TWI453176B - 介電陶瓷材料及相關方法 - Google Patents

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Description

介電陶瓷材料及相關方法
本發明係關於一種介電材料及製造該介電材料之方法及特定言之係關於一種可用作電子組件之介電陶瓷材料及該介電陶瓷材料之製造方法及用途。
Sakabe等人於美國專利第4,394,456號中揭示鈦酸釹、鈦酸鋇、氧化鈦、氧化鉍、氧化鉛、氧化鋅、及氧化矽之溫度補償型陶瓷介電質。
Nishigaki等人於美國專利第4,753,906號中揭示一種用於微波應用之介電組合物。
Yamano等人於美國專利第5,105,333號中揭示一種BaO、TiO2 、及Nd2 O3 之溫度補償型陶瓷介電質。
Hirai等人於美國專利第5,182,240號中揭示一種BaO、TiO2 、Nd2 O3 、及Sm2 O3 與Al2 O3 之介電陶瓷組合物。
Hirai等人於美國專利第5,185,304號中揭示一種BaO、TiO2 、Sm2 O3 及氧化鉍與Al2 O3 之介電陶瓷組合物。
Okawa於美國專利第5,223,462號中揭示一種在BaO‧Nd2 O3 ‧TiO2 ‧Bi2 O3 之主要組合物中具有錳之介電陶瓷。
Takase等人於美國專利第5,310,710號中揭示一種BaO‧Nd2 O3 ‧TiO2 、及Y2 O3 及Al2 O3 之微波介電陶瓷組合物。
Hirahara等人於美國專利第5,376,603號中揭示一種用於微波之La2 O3 ‧CaO‧TiO2 ‧MgO或BaO‧Nd2 O3 ‧TiO2 之介電陶瓷。
Tateishi等人於美國專利第5,650,368號中揭示一種具有主要組分Ba、Nd或Nd及Sm、及Ti或Ti及Zr或Sn及輔助組分Mn之介電陶瓷組合物。
Park等人於美國專利第5,688,732號中揭示用於微波應用之BaO、Pb2 O3 、Nd2 O3 、氧化鈰、La2 O3 、及TiO2 之介電陶瓷組合物。
Park等人於美國專利第5,750,452號中揭示一種用於微波應用之BaO、Sm2 O3 、TiO2 、及Pb2 O3 之介電陶瓷組合物。
Jacquin等人於美國專利第6,107,227號中揭示一種用於改善電氣性能之合併Sm2 O3 與成份BaO、Nd2 O、Sm2 O3 、TiO2 、La2 O3 、Bi2 O3 、及ZnO之鈦酸鋇釹介電陶瓷組合物。
Sato等人於美國專利第6,165,927號中揭示一種介電材料及一種用於製造其之方法，該材料係以BaO-RE2 O3 -TiO2 為主，具有鹼金屬氧化物，其中RE係一種Sm、或Sm與Nd及/或La之稀土元素。
Matoba等人於美國專利第6,195,250 B1號中揭示一種介電陶瓷組合物及層壓陶瓷部件，該陶瓷組合物具有主要組分BaO、TiO2 、及RE2 O3 ，不含鉛之B2 O3 ‧SiO2 玻璃、至少一種V氧化物及W氧化物及視需要之CuO或MnO。
Wada等人於美國專利第6,304,157 B1號中揭示一種具有Ba、Ti、Nd、Sm、及Pr作為主要組分及鉍化合物如Bi2 O3 及鐵化合物如Fe2 O3 之組合物之高頻率介電陶瓷組合物、介電諧振器、介電濾波器、介電雙工器及通信設備。
Wada等人於美國專利第6,429,164 B1號中揭示一種具有主要組分BaO‧Sm2 O3 ‧Nd2 O3 ‧TiO2 及次要組分錳化合物、鉈化合物及具有鋯之陶瓷組合物之高頻率介電陶瓷組合物、介電諧振器、介電濾波器、介電雙工器、及通信系統。
Sugimoto等人於美國專利第6,458,734 B1號中揭示一種藉由共燒結BaO‧TiO2 ‧REO3/2 而獲得之介電陶瓷組合物，其中RE係一種稀土元素，且金屬具有優異的導電性、高相對介電常數、高Q及小溫度係數。
Tosa等人於頒予美國專利第6,844,284 B2號之美國申請公開案第2003/0119657 A1號中揭示Ba、Nd、Pr、Bi、Ti、及Na與K中至少一種之介電瓷器組合物。
Naito於頒予美國專利第6,599,855 B2號之美國專利申請公開案第2002/0132127 A1號中揭示一種非還原性介電陶瓷及陶瓷電子組件，其包含含鋇、稀土元素及鈦之鎢-青銅-型結晶相及含稀土元素及鈦之燒綠石-型結晶相。
Oobuchi等人於頒予美國專利第7,091,147 B2號之美國專利申請公開案第2004/0176240 A1號中揭示具有BaO‧TiO2 ‧Nd2 O3 ‧La2 O3 ‧Sm2 O3 ‧Bi2 O3 之主要組合物及玻璃組分B2 O3 之用於在低溫下燒製之介電組合物及電子部件。
Yokoi等人於歐洲專利申請公開案第EP 0 939 979 A1號中揭示一種包括BaO‧RE2 O3 ‧TiO2 之主要組合物之介電材料，其中RE表示至少一種稀土元素；及至少一種鹼金屬氧化物；及衍生自一旦加熱即釋放氧氣之氧供應劑之成份。
Sugimoto等人於歐洲專利申請公開案第EP 0 939 413 A1號中揭示一種利用BaO‧TiO2 ‧REO3/2 ‧BiO3 之陶瓷組合物(其中RE係稀土元素)並具有SiO2 玻璃、B2 O3 及鹼土金屬氧化物及Li2 O之介電陶瓷組合物及陶瓷電子元件。
Sovarov等人於國際申請公開案第WO 97/21642號中揭示由鋇、釹、釓、鈦及鉍氧化物構成之微波介電陶瓷。
本發明係關於介電材料及其相關方法。本發明之一或多種態樣係關於一種具有以下化學式的材料之介電組合物：
Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0b3。在本發明之某些實施例中，b係約3；及在本發明之其他實施例中，b係約0.1。M'可為釹、釤、及釔中之至少一者，及M"可為鋁及鎵中之一者；及在本發明之該等實施例之某些情況中，b可為約3或約0.1。在本發明之某些特定實施例中，M'係釹及釤，M"係鋁，及b係約0.3。
本發明之一或多種態樣係關於一種具有以下化學式的材料之介電組合物：
Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3。在與本發明之該等態樣有關之某些實施例中，M'係釹及釤中之至少一者，及M'''係鋁。與本發明有關之其他實施例包括y為約3之材料或y為約0.1之材料。
本發明之一或多種態樣係關於介電組件之製造方法。根據本發明之一或多個實施例，該方法可包括以下一或多者：摻合含鋇源、鈦源、至少一種稀土元素源及至少一種金屬源之化合物之前驅物混合物；促進該等化合物反應以形成生料材料；將該生料材料粉碎成具有最大目標直徑之生料介電顆粒；自該生料介電顆粒形成生料介電構件；燒結該生料介電構件以產生包括具有以下化學式的介電材料之介電組件：
(I)　Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，
其中0a6及0b3，M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿之至少一種元素。在本發明之方法之其他實施例中，該介電材料可具有化學式：
(II)　Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中0x3及0y3，M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿之至少一種元素，及M'''係選自由鎂、鋅、鈷、及鎳組成之群之至少一種金屬。一或多種本發明之製造介電組件之方法另外包括在自該等生料介電顆粒形成該生料介電構件之前，將黏合劑添加至該生料介電顆粒中。在本發明之製造介電組件之某些方法中，促進該等化合物之反應包括將該前驅物混合物以小於或等於至約300℃/小時之第一加熱速率加熱至約1,000℃至約1,400℃之範圍內之反應溫度，將該前驅物混合物暴露至反應溫度達約四小時至約十二小時之範圍內的時間以形成第一產物，及將該第一產物以約100℃/小時至約600℃/小時之範圍內之第一冷卻速率冷卻至約室溫以形成該生料材料。在本發明之製造介電組件之其他方法中，燒結該生料介電構件以產生介電組件包括：將該生料介電部件以小於或等於約200℃/小時的第二加熱速率加熱至約1,300℃至約1,500℃之範圍內之燒結溫度，將該生料介電構件暴露至燒結溫度下達約兩小時至約八小時之範圍內的燒結時間以形成經燒結之介電產物，及將該經燒結之介電產物以約50℃/小時至約200℃/小時之範圍內之第二冷卻速率冷卻至約室溫以產生該介電組件。在本發明之製造介電組件之另外其他方法中，使該生料介電顆粒形成介電構件包括：將黏合劑添加至該生料介電顆粒中，及使該生料介電顆粒成形為介電構件(其生料密度係該介電材料之理論密度之至少約50%)。在某些特定實施例中，本發明之製造介電組件之某些方法可進一步包括將該介電組件之至少一種尺寸加工成具有至少一種目標物理特徵之介電諧振器。本發明之製造介電材料之一或多種其他特定方法包括小於或等於10微米的最大目標直徑。本發明之製造介電組件之方法可進一步包括以目標相對化學計量提供化合物之前驅物混合物，以產生具有M'如釹及釤中之至少一者，及M"如鋁之介電材料。本發明之製造介電組件之方法亦可或進一步包括以目標相對化學計量提供化合物之前驅物混合物，以產生具有M'如釹及釤中之至少一者，及M'''如鋁之介電材料。
隨附圖並不欲按比例繪製。在該等圖中，不同圖中所述之各相同或幾乎相同的組件係藉由相似數字表示。為清晰明瞭，並非每個組件在每個圖中皆有標記。
本發明之一或多種態樣係關於介電材料，包括可用作(例如)以微波為主之裝置中的電子組件之介電陶瓷材料。本發明之一或多種態樣係關於該等材料之合成方法。本發明之其他另外的態樣可包括(例如)本發明之介電材料係關於諸如鈦酸鋇之四邊形鎢青銅介電陶瓷材料。本發明之一或多種其他態樣係關於將改質劑併入四邊形鎢青銅介電陶瓷材料中。舉例而言，本發明之某些實施例包括將一或多種改質劑或選自由稀土元素及金屬組成之群之元素併入鈦酸鋇中。改質元素之非限制性實例包括選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之稀土元素。改質元素之其他非限制性實例包括鍺、鋁、鎵、鉻、銦、鈧、鐿、鎂、鋅、鎳、及鈷。因此，本發明之某些態樣包括一或兩種陽離子B'及B"位點原子經化學式A4 B'10 B"18 O54 表示之介電陶瓷材料之族中之一或多種改質元素部份取代。本發明之其他態樣包括藉由併入具有較佳半徑之陽離子原子來改質介電陶瓷材料晶格之八面體傾斜以提供所希望之電子物理特徵。
本發明之某些特定態樣係關於該等電子組件之製造，或係關於取代組件或系統之子系統及利用該等材料之裝置。舉例而言，本發明之一或多種態樣可關於具有以下化學式之介電陶瓷材料：
Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0b3。在本發明之某些實施例中，b係約3；及在本發明之其他實施例中，b係約0.1。M'可為釹、釤、及釔中之至少一者，及M"可為鋁及鎵中之一者。在本發明之某些特定實施例中，M'係釹及釤，M"係鋁，及b係約0.3。根據本發明之一或多種典型的實施例，a+b>0。
本發明之一或多種態樣係關於一種具有以下化學式之介電陶瓷材料：
Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3。在與本發明之該等態樣有關之某些實施例中，M'係釹及釤中之至少一者，及M'''係鋁。與其相關的其他實施例包括y為約3之材料或y為約0.1之材料。根據本發明之一或多種典型實施例，x+y>0。
該等材料之非限制性實施例包括Ba12 Nd30 Ti45 Al6 Ge3 O162 、Ba12 Nd18.48 Sm10.2 Ti51.66 Al2.04 Ge0.3 O162 、及Ba12 Nd18.48 Sm10.2 Ti51.96 Mg1.02 Ge1.02 O162 。
本發明之一或多種態樣包括用一或多種摻雜劑將添加劑摻雜或包含入經改質之介電陶瓷材料中以改質陶瓷組件之介電特性、介電陶瓷組件之整體的結晶形態或結晶生長特徵、介電陶瓷材料之燒結行為及介電陶瓷材料之稠化行為中之任一者。舉例而言，可在形成介電陶瓷材料之前及在將經摻雜之生料介電陶瓷材料燒結成所形成的介電陶瓷組件之前，將一或多種金屬氧化物化合物添加至經煆燒之生料介電陶瓷材料中。可用於本發明之一或多個實施例中之摻雜劑或摻雜劑化合物之非限制性實例包括(但不限於)氧化錳及氧化鈰。
本發明之一或多種其他態樣包括具有含經改質介電陶瓷材料之初相，及含可改質該主要介電陶瓷材料之一或多種物理特性的材料之一或多個其他相之介電組合物。舉例而言，該介電組合物具有含選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群之材料的第二相。一或多個其他相之相對量各可小於或等於該組合物之約10 wt%。
本發明之一或多種組合物可包括具有以下化學式之介電材料：Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0b3；及包含BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 之一或多者之一或多個相。本發明之其他特定組合物可包括具有以下化學式之介電陶瓷材料：Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3；及含BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 中之一或多者之一或多個相。根據本發明之一或多個典型實施例，a+b>0，或x+y>0。
在本發明之特定實施例中，介電組合物基本上係由第一相及第二相組成，該第一相包括具有以下化學式之介電材料，
Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0b3；及具有以下化學式之介電材料中之一者或二者
Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3；及該第二相基本上係由選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群之材料組成。在某些組合物中，該第二相基本上係由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 中之二者或更多者組成。
在本發明之其他特定實施例中，該介電組合物基本上係由第一相及第二相組成，該第一相基本上係由具有以下化學式之介電材料組成，
Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b )M"a Geb O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0b3；及該第二相基本上係由選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群之材料組成。在本發明之典型實施例中，a+b>0。
在本發明之其他特定實施例中，該介電組合物基本上係由第一相及第二相組成，該第一相基本上係由具有以下化學式之介電材料組成，
Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ,
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3；及該第二相基本上係由選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群之材料組成。在本發明之典型實施例中，x+y>0。
在本發明之另外其他特定實施例中，該介電組合物係由第一相及第二相組成，該第一相係由具有以下化學式之介電材料組成，
Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0<b3，或由具有以下化學式之介電材料組成，
Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3；及該第二相基本上係由選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群之材料組成。根據本發明之一或多個典型實施例，a+b>0，或x+y>0。
該第二相可由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 中之一者組成。在某些組合物中，該第二相基本上係由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 中之二者或更多者組成。
本發明之一或多種態樣亦係關於製造介電組件之方法。一或多種該方法包括摻合含鋇源、鈦源、至少一種稀土元素源及至少一種金屬源之化合物之前驅物混合物；促進該等化合物反應以形成生料材料；將該生料材料粉碎成具有最大目標直徑之生料介電顆粒；自該生料介電顆粒形成生料介電構件；燒結該生料介電構件以產生包括具有以下化學式的介電陶瓷材料之介電組件：
(I)　Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，
其中0a6且0b3，M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿之至少一種元素。在本發明之方法之其他實施例中，該介電陶瓷材料可具有化學式：
(II)　Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中0x3且0y3，M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿之至少一種元素，及M'''係選自由鎂、鋅、鈷、及鎳組成之群之至少一種金屬。在本發明之典型實施例中，a+b>0或x+y>0。本發明之製造介電組件之一或多種方法可另外包括在自生料介電顆粒形成生料介電構件之前，將黏合劑添加至生料介電顆粒中。在本發明之製造介電組件之某些方法中，促進化合物之反應包括：以小於或等於約300℃/小時的第一加熱速率將該前驅物混合物加熱至約1，000℃至約1，400℃之範圍內之反應溫度，使該前驅物混合物暴露於反應溫度下達約四小時至約十二小時之範圍內的時間以形成第一產物，及將該第一產物以約100℃/小時至約600℃/小時之範圍內的第一冷卻速率冷卻至約室溫以形成生料材料。
根據本發明之製造介電組件之其他方法，燒結生料介電構件以產生介電組件包括：將該生料介電構件以小於或等於約200℃/小時之第二加熱速率加熱至約1,300℃至約1,500℃之範圍內之燒結溫度，將該生料介電構件暴露於燒結溫度下達約兩小時至約八小時之範圍內的燒結時間以形成經燒結之介電物件，及將該經燒結之介電物件以約50℃/小時至約200℃/小時之範圍內之第二冷卻速率冷卻至約室溫以產生介電組件。
根據本發明之製造介電組件之其他方法，使生料介電顆粒形成介電構件包括：將黏合劑添加至生料介電顆粒中，及使該生料介電顆粒成形為介電構件，其生料密度係該介電陶瓷材料之理論密度的至少約50%。在某些特定實施例中，本發明之製造介電組件之某些方法進一步包括將介電組件之至少一種尺寸加工成具有至少一種目標物理特徵之介電諧振器。
本發明之製造介電組件之一或多種其他特定方法包括具有小於或等於10微米的最大目標直徑之顆粒。本發明之製造介電組件之方法可進一步包括以目標相對化學計量提供化合物之前驅物混合物以產生具有M'如釹及釤中之至少一者，及M"如鋁之介電陶瓷材料。本發明之製造介電組件之方法亦可進一步包括以目標相對化學計量提供化合物之前驅物混合物以產生具有M'如釹及釤中之至少一者，及M'''如鋁之介電陶瓷材料。
舉例而言，如圖1所示範性闡述，製造方法通常包括提供或製備前驅物化合物之混合物105。各前驅物或元素供體化合物可為氧化物或碳酸鹽，諸如(但不限於)BaCO3 、TiO2 、Nd2 O3 、Al2 O3 、ZnO、MgO、MnO2 、Sm2 O3 、及GeO2 。可提供相對量的前驅物化合物以產生具有單個初相而無可影響初相之任何物理特性的其他相或在本發明之某些實施例中具有初相及一或多個第二相之介電陶瓷組合物。例如，該前驅物化合物之化學計量可包括該混合物以產生Ba12 Nd30 Ti45 Al6 Ge3 O162 、Ba12 Nd18.48 Sm10.2 Ti51.66 Al2.04 Ge0.3 O162 、及Ba12 Nd18.48 Sm10.2 Ti51.96 Mg1.02 Ge1.02 O162 之任一者之介電陶瓷組合物。具有可存在於初相晶粒之間之其他相之實施例可藉將比化學計量更大量之一或多種相應前驅物化合物之各者併入混合物中而實施。
隨後，通常使前驅物化合物之混合物進行乾式或濕式混合110直至該混合物均質為止。混合可藉由螺旋槳式混合、球磨研磨及震動研磨中之任一者或多者實施。
若利用濕式混合，則通常藉由噴霧乾燥或藉由盤式乾燥使經濕式混合之混合物乾燥120。可進行乾燥直至該混合物具有所希望之黏度或坍塌特徵為止。例如，可進行乾燥直至所得混合物不再表現得如漿液為止。雖然在實施濕式混合時，較佳係進行乾燥，但水或混合試劑仍佔待反應之混合物的75 wt%以上。可在能蒸發液體試劑之溫度下，例如在約50℃至約300℃之範圍內的溫度下，諸如約200℃下藉由盤式乾燥該混合物來實施乾燥。
使前驅物化合物反應生成四邊形鎢青銅介電陶瓷材料可藉由在烘箱中煆燒、加熱或加熱處理115該經混合之混合物的方式促進。加熱可包括以約5℃/小時至約300℃/小時之範圍內之速率將烘箱溫度升高至一或多個熱浸泡時段。較佳地，該加熱升溫速率係在50℃/小時至約150℃/小時的範圍內。該一或多個熱浸泡時段可在1,000℃至約1,400℃之範圍內的烘箱溫度下進行。較佳熱浸泡溫度可視(例如)介電陶瓷材料產物之組成及在某些情況下前驅物化合物之類型而不同。非限制性較佳熱浸泡溫度係在1,100℃至約1,300℃的範圍內。低於約1,000℃之熱浸泡溫度無法充分地促進反應生成介電結構，其會造成組合物中未反應之相。高於約1,400℃之熱浸泡溫度可促進鈦酸鋇晶格結構至少部份熔化，其會造成改質元素不完全併入四邊形鎢青銅晶格中。可在熱浸泡溫度下進行熱處理，直至反應已充分進行以形成介電陶瓷材料為止。例如，可進行熱浸泡達約兩小時至約十六小時之範圍內的時間，較佳在四小時至約十二小時之範圍內，更佳為約八小時。熱浸泡或煆燒期間之持續時間可視介電陶瓷材料之組成及在某些情況下該材料中改質劑之相對組成而定。根據(例如)介電陶瓷材料產物而定，小於約四小時之煆燒時間無法使前驅物化合物充分反應或轉化成生料材料反應產物。此外，熱處理包括將已至少部份反應成生料材料之材料冷卻至約室溫，通常為約20℃至約25℃。可以約5℃/小時至約600℃/小時之範圍內的速率進行冷卻。例如，可藉由將包含該生料材料之烘箱的溫度以約100℃/小時之速率降低進行冷卻。
生料材料通常係藉由以(例如)經氧化釔安定之氧化鋯、經氧化鎂安定之氧化鋯、及/或經氧化鈰安定之氧化鋯之5 mm直徑球進行球磨研磨及震動研磨而研磨、磨碎或粉碎成具有目標尺寸或直徑之顆粒125。可利用水或惰性載劑流體(諸如丙酮)幫助研磨。目標尺寸可為最大尺寸。例如，可進行研磨，直至顆粒具有小於約10微米之有效或標稱直徑為止。在本發明之其他實施例中，目標尺寸可為平均有效直徑。例如，可進行研磨以提供具有約2微米至約6微米之範圍內的平均直徑之顆粒。若如此進行有利，則具有小於預定臨限尺寸或直徑之顆粒可藉由(例如)篩選而分離出。例如，具有小於約一微米的平均有效直徑之顆粒可被分離出。介電陶瓷材料之顆粒可成球形或實質上成球形。然而，本發明之一或多種態樣可以其他形狀實施。 實際上，本發明之某些實施例涵蓋具有不同形狀或大小特徵或此二者之顆粒聚集物。就實質上球形顆粒而言，可認為標稱直徑係具有與該顆粒相同體積之假想球體之等效直徑。因此，可將平均標稱直徑視為具有相同體積之假想球形顆粒之平均等效直徑。
隨後，可使經粉碎之生料顆粒形成生料介電構件130。然而，若利用濕式研磨，則通常在形成生料介電構件之前，將經濕式粉碎之顆粒藉由(例如)噴霧乾燥或盤式乾燥來乾燥135。如乾燥前驅物材料的混合物時，生料顆粒之乾燥135可進行至一目標水分含量。例如，可進行乾燥直至顆粒之聚集物具有小於約50 wt%之含水量為止。可在能蒸發液體組分之溫度下，例如至少約50℃，諸如約200℃下藉由盤式乾燥進行乾燥。
形成130可藉由任何壓制方法，諸如用惰性氣體熱均壓及擠壓，或藉由手動模壓完成。
可以(例如)約小於2 wt%之將黏合劑添加至生料顆粒中以有利於形成生料構件。黏合劑之量可視(例如)黏合劑之類型及顆粒之物理特徵(諸如(但不限於)顆粒之粒子大小及粒度)而變。然而，黏合劑過多會影響組件之密度或在組件中產生凹穴。可使用之黏合劑之非限制性實例係聚乙烯醇。為進一步有利於該形成程序，可將一或多種可塑劑(諸如聚乙二醇)與黏合劑一起使用。可塑劑之利用量同樣地可視黏合劑之類型及顆粒之物理特徵而定。
可使顆粒成形或形成所希望之形狀以提供密度為最終介電陶瓷材料之理論密度之至少約50%的成形物件。例如，可在至少約2,000 psi，例如約40,000 psi的壓力下壓制該等顆粒，其通常可提供密度為介電陶瓷材料之理論密度之至少約55%，通常為約55%至約65%的生料介電構件。
可在粉碎生料材料125之前或在形成生料介電構件130之前或在此二者之前，將一或多種摻雜劑化合物添加至顆粒中。較佳地，添加一或多種摻雜劑化合物包括(例如)使該等摻雜劑化合物與生料材料混合及隨後粉碎其混合物。然而，混合一或多種摻雜劑化合物亦包括使具有最大臨限尺寸之顆粒混合。各所添加之一或多種摻雜劑化合物之量通常係對應於與介電陶瓷材料之重量有關的目標值。
如所指出，在包括一或多個相之實施例中，可將第二相之材料添加至生料材料中。就一或多種摻雜劑化合物而言，可在研磨或粉碎生料材料之前添加一或多種第二相前驅物化合物。
生料介電構件(其可視需要具有一或多種第二相前驅物化合物及一或多種摻雜劑化合物)可經燒結成介電組件140。燒結可在一定溫度下於含氧氛圍中進行一段時間，或在相同溫度下或不同溫度下進行複數個持續時間以實現材料之稠化及在某些情況下完成固態反應。本發明之某些實施例包括燒結以提供特定材料特徵。例如，可在能提供較佳顆粒特徵之一或多種條件下進行燒結。燒結可藉由以特定加熱速率將生料構件加熱至一或多種燒結溫度之條件或將其暴露於該條件來進行。部件之形狀及幾何形狀及其物理特性可影響該構件之有效熱傳遞行為。因此，例如，加熱速率可視構件之形狀及材料之導熱率而定。在本發明之非限制性實施例中，可以約50℃/小時至約200℃/小時之範圍內之速率進行加熱。材料之形狀及組成亦會影響燒結溫度之持續時間。因此，視至少該等因子而定，可利用一或多種燒結溫度及在該溫度或複數個溫度下暴露一或多個持續時間可在約1,300℃至約1,500℃的範圍內。在一或多種溫度下之燒結持續時間可進行在約一小時至約十小時之範圍內，較佳在約三小時至約八小時之範圍內之相應燒結持續時間。燒結通常進一步包括將介電陶瓷材料在一或多種適宜的冷卻條件下冷卻。例如，冷卻可包括以約100℃/小時至約300℃/小時之範圍內之速率將介電陶瓷材料之溫度，或其環境之溫度降低至約25℃之約室溫。類似於加熱速率，冷卻速率亦可有利地以數個階段或步驟進行。本發明之該等實施例可適於避免或降低由於熱衝擊而造成介電陶瓷組件碎裂或破裂的可能性。例如，視諸如材料之幾何組態、導熱性及熱膨脹係數之考量而定之較佳冷卻速率可以約150℃/小時的速率進行。燒結因此可提供密度(諸如目標密度)為介電陶瓷材料之理論密度之至少約95%的組件。
隨後，可將介電組件整修或加工145以使其具有所希望之特徵或尺寸或以移除在形成製程期間所產生之非所欲之部份。例如，加工可包括在組件體中產生一或多個孔隙。
本發明之一或多種其他態樣係關於修復或改質電子裝置以併入本發明之一或多種介電陶瓷材料。例如，本發明係關於移除電子裝置之陶瓷諧振器及改造或為此安裝一取代諧振器，該取代諧振器包括具有以下化學式之介電陶瓷材料，
Ba12 M'(28+a/3 )Ti(54-a-b )M"a Geb O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0<b3，或具有以下化學式之介電材料，
Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，
其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3；及第二相，其基本上係由選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群之材料組成。該方法可進一步包括改質該裝置之其他組件或子系統以併入取代諧振器之介電陶瓷材料中之一或多種介電特性。在本發明之典型實施例中，a+b>0或x+y>0。
實例
本發明之此等及其他實施例之功能及優勢可進一步自以下實例中明瞭，該等實例闡述本發明之一或多種系統及技術之益處及/或優勢，但並未舉出本發明之所有範疇。
在實例1中，利用以下測試協定以測定包括各自材料組合物之介電諧振器(DR)的介電常數、Q因子及諧振頻率之溫度係數。
圓盤形之介電諧振器係以其兩個平面之金屬壁為邊界。
介電諧振器之密度係藉由阿基米德(Archimedes)方法測定。
介電常數係基於如網路分析儀(諸如來自Agilent Technologies,Inc.,Santa Clara,California之PNA系列之網路分析儀中之一者)所測量之樣本尺寸及諧振頻率測得。圖2闡述在實例中用於各種圓盤形樣本202之介電測量之Courtney平行板方法中用作測試固定裝置之固持器201。Q-因子或無負載之Qu 係於尺寸為介電諧振器樣本大小之至少三倍之測試腔中測量。各DR樣本202係置於金屬壁212與214之間。利用低損耗石英支撐構件216以使各樣本202暫時脫離金屬壁212及214之影響。耦合環或RF探針232及234在操作上係連接至網路分析儀(未顯示)。可調節耦合程度以使傳輸損耗係約-40 dB。
利用所測量之3 dB帶寬(BW)及以下關係測定Q-因子，Qu ：
其中IL係損耗，及F0 係中心頻率(以MHz計)。
該測試係在實驗室周圍條件及以TE01δ 模式所測量之諧振下進行。
諧振頻率之溫度係數，τf 係在模擬隔離DR之條件下測量，其除TE01δ 模式係用網路分析儀以反射模式觀察之外係類似於以上對Q-因子之描述。整個測試腔及各DR樣本係置於溫度室中，及諧振頻率係在25℃及60℃下測量。τf (以ppm/℃計)係利用以下關係測定：
其中F(以Hz計)係在60℃下之諧振頻率與在25℃下之諧振頻率之差，F0 (以MHz計)係在25℃下之諧振頻率，及Δ=60℃-25℃=35℃。
在TE01δ 模式中之介電諧振頻率F0 (以GHz計)大致上係利用以下關係測定：
其中Dr (以英吋計)係諧振器直徑，Lr(以英吋計)係諧振器長度，及εr 係諧振器之介電常數。
實例1
根據本發明之不同陶瓷介電材料各係藉由在聚丙烯缸中用經氧化釔安定之氧化鋯介質水性研磨混合約一小時製得。隨後，藉由將經混合之樣品暴露於約200℃的溫度下乾燥之，及繼而經由10孔篩進行篩選。
隨後將經篩選之材料在空氣中於約1,150℃之溫度的烘箱中煆燒。進行X-射線繞射審查以核實相純度。
隨後將經煆燒之材料水性研磨至約一微米至約十微米之範圍內之粒度，及隨後在約200℃的溫度下進行盤式乾燥。
將約80%聚乙烯醇及約20%聚乙二醇之黏合劑以約1 wt%添加至各不同樣品中。隨後將該混合物混合直至均質。
將生料材料之均質混合物在約2,000 psi下進行單軸壓製及在約1,400℃下進行熱處理以產生不同的諧振器樣本。
本發明之四邊形鎢青銅介電陶瓷材料之相應物理特性係顯示於表1至4中，其係利用所述協定所測量。
表1列出根據本發明之一或多種態樣，在鈦酸鋇的四邊形鎢青銅晶格中具有釹、釤及鋁之一或多者之介電陶瓷材料之物理特性。表1亦列出根據本發明之其他態樣含有經摻雜之鈦酸鋇及一或多種二級氧化物之複合物材料之物理特性。
表2列出根據本發明之一或多種態樣，在鈦酸鋇的四邊形鎢青銅晶格中具有釹、釤、釔、鎵、及鋁之一或多者之介電陶瓷材料之物理特性。
表3列出根據本發明之一或多種態樣，在鈦酸鋇的四邊形鎢青銅晶格中包含鍺及釹、釤、釔、鎂、鋅、及鋁之任一者或多者之陶瓷材料之物理特性。
表4列出根據本發明之一或多種態樣，在鈦酸鋇的四邊形鎢青銅晶格中包含釹、釤、鋁、鎂、鈷、鎳、鎵、鈧、鉻、銦、鋅、及鋁之任一者或多者之陶瓷材料之物理特性。
表5列出本發明之某些材料組合物的諧振頻率之溫度係數，τf 。
實例2
此實例取代原子之原子半徑對介電特性之影響。
表6列出根據本發明之一或多種態樣，實例1之Ba12 M'30 Ti54 O162 材料中所用之不同M'取代原子之Shannon-Prewitt半徑(以計)。
表7列出根據本發明之一或多種態樣，實例1之Ba12 M'30 Ti(54-z) (M"或M''')z O162 材料中所用之不同M"或M'''取代原子之Shannon-Prewitt半徑(以計)。
根據本發明之一或多種態樣，某些取代M'種類之平均離子大小對Ba12 M'30 Ti54 O162 材料中之頻率及Q‧f之作用係闡述於圖3A及3B中。
根據本發明之一或多種態樣，Ba12 Nd18.48 Ti51.96 Al2.04 O162 中Al之取代相對於離子大小之作用係顯示於表8中並闡述於圖4A及4B中。
表9列出根據本發明之一或多種態樣，Ba12 Nd18.48 Sm10.2 Ti51.96 Al2.04 O162 之添加劑或摻雜劑之某些特性。
現已闡述本發明之某些闡釋性實施例，熟悉此項技術者應瞭解以上所述僅具闡釋性且不限於僅以實例方式闡述。熟悉此項技術者亦應瞭解或能夠確定可只有利用常規實驗及本發明之特定實施例之等效物。因此，應瞭解文中所述之實施例僅以實例方式闡述且係涵蓋於隨附請求項及其等效物之範疇內；本發明可以除特別闡述外之其他方式實施。例如，使一或多種前驅物化合物反應生成介電陶瓷材料可在含氧氛圍，諸如空氣或具有至少所希望之氧分壓之環境中進行。
因此，許多種變體及其他實施例係涵蓋於一般技術者之範疇中且係涵蓋於本發明之範疇內。特定言之，雖然文中所述之許多實例包括特定組合，但應瞭解彼等動作及彼等元件可以其他方式組合。此外，熟悉此項技術者應瞭解文中所述參數及組態係具示範性。
如文中所用般，術語「複數個」係指兩種或更多種項目或組件。無論在書面描述或請求項及類似物中，術語「包括」、「包含」、「載有」、「具有」、「含有」及「涉及」係開放式術語，即意指「包括(但不限於)」。因此，利用該等術語意指涵蓋隨後所列出之項目及其等效物以及其他項目。
就請求項而言，僅轉折詞「由..組成」及「基本上由..組成」分別係封閉式或半封閉式之轉折詞。此外，片語「基本上由..組成」意指包括經明確闡述之元素以及彼等本質上不影響所主張主題的基本及新穎特徵之封閉式轉折詞。
此外，熟悉此項技術者亦應瞭解所主張之主題可包括經認為可正常出現或天然出現之雜質。例如，轉折詞「基本上由..組成」及在某些情況下，片語「由..組成」涵蓋可自前驅物化合物、摻雜劑化合物、加工設備(諸如(但不限於)其材料接觸表面、研磨介質、一或多種黏合劑材料、一或多種個可塑劑材料及一或多種混合試劑)中之任一者或多者引入本發明之不同組合物中之雜質的存在。
在請求項中利用諸如「第一」、「第二」、「第三」及類似物之常見術語來修飾請求項元件本身無意味任何優先權、優先或一請求項元件優於另一者之順序或進行一種方法之動作之臨時順序，但僅用作區分具有某一名稱之請求項元件與具有相同名稱(但使用序數詞)之另一元件以區別請求項元件之標記。
201．．．固持器
202．．．DR樣本
212．．．金屬壁
214．．．金屬壁
216．．．低損耗石英支撐構件
232．．．耦合環或RF探針
234．．．耦合環或RF探針
圖1係闡述根據本發明之一或多個實施例製備包括介電材料之介電組件之方法的流程圖；
圖2係根據本發明之一或多個實施例用於測量介電諧振器的介電特性之測試固定裝置之示意圖；
圖3A及3B係顯示根據本發明之一或多個實施例取代原子M'之離子大小對頻率依賴性及對Ba12 M'30 Ti54 O162 材料的Q‧f之作用之圖；及
圖4A及4B係顯示根據本發明之一或多個實施例Al在Ba12 Nd18.48 Ti51.96 Al2.04 O162 中之取代相對於離子大小的作用之圖，且圖4A顯示包括耦合取代之作用及圖4B顯示除耦合取代之外之作用。
(無元件符號說明)

Claims (18)

  1. 一種具有以下化學式的材料之介電組合物：Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自由鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿組成之群之至少一種元素，0a6，及0b3。
  2. 如請求項1之介電組合物，其中b係約3。
  3. 如請求項1之介電組合物，其中b係約0.1。
  4. 如請求項1之介電組合物，其進一步包括具有選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群的材料之第二相。
  5. 如請求項1之介電組合物，其中M'係釹、釤、及釔中之至少一者，及M"係鋁及鎵中之一者。
  6. 如請求項5之介電組合物，其中M'係釹及釤，M"係鋁，及b係約0.3。
  7. 一種具有以下化學式的材料之介電組合物：Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M'''係選自由鎂、鋅、鎳、及鈷組成之群之至少一種金屬，0x3，及0y3。
  8. 如請求項7之介電組合物，其中y係約3。
  9. 如請求項7之介電組合物，其中y係約0.1。
  10. 如請求項7之介電組合物，其進一步包括具有選自由BaTi4 O9 、Ba2 Ti9 O20 、TiO2 、及Nd2 Ti2 O7 組成之群的材料 之第二相。
  11. 一種製造介電組件之方法，其包括：摻合含鋇源、鈦源、至少一種稀土元素源及至少一種金屬源之化合物之前驅物混合物；促進該化合物反應以形成生料材料；將該生料材料粉碎成具有小於或等於約10微米之最大目標直徑之生料介電顆粒；自該生料介電顆粒形成生料介電構件；燒結該生料介電構件以產生包括具有以下化學式的介電材料之該介電組件：(I)Ba12 M'(28+a/3) Ti(54-a-b) M"a Geb O162 ，且0a6及0b3，或(II)Ba12 M'(28+2x/3) Ti(54-x-y) M'''x Gey O162 ，且0x3及0y3，及其中M'係選自由鑭、釹、釤、釓、及釔組成之群之至少一種稀土元素，M"係選自鋁、鎵、鉻、銦、鈧、及鐿中之至少一種元素，及M'''係選自由鎂、鋅、鈷、及鎳組成之群之至少一種金屬。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括在自該生料介電顆粒形成該生料介電構件之前，將黏合劑添加至該生料介電顆粒中。
  13. 如請求項12之方法，其中促進該等化合物反應包括：將該前驅物混合物以小於或等於約300℃/小時之第一 加熱速率加熱至約1,000℃至約1,400℃之範圍內之反應溫度；將該前驅物混合物暴露於該反應溫度達約四小時至約十二小時之範圍內的時間以形成第一產物；及將該第一產物以約100℃/小時至約600℃/小時之範圍內之第一冷卻速率冷卻至約室溫以形成該生料材料。
  14. 如請求項13之方法，其中燒結該生料介電構件以產生該介電組件包括：將該生料介電構件以小於或等於約200℃/小時之第二加熱速率加熱至約1,300℃至約1,500℃之範圍內之燒結溫度；將該生料介電構件暴露於該燒結溫度達約兩小時至約八小時之範圍內之燒結時間以形成經燒結之介電產物；及將該經燒結之介電產物以50℃/小時至約200℃/小時之範圍內之第二冷卻速率冷卻至約室溫以產生該介電組件。
  15. 如請求項14之方法，其中使該生料介電顆粒形成該介電構件包括：將黏合劑添加至該生料介電顆粒中；及將該生料介電顆粒成形為該介電構件，其生料密度係該介電材料之理論密度的至少約50%。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包括將該介電組件加工成具有至少一種目標物理特徵之介電諧振器。
  17. 如請求項11之方法，其進一步包括以目標相對化學計量 提供該化合物之前驅物混合物以產生具有M'如釹及釤中之至少一者，及M"如鋁之該介電材料。
  18. 如請求項11之方法，其進一步包括以目標相對化學計量提供該化合物之前驅物混合物以產生具有M'如釹及釤中之至少一者之該介電材料。
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