JP4326346B2 - マイクロ波誘電体セラミック組成物、その製造方法及び当該組成物からなるデバイス - Google Patents

Description

本発明は下記式からなる新規なマイクロ波誘電体セラミックス組成物及び当該組成物からなるデバイスに関する。ｘＭＯ‐ｙＬａ_２Ｏ_３‐ｚＴｉＯ_２（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；ｘ：ｚ：ｙ＝１：２：５または１：４：９）

マイクロ波集積回路技術における劇的発展は遠隔通信技術の分野に革命をもたらした。誘電体共振器（ＤＲｓ）はマイクロ波集積回路技術における主要構成部品であり、従来の金属空洞共振器やストリップ線路回路がどんどん置き換えられている。マイクロ波回路のサイズは誘電率の平方根に逆比例する。誘電体共振器は、高い誘電率（小型化のため）、高い品質係数（周波数選択性のため）、共振周波数の温度特性が低いこと（周波数安定性のため）が要求される。これらの制約が通常誘電体共振器への適用をε_ｒ＝２０〜１００、Ｑ＞２０００及びτ_ｆ＜±２０/℃の特性を有するセラミックス誘電体にのみ制限している。アルミナ基板の使用と比較すると、低損失高誘電率材料はストリップ線路共振器やフィルターのみではなく、すべてのマイクロ波回路のサイズを減少せしめる。これらの誘電材料は、また、インピーダンス整合のためのサーキュレーターやフェーズシフターのようなデバイスの製造にも使用される。誘電体共振器はマイクロ波オッシレーターやフィルター、サテライトや個人通信分野における誘電体共振アンテナなどの製造にも用いられる。これらは遠隔測定技術や追跡技術などの分野において使用される。

従来のマイクロ波セラミックス誘電体は次のカテゴリーに分類できる。（１）低誘電率（２０＜ε_ｒ＜４０）、高品質係数（Ｑｘｆ＞５００００ＧＨｚ）のセラミックスＢａ（Ｍｇ、Ｔａ）Ｏ_３、Ｂａ（Ｚｎ、Ｔａ）Ｏ_３、Ｂａ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ_３、Ｂａ（Ｚｎ、Ｎｂ）Ｏ_３、これらの変性個容体、Ｂａ（Ｍｇ、Ｓｎ、Ｔａ）Ｏ_３、Ｂａ_２Ｔｉ_９Ｏ_２０、及び（Ｚｒ、Ｓｎ）ＴｉＯ_４など。（２）高誘電率（ε_ｒ＞７５）、低品質係数（Ｑｘｆ＜１００００ＧＨｚ）のタングステンブロンズ型組成物ＢａＯ‐ＲＥ_２Ｏ_３‐ＴｉＯ_２（１：１：４、または１：１：５）及びＢａ_６−３ｘＬｎ_８＋２ｘＴｉ_１８Ｏ_５４（ＬｎはＬａ^３＋、Ｎｄ^３＋、Ｓｍ^３＋又はＧｄ^３＋）など。

第１グループのセラミックスは通常周波数＞１．５ＧＨｚで使用され、一方第２グループは周波数＜２ＧＨｚで使用される。＜２ＧＨｚの用途において、ε_ｒ≧７０のセラミックス誘電体でもかなりのサイズ縮小化を提供する。狭い周波数帯の要求と極めて低い挿入損（＜０．３ｄＢ）のためε_ｒ＝３８のセラミックス誘電体さえサイズを妥協して用いられる。更なるデバイスの縮小化はε_ｒ＞４５でＱｘｆ＞４５０００ＧＨｚを有する低τ_ｆのセラミックス誘電体を要求する。（文献１）

これらに関して二つの異なる方法が用いられている。（１）２０〜４０の範囲のε_ｒと適度な高τ_ｆを有する高Ｑ値セラミックスと、ＣａＴｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３などのような逆のτ_ｆ（通常は＋）、高ε_ｒ（＞１００）及び低損失のセラミックスとの固溶体を形成する。（２）Ｂａ_５Ｎｂ_４Ｏ_１５型のカチオン欠損ヘキサゴナルペロヴスカイトを探求する（文献２、文献３、文献４）。Ｂａ_５Ｎｂ_４Ｏ_１５及びＢａ_５−ｘＳｒ_ｘＮｂ_４Ｏ_１５のような報告されているカチオン欠損ペロヴスカイトは４０〜５０間の誘電率と高品質係数を有するが、高いτ_ｆが実用に適さないものとしている。親近構造のＢａＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５とＢａ_２Ｌａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８は高い誘電率（４３と４６）と高品質係数と共振周波数における低い温度係数を有している（文献３）。

本発明によるＭＯ‐Ｌａ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ）セラミックスは、カチオン欠損ペロヴスカイトＭＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ）と、Ａ_ｎＢ_ｎ−１Ｏ_３ｎ（ｎ＝５、６、又は８）の同族系に属するＣａ_２Ｌａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８（文献５）と、斜方晶構造化合物ＣａＬａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１７とＣａＬａ_８Ｔｉ_９Ｏ_３１（ＪＣＰＤＳファイル２７−１０５７、２７−１０５８、２７−１０５９参照）と、からなる。これら物質の誘電特性は始めて研究された。
Ｊ． Ｍａｔｅｒ. Ｓｃｉ. Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０ (２００１), ７１−７２ Ｂ． Ｊａｎｃａｒ， Ｄ． Ｓｕｖｏｒｏｖ， Ｍ． Ｖａｌｅｎｔ， "Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＣａＴｉＯ３−ＮｄＡｌＯ３ ｃｅｒａｍｉｃｓ" Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ． Ｂｕｌｌ， ３０ (６) １９９５， ｐｐ６５３−６５８ Ｈ． Ｓｒｅｅｍｏｏｌａｎａｄｈａｎ，Ｍ．Ｔ． Ｓｅｂａｓｔｉａｎ， Ｐ． Ｍｏｈａｎａｎ Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ． Ｂｕｌｌ， ３１ (５) １９９６， ｐｐ４３１−４３７ Ｃ． Ｖｅｎｅｉｓ， Ｐ．Ｋ． Ｄａｖｉｅｓ， Ｔ． Ｎｅｇａｓ， Ｓ． Ｂｅｌｌ Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ８９ (７) ２００１， ｐｐ３９００−３９０６ Ｓ． Ｋａｍｂａ， Ｊ． Ｐｅｔｚｅｌｔ， Ｅ． Ｂｕｉｘａｄｅｒａｓ， Ｄ． Ｈａｕｂｒｉｃｈ， Ｐ． Ｖａｎｅｋ， Ｐ． Ｋｕｚｅｌ， Ｉ．Ｎ． Ｊａｗａｈａｒ， Ｍ．Ｔ． Ｓｅｂａｓｔｉａｎ， Ｐ． Ｍｏｈａｎａｎ Ｒｕｓｓｉａｎ Ｊ． Ｉｎｏｒｇ． Ｃｈｅｍ． ３４ (５) １９８９， ｐ７５８−７５９ Ｖ．Ａ． Ｓａｌｔｙｋｏｖａ， Ｏ．Ｖ． Ｍｅｌｎｉｋｏｖａ， Ｎ．Ｆ．Ｆｅｄｏｒｏｖ Ｍｅａｓ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． ９ (１９９８)， １７５１−１７５６ Ｊ． Ｋｒｕｐｋａ， Ｋ． ｄｅｒｚａｋｏｗｓｋｙ， Ｂ． Ｒｉｄｄｌｅ， Ｊ．Ｂ． Ｊａｒｖｉｚ

本発明の主たる目的は、一般式ｘＭＯ‐ｙＬａ_２Ｏ_３‐ｚＴｉＯ_２（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；ｘ：ｚ：ｙ＝１：２：５または１：４：９）の新規なセラミックス誘電体組成物及び該組成物からなる上述の欠点を取除いたデバイスを提供するにある。

本発明の他の目的は、キャパシタに適用する高誘電率及び低τ_ｆを有する新規な誘電体セラミックス組成物を提供するにある。

更に、本発明の他の目的は、マイクロ波回路基板に適用する高誘電率及び低τ_ｆを有する新規な誘電体セラミックス組成物を提供するにある。

したがって、本発明は一般式ｘＭＯ‐ｙＬａ_２Ｏ_３‐ｚＴｉＯ_２（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；ｘ：ｚ：ｙ＝１：２：５または１：４：９）の新規なマイクロ波誘電体組成物を提供し、当該組成物からなるデバイスを提供し、該デバイスは粉末状の発明性のあるペロヴスカイトの製造と、当該粉末を適当な形状への成形と、乾燥、焼成、最終処理とからなる。

本発明の実施例においては、誘電体セラミックス組成物ｘＣａＯ−ｙＬａ_２Ｏ_３−ｚＴｉＯ_２（ｘ：ｙ：ｚ＝１：２：５または１：４：９）は、高純度のＣａＣＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２をモル比１：２：５または１：４：９でセラミック固体反応法により反応させ、円筒形ペレット状に成形する。仮焼は１２００℃以上の温度で行う。該ペレットを研磨し、物理的、構造的、マイクロ波誘電体的特性を測定する。酸化物の混合粉末の仮焼は充分に高い温度で、充分な時間行われ、単相多結晶セラミックスＣａＬａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１７とＣａＬａ_８Ｔｉ_９Ｏ_３１を得る。

前記実施例は、斜方晶構造の物質からなる。ＭＯ−Ｌａ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２（Ａ＝Ｃａ、Ｓｒ）系は、高誘電率（＞４０）、高品質係数（４〜５ＧＨｚにおいて、＞６８００）及び共振周波数における低い温度係数（＜±２５ｐｐｍ／℃）を有し、実際の使用に適切に調整可能である。

発明をより良く理解するために、以下に記す図面を参照して、幾つかの実施例の説明を行う。

以下に特定の実施例を示して本発明につき詳述するが、本発明は説明する実施例の詳細に限定されないことを理解すべきである。

実施例１
カチオン欠損ヘキサゴナルペロヴスカイトＣａＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５及びＣａ_２Ｌａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８を含むＣａＯ‐Ｌａ_２Ｏ_３‐ＴｉＯ_２系組成物は、高純度のＣａＣＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２の粉末をモル比１：２：４または２：２：５でセラミック固体反応法により反応させて製造する。これら粉末を化学量論に従って秤量し、プラスチック容器とジルコニアのボールを使用するボールミルにより蒸留水を介在させて２４時間粉砕する。当該混合粉末を乾燥し、１２００℃以上の温度で一回または異なる時間で繰り返し仮焼し、室温まで冷却する。マイクロ波誘電体特性を最大とするために、充分高い温度でより短い時間（通常、１３５０〜１５００℃の範囲で２〜８時間）の仮焼を試行した。仮焼した混合物を良く粉砕し、バインダーとして３重量％のＰＶＡを添加し，乾燥して再び粉砕する。得られた微粉末をマイクロ波計測に適する適切なサイズのペレット（高さ６〜８ｍｍ、直径１４ｍｍ）にする。マイクロ波周波数における正確且つ適切な誘電体特性計測のためサンプルの寸法は前以て定めてある。最良のＱ値のためにはアスペクト比（直径／長さ）は２〜２．３にすべきである。成形された円板状又は円筒パック形サンプルは１５５０〜１６７５℃の範囲で種々の時間で焼成した。焼成したサンプルは良く研磨して表面の不整を除去し、計測に使用される。

マイクロ波誘電率は両端短絡型誘電体共振器法（Ｈａｋｋｉ‐Ｃｏｌｅｍａｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｓｔ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて計測した。共振器は二枚の金被覆銅板の間に配置され、Ｅ−界プローブを介してマイクロ波エネルギを印加し、種々の共振モードで励起する。種々の共振モードのうち計測にはＴＥ_０１１モードを選択して行った。上記セラミックスのＴＥ_０１１／ＴＥ_０１δモードは４〜６ＧＨｚの周波数で得られた。

サンプルの品質係数は、キャビティ法（文献６）を用いてＴＥ_０１δモードの共振周波数で行った。金属銅キャビティの内壁は銀を被覆した。サンプルを円筒状の水晶上に装着し、計測には伝達モードを用いた。

共振周波数の温度係数（τ_ｆ）はＴＥ_０１δモードの共振周波数の温度（７５℃まで）に伴う変化により計測した。τ_ｆは、次式（１）を用いて計算した。

τ_ｆ＝（１／ｆ）×（Δｆ／ΔＴ） （１）
上記式において、Δｆ：室温（通常２０℃）における共振周波数と測定周波数との差異
ΔＴ：室温と測定温度の差異

充分に高い温度（＞１３５０℃）で２〜８時間の仮焼により単相の多結晶セラミックスが＞９３％の濃度で得られた。実施例１で得られた物質のマイクロ波誘電体特性を表１に示す。表における補正ε_ｒは多孔度に対する補正後の誘電率である。τ_ｆの単位はｐｐｍ／℃である。

実施例２
ＳｒＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５セラミックスは高純度のＳｒＣＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２とをモル比１：２：４で反応させて製造する。製造及び計測は実施例１で記載した通りになされた。乾燥したこれら混合物を１２００℃で４時間仮焼し、粉砕後再び１３００〜１５００℃の温度範囲で仮焼し、室温に冷却した。サンプルの焼成温度は１５５０℃と１６５０℃との間の温度で種々焼成することにより最適化した。単相の多結晶ＳｒＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５セラミックスを得るためには、混合された酸化物粉末の最初の仮焼は充分に高い温度で充分な時間行わなければならない。１５００℃で仮焼した場合を除き、焼成ペレットの濃度は＞９８％であった。１５００℃で仮焼した場合の焼成後の濃度は〜９３％に低下した。サンプルの処理法、整形法、測定技術は実施例１で説明した通りである。種々の仮焼温度におけるこのセラミックスのマイクロ波誘電体特性を表２に示す。

実施例３
単相多結晶ＣａＬａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１７及びＣａＬａ_８ Ｔｉ _９ Ｏ_３１を含むＣａ‐Ｌａ_２Ｏ_３‐ＴｉＯ_２セラミックスは高純度のＣａＣＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２をモル比１：２：５または１：４：９でセラミック固体反応法により反応させて製造する。製造方法及び計測方法は実施例１に説明したステップに従った。最初１２００℃で４時間仮焼し、よく粉砕し、再び１３５０〜１４５０℃で種々の時間で仮焼した。焼成の最適化は１６００℃と１６７５℃との間の範囲で２〜８時間において行った。高濃度単相セラミックス（理論濃度＞９３％）をマイクロ波特性の計測に使用した。

実施例４
フィルタなどの実際の作動環境における誘電共振器の性能を実験するために、ＣａＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５の誘電体共振器のサンプルを、銅キャビティ内のＰＴＦＥ基板上に設置した。共振周波数における帯域消去フィルタとしての作動を検討した。インピーダンス５０Ω、幅３ｍｍのストリップ線路を介してマイクロ波エネルギーをキャビティに接続した。ＰＴＦＥ基板上で、誘電体共振器をマイクロストリップ線路近傍に配置すると共振器と線路間に電磁結合を生じた。キャビティはサイズ５０ｍｍ×５０ｍｍ、深さ３０ｍｍの直方形である。金属円板を上下に移動して周波数を調整する。ＰＴＦＥ基板は２．２の誘電率を有し、基板の厚さは１．８４５６ｍｍである。使用したサンプルのスペックは、誘電率が４１、直径が１１．４２ｍｍ、厚さ４．６３ｍｍ、Ｄ／Ｌ比は２．４６６であった。

主共振モードはＴＥ_０１δである。主モードに対するスプリアスモードの影響を最小化するために、通常Ｄ／Ｌ比は２〜２．５が良い（Ｄ：円筒形共振器の直径、Ｌ：円筒形共振器の長さ）。狭い周波数帯の誘電体共振器フィルタは非常に高い品質係数を要求する。誘電体共振器の実際のＱ値は接続損失を差し引いて得られる。装着方法や導波路周辺の消失モードによるこの損失は実際のフィルタのＱ値を減少する。実際のフィルタ回路は1個以上の誘電体共振器を採用しており、共振器の数が増えれば増えるほどフィルタの周波数応答のスカート部はより急峻となり、帯域外の消去が増加する。共振器構造の品質係数は４．７６４ＧＨｚにおいて７１００と計測された。計測機器は帯域消去フィルタ回路として作動し、それゆえ実際の動作環境における誘電体共振器の性能に関する評価を与える。図６に共振曲線と対応するスミス・チャートを示す。

本発明の主たる有利点は、高誘電率（＞４０）、高品質係数（４〜５ＧＨｚにおいて＞６８００）及び共振周波数における低温度係数（＜±２５ｐｐｍ／℃）を有し、実用に適した誘電体共振組成物を提供する発明性のあるシステムである。マイクロ波誘電体特性は、添加、置換あるいはＴｉＯ_２の量を変更することによって、あるいは他のヘキサゴナルまたは斜方晶構造のマイクロ波誘電体組成と固容体を形成することにより、適当に変更することができ、これらもまた本発明における広い技術範囲内に帰する。本セラミックスは、狭い周波数帯及び非常に小さな挿入損（＜０．３ｄＢ）を、特に＜２ＧＨｚにおいて、品質と妥協することなく、要求される分野に採用されている現行物質と良く置き換えることができる。化学物質の純度及び不純物（痕跡であっても）のタイプ、処理温度におけるわずかな変更は種々の可能性ある相の形成及び存在量に影響する。冷却速度及び低温度におけるアニールは誘電体特性に影響することを見出した。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、当業者は本発明の技術範囲及び思想から逸脱することなく修正、変更が可能であることを理解すべきである。例えば、ＴｉＯ_２を増加または不充分にし、又は、ＺｒまたはＳｉを加えて組成を僅かに変えて、マイクロ波誘電体特性に影響させる。これらすべての修正又は変更は本発明の特許請求も範囲に含まれる。

典型的単相多結晶のサンプルＣａＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５の温度による共振周波数の変化を示すグラフ。 典型的単相多結晶のサンプルＣａ_２Ｌａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８の温度による共振周波数の変化を示すグラフ。 典型的単相多結晶のサンプルＳｒＬａ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５の温度による共振周波数の変化を示すグラフ。 典型的単相多結晶のサンプルＣａＬａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１７の温度による共振周波数の変化を示すグラフ。 典型的単相多結晶のサンプルＣａＬａ_８Ｔｉ_９Ｏ_３１の温度による共振周波数の変化を示すグラフ。 実際の作動装置における誘電体共振器の共振曲線とスミス・チャートを示す。

Claims (15)

1. 式ｘＭＯ−ｙＬａ_２Ｏ_３−ｚＴｉＯ_２で表され、ＭはＳｒ及びＣａから選択され、ｘ：ｙ：ｚ＝１：２：５または１：４：９であるマイクロ波誘電体セラミックス組成物において、該組成物の焼成体が、４０以上の誘電率、＋３０と−３０ｐｐｍ／℃の間の共振周波数における温度係数及び４〜５ＧＨｚにおいて６８００以上の品質係数を有することを特徴とするマイクロ波誘電体セラミックス組成物。
2. 前記式において、ＭがＣａでありｘ：ｙ：ｚ＝１：２：５または１：４：９であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波誘電体セラミックス組成物。
3. 前記組成物は単相多結晶構造であり、分子式ＣａＬａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１７であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロ波誘電体セラミックス組成物。
4. 前記組成物は単相多結晶構造であり、分子式ＣａＬａ_８Ｔｉ_９Ｏ_３１であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロ波誘電体セラミックス組成物。
5. 前記組成物は単相多結晶構造であり、４０と５７との間の誘電率と、−２５ｐｐｍ／℃と１０ｐｐｍ／℃との間の共振周波数における温度係数とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のマイクロ波誘電体セラミックス組成物。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の組成物に、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２から選択された添加物と、層構造のカチオン欠損ペロブスカイトとを含むことを特徴とするマイクロ波誘電体セラミックス組成物。
7. マイクロ波通信システムに使用され、請求項１記載のマイクロ波誘電体セラミックス組成物を含むことを特徴とする誘電体共振器。
8. 前記誘電体共振器は、前記組成物により製造された基板と、該基板の一または複数の面に形成された導電パターンからなる導電体とを備えていることを特徴とする請求項７記載の誘電体共振器。
9. 前記誘電体共振器は、金属電極により被覆された前記誘電材料の成形体を備えていることを特徴とする請求項８記載の誘電体共振器。
10. マイクロ波通信システムに使用され、請求項８に記載の複数の誘電体共振器を備えていることを特徴とする誘電体フィルタ。
11. 請求項１に記載の誘電体セラミック組成物を備えていることを特徴とするマイクロ波に適用される基板。
12. 請求項１に記載の誘電体セラミック組成物を備えていることを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
13. 請求項１に記載の誘電体セラミック組成物を備えていることを特徴とする無線周波数用デバイス。
14. 式ｘＭＯ−ｙＬａ_２Ｏ_３−ｚＴｉＯ_２（ＭはＳｒ及びＣａ、ｘ：ｙ：ｚ＝１：２：５または１：４：９）である誘電体組成物の製造方法であって、ＣａＣＯ_３又はＳｒＣＯ_３と、ＴｉＯ_２及びＬａ_２Ｏ_３との粉末を混合し、仮焼し、成形して誘電体物質の成形体とし、該成形体を１２００℃以上の温度で充分な時間焼成した後、室温又はそれ以上の温度に冷却することにより前記物質が２５℃でマイクロ波周波数における４０以上の誘電率と、−２５ｐｐｍ／℃と＋２０ｐｐｍ／℃との間の温度係数とを有するようにすることを特徴とする誘電体組成物の製造方法。
15. 前記成形体の焼成は１５５０〜１６７５℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項１４記載の誘電体組成物の製造方法。

Images