DE3633876C2 - - Google Patents
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- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
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 )O7/2-3v/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 )O7/2-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.
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 )O7/2-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.
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.
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)
- Dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen, bestehend aus Ba(Zr x Zn y Ni z Ta u Nb v )O7/2-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
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JP60225627A JPS6287453A (ja) | 1985-10-09 | 1985-10-09 | 高周波用誘電体磁器組成物 |
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