JP2012243841A - Tunable element and tunable antenna - Google Patents

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Takesada Yono
建定 余野
Shinichi Yoda
眞一 依田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized and low-voltage tunable device using a hexagonal-system barium titanate bulk crystal dielectric material with high dielectric constant.SOLUTION: The tunable element, changing an electrostatic capacitance by applying a voltage, includes: a top face electrode; a bottom face electrode; and a dielectric substance disposed between the top face electrode and the bottom face electrode. The dielectric substance is comprised of hexagonal-system barium titanate.

Description

本発明は、電圧を印加することによって、静電容量が変化するチューナブル素子に関する。   The present invention relates to a tunable element that changes its capacitance by applying a voltage.

近年、チューナブルアンテナ等のチューナブルデバイスが、携帯電話、パソコンの無線LAN、PDAなどの電子機器に搭載される。特に、携帯デバイス等では、小型化、軽量化が要求される一方で、地上波アナログ放送、地上波デジタル放送など幅広い周波数を受信することが可能であるチューナブルアンテナが必要になる。そのため、チューナブルアンテナに含まれるチューナブル素子は、電池の電圧から、昇圧回路等を介することなく直接得られる小さい電圧(例えば、3V)で大きく静電容量が変化する高チューナビリティであることが好ましい。   In recent years, tunable devices such as tunable antennas are mounted on electronic devices such as cellular phones, personal computer wireless LANs, and PDAs. In particular, portable devices and the like are required to be tunable antennas that can receive a wide range of frequencies such as terrestrial analog broadcasts and terrestrial digital broadcasts while being required to be small and light. Therefore, the tunable element included in the tunable antenna has high tunability in which the capacitance changes greatly with a small voltage (for example, 3 V) obtained directly from the battery voltage without going through a booster circuit or the like. preferable.

チューナビリティは、電解強度が大きいほど高くなる。例えば、特許文献1に記載されるようなCaCu3Ti412、Sr1-xBaxTiO3などの物質を組み込んだ従来のチューナブル素子の場合には、携帯電話などにおいて必要とされる高チューナビリティを実現するために、kV/cmの電場を印加しなければならない。しかし、バルクセラミックス又は単結晶のチューナブル素子に、kV/cmの電場を印加するためには、数kVのDC電源が必要であるので、バルクチューナブルデバイスの小型化、軽量化、さらに、省エネルギー化の実現が困難になる。 Tunability increases as the electrolytic strength increases. For example, in the case of a conventional tunable element incorporating a material such as CaCu 3 Ti 4 O 12 or Sr 1-x Ba x TiO 3 as described in Patent Document 1, it is required for a mobile phone or the like. In order to achieve high tunability, an electric field of kV / cm must be applied. However, in order to apply an electric field of kV / cm to bulk ceramics or a single crystal tunable element, a DC power supply of several kV is required. Therefore, the bulk tunable device is reduced in size and weight, and energy is saved. Realization is difficult.

特表2003−533019Special table 2003-533019

本発明は、誘電率が高い六方晶系チタン酸バリウムバルク結晶を用いて、小型、低電圧チューナブルデバイスを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a small, low-voltage tunable device using a hexagonal barium titanate bulk crystal having a high dielectric constant.

本発明は、電圧を印加することによって、静電容量が変化するチューナブル素子であって、上面電極と、下面電極と、上面電極と下面電極との間に配置される誘電体と、を備え、誘電体は、六方晶系チタン酸バリウムであることを特徴とするチューナブル素子を提供する。   The present invention is a tunable element that changes its capacitance by applying a voltage, and includes a top electrode, a bottom electrode, and a dielectric disposed between the top electrode and the bottom electrode. The dielectric is a hexagonal barium titanate, and provides a tunable element.

また、本発明は、連続した周波数帯域の信号を受信するチューナブルアンテナにおいて、金属からなる送受信部と、受信素子の第1の端部に電気的に接続された上記のチューナブル素子と、受信素子の第2の端部に電気的に接続された給電部と、を備えることを特徴とするチューナブルアンテナを提供する。   Further, the present invention provides a tunable antenna that receives a signal in a continuous frequency band, a transmission / reception unit made of metal, the tunable element electrically connected to the first end of the reception element, and a reception A tunable antenna comprising: a power supply portion electrically connected to a second end portion of the element.

また、本発明は、単結晶の六方晶系チタン酸バリウムを用意する段階と、単結晶の六方晶系チタン酸バリウムを板状に切り出す段階と、切り出された単結晶の両表面に金属薄膜を蒸着させる段階と、導線を蒸着させた金属薄膜に接着する段階と、を備えることを特徴とするチューナブル素子の製造方法を提供する。   The present invention also provides a step of preparing single crystal hexagonal barium titanate, a step of cutting single crystal hexagonal barium titanate into a plate shape, and a metal thin film on both surfaces of the cut single crystal. There is provided a method for producing a tunable element, comprising: a step of vapor-depositing and a step of adhering a conductive wire to a vapor-deposited metal thin film.

また、本発明は、単結晶の六方晶系チタン酸バリウムを用意する段階は、バリウムチタン酸化物の化学量の理論量の前駆体を混合する段階と、水中において、静水圧力で、前駆体を固めて形成する段階と、前駆体を焼結する段階と、焼結された前駆体を加熱炉に入れて、単結晶の育成を行う段階と、単結晶に対してアニール処理を行う段階と、を含むことを特徴とするチューナブル素子の製造方法を提供する。   In the present invention, the step of preparing a single crystal hexagonal barium titanate includes mixing a stoichiometric amount of a precursor of barium titanium oxide with a stoichiometric amount of precursor in water at a hydrostatic pressure. A step of solidifying, a step of sintering the precursor, a step of putting the sintered precursor into a heating furnace and growing a single crystal, a step of annealing the single crystal, A method for producing a tunable element is provided.

また、本発明は、前記単結晶の育成を行う段階は、FZ法によることを特徴とするチューナブル素子の製造方法を提供する。   In addition, the present invention provides a method for manufacturing a tunable element, wherein the step of growing the single crystal is based on an FZ method.

本発明によって、高誘電率、低誘電損失、低温度係数を有する幅広い周波数範囲に高いチューナビリティを持つチューナブル素子が提供される。   The present invention provides a tunable element having high tunability in a wide frequency range having high dielectric constant, low dielectric loss, and low temperature coefficient.

直径6mm、長さ35mmの六方晶系チタン酸バリウムの単結晶を示す。A hexagonal barium titanate single crystal having a diameter of 6 mm and a length of 35 mm is shown. 図1の単結晶のX線解析結果とICSDの標準カードとを比較したグラフである。It is the graph which compared the X-ray-analysis result of the single crystal of FIG. 1, and the standard card of ICSD. h−BaTiO3単結晶の誘電率の温度依存性を示すグラフである。h-BaTiO 3 is a graph showing the temperature dependence of the dielectric constant of the single crystal. 各印加電場における、h−BaTiO3単結晶の周波数と誘電率の関係を示すグラフである。At each applied field is a graph showing the relationship between the frequency and dielectric constant of h-BaTiO 3 single crystal. 各印加電場における、h−BaTiO3単結晶の周波数とチューナビリティの関係を示すグラフである。At each applied field is a graph showing the relationship between the frequency and tunability of h-BaTiO 3 single crystal. チューナブルアンテナの一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of a tunable antenna.

本発明に用いる六方晶系チタン酸バリウム(以下、h−BaTiO3と記載する)の生産方法について、説明する。以下の方法は、一実施形態であり、他の方法によって生産された六方晶系チタン酸バリウムを用いてもよい。 A method for producing hexagonal barium titanate (hereinafter referred to as h-BaTiO 3 ) used in the present invention will be described. The following method is one embodiment, and hexagonal barium titanate produced by other methods may be used.

化学量の理論量の前駆体を、各物質が均等に分布するように十分に混合する。前駆体炭酸バリウム(BaCO3)及び酸化チタン(TiO2)を使用することが好ましい。混合された前駆体粉末を、所望の形状に固めて、焼結する。例えば、静水圧力で直径5mm、長さ60mmの棒状に形成し、1600Kで12時間、焼結する。その焼結された前駆体を用いて、単結晶の育成を行う。例えば、赤外線集中加熱炉によって、成長速度15mm/h、回転速度30rpmの条件で、FZ法(Floating Zone法)による単結晶の育成を行う。育成雰囲気は、単結晶を安定成長させるために、重要な条件である。Ar雰囲気が、最も単結晶を得やすい条件である。特に、酸素分圧は、Arガス中の残存酸素分圧である10-5気圧程度が好ましい。Ar雰囲気中で育成した直径6mm、長さ35mmの単結晶を図1に示す。図2に、この単結晶のX線解析の結果と、無機結晶構造データベース(ICSD)の#75240、h−BaTiO3の標準カードを比較したグラフを示す。図2において、標準カードのピークと、作成した単結晶のピークが一致しており、作成した単結晶が、h−BaTiO3であることがわかる。また、上記の方法は、素子に用いるために(量産するために)十分な大きさの単結晶を作成することを可能にする。 A stoichiometric amount of precursor is mixed well so that each material is evenly distributed. Precursor barium carbonate (BaCO 3 ) and titanium oxide (TiO 2 ) are preferably used. The mixed precursor powder is hardened into a desired shape and sintered. For example, it is formed into a rod shape having a diameter of 5 mm and a length of 60 mm under hydrostatic pressure, and is sintered at 1600 K for 12 hours. A single crystal is grown using the sintered precursor. For example, a single crystal is grown by the FZ method (Floating Zone method) in an infrared concentrated heating furnace under conditions of a growth rate of 15 mm / h and a rotation speed of 30 rpm. The growing atmosphere is an important condition for stably growing the single crystal. The Ar atmosphere is the most easy condition for obtaining a single crystal. In particular, the oxygen partial pressure is preferably about 10 −5 atm which is the residual oxygen partial pressure in Ar gas. A single crystal having a diameter of 6 mm and a length of 35 mm grown in an Ar atmosphere is shown in FIG. FIG. 2 shows a graph comparing the result of X-ray analysis of this single crystal with the standard card of # 75240, h-BaTiO 3 of the inorganic crystal structure database (ICSD). In FIG. 2, the peak of the standard card coincides with the peak of the prepared single crystal, and it can be seen that the prepared single crystal is h-BaTiO 3 . In addition, the above method makes it possible to produce a single crystal having a sufficient size for use in a device (for mass production).

育成されたh−BaTiO3単結晶の誘電特性を制御するために、アニール処理を行う。アニール処理による酸素吸収によって、単結晶内の酸素欠損量を減らすことができ、誘電率等の温度依存性、誘電損失を変化させることができる。上記の方法で育成された単結晶を300度から800度の温度範囲で、空気雰囲気中において、1時間から10時間でアニール処理を行って、誘電率、誘電損失、誘電率の温度依存性を変化させる。例えば、680kで2時間空気雰囲気中において、アニール処理をした単結晶は、室温の比誘電率が10万から2万まで低下するが、誘電損失は、0.1以下になる。さらに、常温付近における巨大誘電率の温度依存性は、大幅に低下する。図3は、h−BaTiO3単結晶の誘電率の温度依存性を示す。240kから300kの温度範囲における、比誘電率の比変化量Δε/εは、約0.1%である。また、比誘電率と、静電容量は、比例するため、静電容量の比変化量ΔC/Cは、約0.1%であることが言える。なお、従来技術である、チューナブル(可変)素子(キャパシタ)の材料(Ba、Ca)TiO3及び(Ba、Sr)TiO3では、室温付近の比誘電率が約4000であり、静電容量の比変化量ΔC/Cは、約10%である。(Ba、Ca)TiO3及び(Ba、Sr)TiO3に比べて、h−BaTiO3単結晶の方が、室温付近の誘電率が高い一方で、静電容量の比変化量が小さく、チューナブル素子の材料として、優れていることが理解できる。 Annealing is performed to control the dielectric properties of the grown h-BaTiO 3 single crystal. Oxygen absorption by annealing treatment can reduce the amount of oxygen vacancies in the single crystal, and can change temperature dependency such as dielectric constant and dielectric loss. The single crystal grown by the above method is annealed in the air atmosphere in the temperature range of 300 to 800 degrees for 1 to 10 hours, and the temperature dependence of dielectric constant, dielectric loss, and dielectric constant is obtained. Change. For example, a single crystal that has been annealed in an air atmosphere at 680k for 2 hours has a relative dielectric constant at room temperature that is reduced from 100,000 to 20,000, but the dielectric loss is 0.1 or less. Furthermore, the temperature dependence of the giant dielectric constant near room temperature is greatly reduced. FIG. 3 shows the temperature dependence of the dielectric constant of the h-BaTiO 3 single crystal. The relative change amount Δε / ε of the relative dielectric constant in the temperature range of 240 k to 300 k is about 0.1%. Further, since the relative permittivity and the capacitance are proportional, it can be said that the ratio change amount ΔC / C of the capacitance is about 0.1%. Note that the tunable (variable) element (capacitor) materials (Ba, Ca) TiO 3 and (Ba, Sr) TiO 3 , which are conventional techniques, have a relative dielectric constant of about 4000 near room temperature, and have an electrostatic capacitance. The ratio change amount ΔC / C is about 10%. Compared with (Ba, Ca) TiO 3 and (Ba, Sr) TiO 3 , the h-BaTiO 3 single crystal has a higher dielectric constant near room temperature, but has a smaller amount of change in capacitance, and the tuner. It can be understood that the material is excellent as a material for a bull element.

アニールした単結晶を素子に適した形状(板状、シート状等)に切り出す。例えば、直径3mm、厚さ0.5mmの板状に切り出す。切り出された単結晶に、金属を蒸着させて、二つの電極を構成し、さらに、導線を電極に接着する。例えば、該単結晶の両表面に厚さ1μmの同薄膜を蒸着して、電極として利用する。また、直径0.05mmの銀線を銀ペーストで銅薄膜電極と接着する。   The annealed single crystal is cut into a shape suitable for the device (plate shape, sheet shape, etc.). For example, it is cut into a plate shape having a diameter of 3 mm and a thickness of 0.5 mm. A metal is vapor-deposited on the cut single crystal to form two electrodes, and a conductive wire is bonded to the electrode. For example, the same thin film having a thickness of 1 μm is vapor-deposited on both surfaces of the single crystal and used as an electrode. Further, a silver wire having a diameter of 0.05 mm is bonded to the copper thin film electrode with a silver paste.

インピーダンス・アナライザを用いて、0−50V/cmまでの電場を、上記のようにして作成したチューナブル素子の断面に印加して、室温で印加電圧の関数として、比誘電率を測定した。図4に、10kHzから10MHzまでの周波数範囲における、印加電場0−50V/cmまでの比誘電率を示す。1MHzまで、比誘電率が30000以上であることが確認された。   Using an impedance analyzer, an electric field of up to 0-50 V / cm was applied to the cross section of the tunable element prepared as described above, and the relative dielectric constant was measured as a function of the applied voltage at room temperature. FIG. 4 shows the relative dielectric constant of the applied electric field from 0 to 50 V / cm in the frequency range from 10 kHz to 10 MHz. It was confirmed that the relative dielectric constant was 30000 or more up to 1 MHz.

図5は、図4の測定データから計算されるチューナビリティを示す。ここで、チューナビリティは、印加する電圧に対する、静電容量の変化量であり、電圧の印加前の静電容量をC0とし、電圧の印加後の静電容量をCvとすると、
〔数1〕
T(チューナビリティ)=((C0−Cv)/C0)×100(%)
などで表される。高チューナビリティの特性が得られる物質は、一般的に高誘電率の物質が望ましい。また、チューナブル素子は、低い誘電損失、低い温度係数及び低い周波数依存性が要求される。50V/cmの電場を印加した場合には、周波数は、10kHzに対して、チューナビリティは、35まで増加して、周波数10MHzに対しても10まで増加していることがわかる。
FIG. 5 shows the tunability calculated from the measurement data of FIG. Here, the tunability is the amount of change in capacitance with respect to the applied voltage, where C 0 is the capacitance before the voltage is applied, and C v is the capacitance after the voltage is applied.
[Equation 1]
T (tunability) = ((C 0 −C v ) / C 0 ) × 100 (%)
It is expressed as such. In general, a material having a high dielectric constant is desirable as a material capable of obtaining high tunability. Further, the tunable element is required to have a low dielectric loss, a low temperature coefficient, and a low frequency dependency. It can be seen that when an electric field of 50 V / cm is applied, the frequency increases to 35 with respect to 10 kHz, and increases to 10 with respect to the frequency of 10 MHz.

以上の結果から、h−BaTiO3は、高い誘電率、低い誘電損失、安定な温度依存性、さらに、高いチューナビリティを有することがわかる。 From the above results, it can be seen that h-BaTiO 3 has a high dielectric constant, a low dielectric loss, a stable temperature dependence, and a high tunability.

図6を用いて、上記の方法で得られたチューナブル素子を用いたチューナブルアンテナの一実施形態について説明する。   An embodiment of a tunable antenna using a tunable element obtained by the above method will be described with reference to FIG.

チューナブルアンテナ600は、主に、送受信素子604と、送受信素子604の一端に電気的に接続されたチューナブル素子608と、送受信素子604の他端に電気的に接続された信号給電部612とから構成される。これらの部品は、通常プリント配線基板に設けられる。   The tunable antenna 600 mainly includes a transmitting / receiving element 604, a tunable element 608 electrically connected to one end of the transmitting / receiving element 604, and a signal feeding unit 612 electrically connected to the other end of the transmitting / receiving element 604. Consists of These components are usually provided on a printed wiring board.

チューナブル素子608は、送受信素子604に接続された一端と逆側の端に、抵抗616と、コンデンサ620が電気的に接続されている。抵抗616のチューナブル素子608に接続された一端と逆側の端には、周波数制御回路624が接続されている。周波数制御回路624は、制御電圧をチューナブル素子608に印加して、チューナブル素子608の静電容量を制御する。静電容量を制御することによって、インピーダンスを制御し、送受信する周波数を設定することが可能になる。また、抵抗616は、送受信素子604において送受信される信号が、周波数制御回路624に流入することを防ぐ役割を果たす。コンデンサ620のチューナブル素子608に接続された一端と逆側の端には、グラウンド628に接続される。コンデンサ620は、制御電圧がグラウンドに直接印加されないように、DC成分をカットするために用いられる。   In the tunable element 608, a resistor 616 and a capacitor 620 are electrically connected to an end opposite to one end connected to the transmitting / receiving element 604. A frequency control circuit 624 is connected to one end of the resistor 616 opposite to the end connected to the tunable element 608. The frequency control circuit 624 applies a control voltage to the tunable element 608 to control the capacitance of the tunable element 608. By controlling the capacitance, it is possible to control the impedance and set the frequency for transmission and reception. The resistor 616 plays a role of preventing a signal transmitted / received in the transmitting / receiving element 604 from flowing into the frequency control circuit 624. The capacitor 620 is connected to the ground 628 at the end opposite to the end connected to the tunable element 608. The capacitor 620 is used to cut the DC component so that the control voltage is not directly applied to the ground.

信号給電部612の送受信素子604に接続された端と逆側の端は、グラウンド636及びチューナ回路632に接続される。チューナ回路632では、所望の信号を出力し、送受信素子604において受信された信号を受け取り、所望の信号のみが信号処理される。また、基板の裏側にグラウンド面を配置し、グラウンド628とグラウンド636は、そのグラウンド面を介して、電気的に接続されていてもよい。   The end of the signal power supply unit 612 opposite to the end connected to the transmitting / receiving element 604 is connected to the ground 636 and the tuner circuit 632. The tuner circuit 632 outputs a desired signal, receives a signal received by the transmission / reception element 604, and processes only the desired signal. Further, a ground plane may be disposed on the back side of the substrate, and the ground 628 and the ground 636 may be electrically connected via the ground plane.

チューナブル素子608は、高いチューナビリティを有するため、制御電圧の最大値が、リチウムイオン電池のような3Vであっても、大きく静電容量を変化させることが可能である。その結果、昇圧回路などの追加的な回路を使用することなく、アンテナ600が、送受信する信号の周波数を大きく変化させることができる。携帯電話などにおいて、チューナブル素子を含むアンテナ用いると、部品点数が少なくなり、小型化や、軽量化をすることが可能となる。また、例えば、従来のチューナブル素子を含むアンテナを用いる場合には、最大3Vの印加電圧で470MHz〜770MHzの信号を受信するために、送受信素子を小さくして、インピーダンスを低下させる必要がある。そのため、アンテナ利得が低下し、十分な利得が得られない。しかしながら、上記のチューナブル素子を含むアンテナ用いる場合には、チューナブル素子の静電容量を大きく変化させることができるため、十分なアンテナ利得を得ることが可能である。   Since the tunable element 608 has high tunability, even if the maximum value of the control voltage is 3 V like a lithium ion battery, the capacitance can be changed greatly. As a result, the frequency of a signal transmitted and received by the antenna 600 can be greatly changed without using an additional circuit such as a booster circuit. When an antenna including a tunable element is used in a mobile phone or the like, the number of parts is reduced, and the size and weight can be reduced. For example, when an antenna including a conventional tunable element is used, in order to receive a signal of 470 MHz to 770 MHz with a maximum applied voltage of 3 V, it is necessary to reduce the impedance by reducing the transmitting / receiving element. For this reason, the antenna gain is reduced and a sufficient gain cannot be obtained. However, when an antenna including the above tunable element is used, a sufficient antenna gain can be obtained because the capacitance of the tunable element can be changed greatly.

600 チューナブルアンテナ
604 送受信素子
608 チューナブル素子
612 信号給電部
616 抵抗
620 コンデンサ
624 周波数制御回路
628 グラウンド
632 チューナ回路
636 グラウンド
600 Tunable Antenna 604 Transceiver Element 608 Tunable Element 612 Signal Feed Unit 616 Resistor 620 Capacitor 624 Frequency Control Circuit 628 Ground 632 Tuner Circuit 636 Ground

Claims (5)

電圧を印加することによって、静電容量が変化するチューナブル素子であって、
上面電極と、
下面電極と、
前記上面電極と前記下面電極との間に配置される誘電体と、
を備え、
前記誘電体は、六方晶系チタン酸バリウムであることを特徴とするチューナブル素子。
A tunable element whose capacitance changes by applying a voltage,
A top electrode;
A bottom electrode;
A dielectric disposed between the top electrode and the bottom electrode;
With
The tunable element, wherein the dielectric is hexagonal barium titanate.
連続した周波数帯域の信号を受信するチューナブルアンテナにおいて、
金属からなる送受信部と、
前記受信素子の第1の端部に電気的に接続された請求項1に記載のチューナブル素子と、
前記受信素子の第2の端部に電気的に接続された給電部と、
を備えることを特徴とするチューナブルアンテナ。
In a tunable antenna that receives signals in a continuous frequency band,
A transmission / reception unit made of metal;
The tunable element according to claim 1 electrically connected to a first end of the receiving element;
A power feeding unit electrically connected to the second end of the receiving element;
A tunable antenna characterized by comprising:
単結晶の六方晶系チタン酸バリウムを用意する段階と、
前記単結晶の六方晶系チタン酸バリウムを板状に切り出す段階と、
切り出された前記単結晶の両表面に金属薄膜を蒸着させる段階と、
導線を蒸着させた前記金属薄膜に接着する段階と、
を備えることを特徴とするチューナブル素子の製造方法。
Providing a single crystal hexagonal barium titanate;
Cutting the single crystal hexagonal barium titanate into a plate,
Depositing a metal thin film on both surfaces of the cut single crystal;
Adhering to the metal thin film on which a conductive wire is deposited;
A method of manufacturing a tunable element comprising:
前記単結晶の六方晶系チタン酸バリウムを用意する段階は、
バリウムチタン酸化物の化学量の理論量の前駆体を混合する段階と、
水中において、静水圧力で、前記前駆体を固めて形成する段階と、
前記前駆体を焼結する段階と、
焼結された前駆体を加熱炉に入れて、単結晶の育成を行う段階と、
前記単結晶に対してアニール処理を行う段階と、
を含むことを特徴とする請求項3に記載のチューナブル素子の製造方法。
The step of preparing the single crystal hexagonal barium titanate comprises:
Mixing a stoichiometric amount of precursor of barium titanium oxide stoichiometry;
Solidifying and forming the precursor in water at hydrostatic pressure;
Sintering the precursor;
Putting the sintered precursor into a heating furnace and growing a single crystal;
Annealing the single crystal;
The method for producing a tunable element according to claim 3, comprising:
前記単結晶の育成を行う段階は、FZ法によることを特徴とする請求項4に記載のチューナブル素子の製造方法。   The method for producing a tunable element according to claim 4, wherein the step of growing the single crystal is performed by an FZ method.
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