專利名稱：高頻陶瓷坯、其應用及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及應用于微波區(qū)、毫米波區(qū)和其它高頻區(qū)的高頻陶瓷坯及其制造方法。此外，本發(fā)明還涉及裝在例如移動電話、個人收音機、衛(wèi)星接收機、無線局域網(wǎng)和毫米波雷達上的介質(zhì)天線、介質(zhì)諧振器支架、介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)雙工器與通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
陶瓷坯通常廣泛應用于例如在微波區(qū)、毫米波區(qū)與其它高頻區(qū)中使用的介質(zhì)諧振器與電路板。
此類高頻陶瓷坯必須具有(1)低的介質(zhì)損耗，即高Q值，和(2)熱穩(wěn)定的諧振頻率，即可隨意控制在0ppm/℃附近的諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)。
為使得到的裝置小型化，具有高的相對介電常數(shù)(εr)的陶瓷是較佳的，因為介質(zhì)中電磁波的波長縮短為1/(εr)1/2。然而，由于介質(zhì)裝置的尺寸變得過小，當該裝置在高頻下使用時，削弱了其工作能力，因此也要求提供相對介電常數(shù)低的材料，例如，這類常規(guī)高頻陶瓷坯包括Ba(Sn，Mg，Ta)O3基陶瓷(如日本已審專利申請公報No.3-34164中所述)和MgO-SiO2-AlO3基陶瓷(如日本已審專利申請公報No.6-103603與日本待審專利申請公報No.8-69715中所述)。
Ba(Sn，Mg，Ta)O3基陶瓷坯可將諧振頻率的溫度系數(shù)控制在0ppm/℃附近，且在10GHz時具有20000到30000的高Q值。然而，該陶瓷坯的相對介電常數(shù)(εr)高達24，得到的裝置尺寸過小，因而在微波區(qū)或毫米波區(qū)使用時，工作能力下降。
與此相對照，Mg-SiO2-Al2O3基陶瓷坯與氧化鋁陶瓷的相對介電常數(shù)(εr)很低，從7到10，且在10GHz時具有6000到29000的高Q值。然而，這些陶瓷的諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)的絕對值高達-30ppm/℃到-50ppm/℃，限于在微波區(qū)或毫米波區(qū)用作介質(zhì)材料。
控制氧化鋁陶瓷坯的諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)的一種可行方法是結(jié)合使用具有正諧振頻率溫度系數(shù)(τf)的TiO2。然而，這類原料必須通過不低于1350℃的溫度的燒制而燒結(jié)，在如此高的溫度下燒制會形成Al2TiO5晶相，從而劣化了Q值和其它特性。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是解決上述諸問題而提供一種高頻陶瓷坯，并提供一種制造該高頻陶瓷的方法，這種高頻陶瓷坯具有優(yōu)良的高頻特性與溫度特性，其相對介電常數(shù)(εr)約為20或更小，在10GHz下的Q值約為10000或更大，且能將諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)隨意控制在約0ppm/℃。
本發(fā)明的另一個目的是用上述陶瓷坯提供具有優(yōu)良電學特性的介質(zhì)天線、介質(zhì)諧振器支架、介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器或介質(zhì)雙工器，并提供一種小型的高性能通信系統(tǒng)。
具體而言，在一個方面，本發(fā)明提供了一種高頻陶瓷坯，它包括Al、Ti與Mn金屬元素，且基本上不含Al2TiO5晶相。
該高頻陶瓷坯最好以不超過約1310℃的溫度燒制得到。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種高頻陶瓷坯，它在10GHz時具有10000或更大的Q值，它包含Al、Ti與Mn金屬元素，可用下式表示(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO其中x與y是摩爾百分比，x與y滿足以下條件3.0≤x≤9.0；和0.1≤y≤1.0。
具體地說，組份公式中的x與y最好還滿足以下條件3.0≤x≤7.0和0.1≤y≤0.25。高頻陶瓷坯中最好基本上不含Al2TiO5晶相。
該組份公式是高頻陶瓷坯燒結(jié)后的組份公式。作為高頻陶瓷坯的原料，最好將比表面積約4m2/g或更大的氧化鋁粉和比表面積約3m2/g或更大的二氧化鈦粉，分別用作AlO3/2成份的原料與TiO2成份的原料。比表面積從約4m2/g到5m2/g的氧化鋁粉尤其可用作AlO3/2成份的原料。
在又一個方面，本發(fā)明提供一種制造由下式表示的高頻陶瓷坯的方法(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO，其中x與y是摩爾百分比，x與y滿足條件3.0≤x≤9.0；和0.1≤y≤1.0，該方法包括步驟把含Al原料、含Ti原料與含Mn原料相混合；將得到的混合物模壓形成生坯；以及以不超過約1310℃的溫度燒制生坯。
較佳地，在上述方法中，把比表面積約4m2/g或更大的氧化鋁粉用作含Al原料，而把比表面積約3m2/g的二氧化鈦粉用作含Ti原料。氧化鋁粉的比表面積最好從約4m2/g到5m2/g。另外，燒制溫度最好約為1300℃或更低。
附圖概述
圖1是本發(fā)明介質(zhì)天線的一個實施例的透視圖；圖2是介質(zhì)諧振器系統(tǒng)的剖面圖，示出本發(fā)明的介質(zhì)諧振器支架的一個實施例；圖3是本發(fā)明介質(zhì)諧振器的一個實施例的透視圖；圖4是圖3所示介質(zhì)諧振器沿線a-b截取的剖視圖；圖5是本發(fā)明介質(zhì)濾波器的一個實施例的透視圖；圖6是本發(fā)明介質(zhì)雙工器的一個實施例的透視圖；和圖7是本發(fā)明通信系統(tǒng)的一個實施例的框圖。
較佳實施例的描述本發(fā)明的介質(zhì)陶瓷尤其適用于高頻電子部件。下面參照附圖詳細說明應用本發(fā)明的介質(zhì)陶瓷的高頻電子部件的諸實施例。
介質(zhì)天線圖1是本發(fā)明介質(zhì)天線的一個實施例的透視圖。介質(zhì)天線1包括立方體天線基板2。輸入-輸出電極3在天線基板2的一側(cè)端上形成，直線發(fā)射電極4在天線基板2頂面的中心形成并向天線基板2的另一側(cè)端延伸。發(fā)射電極4安置成與輸入-輸出電極3隔開一預定間隔。另外，接地電極5形成幾乎覆蓋天線基板2的整個底面，并且電氣連接到反射電極4。在具有上述配置的介質(zhì)天線1中，天線基板2由本發(fā)明的高頻陶瓷坯構(gòu)成。
具有帶狀線(stripline)型發(fā)射電極的介質(zhì)天線示于圖1，但是本發(fā)明介質(zhì)天線中的發(fā)射電極并不限于該類型，而且本發(fā)明的高頻陶瓷還適用于其它類型的介質(zhì)天線。
介質(zhì)諧振器支架圖2是TE 01δ模介質(zhì)諧振器系統(tǒng)的剖視圖，示出本發(fā)明介質(zhì)諧振器支架的一個實施例。
介質(zhì)諧振器系統(tǒng)11包括一金屬殼體12，在金屬殼體12內(nèi)部的空間置有用支架13支承的柱狀介質(zhì)諧振器14。輸入端15與輸出端16由金屬殼體12固定并支承。
在介質(zhì)諧振器系統(tǒng)11中，支承介質(zhì)諧振器14的支架13由本發(fā)明的高頻陶瓷坯構(gòu)成。
介質(zhì)諧振器圖3是本發(fā)明介質(zhì)諧振器的一個實施例的透視圖，圖4是圖3所示介質(zhì)諧振器21沿線a-b截取的剖面圖。
介質(zhì)諧振器21由具有通孔31的柱狀介質(zhì)陶瓷22構(gòu)成，在通孔31內(nèi)側(cè)形成內(nèi)導體23a，圍繞介質(zhì)諧振器形成外導體23b。介質(zhì)諧振器21通過使介質(zhì)陶瓷體22與輸入-輸出端(即外部耦合裝置)的電磁耦合而起到介質(zhì)諧振器的作用。
組成介質(zhì)諧振器21的介質(zhì)陶瓷體22由本發(fā)明的高頻陶瓷坯構(gòu)成。
傳播TEM模的柱狀介質(zhì)諧振器示于圖3，但本發(fā)明并不限于傳播該模的介質(zhì)諧振器。當然，本發(fā)明的高頻陶瓷還適用于傳播其它諧振模如橫向電磁模(TEM模)、橫向磁性模(TM模)與橫向電氣模(TE模)等的介質(zhì)諧振器。
介質(zhì)濾波器圖5是本發(fā)明介質(zhì)濾波器的一個實施例的透視圖。
介質(zhì)濾波器24包括一介質(zhì)諧振器和介質(zhì)諧振器上形成的作為輸入-輸出端的外部耦合裝置25。介質(zhì)諧振器包括具有通孔31的介質(zhì)陶瓷體22、在通孔31內(nèi)形成的內(nèi)導體23a和在介質(zhì)陶瓷體22表面上形成的外導體23b。
塊狀介質(zhì)濾波器示于圖5，本發(fā)明的介質(zhì)濾波器也可以是分立型介質(zhì)濾波器。
介質(zhì)雙工器圖6是本發(fā)明介質(zhì)雙工器的一個實施例的透視圖。
介質(zhì)雙工器26包括兩個介質(zhì)濾波器、連接到這兩個介質(zhì)濾波器之一的輸入連接裝置27、連接到另一介質(zhì)濾波器的輸出連接裝置28以及與這兩個介質(zhì)濾波器共同連接的天線連接裝置29。這兩個介質(zhì)濾波器各自包括一介質(zhì)諧振器，而該介質(zhì)諧振器包括帶通孔31的介質(zhì)陶瓷體22、在通孔31內(nèi)側(cè)形成的內(nèi)導體23a和在介質(zhì)陶瓷22表面上形成的外導體23b。
塊狀介質(zhì)雙工器示于圖6，但本發(fā)明的介質(zhì)雙工器還可以是分立型介質(zhì)雙工器。
通信系統(tǒng)圖7是本發(fā)明通信系統(tǒng)的一個實施例的框圖。
通信系統(tǒng)30包括介質(zhì)雙工器32、發(fā)射電路34、接收電路36和天線38。發(fā)射電路34連接到介質(zhì)雙工器32的輸入連接裝置40，接收電路36連接到介質(zhì)雙工器32的輸出連接裝置42。天線38連接到介質(zhì)雙工器32的天線連接裝置44。介質(zhì)雙工器32包括兩個介質(zhì)濾波器46與48。各介質(zhì)濾波器46和48包括本發(fā)明的介質(zhì)諧振器和連接到介質(zhì)諧振器的外部耦合裝置。例如，在本實施例中，介質(zhì)濾波器是將各外部耦合裝置50分別連接到介質(zhì)諧振器21的輸入與輸出端而形成的。介質(zhì)濾波器46連接在輸入連接裝置40與另一介質(zhì)濾波器48之間，而該另一介質(zhì)濾波器48連接在介質(zhì)濾波器46與輸出連接裝置42之間。
本發(fā)明的高頻陶瓷的應用不限于上述介質(zhì)天線與介質(zhì)諧振器等裝置，而是廣泛地包括如用于微波區(qū)或毫米波區(qū)的電路板等高頻裝置。
舉例參照以下例子再詳細示出本發(fā)明，但這些舉例并不限于本發(fā)明的范圍。
例1開始時，把純度為99.9％或更高且比表面積為4m2/g的高純度氧化鋁(Al2O3)粉、純度為99.8％或更高且比表面積為3m2/g的二氧化鈦(TiO2)粉及碳酸錳(MnCO3)粉制備成原材料。
然后將這些材料混合在一起，得到具有表1所示燒制后組份比的陶瓷。
把混合粉末在球磨機中與適量粘合劑濕磨16小時，然后干燥，以1000到2000kg/cm2的壓強模壓成盤狀，把該盤以表1所示溫度在空氣中燒制，從而得到陶瓷盤(燒結(jié)的坯)。將得到的陶瓷磨成直徑為10mm、厚度為5mm而得到測試樣品。
在這方面，除了壓模技術(shù)以外，模壓操作也可通過片料成型模壓(sheetmolding)、冷等靜壓(CIP)、濕模壓、壓力粉漿澆鑄和任何其它能形成所需形狀的技術(shù)實現(xiàn)。
通過使用兩端短路的介質(zhì)諧振器的方法，在10到14GHz的測量波長下，對上述制備的各樣品測量相對介電常數(shù)(εr)與Q值。按照Q乘以f為常數(shù)的定律，將測得的Q值轉(zhuǎn)換成10GHz下的Q值。根據(jù)TEO 1δ模諧振頻率的溫度變化，計算出諧振頻率的溫度系數(shù)(τf，25到55℃)。用波長λ為1.5418的Cu-Kα射其結(jié)果列于下表1。線，以x射線衍射分析法確定樣品3、9、16、31與37的晶相。
表1表明，在微波區(qū)內(nèi)，樣品7到11、14到18、21到25、28到32和35到39的高頻陶瓷呈現(xiàn)出高Q值且保持低的相對介電常數(shù)。
這里參考表1來檢查x與y值由以下組份公式表示的高頻陶瓷(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO，其中x與y為摩爾百分比。
如表1所示，組份公式中的x范圍最好為約3.0到9.0。如果x小于約3.0(樣品6、13、20、27、34與41)或大于約9.0(樣品12、19、26與33)，則諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)就變成低于-30ppm/℃或高于+50ppm/℃，無法獲得穩(wěn)定的諧振頻率溫度系數(shù)。
表1還表明，組份公式中的y范圍最好在約0.1到1.0內(nèi)。若y小于約0.1(樣品4)，得到的組份無法在不超過約1310℃的溫度下充分燒結(jié)，導致燒結(jié)的坯料易具有低Q值。如果y大于約1.0(樣品42)，則得到的組份雖能在不超出約1310℃的溫度下燒結(jié)，但燒結(jié)的坯料易具有低Q值。
此外，當組份公式中的x與y都滿足條件3.0≤x≤7.0且0.1≤y≤0.25時，如樣品7到10和14到17的陶瓷，則燒結(jié)的坯料可呈現(xiàn)出令人滿意的在0±30ppm/℃范圍內(nèi)的諧振頻率溫度系數(shù)(τf)的溫度特性，并在10GHz下具有15000或更大的Q值的優(yōu)良高頻特性。
通過樣品3陶瓷與樣品9、16、31與37的陶瓷的比較，可看出本發(fā)明的高頻陶瓷基本上不含可觀察到的Al2TiO5晶相，并具有高Q值。
例2開始時，把高純度氧化鋁(Al2O3)粉、二氧化鈦(TiO2)粉和碳酸錳(MnCO3)粉制成原材料。作為Al2O3粉，采用純度為99.％或更高且比表面積為3m2/g、4m2/g或13m2/g的粉。作為TiO2粉，采用純度99.8％或更高且比表面積為1m2/g、3m2/g、7m2/g和30m2/g的粉。
接著將這些材料混合在一起，得到表2所示燒制后組份比的陶瓷。
除了燒制溫度設置為表2中的溫度外，以與例1相同的方式制備一系列樣品。用與例1同樣的方法確定制備樣品的相對介電常數(shù)(εr)、Q值和諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)。結(jié)果列于表2。
表2說明，為提高低溫下的可燒結(jié)性，顆粒尺寸較小的氧化鋁與二氧化鈦粉是較佳的。具體而言，應用比表面積分別為4m2/g或更大的氧化鋁粉以及比表面積為3m2/g或更大的二氧化鈦粉，可在低于1300℃的溫度下燒制此混合物。
例如，通過樣品51的陶瓷與樣品44與45的陶瓷的比較可知，與應用比表面積小于4m2/g的氧化鋁粉與比表面積小于3m2/g的二氧化鈦粉相比，應用比表面積為13m2/g的氧化鋁與比表面積為30m2/g的二氧化鈦粉，可將燒制溫度減低約60℃到80℃而不劣化特性。
然而，應用顆粒尺寸過小的材料粉，尤其是應用氧化鋁粉，會增大粉料成本或增大粉的膨松度，從而影響生產(chǎn)率。因此，這類過小的顆粒尺寸在商業(yè)上不總是有用的。相應地，對性能、成本與生產(chǎn)率作一綜合研究表明，氧化鋁粉的比表面積最好約4m2/g到5m2/g，而二氧化鈦粉的從表面積最好約3m2/g或更大些。
在上述例子中把氧化鋁、氧化鈦與碳酸錳用作原料。但用于本發(fā)明的原料并不專門限于這些材料，也可適當使用碳酸鹽、硝酸鹽與氫氧化物等經(jīng)燒制形成氧化物的化合物。
本發(fā)明的高頻陶瓷可進一步包括痕量添加物，其范圍不劣化上述的特性。如配用重量百分比為1.0或更少的SiO2、B2O3、V2O5或WO3，可將燒制溫度降低約10℃到20℃，并抑制了特性劣化。
此外，本發(fā)明的高頻陶瓷還可包括Na、K、Fe、Cu、Ga、Cl、Ca與Zr等約束性(obligatory)雜質(zhì)，以氧化物而言其數(shù)量約為0.1重量百分比。以陶瓷總重量為基礎，就氧而言，Zr元素的量最好控制在1.0重量百分比或更少。
優(yōu)點如上所述，本發(fā)明包含Al、Ti與Mn金屬元素的高頻陶瓷，經(jīng)x射線衍射分析確定，基本上不含Al2TiO5相，因而相對介質(zhì)電常數(shù)(εr)低達20或更小，10GHz下的Q值高達10000或更大，能隨意將諧振頻率的溫度系數(shù)(τf)控制在0ppm/℃左右，從而獲得令人滿意的高頻特性與溫度特性。
另外，在組份公式表面的高頻陶瓷中，通過進一步限定Ti元素與Mn元素的量，可得到令人滿意的特性，即諧振頻率的溫度系數(shù)范圍為0±30ppm/℃，10GHz下的Q值達15000或更大。
把比表面積約為4m2/g或更大的氧化鋁與比表面積約為3m2/g或更大的二氧化鈦粉分別用作本發(fā)明的高頻陶瓷的Al材料和Ti材料，可阻止材料費用上漲，且改善了低溫下的可燒結(jié)性而不劣化生產(chǎn)率。
因此，使用上述組份的介質(zhì)陶瓷例如可生產(chǎn)出電學特性令人滿意的介質(zhì)天線、介質(zhì)諧振器支架、介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器與介質(zhì)雙工器，并能生產(chǎn)高性能的小型通信系統(tǒng)。
本領域的技術(shù)人員顯然明白其它實施例與變化，本發(fā)明并不限于上述的特定實施例。
權(quán)利要求
1.一種高頻陶瓷坯，其特征在于包含Al、Ti與Mn金屬元素，且基本上無Al2TiO5晶相。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻陶瓷坯，其特征在于所述陶瓷坯是一種低于約1310℃燒制的坯料。
3.一種高頻陶瓷坯，其特征在于，在10GHz下的Q值至少約為10000，并包含Al、Ti與Mn金屬元素，所述坯料由下式表示(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO其中x與y是摩爾百分比，3.0≤x≤9.0；以及0.1≤y≤1.0。
4.如權(quán)利要求3所述的高頻陶瓷坯，其特征在于3.0≤x≤7.0和0.1≤y≤0.25。
5.如權(quán)利要求4所述的高頻陶瓷坯，其特征在于基本上不包含Al2TiO5晶相。
6.如權(quán)利要求3所述的高頻陶瓷坯，其特征在于基本上不包含Al2TiO5晶相。
7.一種生產(chǎn)下式表示的高頻陶瓷坯的方法(100-x-y)AlO3/2-xTiO2-yMnO其中x與y是摩爾百分比，3.0≤x≤9.0；且0.1≤y≤1.0，所述方法包括步驟提供由含Al原料、含Ti原料與含Mn原料組成的混合物；將得到的混合物模壓形成生坯；以及以不超過約1310℃的溫度燒制生坯。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述含Al原料是一種比表面積至少約4m2/g的氧化鋁粉，而所述含Ti原料是一種比表面積至少約3m2/g的二氧化鈦粉。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述含Al原料是一種比表面積約為4m2/g到5m2/g的氧化鋁粉。
10.在一種電子裝置中，其一部分包括介質(zhì)陶瓷體，其改進包括包含權(quán)利要求1的高頻介質(zhì)陶瓷坯的介質(zhì)陶瓷體。
11.如權(quán)利要求10所述的電子裝置，其特征在于包括介質(zhì)天線，所述介質(zhì)天線包括介質(zhì)陶瓷體和所述介質(zhì)陶瓷一個表面上的發(fā)射電極。
12.如權(quán)利要求10所述的電子裝置，其特征在于包括一介質(zhì)支架，用于支承可通過介質(zhì)陶瓷與輸入-輸出端的電磁耦合而激活的介質(zhì)諧振器中的介質(zhì)陶瓷，其中所述支架包括權(quán)利要求1的高頻陶瓷坯。
13.如權(quán)利要求10所述的電子裝置，其特征在于包括一介質(zhì)諧振器，所述介質(zhì)諧振器包括電磁耦合至輸入-輸出端的介質(zhì)陶瓷體。
14.一種電子裝置，其特征在于它是一種介質(zhì)濾波器，包括權(quán)利要求13的介質(zhì)諧振器和與其相連的外部耦合器。
15.一種電子裝置，其特征在于它是一種介質(zhì)雙工器，包括第一與第二介質(zhì)濾波器，連接到所述第一介質(zhì)濾波器的第一輸入-輸出連接器、連接到所述第二介質(zhì)濾波器的第二輸入-輸出連接器，以及連接到所述第一與第二介質(zhì)濾波器這兩者的天線連接器，其中所述第一與第二介質(zhì)濾波器中的至少一個是如權(quán)利要求14所述的介質(zhì)濾波器。
16.一種包括通信系統(tǒng)的電子裝置，其特征在于包括權(quán)利要求15的介質(zhì)雙工器；連接到所述介質(zhì)雙工器的所述第一輸入-輸出連接器的發(fā)射電路；連接到所述發(fā)射電路的所述第二輸入-輸出連接器的接收電路；以及連接到所述介質(zhì)雙工器的天線連接器的天線。
17.在一種電子裝置中，其一部分包括介質(zhì)陶瓷體，其改進包括包含權(quán)利要求3的高頻介質(zhì)陶瓷坯的介質(zhì)陶瓷體。
18.如權(quán)利要求17所述的電子裝置，其特征在于包括介質(zhì)天線，所述介質(zhì)天線包括介質(zhì)陶瓷體和所述介質(zhì)陶瓷的一個表面上的發(fā)射電極。
19.如權(quán)利要求17所述的電子裝置，其特征在于包括一介質(zhì)支架，用于支承可通過介質(zhì)陶瓷與輸入-輸出端的電磁耦合而激活的介質(zhì)諧振器中的介質(zhì)陶瓷，其中所述支架包括權(quán)利要求1的高頻陶瓷坯。
20.如權(quán)利要求17所述的電子裝置，其特征在于包括一介質(zhì)諧振器，所述介質(zhì)諧振器包括電磁耦合至輸入-輸出端的介質(zhì)陶瓷體。
全文摘要
一種高頻陶瓷坯包括Al、Ti與Mn金屬元素,經(jīng)x射線衍射分析確定,基本上不含Al
文檔編號H01P1/213GK1343989SQ0113300
公開日2002年4月10日 申請日期2001年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者高木齊, 河野瑞希, 立川勉 申請人:株式會社村田制作所