DE69705468T2

DE69705468T2 - Verfahren zur Herstellung von ferroelektrischen Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffen für spannungsabhängiges dielektrisches Einregeln und Strukturen damit

Info

Publication number: DE69705468T2
Application number: DE69705468T
Authority: DE
Inventors: William W. Chen; Thomas K. Dougherty; Norman H. Harris; Florentino V. Lee; Brian M. Pierce
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: DE69705468D1; US5771567A; EP0826649A1; EP0826649B1; JP3242038B2; JPH10223045A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ferroelektrische (oder paraelektrische) Verbundwerkstoffe aus Keramik-Polymer mit spannungsvariablen dielektrischen Eigenschaften, und, spezifischer, ein Verfahren zum Herstellen solcher Verbundwerkstoffe, das eine Sol-Gel-Herstellung von ferroelektrischem Pulver verwendet, wobei in der Verfahrenstechnik für poröse Keramik entweder ein Sol-Gel oder ein von einem Carbonat abgeleitetes ferroelektrisches Pulver und Polymer-Infiltration benutzt wird, und schließlich Verfahren zur Herstellung von Strukturen, die davon Gebrauch machen.
Ein spannungsvariables dielektrisches Material ist ein Material, bei dem sich der reale Teil der relativen dielektrischen Konstante ' als Reaktion auf eine an das Material angelegte elektrische Spannung (oder ein elektrisches Feld) verändert. Durchgehende elektronisch abtastbare Querstichleitungsantennen können aus spannungsvariablen dielektrischen Materialien hergestellt werden.
Die EP-A-0 667 324 offenbart einen abstimmbaren, ferroelektrischen Verbundwerkstoff, der von einem Aerogel durch Sol-Gel ab geleitet ist, und der für Anwendungen mit spannungsvariablen dielektrischen Materialien entwickelt wurde.
Eine Sol-Gel-Herstellung wird zum Formen eines Gels in einer Form der gewünschten Größe und Form verwendet, die dann mittels einer überkritischen Fluidextraktion getrocknet wird, wonach das getrocknete Aerogel zu einer kristallinen Keramik gesintert wird, die zum Schluß mit einem verlustarmen Polymer imprägniert wird. Die Aerogel-Verbindung kann z. B. eine Barium- Titanat-basierte Verbindung wie z. B. Bariumstrontiumtitanat (BST) sein.
Obwohl gemäß diesem Verfahren nach dem Stand der Technik das Ergebnis der Anwendung von spannungsvariablen dielektrischen Materialien wesentlich verbessert wird, hat dies den Nachteil der Verwendung eines speziellen Herstellungsprozesses.
Weiter wird Bezug genommen auf die US-A-3 917 773, in der ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer starr geformten dielektrischen Struktur zur Übertragung hochfrequenter elektromagnetischer Energie offenbart wird, die aus einem homogenen keramischen Material gebildet wird, um eine gleichmäßig verteilte dielektrische Konstante zu liefern. Die Herstellung des Keramikmaterials kann variiert werden, um die dielektrische Konstante unterschiedlichen Wellenlängen anzupassen. Die Keramikstruktur wird durch Preßformen und Schmelzen einer Menge von hochporösen keramischen Granulaten, die alle die gleiche Zusammensetzung aufweisen und alle im wesentlichen die gleiche Porengröße haben, erzeugt. Die Struktur wird anschließend gebrannt, um die organischen Bestandteile auszutreiben und dann gesintert, um die starre Form zu erhalten.
Der Gebrauch von ferroelektrischen Keramiken mit spannungsvariablen dielektrischen Eigenschaften für elektronisch gescannte Antennenapplikationen bei Mikrowellenfrequenzen ist wegen des Fehlens von geeignet hergestellten Materialien erschwert. Spannungsabhängig dielektrisch bezieht sich auf eine Veränderung der realen Permittivität oder des realen Brechungsindex und wird vom elektrischen Feld genutzt, das aus einer angelegten Vorspannung resultiert. Zu den Eigenschaften, die für elektronisch abtastbare Antennenanwendungen mit Frequenzen im Bereich von 100 KHz bis 12 GHz notwendig sind, gehören eine niedrige reale Permittivität von weniger oder gleich 50, ein niedriger tangentialer Verlust von weniger als oder gleich 0,010, eine große vom elektrischen Feld induzierte Veränderung des Brechungsindex von weniger als oder gleich 0,5, wobei das maximale angelegte elektrische Feld kleiner oder gleich 80.000 V/cm ist, eine hohe dielektrische Ausfallsicherheit, die größer als 90.000 V/cm ist, und eine räumliche Veränderung der dielektrischen Konstante, die kleiner als 2% rms, d. h. eine Homogenität des Materials, die größer als 98% rms ist. Ferner muß die vom elektrischen Feld induzierte Veränderung des Brechungsindex innerhalb von 50 usec liegen und darf keine Hysterese aufweisen. Spannungsvariable dielektrische Materialien, die diesen Anforderungen genügen, sind bisher nicht bekannt.
Zu den Vorgehensweisen im Stand der Technik, Materialien mit spannungsabhängigen dielektrischen Eigenschaften herzustellen, gehören sechs Verfahren, von denen keines für elektronisch gescannte Antennen im Bereich von 100 KHz bis 12 GHz vollständig zufriedenstellend arbeitet. Fünf von den sechs Verfahren verwenden die Herstellung von zweiphasigen Verbundwerkstoffen, wobei eine Phase eine ferroelektrische Keramik ist wie z. B. Bariumstrontiumtitanat (BaxSr1-xTiO&sub3;, wobei 0 < x < 1 ist), und die zweite Phase eine Keramik oder ein Polymerfüller mit geringen dielektrischen Verlusten bei der interessierenden Mikrowellenfrequenz ist. Die ferroelektrische Phase erzeugt bei der Verbindung die spannungsabhängige dielektrische Eigenschaft. Einphasige, dichte ferroelektrische Materialien können nicht verwendet werden, da ihre realen Permittivitäten die erforderlichen Werte bei weitem übersteigen.
Die sechste Methode schließt die Herstellung von Flüssigkristallmaterialien ein. Obwohl Flüssigkristallmaterialien dem Erfordernis von niedriger effektiver Permittivität entsprechen und der Anforderung nach geringen Verlusten nahekommen, sind sie nicht in der Lage, eine spannungsvariable dielektrische Reaktion innerhalb der zulässigen Schaltzeit unter 50 usec zu liefern. Flüssigkristallmaterialien können für elektronisch gescannte Antennenapplikationen bei 100 KHz bis 12 GHz nicht verwendet werden.
Die fünf Verfahren, die auf Verbundwerkstoffen basieren, die eine ferroelektrische keramische Phase enthalten, können gemäß ihrer Dimensionen der Konnektivität der beiden Phasen in dem Verbund eingeteilt werden. Man spricht von einem Verbundwerkstoff mit einer offenporigen Struktur wie in einem Schwamm als von einem Verbundwerkstoff mit 3-3-Konnektivität, d. h. beide Phasen sind in alle drei Dimensionen verbunden. Eine 1-3- Konnektivität hat eine entlang einer Dimension verbundene Phase, und die zweite in allen drei Dimensionen verbundene Phase, z. B. eine Folge von in einer geeigneten Matrix verteilten ausgerichteten Stäben oder Spalten. Bei einer 0-3-Konnektivität ist eine Phase vollständig abgetrennt und die zweite Phase in allen drei Dimensionen verbunden. In einer Polymermatrix verteiltes ferroelektrisches Pulver ist ein Beispiel für einen Verbundwerkstoff mit 0-3-Konnektivität. Bei einem Verbundwerkstoff mit 2-2-Konnektivität ist jede Phase in zwei Dimensionen verbunden, d. h. eine Laminatstruktur mit abwechselnden Schichten der beiden Phasen.
Von den fünf untersuchten Verfahren zur Herstellung von spannungsvariablen dielektrischen Materialien für Mikrowellen betreffen die ersten beiden Verbundwerkstoffe mit 3-3- Konnektivität, die dritte betrifft einen Verbundwerkstoff mit 1-3-Konnektivität, die vierte betrifft einen Verbundwerkstoff mit 0-3-Konnektivität, und die fünfte betrifft einen Verbundwerkstoff mit 2-2-Konnektivität. Die beiden Verbundwerkstoffe mit 3-3-Konnektivität werden außerdem durch die Arten ihrer beiden Phasen unterschieden. Der erste Verbundwerkstoff mit 3-3-Konnektivität ist ein ferroelektrischer Keramik-Polymer- (z. B. Teflon)-Verbundwerkstoff, und der zweite ein ferroelektrischer Keramikoxid-Keramik-(z. B. Aluminiumoxid)-Verbundwerkstoff.
Die ferroelektrischen Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffe und ferroelektrischen Keramikoxid-Keramik-Verbundwerkstoffe mit 3-3-Konnektivität, die bislang hergestellt wurden, entsprechen nicht den Anforderungen bezüglich eines geringen tangentialen Verlustes bezüglich einer großen vom elektrischen Feld induzierte Veränderung des Brechungsindex, und einer geringen räumliche Variation der dielektrischen Konstante. Es gibt eine Reihe von Gründen, warum diese Verbundwerkstoffe Mängel aufweisen. Ein wichtiger Grund ist die Verwendung von relativ unreinem Ausgangsmaterial mit einer Reinheit, die nicht höher als 98% ist. Andere Gründe sind Feuchtigkeit, vor der der Verbundwerkstoff mangels Aufmerksamkeit nicht in ausreichendem Maße geschützt wurde, eine nicht gleichförmige Mikrostruktur der porösen ferroelektrischen keramischen Phase mit Porengrößen, die die Schwelle zum Streuen der elektromagnetischen Strahlung bei Frequenzen im Bereich von 100 KHz bis 12 GHz überschreiten, die Auswahl einer polymeren oder einer oxidkeramischen Phase, die bei den Betriebsfrequenzen zu hohe tangentiale Verluste aufweist, die unvollständige Infiltration des Polymers in die poröse ferroelektrische Keramik, und unvollständige Konnektivität der ferroelektrischen keramischen Phase bei den hohen (> 70%) Porositäten, die für das Erlangen einer niedrigen realen Permittivität, die geringer als oder gleich 50 ist, erforderlich ist. Wenn die ferroelektrische keramische Phase mehr abgetrennt wird, bewegt sich das angelegte elektrische Feld mehr in die niedrige dielektrische Füllerphase, was die vom elektrischen Feld induzierte Veränderung des Brechungsindex des Verbundwerkstoffes reduziert. Das Feld muß dann verstärkt werden, um beim Brechungsindex wenigstens eine kleine vom elektrischen Feld induzierte Veränderung des Brechungsindex zu erhalten. Bei diesem verstärkten Feld ist das Risiko eines dielektrischen Ausfalls größer.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer durchgehenden elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne mit herausragenden spannungsvariablen dielektrischen Eigenschaften anzugeben, ebenso wie Verfahren, um Komponenten dieser Antenne herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird ein polykristallines ferroelektrisches Pulver, das ein ferroelektrisches Perowskit wie z. B. Bariumstrontiumtitanat ist, bereitgestellt. Das Pulver, ein Bindemittel und ein Füllmaterial werden dann in Wasser gemischt und bilden eine Aufschlämmung. Die Pulver-Bindemittel-Füllmaterial-Aufschlämmung wird dann getrocknet. Die getrocknete Pulver-Bindemittel-Füllmaterial-Aufschlämmung wird granuliert. Die granulierte Pulver-Bindemittel-Füllmaterial-Aufschlämmung wird in eine Form verpreßt. Das Bindemittel und das Füllmaterial werden dann ausgetrieben, damit sich eine poröse Struktur ergibt. Die poröse Struktur wird dann gesintered und bildet poröse Keramikteile. Die porösen Keramikteile werden dann zu Fliesen verarbeitet. Die verarbeiteten porösen Fliesen können dann auf Mikrowelleneigenschaften getestet werden.
Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung von porösen Fliesen eines ferroelektrischen Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffes angegeben, die eine Teilöffnungsanordnung zum Gebrauch bei einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne aufweist. Poröse Fliesen werden bereitgestellt. Eine Halterung, die eine Vielzahl von porösen Fliesen enthält, wird zusammengebaut, um eine Teilöffnung zu bilden. Die Einheit aus porösen Fliesen wird dann mit einem polymeren Precursor infiltriert. Die Einheit aus infiltrierten porösen Fliesen wird ausgehärtet. Die ausgehärtete Einheit wird dann bis auf eine vorbestimmte Ebenheit bearbeitet. Eine stumpfe Oberfläche der Einheit wird dann metallisiert. Die metallisierte stumpfe Oberfläche wird dann auf einer Trägerplatte befestigt. Die Rückseite der Einheit wird dann metallisiert. Die voll metallisierte Einheit kann dann getestet werden.
Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantennenplatte oder einer Teilöffnung aus den Fliesen des Verbundwerkstoffes angegeben. Eine auf einer Trägerplatte befestigte Teilöffnungseinheit ist dabei vorgesehen. Die Rückfläche der Unteröffnung wird bearbeitet. Die Rückfläche des Zusammenbaus mit der Teilöffnung wird dann metallisiert. Die Rückfläche des Zusammenbaus mit der Teilöffnung wird dann mit einer kalten Platte verbunden. Die Stichleitungsfläche der Einheit mit der Teilöffnung wird bearbeitet. Lasten werden dann mit der Einheit der Teilöffnung verklebt. Die Stichleitungsfläche der Einheit mit der Teilöffnung wird metallisiert. Die Spitzen der Stichleitungen werden dann geläppt. Eine obere Schicht wird dann auf die Teilöffnung geklebt. Die obere Schicht wird dann bearbeitet. Abnahmetests können dann an der Antennenplatte durchgeführt werden.
Die ferroelektrischen Keramik-Polymer-Verbundwerkstoffe der vorliegenden Erfindung besitzen eine einzigartige Kombination von Merkmalen, die für elektronisch abtastbare, bei Mikrowellenfrequenzen betriebene Antennen notwendig sind, unter anderem auch eine große Abhängigkeit von ' von der angelegten Spannung (oder eine hohe dielektrische Abstimmbarkeit), einen geringen tangentialen Verlust und ein ' von weniger als 50. In der vorliegenden Erfindung wird ein einfaches pulvertechnologisches Verfahren mit geringen Kosten zur Herstellung eines gesinterten Keramik/Polymer-Verbundwerkstoffes eingesetzt. Die vorliegende Erfindung gibt Verbundwerkstoffe an, die die benötigten dielektrischen Eigenschaften für den Einsatz bei durchgehenden elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantennen aufweisen.
Die von der vorliegenden Erfindung angegebenen Herstellungsmethoden umfassen folgende Merkmale: 1) Bildung einer ferroelektrischen Bariumstrontiumtitanat-Verbindung mit geringem Verlust, 2) Sol-Gel-Rohmaterialherstellung oder Carbonatabgeleitete Rohmaterialherstellung, 3) gleichzeitiges Vermahlen mit Bindemitteln und flüchtigen Phasenfüllmitteln, 4) Ausbrennen von Füllmittel und Bindemittel, und keramisches Sintern zum Erzielen einer hochporösen, verbundenen Bariumstrontiumtitanat- Keramikstruktur, 5) Infiltrieren mit einem Polymer mit geringen dielektrischen Verlusten, 6) Verkleben und Bearbeiten, 7) Metallisieren, und 8) Zusammenbauen und Testen der vollständigen durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne mit Öffnung. Der komplette Herstellungsprozeß bildet ebenso wie mehrere der einzelnen Schritte einen neuartigen Weg zu der Herstellung von spannungsvariablen dielektrischen Materialien.
Die vom Anmelder der vorliegenden Erfindung entwickelten durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantennen erfordern zum aktiven Scannen ein spannungsvariables dielektrisches Material. Dieses spannungsvariable dielektrische Material muß eine einzigartige Kombination von Eigenschaften aufweisen, u. a. eine hohe Abhängigkeit von ' von der angelegten Spannung (oder eine hohe dielektrische Abstimmbarkeit), einen geringen tangentialen Verlust und ein ' von weniger als 50. Abgasehen von der hier beschriebenen Erfindung sind bislang keine spannungsabhängigen dielektrischen Materialien bekannt, die die oben erwähnten Eigenschaften besitzen.
Die vorliegende Erfindung gibt das spannungsabhängige dielektrische Material an, das zur Herstellung einer durchgehende n, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne, die im Frequenzbereich von 8-12 GHz betrieben wird, verwendet werden kann. Die erzielten Eigenschaften waren eine reale Permittivität von 29-30, eine vom elektrischen Feld induzierte Veränderung in Prozent bei der realen Permittivität (Abstimmbarkeit) von > 11% bei 67 kV/cm und ein durchschnittlicher tangentialer Verlust von 0,01. Die vorliegende Erfindung verwendet pulverkeramische Verarbeitung in Kombination mit den Vorteilen der hohen Reinheit von Sol-Gel-abgeleiteten Rohmaterialien.
Der geringe dielektrische Verlust ist die am schwierigsten zu erreichende Eigenschaft beim gleich zeitigen Aufrechterhalten der gewünschten Abstimmbarkeit und der realen Permittivität. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der geringe Verlust durch Einhalten von Zusammensetzung, Reinheit, Porosität, Porengröße, Konnektivität, Korngröße, Verteilung der Teilchengröße, Kristallinität, Art und Reinheit des infiltrierenden Polymers und Grad der Vernetzung erreicht. Das in der vorliegenden Erfindung bereitgestellte spannungsabhängige dielektrische Material erleichtert auch die Herstellung von Phasenverschiebern und Zeitverzögerungseinrichtungen zum Betrieb bei Mikrowellenfrequenzen, Varactoren, die bei Funkfrequenzen betrieben werden, und "intelligenten" Außenschichten für schlecht wahrnehmbare Anwendungen.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den zugehörigen Zeichnungen besser verständlich, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche Strukturelemente bezeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Keramik mit spannungsvariablen dielektrischen Eigenschaften in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2a und 2b Flußdiagramme, die Verfahren zur Herstellung einer Teilöffnung für den Gebrauch in einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne zeigen; und
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Teilöffnung zum Gebrauch in einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne zeigt.
Zum Zwecke der Einführung ist ein spannungsvariabler dielektrischer Verbundwerkstoff mit einer ferroelektrischen keramischen Phase erforderlich, der die folgenden strukturellen Merkmale zur Anwendung bei elektronisch gescannten Antennen im 100 KHz bis 12 GHz aufweist. Die gewünschten strukturellen Merkmale der ferroelektrischen keramischen Phase sind die, daß sie längs der Achse parallel zum angelegten elektrischen Feld verbunden ist, eine offene Art von Porosität aufweist, eine Homogenität aufweist, die < 0,1% rms Variation bei der Dichte aufweist, die maximale Größe der mikrostrukturellen Merkmale beträgt < 10 um im Durchmesser, der Volumenanteil beträgt 10-50% je nach dem Wert der realen Permittivität für die Zusammensetzung, ihre Korngröße beträgt etwa 5 um, ihre Korngrenzendicke ist < 100 nm, ihre chemische Reinheit ist > 99,9%, ihre Kristallphasenreinheit beträgt > 99%, und ihr Feuchtigkeitsgehalt beträgt < 0,1%. Die gewünschten strukturellen Merkmale der verlustarmen dielektrischen Füllphase sind, daß sie einen Feuchtigkeitsgehalt von < 0,1%, eine chemische Reinheit von > 99,9% und eine Homogenität von < 0,5% rms Variation in der Dichte aufweist.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein ferroelektrischer Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff mit einer 3-3-Konnektivität angegeben, der diesen Anforderungen für die Anwendung bei 100 KHz bis 12 GHz elektronisch gescannten Antennen entspricht. Die ferroelektrische keramische Phase die er Zusammensetzung hat eine sehr gleichmäßige Mikrostruktur von kleiner Porengröße mit einer offenzelligen Porosität im Bereich von 50% bis 90%. Die Poren dieser Phase sind mit einem Polymer mit angemessen niedrigen Verlusten gefüllt, um den neuartige 3-3-Konnektivität-Verbundwerkstoff bereitzustellen. Die kleinste Porengröße innerhalb dieses Verbundes hängt von der maximalen Betriebsfrequenz der elektronisch gescannten Antenne ab, mit der sie eingesetzt wird. Die Poren und andere Streuzentren in der Zusammensetzung sind klein genug, so daß der Durchmesser (d) dieser Zentren gemäß dem Ausdruck d ≥ 0,05c/f( c)1/2 in der Größe beschränkt ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, f die Betriebsfrequenz und c die reale Permittivität für den Verbund ist. Eine maximale Betriebsfrequenz von 12 GHz und ein Maximum c gleich 50 bedeutet, daß d 177 um nicht übersteigen sollte.
Die vorteilhaft gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeiteten ferroelektrischen Materialien sind Perowskite, die mit der oben stehenden Formel charakterisiert werden. Wohlbekannte Beispiele solcher ferroelektrischer Perowskite sind z. B. BaTiO&sub3; und BaxSr1-xTiO&sub3;, wobei 0 < x < 1 ist.
Der ferroelektrische Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff mit 3-3-Konnektivität wird durch eine Kombination von Sol-Gel- Herstellung (oder ein anderes pulvertechnologisches Verfahren z. B. mit Festkörpern, hydrothermale Verfahren, chemische Ausfüllung) von ferroelektrischem Pulver, porös hergestellter Keramik und Polymerinfiltration erzeugt. Ein Überblick über das Verfahren ist in dem Flußdiagramm von Fig. 1 dargestellt.
Im einzelnen ist Fig. 1 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren. 10 zur Herstellung einer porösen Keramik mit spannungsvariablen dielektrischen Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Im allgemeinen umfaßt das Verfahren (10) die folgenden Schritte. Ein polykristallines ferroelektrisches Pulver, das ein ferroelektrisches Perowskit wie z. B. Bariumstrontiumtitanat ist, wird bereitgestellt (11). Das Pulver, ein Bindemittel und ein Füllmittel werden dann in Wasser gemischt und bilden eine Aufschlämmung (12). Die Pulver-Bindemittel-Füllmittel-Aufschlämmung wird dann getrocknet (13). Die getrocknete Pulver-Bindemittel-Füllmittel-Aufschlämmung wird granuliert (14). Das granulierte Pulver-Bindemittel-Füllmittel wird (15) in einen Stempel gepreßt. Das Bindemittel und das Füllmittel werden dann (16) ausgebrannt und bilden eine fragile poröse aschenartige Struktur. Die poröse Struktur wird dann gesintert (17) und bildet poröse Keramikteile. Die porösen Keramikteile werden dann (18) in Fliesen verarbeitet. Die verarbeiteten porösen Fliesen können dann (19) auf Mikrowelleneigenschaften getestet werden.
Eine Herstellung eines ferroelektrischen Pulvers mit vielen Schritten auf Sol-Gel-Basis ist unten für ein beispielhaftes ferroelektrisches Material, BaxSr1-xTiO&sub3;, beschrieben, wobei 0 < x < 1 ist. Die wesentlichen Aspekte jedes Schrittes sind weiter unten erörtert.
Die vorliegende Erfindung stellt Alkoholate der jeweiligen Metalle in dem ferroelektrischen Material bereit und kombiniert die Metallalkoholate und unterzieht sie einer Equilibrierungsreaktion, um eine equilibrierte Metallalkoholatlösung zu bilden. Die equilibrierte Lösung hydrolisiert und kondensiert zu einem Gel. Das Gel wird getrocknet und bildet ein Pulver mit amorpher Struktur bei 300-800 Grad Celsius. Das Pulver wird bei 600-1200 Grad Celsius 1-24 Stunden kalziniert. Das kalzinierte Pulver wird mit Hilfe einer Naßvibrationsmühle z. B. in einem Kunststoffbehälter mit Isopropylalkohol und Zirkondioxid 12-72 Stunden lang gemahlen. Das gemahlene Pulver wird gesiebt, um die geeignete Partikelgröße für die Herstellung eines porösen Keramikteils zu erhalten.
Obwohl die Sol-Gel-Herstellung von ferroelektrischem Pulver bevorzugt ist, können auch konventionellere pulvertechnologische Verfahren zur Herstellung der porösen ferroelektrischen Keramik eingesetzt werden. Zu konventionellen pulvertechnologischen Verfahren gehören Festkörperreaktionen von Carbonaten und Oxiden, hydrothermale Verfahren, Fällung und andere dem Fachmann wohlbekannte Verfahren.
Die Metallalcoxidlösung wird wie folgt hergestellt. Die für ein Sol-Gel-Verfahren von Bariumstrontiumtitanat erforderlichen Rohmaterialien sind unten gezeigt.

Material / Reinheit

Barium (Ba) Metall > 99,9%
Strontium (Sr) Metall > 99,9%
Titanalkoxid > 99,9%
Alkohollösemittel > 99,9%
Barium, Strontium und Dotiermetalle werden unter Rühren in Alkohollösemittel zwischen 25 und 100ºC aufgelöst. Die Barium- und Strontiummetalle reagieren, werden im Alkohol aufgelöst und geben Ba²&spplus; und Sr²&spplus;-Alkoholate ab. Der Alkohol 2-methoxyethanol wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet, doch auch andere Alkohole können verwendet werden. Diese Kationen sind Precursoren zu der Bildung von Bariumstrontiumtitanat in der Lösungsphase. Das molare Konzentrationsverhältnis von Ba/Sr beträgt x/(1-x), wobei x zwischen 0 bis 1 variieren kann. Außerdem können kleine Konzentrationen anderer Metallarten (Dotierstoffe) in diesem Schritt hinzugefügt werden.
Titanalxocid wird einer Lösung unter Rühren bei 25 bis 50ºC hinzugefügt. Das Hinzufügen von Titanalkoxid (wobei die beispielhaften Materialien Titanisopropoxid sind) zu der die (x)Ba²&spplus; und (1-x)Sr²&spplus;-Kationen enthaltenden Alkohollösung macht den Satz von Precursoren komplett, der notwendig ist, um BaxSr1-xTiO&sub3; herzustellen. Die Lösung fließt zurück und wird unter Trockenstickstoffgas bei 135ºC gerührt. Das Titanalkoxid muß zusammen mit den Barium- und Strontiumalkoxiden vollständig in der Alkohollösung aufgelöst und equilibriert sein, und dann wird die Lösung erhitzt und bis auf die Rückflußtemperatur gerührt. Ein Kondensator wird an den Reaktionskolben angesetzt, damit das Lösemittel bei der erhöhten Temperatur nicht verdampft. Nach 1 bis 4 Stunden Erhitzen erhält man eine klare braune Flüssigkeit. Diese Masse wird bis auf etwa Zimmertemperatur abgekühlt.
Wasser wird der umgerührten Lösung zugegeben, um die Hydrolysereaktion in Gang zu setzen. In den ersten drei Schritten ging es darum, die chemischen Zwischenstoffe von Bariumstrontiumtitanat in Lösung zu bringen. Die Zugabe von Wasser in einem molaren Verhältnis von 3 : 1 Wasser: Alkoxid setzt eine Hydrolyse/Kondensationsreaktion in Gang, die damit beginnt, die Lösung in ein amorphes Gel umzuwandeln. Die Gelstruktur wird von der Acidität oder der Basizität der Lösung beeinflußt, als auch von der Temperatur. Außerdem kann die Geschwindigkeit der Gelbildung durch Ultraschallanregung beschleunigt werden.
Es bildet sich amorphes Bariumstrontiumtitanatgel oder -pulver. Die hydrolisierende, gelbildende Reaktion wird für eine gewisse Zeitspanne weitergeführt, bis das Gel reagiert und ein amorphes Bariumstrontiumtitanatpulver bildet. Das amorphe Bariumstrontiumtitanatgel oder -pulver wird an der Luft bei 500-800ºC getrocknet, um das Alkohollösemittel zu entfernen. Die chemische Zusammensetzung des Bariumstrontiumtitanatgels wird ebenso wie die thermischen Eigenschaften getestet. Das Testen der thermischen Eigenschaften liefert Informationen über die Kalzinierungstemperatur für den nächsten Schritt bei der Pulverherstellung.
Das amorphe Bariumstrontiumtitanatgelpulver wird bei 600- 1200ºC kalziniert. Das amorphe Bariumstrontiumtitanatgelpulver wird während der Kalzinierung in kristallines Bariumstrontiumtitanatpulver umgewandelt. Das Ausmaß der Kristallisierung wird mit Pulverdiffraktionsmessungen getestet, und die Morphologie des Pulvers mit einem Rasterelektronenmikroskop.
Zusätzliche Schritte können noch unternommen werden, um das kalzinierte Bariumstrontiumtitanatpulver weiter zu verarbeiten, falls die Korngrößen nicht einheitlich sind. Das kalzinierte Pulver kann gemahlen und gesiebt werden, um eine Partikelgröße zu erhalten, die für die Herstellung der porösen ferroelektrischen Keramikteile geeignet ist. Die Verteilung der Partikelgröße des kalzinierten Pulvers wird auf die gewünschte Größe durch Naß- oder Trockenmahlen in einem Walzwerk mit Rollkugeln oder in einer Vibrationsmühle reduziert. Es können alternativ auch andere Verfahren angewendet werden, wie z. B. Prallmahlen und Windsichten, falls die Partikelgröße eng verteilt ist. Die für das Mahlen erforderliche Zeit hängt von der Ausgangsgröße, dem Kalzinierungsgrad und dem Mahlverfahren ab, beträgt im allgemeinen jedoch zwischen 12 und 72 Stunden.
Der kritischste Teil des Herstellungsprozesses ist die Herstellung der porösen ferroelektrischen Keramik. Die beiden hauptsächlichen Kategorien poröser Keramiken sind retikuläre Keramik und Schaumkeramik. Eine retikuläre Keramik besteht aus untereinander verbundenen, offenen Hohlräumen innerhalb einer durchgehenden Keramikmatrix; eine Schaumkeramik hat geschlossene Hohlräume innerhalb der Matrix. Eine retikuläre Keramik soll eine offene Zellstruktur aufweisen; eine Schaumkeramik weist eine geschlossene Zellstruktur auf. Retikuläre Keramiken sind daher viel durchlässiger als Schaumkeramiken. Die poröse ferroelektrische Keramik muß eine offene Zellkeramik (retikulär) sein, so daß sie zur Bildung des Verbundwerkstoffes mit einem Polymer gefüllt werden kann.
Das ferroelektrische Pulver wird mit einem Bindemittel und einem Füllmittel im Gewichtsverhältnis von 0 bis 10 und 10 bis 80 Gew.-% gemischt. Die Mischung wird dann mit einer Vibrationsmühle 1 bis 24 Stunden gemahlen. Die Grundmischung wird mit einem Sieb von einer Maschengröße von -20 und -350 gesiebt. Dann wird die Mischung unter Verwendung einer geeigneten Form mit einem Druck von 34,5 bis 1380 bar (500-2000 psi) gepreßt. Das Bindemittel und das Füllmittel werden zur Erzielung einer fragilen porösen Struktur an Luft oder bei kontrollierter Atmosphäre ausgebrannt; die Temperatur wird bei diesem Prozeßschritt sorgfältig eingehalten. Die poröse Struktur wird unter sauerstoffreicher Atmosphäre gesintert, wobei die Temperatur bei diesem Schritt in dem Prozeß sorgfältig eingehalten wird.
Die erforderlichen Rohmaterialien hängen von der Art der aufbereiteten Aufschlämmung ab. Die Auswahl der flüchtigen Füllerphase, die die Porenstruktur der retikulären Keramik definiert, ist sehr wichtig. Die Verdampfung, Pyrolyse oder Oxidation dieser Phase sollte bei einer unter der zum Sintern von Keramik notwendigen Temperatur stattfinden und keine Rückstände hinterlassen. Zu den hierfür in Frage kommende Materialien mit hoher Reinheit gehören z. B. Vinyl oder Polyvinylalkohol, Styrol oder Polysterol, Carbonwachs, Teflon und Ruß.
Die wäßrige Aufschlämmung wird wie folgt aufbereitet. Folgende Materialien werden verwendet.

Material / Reinheit

Bariumstrontiumtitanatpulver > 99,9%
Füllmittel, z. B. Carbonwachs, Teflon, Kohlenstoff oder Kombination von Füllmitteln > 99,9%
Bindemittel, z. B. Poly(vinylalkohol) > 99,9%
Wasser > 99,9%
Die Aufbereitung der Aufschlämmung aus Bariumstrontiumtitanatpulver, Füllmittel und Bindemittel ist ein kritischer Schritt in dem Herstellungsprozeß. Die Basisaufschlämmung besteht aus fein verteilten kristallinen Partikeln, wozu auch das Füllmittel und das Bindemittel gehören. Wasser ist das gebräuchlichste Lösemittel im Bereich zwischen 10 und 50 Gewichtsprozent.
Ein beispielhafter Ansatz für eine wäßrige Lösung (Festkörper + Lösung) ist wie folgt:

Festes Material (Keramikpulver + Füllmittel) / Gew.-%

Bariumstrontiumtitanatpulver 40-80
Füllmittel (Kohlenstoff) 20-60 50-70%
100
Das Gewichtsverhältnis von Bariumstrontiumpulver zum Füllmittel kann zwischen 80 : 20 (4 : 1) und 40 : 60 (2 : 3) variieren. Der Gewichtsanteil der Feststoffe in der Aufschlämmung kann 50- 70 Gew.-% betragen. Der Rückstand besteht aus einer wie unten definierten Lösung.

Lösung: (Bindemittel + Lösemittel):

Bindemittel (Polyvinylalkohol) 1-10
Wasser 90-99 30-50%
100
Wenn z. B. der Feststoffgehalt der Aufschlämmung 70 Gew.-% beträgt, dann beträgt der Gewichtsanteil der Lösung 30%. Die wäßrige Lösung kann auch rheologische, anti-schaumbildende, flockenbildende oder die Luftzufuhr regelnde Mittel als Zusatz aufweisen.
Die wäßrige Aufschlämmung wird dann gemahlen. Bei einem typischen Mahlablauf werden Bariumstrontiumtitanatpulver, Bindemittel, Füllmittel und Lösemittel (d. h. entionisiertes Wasser oder Isopropylalkohol) in einem Gefäß aus Polyethylen mit einem Zirkondioxid-Mahlmittel gleichzeitig gemischt und gemahlen. Die Gefäße werden 0,1 bis 10 Stunden in einer Vibrationsmühle oder z. B. in einem Kugelmühlengestell gemahlen.
Die Aufschlämmung aus Bariumstrontiumtitanatpulver, Füllmittel und Bindemittel wird gesiebt, zerkleinert und getrocknet. Die Aufschlämmung wird zum Entfernen des Lösemittels getrocknet. Das Trocknen kann an Luft bei Raumtemperatur oder in einem herkömmlichen Ofen oder Mikrowellenofen stattfinden. Das Trocknen im Ofen geschieht typischerweise in dem Temperaturbereich von 60-110ºC über eine Dauer von etwa 2 bis 72 Stunden. Das Trocknen im Mikrowellenofen ist kürzer, z. B. 10 bis 120 Minuten, je nach Batchgröße und Hitzezufuhr. Die getrocknete Aufschlämmung wird zerkleinert und mit einer Prallmühle oder einer anderen Mahlvorrichtung in diskrete Partikel zermahlen. Dies wird gemacht, um ein Pulver herzustellen, das in die erforderliche Form zur Herstellung einer Fliese gepreßt werden kann (unten beschrieben). Die chemische Zusammensetzung des zerkleinerten Pulvers wird nach Beendigung dieses Schrittes überprüft. Das zerkleinerte Bariumstrontiumtitanatpulver-Polymer-Bindemittel wird in diesem Schritt mit einem Sieb von -100 gesiebt, um Granulate mit Durchmessern von < 100 um zu erhalten. Die Größenverteilung der Granulate wird nach Beendigung dieses Schrittes mit Standardsieben getestet.
Die gesiebten Granulate aus Bariumstrontiumtitanatpulver- Füllmittel-Bindemittel werden bei Raumtemperatur in einer Stahlform mit einem Druck von 34, 5 bis 345 bar (500-5000 psi) formgepreßt, je nach Druckcharakteristik der Granulate. Die Herstellnng der Form mit der richtigen Größe ist bei diesem Schritt äußerst wichtig. Dieser Herstellungsschritt geschieht gleichzeitig mit der Entwicklung des Fliesenherstellungsprozesses.
Die flüchtige Phase wird dann ausgebrannt. Die thermischen Eigenschaften eines Teststücks können zur Festlegung der optimalen Brennbedingungen gemessen werden, z. B. durch thermogravimetrische Analyse oder durch Differential-Scan-Kalorimetrie.
Das im vorhergehenden Schritt hergestellte Teil wird zum Ausbrennen des Füllmittels und des Bindemittels erwärmt. Die für diesen Schritt gewählte Temperatur hängt von der Zersetzungstemperatur der flüchtigen Phase ab. Die Dauer des Ausbrennens kann je nach Füllmittel- oder Bindemittelgehalt in den Granulaten variieren. Ein langsames, kontrolliertes Erwärmen auf die gewünschte Temperatur ist bei diesem Schritt wichtig, da eine zu hohe Erwärmrate zu Verziehen oder Rißbildung bei der ungesinterten Keramikstruktur führen kann. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre im Ofen während des Ausbrennens kann zur Steuerung des Ausbrennens genutzt werden, wenn der Zersetzungsmechanismus des Füllmittels oxidativ ist (Pyrolyse oder Oxidation, thermische Zersetzung). Es soll betont werden, daß separate Schritte des Ausbrennens und Sinterns wichtig für das präzise Einhalten der retikulären Endstruktur sind.
Ein beispielhafter Temperaturablauf zum Ausbrennen des Füllmittels und des Bindemittels in der flüchtigen Phase ist unten gezeigt, jedoch sind Abweichungen vom Zeitplan von der Erfindung mit umfaßt:
1) 4-12 Stunden auf 120-150ºC
2) 1-5 Stunden auf 120-150ºC
3) 4-12 Stunden auf 280-350ºC
4) 1-5 Stunden auf 280-350ºC
5) 1-4 Stunden auf 400-450ºC
6) 1-4 Stunden auf 400-450ºC
7) 1-4 Stunden auf 500-550ºC
8) 1-4 Stunden auf 500-550ºC
9) 1-4 Stunden auf 600-650ºC
10) 1-5 Stunden auf 600-650ºC
11) 4-8 Stunden auf 25ºC
Die Bariumstrontiumtitanatkeramik wird bei 1100-1350ºC gesintert. Die thermischen Eigenschaften (differentielle themische Analyse und differentielle Scanning-Calometrie) eines der ausgebrannten Teststücke werden zur Bestimmung der optimalen Sinterbedingungen gemessen.
Die nach dem Ausbrennen der flüchtigen Phase verbleibende fragile Keramik wird durch Sintern verdichtet und verstärkt. Beim Sintern werden die Partikel bei erhöhten Temperaturen miteinander verschmolzen. Kontrolliertes Erwärmen ist bei diesem Schritt sehr wichtig, damit die Keramikmatrix nicht zusammenbricht. Die Sintertemperaturen liegen im allgemeinen zwischen 1100ºC und 1350ºC. Die genauen Temperaturen, Zeiten und Gaszusammensetzung im Ofen hängen vom keramischen Ausgangsmaterial und den gewünschten Endeigenschaften ab. Die Atmosphäre im Ofen während des Sinterns ist reich an Sauerstoff.
1) 0,5 bis 5ºC/Minute auf 1100-1350ºC;
2) 1-6 Stunden auf 1100-1350ºC;
3) 0,5 bis 5ºC/Minute auf 25ºC.
Das Produkt dieses Schrittes ist eine gesinterte, retikuläre keramische Scheibe, ein quadratischer oder ein rechteckiger Block aus Bariumstrontiumtitanat.
Die Infiltration der porösen ferroelektrischen Keramik nach dem Sintern findet statt, um Feuchtigkeit fernzuhalten, die mechanische Festigkeit zu verbessern und den Dielektrizitätsverlust des Verbundwerkstoffes zu reduzieren. Die polymere Infiltration der porösen (retikulären) ferroelektrischen Keramik kann durch die Verwendung beispielsweise eines Polymers wie z. B. vernetztes Poly(styrol) wie unten beschrieben erreicht werden. Die Feuchtigkeit wird aus der porösen Keramik durch das Tempern in einem Vakuumofen etwa 1 bis 24 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 60 bis 125ºC und bei einem Vakuum von weniger als 1 Torr entfernt. Die Keramik wird bis auf etwa Raumtemperatur abgekühlt, dann wird der flüssige Polymerprecursor unter Vakuum eingeführt. Das Polymer wird 1-2 Tage lang bei ungefähr 30 bis 40ºC ausgehärtet und zusätzlich 1 bis 2 Tage Tang bei 60 bis 125ºC nachgehärtet. Der flüssige Polymerprecursor sollte eine niedrige Viskosität aufweisen, damit er die Keramikporen maximal durchdringen kann. Der Polymerprecursor wird nach mechanischer Robustheit und Widerstand gegen Feuchtigkeit und minimalem Verlust beim Verbundwerkstoff ausgewählt. Ein solcher Ansatz enthält 93 Gewichtsteile Styrol, 3 Gewichtsteile eines Peroxid-Niedrigtemperatur-Initiators und 4 Gewichtsteile Divinylbenzol.
Zwei Verfahren 30, 40 zum Herstellen poröser (retikulärer) ferroelektrischer, aus Keramik-Polymer zusammengesetzten Fliesen sind unten mit Bezug auf Fig. 2a und für ein beispielhaftes Material (Bariumstrontiumtitanat) beschrieben. Fig. 2a ist ein Flußdiagramm, das ein erstes Verfahren 30 zum Herstellen einer Unteröffnung zum Gebrauch in einer kontinuierlich diagonal elektronisch abtastbaren Stichleitungsantenne zeigt.
Zu dem Herstellungsverfahren 30 gehören die folgende Schritte. Poröse Fliesen werden bereitgestellt (31). Eine Halterung mit einer Vielzahl von porösen Fliesen wird aufgebaut (32) zur Bildung einer Teilöffnung. Die Anordnung aus porösen Fliesen wird dann mit einem Polymerprecursor infiltriert (33). Die Infiltration wird durch einen Polymerprecursor wie z. B. Styrol erreicht, durch ein Härtemittel wie z. B. Divinylbenzol und einen Initiator wie z. B. organisches Peroxid (Esperox 33 m TR). Die Infiltration wird ausgeführt, ohne das Vakuum zu unterbrechen, wobei ein Vakuumgefäß mit einer Spitze aus Glas verwendet wird, durch die Styrol in das Vakuumgefäß eingeleitet werden kann. Die Anordnung aus infiltrierten porösen Fliesen wird gehärtet (34). Die Anordnung kann bei Atmosphärendruck durch Hitze zwischen 32 und 40ºC 20 bis 40 Stunden lang gehärtet werden. Die Anordnung kann dann bei etwa 60ºC 20 bis 30 Stunden lang geheizt werden und zur völligen Aushärtung bei 90 bis 125ºC 20 bis 30 Stunden lang. Die ausgehärtete Anordnung wird auf eine vorbestimmte Ebenheit bearbeitet (35). Eine Stichleitungsfläche der Anordnung wird dann metallisiert (36). Die metallisierte stumpfe Fläche wird dann an einer Halteplatte befestigt (37). Die Rückseite der Anordnung wird dann metallisiert (38). Die vollständig metallisierte Anordnung kann dann getestet werden (39).
Im in Fig. 2b gezeigten zweiten Verfahren 40 ist ein poröser Keramikteil im vorgearbeiteten Zustand vorgesehen (41). Der poröse Keramikteil wird in Schritt 17 in Fig. 1 hergestellt. Beim Verfahren 40 wird der poröse Keramikteil in einem Vakuum abgelegt (42). Der poröse Keramikteil wird dann unter Vakuum infiltriert (43). Der infiltrierte Teil wird dann gehärtet (44). Der gehärtete infiltrierte Teil wird auf gewünschte Größen bearbeitet (45) zur Bildung einer Fliese, die in einer Teilöffnung eingesetzt wird. Die Schritte 41-45 werden bei jedem Teil, das in der Teilöffnung verwendet wird, wiederholt (46). Die verarbeiteten Fliesen werden dann zusammengebaut (47) und bilden die Teilöffnung. Die mit Bezug auf Fig. 2a beschriebenen Schritte 36-39 werden dann ausgeführt.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein Verfahren 50 in mehreren Schritten zur Herstellung einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne aus den zusammengesetzten Teilen nachfolgend beschrieben. Fig. 3 ist ein Flußdiagramm und zeigt das Verfahren 50 zur Herstellung einer Teilöffnung für die Anwendung in einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne. Im allgemeinen umfaßt das Verfahren 50 die folgenden Schritte.
Eine Anordnung mit Teilöffnung, der an eine Halteplatte angebracht wird, wird bereitgestellt (51). Die Rückseite der Teilöffnung wird bearbeitet (52). Die Rückseite der Teilöffnung wird dann metallisiert (53). Die Rückseite der Anordnung mit Teilöffnung wird dann auf eine kalte Platte geklebt (54). Die Stichleitungsfläche der Teilöffnung wird bearbeitet (55). Lasten werden dann auf die Anordnung mit Teilöffnung gebondet (56). Die Stichleitungsfläche der Anordnung mit Teilöffnung wird metallisiert (57). Die Spitzen der Stichleitungen werden dann geläppt (58). Eine Deckschicht wird dann an die Teilöffnung gebondet (59). Die Deckschicht wird dann bearbeitet (60). Dann können Abnahmetests an der Antennenplatte vorgenommen werden (61).
Spezifische Details einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens 50 sind die folgenden. Quadratische Fliesen werden aus der Scheibe mit der Zusammensetzung aus porösem ferroelektrischem-Polymer hergestellt (52). Eine quadratische Fliese mit den passenden Abmessungen wird aus der Scheibe mit der Zusammensetzung aus porösem ferroelektrischem-Polymer herausgearbeitet (52). So ergibt eine Scheibe mit einem Durchmesser von 5,72 cm (2,25 Inch) ein Quadrat von 3,18 · 3,18 cm (1,25 · 1,25 Inch) nach dem Sintern, Infiltrieren und Bearbeiten (52). Um die gebondete Grenze zwischen den zusammengeklebten Fliesen zu minimieren, ist es wichtig, daß die Fliesen mit einer Genauigkeit von +/- 0,0254 mm (0,001 Inch) bearbeitet werden.
Die beiden Seiten der quadratischen Fliese werden dann metallisiert (53). Die hergestellte quadratische Fliese wird auf beiden Seiten metallisiert (53) zum dielektrischen Testen bei 100 KHz. Die Metallisierung kann durch Aufsputtern von Gold auf die Oberfläche der Fliese erreicht werden. Mehrere Tests an zusammengesetzten Teststücken können bei der Vollendung dieses Schritts durchgeführt werden, einschließlich der Mikrostruktur, der Konnektivität, der dielektrischen Eigenschaften, der mechanischen Eigenschaften, der thermischen Eigenschaften, der Umwelteigenschaften, der chemischen Eigenschaften und der Herstellungseigenschaften.
Die Fliesen werden ausgewählt und zum Bonden zusammengebaut. Zu diesem Zeitpunkt ist jede Fliese im Hinblick auf ihre dielektrischen Eigenschaften charakterisiert worden und kann nun ausgewählt und in die durchgehende, elektronisch abtastbare Querstichleitungsantennenplatte eingebaut werden. Der Auswahlprozeß basiert auf einem Minimieren der Abweichung zwischen der realen Permittivität von Fliese zu Fliese. Die Fliesen werden dann gebondet (54). Der Kleber wird auf die Fliesen aufgebracht, die Fliesen werden dann in einer Haltevorrichtung zusammen gehalten, die sie während des Aushärtens des Klebers bei 20 bis 65ºC 0,5 bis 240 Stunden lang hält. Bei manchen Fliesen ist vielleicht noch etwas Schleifarbeit nötig, damit sie zueinander passen.
Die gebondeten Fliesen werden dann bearbeitet, um eine zusammengebaute Fliesenplatte zu bilden. Lasten werden dann auf die zusammengebaute Fliesenplatte gebondet (56). Die bearbeitete Fliesenplatte wird dann metallisiert (57). Beide Seiten der bearbeiteten Fliesenplatte werden metallisiert (57). Die Spitzen der Stichleitungen werden dann etwas geläppt (58), um den metallischen Film zu beseitigen. Eine obere Schicht wird dann auf die bearbeitete Fliesenplatte gebondet (59). Die bearbeitete Fliesenplatte wird dann bearbeitet (60). Die Platte kann dann getestet werden (61).
Das Endprodukt ist ein ferroelektrischer Verbundwerkstoff aus Keramik und Polymer mit 3-3-Konnektivität, der durch einen ferroelektrischen Volumenanteil von 10% bis 50% charakterisiert ist und durch eine gleichmäßige Dichte über das Volumen des Teils. Der Volumenanteil der ferroelektrischen Phase hängt ab von der realen Permittivität, dem tangentialen Verlust und der gewünschten spannungsvariablen dielektrischen Reaktion des Verbundwerkstoffes mit der 3-3-Konnektivität. Ein hoher/niedriger Volumenanteil der ferroelektrischen Keramik ergibt hohe/niedrige Werte für die reale Permittivität, den tangentialen Verlust und die spannungsabhängige dielektrische Reaktion.
Die vorliegende Erfindung überwindet die mit dem Stand der Technik im allgemeinen verbundenen Probleme und vorhergehende spezifische Probleme beim Herstellen eines Verbundwerkstoffes aus ferroelektrischem Keramik -Polymer mit einer 3-3-Konnektivität durch (1) die Verwendung von Ausgangsmaterialien mit relativ hoher Reinheit (ferroelektrisches Keramikpulver, Bindemittel, Füllmittel), bei denen die Reinheit 99,9% übersteigt, (2) Sol-Gel-Herstellung von ferroelektrischem Pulver, (3) Minimierung des Eindringens von Unreinheiten während des Herstellungsprozesses der porösen ferroelektrischen Keramik, (4) Infiltration mit einem reinen Polymer mit geringen dielektrischen Verlusten, das die Feuchtigkeit fernhält und dem Verbundwerkstoff mechanische Festigkeit verleiht, und (5) die Integration von Testverfahren bei wichtigen Schritten im Herstellungsprozeß. Die Herstellung der Zusammensetzung aus ferroelektrischem Keramik-Polymer mit 3-3-Konnektivität bei Einsatz der oben beschriebenen Verfahren ermöglicht die Herstellung einer sehr gleichmäßigen, feinporigen Struktur mit hohem Volumenanteil, die in die gewünschte Form gebracht werden kann. Der Sol-Gel- Prozeß bei der Herstellung des ferroelektrischen Pulvers ermöglicht die Herstellung eines ultrareinen Materials mit genauer Einhaltung der Stöchiometrie der chemischen Zusammensetzung der ferroelektrischen Keramik. Durch die hohe Reinheit zusammen mit der Einhaltung der Stöchiometrie und der kleinen Porengröße ist es möglich, bei den Betriebsfrequenzen der elektronisch gescannten Antenne nur geringen Verlust zu erzielen.
Der Verbundwerkstoff aus ferroelektrischem Keramik-Polymer mit 3-3-Konnektivität der vorliegenden Erfindung überwindet den Mangel an Interkonnektivität, die mit Strukturen des Standes der Technik mit Porositäten im Bereich von 70% bis 80% (oder einem ferroelektrischen Volumenanteil von 30% bis 20%) mit einer vollständig verbundenen Keramikstruktur verbunden waren.
Das Problem mit der Homogenität bei porösen ferroelektrischen Keramiken gemäß dem Stand der Technik wird durch die sorgfältige Zubereitung der Mischungen des ferroelektrischen Pulvers, Bindemittels und Füllmittels, das Pressen der Mischung und das Ausbrennen und Sintern minimiert. Damit keine Verunreinigungen in die Keramik während des Prozesses eindringen, werden geeignete Schritte unternommen.
Die Zusammensetzung des ferroelektrischen Keramik-Polymer- Verbundwerkstoffes mit 3-3-Konnektivität hat mikrostrukturelle Merkmale von solcher Größe, daß das Streuen der elektromagnetischen Strahlung über den Frequenzbereich von 100 KHz bis 12 GHz minimiert wird.
Gemessene dielektrische Eigenschaften zweier poröser aus Bariumstrontiumtitanat zusammengesetzter Teile sind in der Tabelle unten zusammengefaßt. Das Abstimmen wurde bei einem angelegten elektrischen Feld von 40 kV/cm und bei einer Frequenz von 100 KHz gemessen. Für die Berechnung des gesamten Scanwinkels wird ' = 30 angenommen. Die gemessenen Abstimmungswerte in % für ein angelegtes elektrisches Feld von 40 kV/cm wurden verwendet.
Auf diese Weise wurden Verbundwerkstoffe aus ferroelektrischem (oder paraelektrischem) Keramik-Polymer mit spannungsvariablen dielektrischen Eigenschaften zum Einsatz in der Herstellung von elektronisch gescannten Antennen und Verfahren, um diese herzustellen, offenbart. Es versteht sich, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel nur einige der zahlreichen spezifischen Ausführungsbeispiele darstellt, die Anwendungen der Grundzüge der vorliegenden Erfindung darstellen. Es ist offensichtlich, daß sich die Fachleute zahlreiche und vielfältige Ausführungen vorstellen können, ohne den in den Patentansprüchen definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Teilöffnung zur Verwendung in einer durchgehenden, elektronisch abtastbaren Querstichleitungsantenne, das die folgenden Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines porösen keramischen Teils, indem ein polykristallines, ferroelektrisches Pulver bereitgestellt wird;

das Pulver, ein Binder und ein Füller in Wasser zur Erzeugung einer Aufschlämmung gemischt werden;

die Aufschlämmung aus Pulver, Binder und Füller getrocknet wird;

die getrocknete Aufschlämmung aus Pulver, Binder und Füller granuliert wird;

das Granulat aus Pulver, Binder und Füller in eine Form gepreßt wird;

der Binder und der Füller ausgebrannt werden, um eine poröse Struktur zu bilden und

die poröse Struktur gesintert wird, um eines der porösen keramischen Teile zu erzeugen;

Zusammensetzen einer Halterung, die eine Mehrzahl aus porösen keramischen Teilen enthält, um eine Teilöffnung zu bilden;

Infiltrieren der Einheit aus porösen keramischen Teilen mit einem polymeren Precursor, um einen Keramik-Polymer- Verbundwerkstoff zu bilden;

Aushärten der Einheit aus infiltrierten porösen keramischen Teilen;

Bearbeiten der ausgehärteten Einheit bis auf eine bestimmte Ebenheit;

Metallisieren einer Stichleitungsfläche der Einheit;

Befestigen der metallisierten Stichleitungsfläche auf einer Halteplatte und

Metallisieren der Rückfläche der Einheit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das polykristalline, ferroelektrische Pulver ein ferroelektrisches Perovskit ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das ferroelektrische Perovskit Barium-Strontium-Titanat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt des Bearbeitens des porösen keramischen Teils und des Testens auf Mikrowelleneigenschaften.

5. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend den Schritt des Testens der metallisierten Einheit.

6. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem wenigstens eines der porösen keramischen Teile in ein Vakuum eingebracht wird und unter Vakuum infiltriert wird, bevor das infiltrierte Teil ausgehärtet wird, um eine Platte in der Teilöffnung zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Testens der metallisierten Teilöffnung.

8. Verfahren nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte:

Bearbeiten einer Rückfläche der Teilöffnungseinheit;

Metallisieren der Rückfläche der Teilöffnungseinheit;

Verbinden der Rückfläche der Teilöffnungseinheit mit einer kalten Platte;

Bearbeiten einer Stichleitungsfläche der Teilöffnungseinheit;

Anbonden von Lasten an die Teilöffnungseinheit;

Metallisieren der Stichleitungsfläche der Teilöffnungseinheit;

Feinschleifen von Deckflächen der Stichleitungen;

Verbinden einer übergeordneten Fläche mit der Teilöffnung; und

Bearbeiten der übergeordneten Fläche.

9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend den Schritt des Testens der Antennenplatte.