DE3633876C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen.

Im Hochfrequenz-Bereich einschließlich der Mikrowellen- Frequenzen und Millimeterwellen-Frequenzen finden dielektrische keramische Materialien weitverbreitete Anwendungen für Hochfrequenz-Schaltungselemente wie dielektrische Resonatoren, integrierte Mikrowellen- Schaltungen und dergleichen. Die dielektrischen keramischen Materialien für solche Elemente müssen einen hohen Q-Wert und einen kleinen Temperaturkoeffizient der Resonanz- Frequenz haben. Zu diesem Zweck wurden verschiedene dielektrische keramische Zusammensetzungen als Material für Hochfrequenz-Schaltungselemente vorgeschlagen.

Die JP-OS 58-60 661 offenbart eine aus

Ba(Zn _v Ni _x Ta _y Nb _z )O_{7/2-3v/2-3x/2}

bestehende dielektrische keramische Zusammensetzung, worin 0,03 v 0,33, 0,03x0,33, 0y0,70, 0z0,70 und v+x+y+z=1, die einen Gipfel-Q-Wert von 10 300 zusammen mit einem Temperaturkoeffizient der Resonanz- Frequenz von 0 ppm/°C bei einer Betriebs-Frequenz von 7 GHz aufweist.

Beispielsweise offenbart die US-PS 44 85 180 eine aus

Ba(Zr _x Zn _y Ta _z )O_7/2-x/2-3y/2

bestehende dielektrische keramische Zusammensetzung, worin 0,02x0,13,
0,28y0,33, 0,59z0,65 und x+y+z=1, die einen Gipfel-Q-Wert von 9100 zusammen mit einem Temperaturkoeffizient der Resonanz-Frequenz von 1 ppm/°C bei einer Betriebs-Frequenz von 7 GHz aufweist.

Die US-PS 44 85 180 beschreibt ein dielektrisches keramisches Material für hohe Frequenzen, das im wesentlichen Ba(Zr,Zn,Ta)O enthält, das abgeleitet ist von einer Ba(Zn,Ta)O-Zusammensetzung durch teilweisen Ersatz von zweiwertigen Zink-Ionen und einem Teil fünfwertiger Tantal-Ionen durch vierwertige Zirkon-Ionen. Es wird angegeben, daß die Lanthanidenoxide ein fakultativer Bestandteil der Zusammensetzungen sind. Diese Ba(Zr,Zn,Ta)O-Zusammensetzung besitzt eine Perowskit- Struktur eines kubischen Systems.

Demgegenüber ist der Einsatz von Zirkon in Ba(Zn,Ta)O- Zusammensetzungen begleitet von den folgenden Nachteilen. Obwohl der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz, τ f, einer Zusammensetzung hergestellt aus Ba(Zr,Zn, auf positive Werte durch Variation der Stoffmengenanteile der jeweiligen Komponenten eingestellt werden kann, ergeben sich besondere Schwierigkeiten, τ f, einer Zusammensetzung hergestellt aus Ba(Zr,Zn,Ta)O, auf positive Werte durch Variation der Stoffmengenanteile der jeweiligen Komponenten eingestellt werden kann, ergeben sich besondere Schwierigkeiten, τ f-Werte im negativen Bereich einzustellen. Wenn Zirkon in die Ba(Zn,Ta)O-Zusammensetzung mit einem τ f-Wert von 0 ppm/°C eingebracht wird, werden die τ f-Werte positiv. Die Aufgabe dieser Druckschrift besteht darin, Zusammensetzungen zur Verfügung zu stellen mit negativen τ f-Werten oder mit τ f-Werten von Null. Dementsprechend werden die Zusammensetzungen dadurch modifiziert, daß ein Teil des Zinks in der Ba(Zr,Zn,Ta)O-Zusammensetzung durch Nickel und/oder Kobalt ersetzt wird.

Der Ersatz eines Teils des Zinkgehalts durch Nickel erlaubt somit die Einstellung von negativen τ f-Werten. Beispielsweise besitzt die Zusammensetzung des Beispiels 20 in Tabelle 3 einen Q-Wert von 9900 bei 11 GHz mit einem τ f-Wert von 0 ppm/°C. Zu beachten ist hierbei, daß der Q-Wert dieser Zusammensetzung bei 7 GHz 14 000 beträgt.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein derartiges systeminhärentes Problem der Zusammensetzung der US-PS 44 85 180 zu überwinden.

Diese dielektrischen keramischen Zusammensetzungen können für Schaltungselemente eingesetzt werden, die für einen Betrieb bei einer Hochfrequenz um 10 GHz und darunter bestimmt sind, jedoch besteht der Nachteil solcher Zusammensetzungen darin, daß sie nicht zur Herstellung von Mikrowellenelementen verwendet werden können, die für einen Betrieb bei einer höheren Frequenz als 10 GHz bestimmt sind, da der Q-Wert mit der Zunahme der Betriebsfrequenz sinkt. In neuerer Zeit besteht die Tendenz, elektronische Vorrichtungen bei höheren Frequenzen zu betreiben. Infolgedessen besteht wachsender Bedarf an dielektrischen keramischen Zusammensetzungen mit einem höheren Q-Wert zusammen mit einem kleinen Temperaturkoeffizient der Resonanz-Frequenz.

Aus diesem Grunde ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar zu machen, die im Vergleich zu den Zusammensetzungen des Standes der Technik einen höheren Q-Wert im Hochfrequenzbereich besitzt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar zu machen, die für Schaltungselemente für höhere Frequenzen, die für einen Betrieb im Frequenzbereich von 10 bis 50 GHz bestimmt sind, eingesetzt werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß eine dielektrische keramische Zusammensetzung verfügbar gemacht wird, die aus

Ba(Zr _x Zn _y Ni _z Ta _u Nb _v )O_{7/2-x/2-3y/2-3z/2}

besteht, worin x, y, z, u und v Stoffmengen-Bruchteile ("Molenbrüche") der betreffenden Elemente sind und in die Bereiche 0,01 x 0,06, 0,28 v 0,33, 0,01 z 0,05, 0,52 u 0,65 und 0 v 0,13 fallen und worin x+y+z+u+v=1,00.

Die Gründe dafür, daß die Stoffmengen-Bruchteile der betreffenden Elemente, d. h. x, y, z, u und v, auf die Werte innerhalb der oben bezeichneten Bereiche begrenzt sind, sind folgende: Wenn x kleiner als 0,01 ist, sintert die Zusammensetzung nicht. Wenn x 0,06 überschreitet, wird der Q-Wert erniedrigt. Dementsprechend ist der Stoffmengen-Bruchteil des Zr auf einen Wert innerhalb des Bereichs von 0,01 bis 0,06 beschränkt. Wenn y kleiner als 0,28 ist oder 0,33 überschreitet, wird die Zusammensetzung nicht gesintert. Dementsprechend ist der Stoffmengen-Bruchteil des Zn auf einen Wert innerhalb des Bereichs von 0,28 bis 0,33 beschränkt. Wenn z kleiner als 0,01 ist, wird die Zusammensetzung nicht gesintert. Wenn z 0,05 überschreitet, wird der Q-Wert erniedrigt. Dementsprechend ist der Stoffmengen-Bruchteil des Ni auf einen Wert innerhalb des Bereichs von 0,01 bis 0,05 beschränkt. Wenn u kleiner als 0,52 ist oder 0,65 überschreitet, wird die Zusammensetzung nicht gesintert. Dementsprechend ist der Stoffmengen-Bruchteil des Ta auf einen Wert innerhalb des Bereichs von 0,52 bis 0,65 beschränkt. Wenn v 0,13 überschreitet, wird der Q-Wert gesenkt. Dementsprechend ist der Stoffmengen- Bruchteil des Nb auf einen Wert, der kleiner als 0,13 ist, beschränkt.

Die dielektrische keramische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung hat im Vergleich zu den Zusammensetzungen des Standes der Technik einen höheren Q-Wert auch bei Mikrowellen-Frequenz, zusammen mit einem kleinen Temperaturkoeffizient der Resonanz-Frequenz. Somit kann die dielektrische keramische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Mikrowellen- Vorrichtungen verwendet werden, die für den Betrieb bei einer Frequenz im Bereich von 10 bis 50 GHz ausgelegt sind.

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiter verdeutlicht durch die folgende Beschreibung anhand der erfindungsgemäßen Beispiele.

Beispiele

Unter Einsatz hochgereinigter Pulver von BaCO₃, ZrO₂, ZnO, NiO, Ta₂O₅ und Nb₂O₅ wurden Mischungen hergestellt, die dielektrische Keramiken mit den in Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzungen lieferten. Jede Mischung wurde nach dem Naßverfahren 2 h vermahlen, entwässert, getrocknet, 2 h bei 1200°C calciniert und dann pulverisiert. Das erhaltene Pulver wurde durch 2stündiges Mahlen mit einer geeigneten Menge Bindemittel granuliert. Das resultierende Pulver wurde unter einem Druck von 1962 bar zu Scheiben von 12 mm Durchmesser und 6 mm Dicke verdichtet und dann 4 h bei 1450°C gebrannt, wodurch Keramik-Proben erhalten wurden.

Diese Proben wurden Messungen der dielektrischen Kennwerte bei hohen Frequenzen unterzogen. Die Messungen betragen den Wert der Dielektrizitätskonstante (ε r), den Q-Wert und den Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz (γ f) bei 7 GHz. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die dielektrische Konstante einer dielektrischen Zusammensetzung für Mikrowellen ergibt sich aus der klassischen Dielektrizitäts-Dispersionstheorie aus der folgenden Gleichung:

wobei

ε(ω) = ε′(ω)-j ω′′(ω), ω _T

die Resonanzfrequenz der Gitterschwingung darstellt und γ den Dämpfungsfaktor der Gitterschwingung.

Da die Werte von ω _T im allgemeinen in der Größenordnung von 10¹² bis 10¹³ liegen, gilt die nachfolgende Näherung für Frequenzen (ω) im Mikrowellenbereich ω _T ²»ω ².

Dementsprechend ergibt sich aus der Gleichung (1) eine dielektrische Konstante ε′(l) und ein dielektrischer Verlust (tan σ ) im Mikrowellenbereich, der durch die Gleichungen (2) und (3) wiedergegeben ist:

Aus den Gleichungen (2) und (3) ist für den Mikrowellenbereich ersichtlich, daß die dielektrische Konstante nicht von der Frequenz abhängig ist und somit eine Konstante darstellt, während der dielektrische Verlust proportional der Frequenz ist und mit der Frequenz erhöht wird. Da Q definiert ist als Q = 1/tanσ, ist das Produkt aus Q und der Frequenz (ω) konstant, d. h. Q = konstant.

Wenn also ein Q-Wert, gemessen bei einer Frequenz von 7 GHz, 10 000 beträgt, kann der Q-Wert bei der Meßfrequenz von 20 GHz durch die Gleichung

10 000×7/20=3500

berechnet werden.

Tabelle 1

In Tabelle 1 sind mit einem Sternchen (*) bezeichnete Proben solche, die außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, während die anderen Proben solche sind, die im Bereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.

Aus den Ergebnissen der Proben Nr. 1 bis 7 istt zu ersehen, daß die dielektrischen keramischen Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eine hohe Dielektrizitäskonstante und einen hohen Q-Wert im Mikrowellen-Frequenzbereich besitzen. Außerdem haben die dielektrischen keramischen Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung einen Gipfel-Q-Wert von 17 500 bis 7 GHz, was etwa das 1,7fache desjenigen einer herkömmlichen Zusammensetzung ist, zusammen mit einem kleinen Temperatur­ koeffizient der Resonanzfrequenz von 1 ppm/°C.

Claims (1)

1. Dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen, bestehend aus Ba(Zr _x Zn _y Ni _z Ta _u Nb _v )O_{7/2-x/2-3y/2-3z/2,}worin x, y, z, u und v Stoffmengen-Bruchteile ("Molenbrüche") der betreffenden Elemente sind und in die Bereiche 0,01x0,06, 0,28y0,33, 0,01z0,05, 0,52u0,65 und 0v0,13 fallen und worin x+y+z+u+v=1,00