DE602004007705T2

DE602004007705T2 - Dielektrische Porzellan-Zusammensetzung und dielektrischer Resonator

Info

Publication number: DE602004007705T2
Application number: DE602004007705T
Authority: DE
Inventors: Miyauchi Yasuhara; Arashi Tomohiro
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: ATE368289T1; EP1460645A3; CN1530964A; EP1460645A2; EP1460645B1; US20040229745A1; JP2004277226A; KR100682744B1; KR100673978B1; DE602004007705D1; US7160826B2; CN1315134C; JP4004046B2; KR20040082307A; KR20060015694A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Porzellanzusammensetzung, die besonders ausgezeichnete Eigenschaften im Millimeterwellenbereich aufweist, einen dielektrischen Resonator, bei dem die Zusammensetzung verwendet wird, und ein Verfahren für die Herstellung der Zusammensetzung und des Resonators, mit dem die Eigenschaften (relative Dielektrizitätskonstante εr und Temperaturkoeffizient τf) beeinflusst werden können.
Beschreibung des Standes der Technik
Auch wenn verschiedene Dielektrika als Dielektrika für hohe Frequenzen bekannt sind, sind Dielektrika auf der Basis von Magnesiumtitanat als eine der Materialien mit einem verhältnismäßig hohen Qf-Wert bekannt. Gemäß dem „Ceramics Engineering Handbook", herausgegeben von der Japan Ceramics Society und veröffentlicht von Gihodo, Vol. 1, S. 1885, 30. Mai 1993, weist MgTiO₃, das ein Dielektrikum auf der Basis von Magnesiumtitanat ist, eine relative Dielektrizitätskonstante εr von 17, einen Qf-Wert von 110.000 GHz und eine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz (Temperaturkoeffizient τf) von –45 ppm/K auf.
Außerdem wurden auch Verbesserungen bei Materialien auf der Basis von Magnesiumtitanat vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart JP-B SHO 61-14605 ein Dielektrikum, das durch Sintern eines Materials erhalten wird, das Titandioxid und mehr als 1 Mol und nicht mehr als 1,3 Mol Magnesiumoxid je Mol Titandioxid aufweist. Als Eigenschaften des Dielektrikums nach dem Stand der Technik ist offenbart, dass die relative Dielektrizitätskonstante εr = 17,3 und die Leerlaufgüte Qu = 12000 (Qf-Wert 120.000 GHz), wenn MgO:TiO₂ = 1,2:1.
JP-A 2002-193662 offenbart ein dielektrisches Porzellan, das eine erste Kristallphase aus zumindest einer Spezies umfasst, die aus MgTiO₃, CaTiO₃, Mg₂SiO₄ und BaTi₄O₉ besteht, eine zweite Kristallphase aus zumindest einer Spezies, die aus Mg₂TiO₄, Mg₂B₂O₅ und Li₂TiSiO₅ besteht sowie Si-, B- und Li-Oxide, mit dem Ziel der Verwirklichung eines dielektrischen Porzellans mit einem hohen Gütefaktor, das sich, wenn es zusammen mit einem leitenden Material gebrannt wird, weder verbiegt noch verzieht.
Obwohl die Technologie im Bereich der Datenkommunikation kürzlich deutlich weiterentwickelt wurde, neigen die Eigenschaften, die für Dielektrika erforderlich sind, die für dielektrische Resonatoren oder andere derartige Vorrichtungen verwendet werden, einschließlich des zuvor erwähnten Qf-Werts, dazu, sich aufgrund der Anwendungen, Frequenzbereiche und Ähnlichem zu unterscheiden.
In Anbetracht der Verwendung insbesondere als Resonatormaterial ist es vom Standpunkt der einfachen Ausgestaltung erforderlich, Dielektrika zu entwickeln, die als eine der Eigenschaften von Dielektrika für den Submillimeter- und Millimeterwellenbereich eine einigermaßen niedrige relative Dielektrizitätskonstante εr aufweisen. Da die Größe einer Resonanzerscheinung direkt proportional zu ε^–1/2 ist, wenn die Dielektrizitätskonstante als ε definiert ist, muss die Abmessung eines Resonators bei steigender Frequenz äußerst klein sein, wenn ein Material mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante verwendet wird. Um die Ausgestaltung eines Resonators zu erleichtern, ist es erforderlich, ein Dielektrikum zu entwickeln, das eine entsprechende relative Dielektrizitätskonstante εr aufweist, wobei die gesamte Größe und Herstellbarkeit berücksichtigt wird.
Wird das Dielektrikum für einen Resonator verwendet, wird im Allgemeinen angemerkt, dass es wünschenswert ist, dass der Temperaturkoeffizient τf möglichst niedrig ist. Angesichts des Temperaturkoeffizienten der umgebenden Teile und weiterer dieser angrenzenden Teile wird des Weiteren bevorzugt, dass der Temperaturkoeffizient in gewissem Maße auf einen optionalen Wert eingestellt wird.
Aus diesen Gesichtspunkten wird bei Technologien nach dem Stand der Technik wie die, die beispielsweise in JP-B SHO 61-14605 und JP-A 2002-193662 offenbart sind, hauptsächlich auf eine Verbesserung des Qf-Werts und des Gütefaktors geachtet, wobei die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf nur wenig beachtet werden.
Bei den auf dem Markt erhältlichen Materialien, die eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante εr und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten τf aufweisen, beträgt ersterer etwa 12,6 und letzterer etwa –10 ppm/K. Diese Werte sind nicht unbedingt ausreichend.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Stands der Technik vorgeschlagen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische Porzellanzusammensetzung und einen dielektrischen Resonator bereitzustellen, bei dem diese Zusammensetzung verwendet wird, bei der die relative Dielektrizitätskonstante εr auf einen verhältnismäßig kleinen Wert eingestellt werden kann, und es wird die einfache Ausgestaltung beispielsweise von Submillimiterwellen-Resonatoren und Millimeterwellen-Resonatoren ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische Porzellanzusammensetzung und einen dielektrischen Resonator bereitzustellen, bei dem die Zusammensetzung verwendet wird, bei der der Temperaturkoeffizient τf so gestaltet werden kann, dass er möglichst klein ist und gemäß der Umstände und Ähnlichem etwas angepasst werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische Porzellanzusammensetzung und einen dielektrischen Resonator bereitzustellen, bei dem die Zusammensetzung verwendet wird, bei der die relative Dielektrizitätskonstante εr in gewissem Maße auf einen kleinen Wert eingestellt wurde und der Temperaturkoeffizient τf in der Nähe von null eingestellt wurde.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum optionalen Einstellen der Eigenschaften (relative Dielektrizitätskonstante εr und Temperaturkoeffizient τf) einer dielektrischen Porzellanzusammensetzung bereitzustellen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ihre Untersuchungen über einen langen Zeitraum eifrig fortgesetzt, um die zuvor erwähnten Aufgaben zu lösen. Im Ergebnis haben sie festgestellt, dass durch die Zugabe von Mg₂SiO₄ zu MgTiO₃ die relative Dielektrizitätskonstante εr entsprechend dem Gehalt von Mg₂SiO₄ frei angepasst werden kann, wobei sich der Temperaturkoeffizient τf wenig verändert, und auch im Submillimeterwellen- oder Millimeterwellenbereich optimal eingestellt werden kann und dass durch die Zugabe von CaTiO₃ zu MgTiO₃ der Temperaturkoeffizient τf gemäß dem CaTiO₃-Gehalt optional in der Nähe von null eingestellt werden kann, wobei sich die relative Dielektrizitätskonstante εr nicht sehr stark verändert. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Ergebnisse vervollkommnet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Porzellanzusammensetzung bereitgestellt, die aus MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ besteht, wobei die Zusammensetzung a + b + c = 1, 0 < b < 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Porzellanzusammensetzung, die MgTiO₃ und Mg₂SiO₄ umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung a + b = 1 und 0 < b < 1 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet und b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet; eine dielektrische Porzellanzusammensetzung, die MgTiO₃ und CaTiO₃ umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung a + c = 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet; oder eine dielektrische Porzellanzusammensetzung, die MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung a + b + c = 1, 0 < b < 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet.
Bei den dielektrischen Porzellanzusammensetzungen können die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf bei optionalen Werten im Bereich von 6,8 bis 18 beziehungsweise im Bereich von –55 bis +55 ppm/K erhalten werden. Es kann zum Beispiel eine dielektrische Porzellanzusammensetzung mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr in der Nähe von 10 und einem Temperaturkoeffizienten τf in der Nähe von null verwirklicht werden.
Die dielektrische Porzellanzusammensetzung kann als Dielektrikum für dielektrische Resonatoren wie Submillimeterwellen-Resonatoren und Millimeterwellen-Resonatoren verwendet werden. Deshalb wird bei dem dielektrischen Resonator der vorliegenden Erfindung die dielektrische Porzellanzusammensetzung als Resonatormaterial verwendet.
Wie zuvor beschrieben wurde, kann durch die Zugabe von Mg₂SiO₄ zu MgTiO₃ die relative Dielektrizitätskonstante εr entsprechend dem Gehalt von Mg₂SiO₄ frei angepasst werden, und durch die Zugabe von CaTiO₃ zu MgTiO₃ kann der Temperaturkoeffizient τf entsprechend dem Gehalt von CaTiO₃ optional in der Nähe von null eingestellt werden. Angesichts dessen können durch die Einstellung des Gehalts dieser Bestandteile die Eigenschaften einer herzustellenden dielektrischen Porzellanzusammensetzung abgestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für die dielektrische Porzellanzusammensetzung bereitgestellt, mit dem die Eigenschaften der Zusammenset zung beeinflusst werden können. Insbesondere wird der Gehalt von Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ jeweils in festgelegten Bereichen angepasst, um die relative Dielektrizitätskonstante εr und den Temperaturkoeffizient τf einzustellen.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, kennzeichnende Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren für eine dielektrische Porzellanzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
2 ein Röntgendiffraktogramm von 0,6 MgTiO₃ – 0,4 Mg₂SiO₄,
3 ein Kennlinienfeld, in dem das Verhältnis zwischen dem Mg₂SiO₄-Gehalt und der relativen Dielektrizitätskonstante εr in einem MgTiO₃-Mg₂SiO₄-System dargestellt ist,
4 ein Kennlinienfeld, in dem das Verhältnis zwischen dem Mg₂SiO₄-Gehalt und dem Temperaturkoeffizienten τf im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-System dargestellt ist,
5 ein Kennlinienfeld, in dem das Verhältnis zwischen der Brenntemperatur und der relativen Dichte im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-System dargestellt ist,
6 ein Röntgendiffraktogramm von 0,91 MgTiO₃ – 0,09 CaTiO₃,
7 ein Kennlinienfeld, in dem das Verhältnis zwischen dem CaTiO₃-Gehalt und der relativen Dielektrizitätskonstante εr in einem MgTiO₃-CaTiO₃-System dargestellt ist,
8 ein Kennlinienfeld, in dem das Verhältnis zwischen dem CaTiO₃-Gehalt und dem Temperaturkoeffizienten τf im MgTiO₃-CaTiO₃-System dargestellt ist,
9 ein Kennlinienfeld, in dem das Verhältnis zwischen der Brenntemperatur und der relativen Dichte im MgTiO₃-CaTiO₃-System dargestellt ist,
10 ein Röntgendiffraktogramm von 0,2275 MgTiO₃ – 0,6825 Mg₂SiO₄ – 0,09 CaTiO₃,
11 ein Kennlinienfeld, in dem die Ergebnisse für die relative Dielektrizitätskonstante εr dargestellt sind, die in einem MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System bestimmt wurden, wobei 0,05 mol CaTiO₃ festgelegt und die Substitutionsmenge an Mg₂SiO₄ verändert wurde,
12 ein Kennlinienfeld, in dem die Ergebnisse für den Temperaturkoeffizienten τf dargestellt sind, die im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System bestimmt wurden, wobei 0,05 mol CaTiO₃ festgelegt und die Substitutionsmenge an Mg₂SiO₄ verändert wurde,
13 ein Kennlinienfeld, in dem die Ergebnisse für die relative Dichte dargestellt sind, die im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System bestimmt wurden, wobei 0,05 mol CaTiO₃ festgelegt und die Substitutionsmenge an Mg₂SiO₄ verändert wurde,
14 ein Kennlinienfeld, in dem die Ergebnisse für die relative Dielektrizitätskonstante εr dargestellt sind, die im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System bestimmt wurden, wobei MgTiO₃:Mg₂SiO₄ auf 1:3 festgelegt und die Substitutionsmenge an CaTiO₃ verändert wurde,
15 ein Kennlinienfeld, in dem die Ergebnisse für den Temperaturkoeffizienten τf dargestellt sind, die im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System bestimmt wurden, wobei MgTiO₃:Mg₂SiO₄ auf 1:3 festgelegt und die Substitutionsmenge an CaTiO₃ verändert wurde, und
16 ein Kennlinienfeld, in dem die Ergebnisse für die relative Dichte dargestellt sind, die im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-Sytem bestimmt wurden, wobei MgTiO₃:Mg₂SiO₄ auf 1:3 festgelegt und die Substitutionsmenge an CaTiO₃ verändert wurde.
Die dielektrische Porzellanzusammensetzung, der dielektrische Resonator, bei dem die Zusammensetzung verwendet wird, und das Herstellungsverfahren für die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich beschrieben.
Die dielektrische Porzellanzusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfasst Magnesiumtitanat MgTiO₃, zu dem entweder Mg₂SiO₄ oder CaTiO₃ oder beide zugegeben werden.
Obwohl MgTiO₃ über ausgezeichnete Eigenschaften verfügt, zu denen ein hoher Qf-Wert gehört, besitzt er eine etwas hohe relative Dielektrizitätskonstante εr von etwa 18,2 und einen großen Temperaturkoeffizienten τf von –57 ppm/K. Angesichts dessen wird bei der vorliegenden Erfindung zu MgTiO₃ zur Verbesserung der relativen Dielektrizitätskonstante εr Mg₂SiO₄ und zur Verbesserung des Temperaturkoeffizienten τf CaTiO₃ zugegeben.
Wenn Mg₂SiO₄ zu MgTiO₃ zugegeben wird, sinkt die relative Dielektrizitätskonstante εr im Wesentlichen proportional zum Mg₂SiO₄-Gehalt, wohingegen sich der Temperaturkoeffizient τf wenig verän dert. Andererseits verlagert sich der Temperaturkoeffizient τf bei Zugabe von CaTiO₃ zu MgTiO₃ allmählich von Minus zu Plus, während die relative Dielektrizitätskonstante εr geringfügig ansteigt. Aus diesen Gründen können die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf je nach Mg₂SiO₄- und CaTiO₃-Gehalt unabhängig beeinflusst werden.
Aus diesen Gesichtspunkten wird Mg₂SiO₄ oder CaTiO₃ zu MgTiO₃ zugegeben. Es wird bevorzugt, dass der Mg₂SiO₄-Gehalt a + b = 1 und 0 < b < 1 erfüllen sollte, wobei a das Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet und b das Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet. Wird der Mg₂SiO₄-Gehalt optional beeinflusst, damit diese Bedingungen erfüllt werden, kann die relative Dielektrizitätskonstante εr frei auf einen Wert geregelt werden, der geringer als der von MgTiO₃ ist, z.B. im Bereich von 6,8 bis 18. Wenn die relative Dielektrizitätskonstante εr jedoch auf einen Wert eingestellt werden soll, der für die Verwendung im Submillimeter- und Millimeterwellenbereich geeignet ist, z.B. einen Wert von nicht über 12, ist b bevorzugter als 0,5 ≤ b < 1 definiert.
Im Fall der Zugabe von CaTiO₃ zu MgTiO₃ wird bevorzugt, dass dessen Gehalt a + c = 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet. Wird der CaTiO₃-Gehalt optional beeinflusst, damit diese Bedingungen erfüllt werden, kann der Temperaturkoeffizient τf frei auf einen Wert im Bereich von –55 bis +55 ppm/K geregelt werden. Um den Temperaturkoeffizient τf so zu beeinflussen, dass er möglichst nahe an null liegt, d.h. um 30 ppm/K, ist c jedoch bevorzugter als 0,03 ≤ c ≤ 0,08 definiert.
Wenn sowohl Mg₂SiO₄ als auch CaTiO₃ zu MgTiO₃ zugegeben wer den, kann deren Gehalt auf jeweils geeignete Mengen eingestellt werden, damit a + b + c = 1, damit 0 < b < 1 und damit 0 < c ≤ 0,15 erfüllt werden, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet.
Um die relative Dielektrizitätskonstante εr so zu beeinflussen, dass sie einen Wert annimmt, der für die Verwendung im Submillimeter- und Millimeterwellenbereich geeignet ist, z.B. einen Wert von nicht über 12, und den Temperaturkoeffizienten τf so, dass er möglichst nahe an null liegt, kann der Mg₂SiO₄- und CaTiO₃-Gehalt wie zuvor erwähnt eingestellt werden. Obwohl sich ihre jeweiligen Optimalwerte leicht von den definierten Werten unterscheiden, sind die Bereiche bevorzugter 0,5 ≤ b < 1 beziehungsweise 0,05 ≤ c ≤ 0,09.
Es ist anzumerken, dass, da anhand der Röntgenbeugung erkenntlich ist, dass die jeweiligen Bestandteile der dielektrischen Porzellanzusammensetzung in Form von MgTiO₃, Mg₂SiO₄ beziehungsweise CaTiO₃ vorliegen und dass die Matrix daraus eine Kristallphase ist, in der die drei Bestandteile zusammen vorliegen, die Zusammensetzung mit ihren Molverhältnissen angegeben werden muss.
Anhand des Vorstehenden kann durch die Beeinflussung des Verhältnisses der jeweiligen Bestandteile eine dielektrische Porzellanzusammensetzung mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr von 10,86, einem Temperaturkoeffizienten τf von –2,7 ppm/K und einem Qf-Wert von 74.000 GHz verwirklicht werden.
Das Herstellungsverfahren für die dielektrische Porzellanzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung wird hier nachfolgend beschrieben. Das Ablaufdiagramm dafür, das die vorliegende Erfindung übernommen hat, ist in 1 dargestellt.
Bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung werden beispielsweise MgO, TiO₂, CaCO₃ und SiO₂ als Ausgangsstoffe verwendet. Obwohl die jeweiligen Bestandteile in Übereinstimmung mit ihren jeweils erwünschten Eigenschaften vermischt werden, da die hergestellte Zusammensetzung, wie sie ist, im Wesentlichen durch die Zusammensetzung der dielektrischen Porzellanzusammensetzung widergespiegelt wird, werden die Ausgangsstoffbestandteile so vermischt, dass die hergestellte Zusammensetzung und die Zusammensetzung der dielektrischen Porzellanzusammensetzung das Verhältnis 1:1 aufweisen können.
Das Verfahren zur Herstellung der dielektrischen Porzellanzusammensetzung wird beschrieben. Die Ausgangsstoffe MgO, TiO₂, CaCO₃ und SiO₂ werden in einem Mischvorgang 1 vermischt, damit ein Gemisch erhalten wird. Das Gemisch wird einem Trockenvorgang 2 und einem Formvorgang 3 unterzogen und in einem Brennvorgang 4 vorgebrannt. Das Vorbrennen erfolgt, damit die Reaktion der Ausgangsstoffe bis zu einem gewissen Punkt weiterläuft und findet im Allgemeinen bei einer Temperatur statt, die etwas geringer als die ist, die beim Sintern verwendet wird.
Das vorgebrannte Produkt wird in einem Zerkleinerungsvorgang 5 zerkleinert und anschließend in einem Trockenvorgang 6 getrocknet. Das getrocknete Produkt wird in einem Granuliervorgang 7 granuliert. Beim Granuliervorgang wird ein Bindemittel mit dem getrockneten Produkt vermischt. Obwohl jedes optionale Bindemittel verwendet werden kann, kann beispielsweise vorteilhaft Polyvinylalkohol oder Ähnliches verwendet werden.
Das granulierte Produkt wird in einem Formvorgang 8 in eine ge wünschte Form gebracht und in einem Sintervorgang 9 gesintert. Die Sintertemperatur, die beim Sintervorgang verwendet wird, wird beispielsweise im Bereich von 1250°C bis 1500°C eingestellt. Die optimale Sintertemperatur wird je nach den Ausgangsstoffen für die dielektrische Porzellanzusammensetzung etwas verändert. Wenn eine dielektrische Porzellanzusammensetzung hergestellt wird, die MgTiO₃ und Mg₂SiO₄ umfasst, wird eine Sintertemperatur von nicht unter 1300°C bevorzugt. Beträgt die Sintertemperatur in diesem Fall weniger als 1300°C, wird der Qf-Wert vermindert und wird auch die relative Dichte vermindert. Im Fall einer dielektrischen Porzellanzusammensetzung, die MgTiO₃ und CaTiO₃ umfasst, wird es bevorzugt, eine Sintertemperatur von nicht unter 1250°C zu verwenden. Beträgt sie weniger als 1250°C, werden ähnlich wie im zuvor erwähnten Fall sowohl der Qf-Wert als auch die relative Dichte vermindert. Wenn eine dielektrische Porzellanzusammensetzung hergestellt werden soll, die MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ umfasst, wird eine Sintertemperatur von nicht unter 1300°C bevorzugt. Durch Einstellung der Sintertemperatur innerhalb des zuvor erwähnten Bereichs können der Qf-Wert beziehungsweise die relative Dichte auf einem hohen Niveau gehalten werden.
Bei dem Herstellungsverfahren werden MgO, TiO₂, CaCO₃ und SiO₂ als Ausgangsstoffe verwendet. Dies ist jedoch keinesfalls einschränkend. Beispielsweise können MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ vorher mit ihren festgelegten Verhältnissen hergestellt und im Herstellungsverfahren eingesetzt werden.
Die dielektrische Porzellanzusammensetzung kann im Frequenzband der Submillimeter- und Millimeterwellen verwendet werden, z.B. 30 bis 300 GHz. Die Frequenzbereiche umfassen den eines Radars für Personenkraftwagen (unter Verwendung der Frequenz 77 GHz: 38,5 GHz multipliziert mit 2).
Die dielektrische Porzellanzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann deshalb als Material für Resonatoren eingesetzt werden, die im Submillimeter- und Millimeterwellenbereich verwendet werden, und als Trägermaterial für MIC-Dielektrika sowie für dielektrische Wellenleiter, dielektrische Antennen, die Impedanzanpassung verschiedener Arten von Millimeterwellen-Schaltungen und anderen derartigen elektronischen Bauteilen. Sie kann zweckmäßig für dielektrische Resonatoren verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand konkreter Versuchsergebnisse beschrieben.
Es wurden Proben einer dielektrischen Porzellanzusammensetzung gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt.
MgO, TiO₂, CaCO₃ und SiO₂ wurden gewogen, sodass diese Ausgangsstoffe ein festgelegtes Mischverhältnis aufwiesen und wurden dann mit einer Kugelmühle 16 Stunden lang vermischt. Das erhaltene Gemisch wurde 24 Stunden lang bei 120°C getrocknet und anschließend bei einem Formgebungsdruck von 200 kgf/cm² als Scheibe mit einem Durchmesser von 60 mm geformt.
Die Scheibe wurde bei 1100°C 2 Stunden lang vorgebrannt, anschließend 16 Stunden lang unter Verwendung der Kugelmühle zerkleinert und 24 Stunden lang bei 120°C getrocknet. Das getrocknete Produkt wurde unter Zugabe von 1 Gew.-% Polyvinylalkohol granuliert und bei einem Formgebungsdruck von 2000 kgf/cm² zu einer Scheibe mit 12 mm Durchmesser geformt.
Das geformte Produkt wurde schließlich hauptgebrannt, um Proben der dielektrischen Porzellanzusammensetzung zu erhalten.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Proben der dielektrischen Porzellanzusammensetzung wurden MgTiO₃ und Mg₂SiO₄, die als Ausgangsstoffe verwendet wurden, derart vermischt, dass b im Bereich von 0 bis 1 vorliegt, sofern a + b = 1, wenn das Molverhältnis von MgTiO₃ als a definiert wurde und das Molverhältnis von Mg₂SiO₄ als b definiert wurde. Das Gemisch wurde bei einer Temperatur von 1250°C bis 1500°C gesintert, um verschiedene Proben zu erhalten.
Unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers wurde eine Probe mit 0,6 MgTiO₃ – 0,4 Mg₂SiO₄ gemessen, wobei a = 0,6 und b = 0,4. Die Messergebnisse sind in 2 dargestellt. Anhand des Röntgendiffraktogramms kann beobachtet werden, dass Spitzen vorhanden sind, die auf MgTiO₃ beziehungsweise Mg₂SiO₄ zurückzuführen sind, woraus sich erkennen lässt, dass die Probe ein Mischkristall aus MgTiO₃ und Mg₂SiO₄ umfasst.

Die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf jeder Probe wurden gemäß dem „Method of Testing Dielectric Characteristics of Fine Ceramics for Microwaves" der japanischen Industrienormen (JIS R 1627) bestimmt. Die Messergebnisse für die relative Dielektrizitätskonstante εr sind in 3 und nachfolgend in Tabelle 1 dargestellt und die Messergebnisse für den Temperaturkoeffizienten τf sind in 4 und nachfolgend in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 1

Tabelle 2

Molverhältnis b von Mg₂SiO₄	Temperaturkoeffizient τf bei 1450°C (ppm/K)
0,0	–57,6
0,1	–52,1
0,2	–58,0
0,4	–60,3
0,5	–62,1
0,6	–62,8
0,8	–63,1
0,9	–64,0
1,0	–65,3

Wie anhand von 3 und der vorstehenden Tabelle 1 ersichtlich ist, ist festzustellen, dass die relative Dielektrizitätskonstante εr bei steigendem Mg₂SiO₄-Gehalt allmählich proportional abnimmt. Wie in 4 und der vorstehenden Tabelle 2 dargestellt ist, ist festzustellen, dass sich der Temperaturkoeffizient τf wenig verändert, selbst wenn sich der Mg₂SiO₄-Gehalt verändert. Dies bedeutet, dass durch die Beeinflussung des Mg₂SiO₄-Gehalts die relative Dielektrizitätskonstante εr beeinflusst werden kann, ohne dass das andere Merkmal (Temperaturkoeffizient τf) beeinflusst wird. Insbesondere wenn das Molverhältnis b von Mg₂SiO₄ so eingestellt wird, dass es 0,5 oder mehr beträgt, kann eine relative Dielektrizitätskonstante εr von 12 oder weniger verwirklicht werden.
Es wurde auch die relative Dichte jeder hergestellten Probe bestimmt. Die Messergebnisse sind in 5 und der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt. Wie anhand von 5 und Tabelle 3 ersichtlich ist, verändert sich die relative Dichte, obwohl sie bei 1300°C einen leichten Rückgang zeigt, bei einer Temperatur von über 1300°C wenig. Die gewünschte relative Dichte konnte nicht erreicht werden, wenn die Brenntemperatur 1200°C oder weniger betrug (nicht dargestellt). Deshalb kann, wenn Mg₂SiO₄ zur Beeinflussung der relativen Dielektrizitätskonstante εr verwendet wird, gesagt werden, dass die Brenntemperatur vorzugsweise auf 1300°C oder darüber eingestellt wird.
Tabelle 3
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Proben der dielektrischen Porzellanzusammensetzung wurden MgTiO₃ und CaTiO₃, die als Ausgangsstoffe verwendet wurden, derart vermischt, dass c im Bereich von 0 bis 0,09 vorliegt, sofern a + c = 1, wenn das Molverhältnis von MgTiO₃ als a definiert wurde und das Molverhältnis von CaTiO₃ als c definiert wurde. Das Gemisch wurde bei einer Temperatur von 1300°C hauptgebrannt, um verschiedene Proben zu erhalten.
In 6 sind die Messergebnisse einer Probe mit 0,91 MgTiO₃ – 0,09 CaTiO₃ dargestellt, wobei a = 0,91 und c = 0,09, die unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers gemessen wurden. Anhand des Röntgendiffraktogramms kann beobachtet werden, dass Spitzen vorhanden sind, die auf MgTiO₃ beziehungsweise CaTiO₃ zurückzuführen sind, woraus sich erkennen lässt, dass die Probe ein Mischkristall aus MgTiO₃ und CaTiO₃ umfasst.
Die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf jeder Probe wurden gemäß dem „Method of Testing Die lectric Characteristics of Fine Ceramics for Microwaves" der japanischen Industrienormen (JIS R 1627) bestimmt. Die Messergebnisse für die relative Dielektrizitätskonstante εr sind in 7 und nachfolgend in Tabelle 4 dargestellt und die Messergebnisse für den Temperaturkoeffizienten τf sind in 8 und nachfolgend in Tabel le 5 dargestellt. Tabelle 4
Tabelle 5

Molverhältnis c von CaTiO₃ Temperaturkoeffizient τf bei 1300°C (ppm/K)

0,00 –57,6

0,05 –8,6

0,07 18,7

0,09 48,3
Wie anhand von 8 und der vorstehenden Tabelle 5 ersichtlich ist, ist festzustellen, dass sich der Temperaturkoeffizient τf bei steigendem CaTiO₃-Gehalt allmählich proportional verändert. Wenn das Molverhältnis c von CaTiO₃ um 0,06 liegt, wird der Temperaturkoeffizient τf im Wesentlichen null und verlagert sich ins Minus, wenn das Verhältnis kleiner als 0,06 ist und ins Plus, wenn das Verhältnis größer als 0,06 ist. Wie in 7 und der vorstehenden Tabelle 4 dargestellt ist, verändert sich andererseits die relative Dielektrizitätskonstante εr nicht so sehr, selbst wenn sich der CaTiO₃-Gehalt verändert. Dies bedeutet, dass durch die Beeinflussung des CaTiO₃-Gehalts der Temperaturkoeffizient τf unabhängig beeinflusst werden kann. Insbesondere wenn das Molverhältnis c von CaTiO₃ so eingestellt wird, dass es im Bereich von 0,03 bis 0,08 liegt, kann der Temperaturkoeffizient τf im Bereich von ±30 ppm/K geregelt werden.
Es wurde auch die relative Dichte jeder hergestellten Probe bestimmt. Die Messergebnisse sind in 9 und der nachfolgenden Tabelle 6 dargestellt. Wie anhand von 9 und Tabelle 6 ersichtlich ist, weist die relative Dichte ein Niveau auf, bei dem keine Probleme verursacht werden, wenn die Temperatur 1250°C oder mehr beträgt. Deshalb kann, wenn CaTiO₃ zur Beeinflussung des Temperaturkoeffizienten τf verwendet wird, gesagt werden, dass die Brenntemperatur vorzugsweise auf 1250°C oder darüber eingestellt wird.
Tabelle 6
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Proben der dielektrischen Porzellanzusammensetzung wurden Proben hergestellt, die jeweils MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ umfassten.
10 zeigt die Messergebnisse einer Probe mit 0,2275 MgTiO₃ – 0,6825 Mg₂SiO₄ – 0,09 CaTiO₃, wobei a = 0,2275, b = 0,6825 und c = 0,09, die unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers gemessen wurden. Anhand des Röntgendiffraktogramms kann beobachtet werden, dass Spitzen vorhanden sind, die auf MgTiO₃, Mg₂SiO₄ beziehungsweise CaTiO₃ zurückzuführen sind, woraus sich erkennen lässt, dass die Probe ein Mischkristall aus MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ umfasst.
In einem MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System wurden verschiedene Proben hergestellt, wobei 0,05 mol CaTiO₃ festgelegt wurden (c = 0,05) und wobei die Substitutionsmenge an Mg₂SiO₄ verändert wurde. Die Messergebnisse für die relative Dielektrizitätskonstante εr in diesem Fall sind in 11 und nachfolgend in Tabelle 7 dargestellt, die Messergebnisse für den Temperaturkoeffizienten τf sind in 12 und nachfolgend in Tabelle 8 dargestellt und die ermittelte relative Dichte in 13 und nachfolgend in Tabelle 9. Tabelle 7
Tabelle 8

Molverhältnis b von Mg₂SiO₄ Temperaturkoeffizient τf bei 1300°C (ppm/K)

0,0000 –8,6

0,2375 –21,1

0,4750 –30,5

0,7125 –40,6

0,9500 –44,7
Tabelle 9
Im MgTiO₃-Mg₂SiO₄-CaTiO₃-System wurden verschiedene Proben hergestellt, wobei MgTiO₃:Mg₂SiO₄ auf 1:3 festgelegt und wobei die Substitutionsmenge an CaTiO₃ verändert wurde. Die Messergebnis se für die relative Dielektrizitätskonstante εr in diesem Fall sind in 14 und nachfolgend in Tabelle 10 dargestellt, die Messergebnisse für den Temperaturkoeffizienten τf sind in 15 und nachfolgend in Tabelle 11 dargestellt und die ermittelte relative Dichte in 16 und nachfolgend in Tabelle 12. Tabelle 10
Tabelle 11

Molverhältnis c von CaTiO₃ Temperaturkoeffizient τf bei 1350°C (ppm/K)

0,00 –62,0

0,05 –40,6

0,07 –27,3

0,09 –2,9
Tabelle 12
Wie aus diesen Figuren und Tabellen ersichtlich ist, ist es auch im Dreikomponentensystem möglich, die relative Dielektrizitätskonstante εr durch Abstimmung des Mg₂SiO₄-Gehalts zu beeinflussen und den Temperaturkoeffizienten τf durch Abstimmung des CaTiO₃-Gehalts zu beeinflussen. Bei der Zusammensetzung 0,2275 MgTiO₃ – 0,6825 Mg₂SiO₄ – 0,09 CaTiO₃, die mit dem Ziel hergestellt wurde, dass die relative Dielektrizitätskonstante εr = 10 und dass der Temperaturkoeffizient τf = 0, wurde festgestellt, dass die relative Dielektrizitätskonstante εr = 10,86 und dass der Temperaturkoeffizient τf = –2,7 ppm/K.
Zudem wurde unter Berücksichtigung der relativen Dichte jeder hergestellten Probe anhand von 13 und 16 und Tabelle 9 und 12 festgestellt, dass gute Ergebnisse erzielt werden konnten, wenn die Brenntemperatur 1300°C oder mehr betrug.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, können gemäß der vorliegenden Erfindung die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf beeinflusst werden, damit eine dielektrische Porzellanzusammensetzung mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr bereitgestellt werden kann, die für den Submillimeter- und Millimeterwellenbereich geeignet ist, und mit einem Temperaturkoeffizienten τf, der so beeinflusst werden kann, dass er bei einem Wert in der Nähe von 0 liegt.
Unter Verwendung der dielektrischen Porzellanzusammensetzung als Dielektrikum kann ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung ein dielektrischer Resonator bereitgestellt werden, der im Submillimeter- und Millimeterwellenbereich eingesetzt werden kann. Da die dielektrische Porzellanzusammensetzung eine entsprechende relative Dielektrizitätskonstante εr besitzt, können bei dem dielektrischen Resonator die Maßtoleranzen vermindert werden, um bei der Herstellung die Ausgestaltung eines dielektrischen Resonators zu vereinfachen. Darüber hinaus kann der Temperaturkoeffizient auch gemäß dem Temperaturkoeffizienten der umgebenden Teile und Ähnlichem geregelt werden.
Zusammenfassung
(in Verbindung mit 1)
Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Porzellanzusammensetzung, die besonders ausgezeichnete Eigenschaften im Millimeterwellenbereich aufweist, einen dielektrischen Resonator, bei dem die Zusammensetzung verwendet wird, und ein Verfahren für die Herstellung der Zusammensetzung und des Resonators, mit dem die Eigenschaften (relative Dielektrizitätskonstante εr und Temperaturkoeffizient τf) beeinflusst werden können.
Die erfindungsgemäße dielektrische Porzellanzusammensetzung zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃, besteht wobei die Zusammensetzung a + b + c = 1, 0 < b < 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet.

Claims

Dielektrische Porzellanzusammensetzung, bestehend aus MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃, wobei die Zusammensetzung a + b + c = 1, 0 < b < 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Molverhältnis b als 0,5 ≤ b < 1 definiert ist und das Molverhältnis c als 0,05 ≤ c ≤ 0,09 definiert ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung eine dielektrische Porzellanzusammensetzung ist, die bei einer Temperatur von nicht unter 1300°C gebrannt wird.
Dielektrischer Resonator, dadurch gekennzeichnet, dass bei ihm als dielektrisches Material eine dielektrische Porzellanzusammensetzung verwendet wird, die aus MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ besteht und a + b + c = 1, 0 < b < 1 und 0 ≤ c ≤ 0,15 erfüllt, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet.
Herstellungsverfahren für eine dielektrische Porzellanzusammensetzung, die aus MgTiO₃, Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ besteht, wobei es einen Schritt der Einstellung des jeweiligen Gehalts von Mg₂SiO₄ und CaTiO₃ umfasst, damit a + b + c = 1, 0 < b < 1 und 0 < c ≤ 0,15 erfüllt wird, wobei a ein Molverhältnis von MgTiO₃ bezeichnet, b ein Molverhältnis von Mg₂SiO₄ bezeichnet und c ein Molverhältnis von CaTiO₃ bezeichnet, wodurch die relative Dielektrizitätskonstante εr und der Temperaturkoeffizient τf eingestellt werden.