因此，当在高频不可逆电路装置等高频电路元件中将的高频磁性材料用作上述的高频磁性材料时，配上多个相互绝缘且相互交叉安置的中央导体以及与中央导体紧密接触的高频磁性材料，其中中央导体与高频磁性材料一体烧结，就能制出损耗小、质量高的高频电路元件。

Claims (20)

1.一种包含钇铁基柘榴石的高频磁性材料，其中用钙(Ca)替代一部分钇(Y)的位置，用钡(V)替代一部分铁(Fe)位置，其特征在于，有0％到约0.5％重量的以外的四价或五价元素的氧化物，以及Ca对V原子的比为2.0＜Ca/V≤2.4。
2.如权利要求1所述的高频磁性材料，其特征在于，不包含V以外的四价或五价元素的氧化物。
3.如权利要求1所述的高频磁性材料，其特征在于，包含V以外的四价或五价元素的氧化物。
4.如权利要求3所述的高频磁性材料，其特征在于，四价或五价元素是Zr。
5.如权利要求1所述的高频磁性材料，其特征在于，用铋(Bi)与钇(Gd)中的至少一种替代一部分Y位置。
6.如权利要求5所述的高频磁性材料，其特征在于，不包含V以外的四价或五价元素的氧化物。
7.如权利要求5所述的高频磁性材料，其特征在于，包含V以外的四价或五价元素的氧化物。
8.如权利要求5所述的高频磁性材料，其特征在于，用铝(Al)与铟(In)中的至少一种替代一部分Fe位置。
9.如权利要求1所述的高频磁性材料，其特征在于，用铝(Al)与铟(In)中的至少一种替代一部分Fe位置。
10.如权利要求9所述的高频磁性材料，其特征在于，不包含V以外的四价或五价元素的氧化物。
11.如权利要求9所述的高频磁性材料，其特征在于，包含V以外的四价或五价元素的氧化物。
12.如权利要求1所述的高频磁性材料，其特征在于，以1100℃或更低的温波烘焙。
13.一种高频电路元件，其特征在于，包括：
一体烧结组合物多个相互绝缘且相互交叉安置的中央导体，和与所述中央导体紧密接触的如权利要求9的高频磁性材料，以及
安置成对所述中央导体和所述高频磁性材料施加一直流磁场的永磁铁。
14.如权利要求13的高频电路元件，其特征在于，所述高频电路元件是高频不可逆电路装置。
15.一种高频电路元件，其特征在于，包括：
一体烧结组合的多个相互绝缘且安置在通路上的中央导体，所述通路若投影在公共平面上就相交，和与所述中央导体紧密接触安置的如权利要求8所述的高频磁性材料，以及
安置成对所述中央导体和所述高频磁性材料施加一直流磁场的永磁铁。
16.如权利要求15所述的高频电路元件，其特征在于，
所述高频电路元件是高频不可逆电路装置。
17.一种高频电路元件，其特征在于，包括：
一体烧结组合的多个相互绝缘且安置在通路上的中央导体，所述通路若投影在公共平面上就相交，和与所述中央导体紧密接触安置的如权利要求5所述的高频磁性材料，以及
安置成对所述中央导体和所述高频磁性材料施加一直流磁场的永磁铁。
18.如权利要求17所述的高频电路元件，其特征在于，
所述高频电路元件是高频不可逆电路装置。
19.一种高频电路元件，其特征在于，包括：
一体烧结组合的多个相互绝缘且安置在通路上的中央导体，所述通路若投影在公共平面上就相交，和与所述中央导体紧密接触安置的如权利要求1所述的高频磁性材料，以及
安置成对所述中央导体和所述高频磁性材料施加一直流磁场的永磁铁。
20.如权利要求19所述的高频电路元件，其特征在于，所述高频电路元件是高频不可逆电路装置。
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