专利名称：高频介电陶瓷构件，介电谐振器，介电滤波器，介电双工器，和通讯装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高频介电陶瓷构件，和各自都包括所述高频介电陶瓷构件的介电谐振器，介电滤波器，介电双工器和一种通讯装置，所述高频介电陶瓷构件用于高频频带例如微波和毫米波频带。
例如，关于用于移动通信终端的介电陶瓷构件，为了使移动通信终端微型化，主要使用了具有高的相对介电常数εr和对电镀膜的高的粘附强度的介电陶瓷构件。在本申请中主要使用的介电陶瓷构件的具体实例包括基于BaO-Nd2O3-TiO2-PbO和基于BaO-Nd2O3-TiO2-Bi2O3的、具有相对介电常数εr为90的介电陶瓷构件和基于BaO-Nd2O3-TiO2-PbO-Bi2O3的、具有相对介电常数εr为110的介电陶瓷构件。
然而，随着移动通信近来的发展，所使用的频带已倾向于具有更短波长的更高的频带，这产生了一个新的问题。即，谐振器的轴长已变得非常地短，这导致了在非-负荷Q系数方面的降低。
因此，需要一种介电陶瓷构件，其具有相对低的相对介电常数εr，高的Q系数，尽可能接近0ppm/℃的谐振频率的温度系数τf，和对电镀膜的高的粘附强度。通过使用一种其中相对介电常数εr可以调整的材料，同时控制谐振频率的温度系数τf接近0ppm/℃，可能在元件的设计方面赋予更大的自由度。因此，发展这种介电陶瓷元件也是需要的。
迄今，公开了下述介电陶瓷构件。
日本未审查的专利申请公开号3-216911公开了一种介电陶瓷构件，其由基于(BaO，MgO)-Re2O3-TiO2的材料组成，其中Re是镧系稀土元素，50mole％或更低的BaO被MgO所代替(第一项传统技术)。通过这样用MgO代替BaO，可提高温度系数τf特性而不极大地改变相对介电常数εr或Q系数。
日本未审查的专利申请公开号2-252654公开了一种含有BaO-TiO2-Y2O3-Sm2O3-MnO2-MgO组合物的介电陶瓷构件(第二项传统技术)。该介电陶瓷构件具有39-44的相对介电常数εr，因此显示令人满意的介电特性。
日本已审查的专利申请公开号61-13326公开了由基于ZrO-SnO2-TiO2的材料组成的介电陶瓷构件(第三项传统技术)。该介电陶瓷构件具有30-40的相对介电常数εr，因此显示令人满意的介电特性。
然而，上述第一至第三项常规技术具有需要解决的下列问题。
在第一项传统技术中，由于MgO含量低，并且Re2O3含量高，不能获得足够高的Q系数，并且温度系数τf不适合实际应用。
在第二项传统技术中，尽管温度系数τf接近0ppm/℃，MgO含量低(即等于或少于1mol％)，并且相对介电常数εr基本上固定在约40。
在第三项传统技术中，尽管显示了令人满意的介电特性，但对电镀膜的粘附强度是低的。
本发明的另一个目的是提供各自都包括所述高频介电陶瓷构件的一种介电谐振器，介电滤波器，介电双工器，和通讯装置。
在本发明的一个方面，高频介电陶瓷构件由包含Mg，Ba，Re，Ti和O的氧化物陶瓷组成，其中Re是至少一种选自La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的元素。氧化物陶瓷由化学式aMgO-bBaO-cRe2On-(100-a-b-c)TiO2表示，其中当Re是La，Nd，Sm，Eu，Dy，或Er时，n＝3，当Re是Pr时，n＝11/3，和当Re是Ce时，n＝4，其中a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式10.0≤a≤62.0，0＜b≤14.0，和0＜c≤16.5。
优选地，a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式14.3≤a≤57.0，0.7≤b≤9.0，和0.7≤c≤10.0。
在本发明的另一个方面，介电谐振器包括一种介电陶瓷构件和一种输入-输出终端，该介电谐振器通过介电陶瓷构件和输入-输出终端之间的电磁耦合运转，其中介电陶瓷构件由上述本发明的高频介电陶瓷构件组成。
优选地，在介电谐振器中，输入-输出终端由置于介电陶瓷构件表面上的镀铜导体组成。
在本发明的另一个方面，介电滤波器包括上述介电谐振器和连接介电谐振器的输入-输出终端的外部耦合装置。
在本发明的另一个方面，介电双工器包括至少两个介电滤波器，连接各个介电滤波器的输入-输出接头，和连接到所有介电滤波器上的天线接头，其中至少一个介电滤波器是上述本发明的介电滤波器。
在本发明的另一个方面，通讯装置包括上述介电双工器，连接介电双工器的至少一个输入-输出接头的变送器电路，连接介电双工器的不连接变送器电路的至少一个输入-输出接头的接受器电路，和连接介电双工器的天线接头的天线。
通过参照附图对本发明优选实施方案的下列详细描述将使得本发明的其它特征，要素，特性和优势变得更明显。
图2是示于
图1中的介电谐振器的沿中心线的纵向截面图。
图3是包括按照本发明的高频介电陶瓷构件的介电滤波器的透视图。
图4是包括按照本发明的高频介电陶瓷构件的介电双工器的透视图；和图5是显示包括示于图1中的介电谐振器的通讯装置的方框图。
首先，在下面描述了本发明的高频介电陶瓷构件适用于其中的介电谐振器，介电滤波器，介电双工器，和通讯装置。
图1是包括本发明的高频介电陶瓷构件的介电谐振器1的透视图，和图2是示于图1中的介电谐振器1的沿中心线的纵向截面图。
介电谐振器1包括装备有通孔2的直角柱形介电陶瓷构件3。内部导体4形成于通孔2的内表面，和外导体5形成于介电陶瓷构件3的外表面。
介电谐振器1通过电磁耦合输入-输出终端即外耦合装置和介电陶瓷构件3来运转。
介电谐振器1的介电陶瓷构件3由本发明的高频介电陶瓷构件组成。
内导体4和外导体5优选由电镀的铜膜组成。因此，提高了生产率并且降低了生产成本。
电镀的铜膜是例如通过无电镀膜法形成的。从下述实施例可明显看出，本发明的高频介电陶瓷构件对这类电镀铜膜提供了高粘附强度。更具体地，当通过按照日本工业标准(JIS)H 8504的“电镀粘附测试”测量对电镀膜的粘附强度时，本发明的高频介电陶瓷构件提供了70N或更高的粘附强度/边长为2mm的正方形，这对于实际应用是足够的。
尽管示于图1中的介电谐振器1包括直角柱形介电陶瓷构件3，并且是TEM式介电谐振器的一个实例，但本发明的高频介电陶瓷构件也适用于其它形状的介电陶瓷构件和适用于其它TEM式介电谐振器，TM式介电谐振器，TE式介电谐振器等。
图3是包括本发明的高频介电陶瓷构件的介电滤波器的透视图。
示于图3中的介电滤波器11包括装备有通孔12的介电陶瓷构件13。由电镀铜膜组成的内导体14形成于介电陶瓷构件13的通孔12的内表面，和由电镀铜膜组成的外导体15形成于介电陶瓷构件13的外表面。
介电陶瓷构件13，内导体14，和外导体15组成了介电谐振器，外耦合装置在介电谐振器上形成。因此装配成了介电滤波器11。
在介电滤波器11中，介电陶瓷构件13由本发明的高频介电陶瓷构件组成。
尽管示于图3中的介电滤波器11是一种芯片介电滤波器，本发明的高频介电陶瓷构件也适用于离散的介电滤波器。
图4是包括本发明的高频介电陶瓷构件的介电双工器的透视图。
示于图4中的介电双工器21包括装备有通孔22的介电陶瓷构件23。由电镀铜膜组成的内导体24形成于通孔22的内表面，和由电镀铜膜组成的外导体25形成于介电陶瓷构件23的外表面。
介电陶瓷构件23，内导体24，和外导体25组成了装备有介电谐振器的两个介电滤波器。介电双工器21也包括连接一个介电滤波器的输入接头26，和连接其它介电滤波器的输出接头27，和连接介电滤波器并被介电滤波器共有的天线接头28。
在介电双工器21中，介电陶瓷构件23由本发明的高频介电陶瓷构件组成。
尽管示于图4中的介电双工器21是块型介电双工器，本发明的高频介电陶瓷构件也适用于离散的介电双工器。在离散的介电双工器中，所有包括其中的介电滤波器不是必须由本发明的高频介电陶瓷构件组成。即，其中至少一个介电滤波器必须由本发明的高频介电陶瓷构件组成。
图5是显示包括例如示于图4中的介电双工器的通讯装置的方框图。
通讯装置31包括介电双工器32，变送器电路33，接受器电路34，和天线35。
变送器电路33连接介电双工器32的输入接头36，接受器电路34连接介电双工器32的输出接头37。天线35连接介电双工器32的天线接头38。
介电双工器32包括介电滤波器39和40。介电滤波器39和40的每一个包括介电谐振器和连接于介电谐振器的外耦合装置。在示于图5中的实施方案中，例如，介电滤波器39和40的每一个包括示于图1的介电谐振器1和连接于介电谐振器1的外耦合装置41。介电滤波器39连接于输入接头36和介电滤波器40之间，介电滤波器40连接于介电滤波器39和输出接头37之间。
接着，将在下面描述本发明的高频介电陶瓷构件，其优选用于示于图1的介电陶瓷构件3，示于图3的介电陶瓷构件13，示于图4的介电陶瓷构件23等。
本发明的高频介电陶瓷构件由包含Mg，Ba，Re，Ti和O的氧化物陶瓷组成，其中Re是至少一种选自La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的元素。氧化物陶瓷由化学式aMgO-bBaO-cRe2On-(100-a-b-c)TiO2表示，其中当Re是La，Nd，Sm，Eu，Dy，或ER时，n＝3，当Re是Pr时，n＝11/3，和当Re是Ce时，n＝4，其中a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式10.0≤a≤62.0，0＜b≤14.0，和0＜c≤16.5。
限定关系式10.0≤a≤62.0，是因为如果a超过62.0摩尔百分比，则谐振频率的温度系数τf被过度地降低至一个负值，如果a少于10.0摩尔百分比，则Q系数降低。
限定关系式0＜b≤14.0，是因为如果b超过14.0摩尔百分比，则Q系数降低，如果b为0摩尔百分比，则谐振频率的温度系数τf被过度地降低至一个负值。
限定关系式0＜c≤16.5，是因为如果c超过16.5摩尔百分比，则Q系数急剧地降低，导致在实际应用过程中出现问题，如果c为0摩尔百分比，则谐振频率的温度系数τf被过度地降低至一个负值。
将在Re2On中作为镧系稀土元素的Re限制于至少一种选自La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的元素的原因是，通过结合适量的镧系稀土元素的任一种，可能任意地控制谐振频率的温度系数τf接近0ppm/℃，而将相对介电常数εr设置在17-75的范围内。
如上所述，按照本发明的高频介电陶瓷构件，可获得高的Q系数而将相对介电常数εr设置在17-75范围内，并且也可降低谐振频率的温度系数τf。而且，可形成具有高粘附强度的电镀膜。
优选地，在化学式中，a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式14.3≤a≤57.0，0.7≤b≤9.0，和0.7≤c≤10.0。
通过如上所述进一步指定a，b和c的范围，可进一步增加Q系数，并且谐振频率的温度系数τf可被进一步降低。
本发明的高频介电陶瓷构件是一种通过烧制具有预定组成的焙砂获得的烧结的构件。为了生产焙砂，可混合并煅烧高频介电陶瓷构件的所有原材料。备选地，可配制，混合并煅烧高频介电陶瓷构件的部分原材料例如至少部分MgO和TiO2，以生产第一焙砂；然后可配制，混合并煅烧其余的原材料以生产第二焙砂；可磨碎并混合第一和第二焙砂以获得焙砂。两种情况均可获得令人满意的特性。
本发明的介电陶瓷构件可包含如上描述的组合物作为基本成分，并且还可包含Ca，Sr，Ta，Nb，Zr，Mn，Fe，Si，Cu，Zn，Al，Bi，Y，Pb，和B作为添加剂。尽管添加剂的量取决于它的类型，但转变成CaO，SrO，Ta2O5，Nb2O5，ZrO2，MnO，Fe2O3，SiO2，CuO，ZnO，Al2O3，Bi2O3，Y2O3，PbO，和B2O3的这类添加剂的含量可分别为大约5％重量或更低。例如，如果向基本成分中加入0.5重量份或更少的SiO2，则可降低烧结温度，因此促进了介电陶瓷构件的形成。
即使使用氢氧化物，碳酸盐，草酸盐，醇盐或类似物代替氧化物作为介电陶瓷构件的原材料，也可获得相同的特性。
为了确认通过本发明的高频介电陶瓷构件获得的效果，如下述实施实验。
配制并混合上述原材料粉末以满足示于表1-3的组成。在1,000-1,200℃于空气中煅烧该混合物1小时或更长时间。磨碎得到的焙砂并混合，并向每种焙砂中加入有机粘结剂。
在表1-3中，在组成一栏中MgO，BaO，Re2On和TiO2的量以摩尔百分比的形式表示。在Re栏中，列出了所使用的Re元素，关于使用两种或多种Re元素的样品，混合比例以摩尔百分比的形式表示。
每种加入有机粘结剂的焙砂形成了具有15mm直径，7.5mm厚度的圆柱体，并在1,200-1,400℃于空气中煅烧。从而获得圆柱形的烧结构件。
对于每个样品，将圆柱形烧结构件切割成预定的尺寸。测量在25℃和在测试频率约为3-7GHz下的相对介电常数εr和Q系数，并且还测量谐振频率的温度系数τf。它们的结果示于表1-3中。
表1
表2
表3
在表1-3中，样品号栏中的星号表示该样品在本发明的范围之外，在样品号栏中的三角形表示即使该样品在本发明的范围之内，但该样品在优选的范围之外。
如在表1-3特别是表3中所示，当a大于62.0摩尔百分比时，如在样品号39的情况下，谐振频率的温度系数τf被过度地降低至一个负值。另一方面，当a小于10.0摩尔百分比时，如在样品号43的情况下，Q系数被降低。
当b大于14.0摩尔百分比时，如在样品号44的情况下，Q系数被降低。另一方面，当b等于0摩尔百分比时，如在样品号41的情况下，谐振频率的温度系数τf为一个过负的数值。
当c大于16.5摩尔百分比时，如在样品号42的情况下，Q系数被显著地降低至一种程度，使得在实际应用过程中出现问题。另一方面，当c等于0摩尔百分比时，如在样品号40的情况下，谐振频率的温度系数τf为一个过负的数值。
相反，对于表1-3中的样品号1-38，在由化学式aMgO-bBaO-cRe2On-(100-a-b-c)TiO2表示的组合物中，由于a，b，和c以摩尔百分比的形式满足关系式10.0≤a≤62.0，0＜b≤14.0，和1＜c≤16.5，相对介电常数εr在17-75的范围内，显示6,000或更高的相对高的Q系数，谐振频率的温度系数τf在±30ppm/℃的范围内，因此可能在实际应用过程中提供极好的介电陶瓷构件。
样品号1-38的组合物显示通过适当选择Re2On中的Re元素和Re2On的组成比例，可能任意地将谐振频率的温度系数τf控制在0ppm/℃附近。
对于样品号5-25和样品号27-31，其中a，b，和c以摩尔百分比的形式满足优选关系式14.3≤a≤57.0，0.7≤b≤9.0，和0.7≤c≤10.0，相对介电常数εr在19-52的范围内，显示9,000或更高的较高的Q系数，谐振频率的温度系数τf在±15ppm/℃的范围内，因此可能提供更适于实际应用的极好的介电陶瓷构件。
将每个直角圆柱形的烧结构件浸入到含60℃氢氟酸和盐酸的蚀刻浴中，以蚀刻其表面，然后通过无电镀铜在其上形成厚2-5μm的电镀膜。
对于每个样品，进行调谐以获得理想的频率，并且观察到了非负荷Q系数。为了测量对电镀膜的粘附强度，使用弯成L-形的导线，将导线的一端焊接到电镀膜的边长为2mm的正方形区域内，垂直于电镀膜表面拉伸导线的另一端。测量将电镀膜剥离烧结构件所使用的力量。
其结果示于表4中。
表4
从表4可明显看出，在本发明范围内的样品号1-38的每个样品中，可获得令人满意的非负荷Q系数，并且可在介电陶瓷构件表面上形成一种电镀膜，其具有70N或更高/边长2mm的正方形的高粘附强度。
如上所述，依照本发明的高频介电陶瓷构件，可获得相对高的Q系数而将相对介电常数εr控制在17-75的范围内。也可任意地将谐振频率的温度系数τf控制在0ppm/℃附近。
依照本发明的高频介电陶瓷构件，在高频介电陶瓷构件上形成的电镀膜例如镀铜膜的粘附强度可被增加至70N或更高/边长2mm的正方形。
因此，例如，可使用这类镀铜膜来形成提供到介电陶瓷构件上的内导体和外导体，导致介电陶瓷构件的生产率的提高和生产成本的降低。
而且，如上所述，如果电镀膜的粘附强度增加，在介电陶瓷构件和电镀膜之间的界面的缝隙也被减少。因此，当将高频介电陶瓷构件用于介电谐振器，介电滤波器或介电双工器时，可降低能量损耗，导致非负荷Q系数增加。
尽管涉及其具体实施方案已描述了本发明，对于那些本领域熟练的技术人员，很多其它的变更和修改和其它应用是明显的。因此，优选本发明不被局限于此处的具体内容，而仅由后附的权利要求所限定。
权利要求
1.一种高频介电陶瓷构件，其包含含有Mg，Ba，Re，Ti和O的氧化物陶瓷，其中Re是至少一种选自La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的元素，其中所述氧化物陶瓷由化学式aMgO-bBaO-cRe2On-(100-a-b-c)TiO2表示，其中当Re是La，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的一种时，n＝3，当Re是Pr时，n＝11/3，和当Re是Ce时，n＝4，其中a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式10.0≤a≤62.0，0＜b≤14.0，和0＜c≤16.5。
2.依照权利要求1的高频介电陶瓷构件，其中a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式14.3≤a≤57.0，0.7≤b≤9.0，和0.7≤c≤10.0。
3.一种介电谐振器，其包含一种介电陶瓷构件和一个输入-输出终端，该介电谐振器通过所述介电陶瓷构件和所述输入-输出终端之间的电磁耦合运转，其中所述介电陶瓷构件包含按照权利要求1的高频介电陶瓷构件。
4.一种介电谐振器，其包含一种介电陶瓷构件和一个输入-输出终端，该介电谐振器通过所述介电陶瓷构件和所述输入-输出终端之间的电磁耦合运转，其中所述介电陶瓷构件包含按照权利要求2的高频介电陶瓷构件。
5.依照权利要求3的介电谐振器，其中输入-输出终端包含置于该介电陶瓷构件表面上的电镀铜导体。
6.依照权利要求4的介电谐振器，其中输入-输出终端包含置于该介电陶瓷构件表面上的电镀铜导体。
7.一种介电滤波器，其包含依照权利要求3的介电谐振器和连接该介电谐振器的输入-输出终端的外耦合装置。
8.一种介电滤波器，其包含依照权利要求4的介电谐振器和连接该介电谐振器的输入-输出终端的外耦合装置。
9.一种介电滤波器，其包含依照权利要求5的介电谐振器和连接该介电谐振器的输入-输出终端的外耦合装置。
10.一种介电滤波器，其包含依照权利要求6的介电谐振器和连接该介电谐振器的输入-输出终端的外耦合装置。
11.一种介电双工器，其包含至少两个介电滤波器；连接所述各个介电滤波器的输入-输出接头；和连接所有所述介电滤波器的天线接头，其中至少一个所述介电滤波器为依照权利要求7的介电滤波器。
12.一种介电双工器，其包含至少两个介电滤波器；连接所述各个介电滤波器的输入-输出接头；和连接所有所述介电滤波器的天线接头，其中至少一个所述介电滤波器为依照权利要求8的介电滤波器。
13.一种通讯装置，其包含依照权利要求11的介电双工器；连接所述介电双工器输入-输出接头中至少一个的变送器电路；连接所述介电双工器输入-输出接头中至少一个的接受器电路，所述的介电双工器不连接变送器电路；和连接所述介电双工器的天线接头的天线。
14.一种通讯装置，其包含依照权利要求12的介电双工器；连接所述介电双工器输入-输出接头中至少一个的变送器电路；连接所述介电双工器输入-输出接头中至少一个的接受器电路，所述的介电双工器不连接变送器电路；和连接所述介电双工器的天线接头的天线。
15.一种形成高频介电陶瓷构件的方法，该方法包含混合粉末以形成包含Mg，Ba，Re，Ti，和O的氧化物陶瓷混合物，其中Re是至少一种选自La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的元素，其中所述氧化物陶瓷混合物由化学式aMgO-bBaO-cRe2On-(100-a-b-c)TiO2表示，其中当Re是La，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的一种时，n＝3，当Re是Pr时，n＝11/3，和当Re是Ce时，n＝4，其中a，b和c以摩尔百分比的形式满足关系式10.0≤a≤62.0，0＜b≤14.0，和0＜c≤16.5；向混合物中加入有机粘结剂；将混合物形成预定的形状；和烧制该形状以获得一种烧结构件。
16.依照权利要求15形成高频介电陶瓷构件的方法，其中所述粉末选自MgO，BaCO3，La2O3，CeO2，Pr6O11，Nd2O3，Sm2O3，Eu2O3，Gd2O3，Dy2O3，Er2O3，和TiO2。
17.依照权利要求15形成高频介电陶瓷构件的方法，其中所述混合物在1,000-1,200℃于空气中煅烧1小时或更长时间。
18.依照权利要求15的形成高频介电陶瓷构件的方法，其中所述烧制在1,200-1,400℃于空气中进行。
19.依照权利要求15的形成高频介电陶瓷构件的方法，其进一步包含蚀刻所述烧结构件表面的步骤。
20.依照权利要求19的形成高频介电陶瓷构件的方法，其进一步包含在烧结构件的被蚀刻表面上形成电镀膜的步骤。
全文摘要
一种高频介电陶瓷构件，其由包含Mg，Ba，Re，Ti，和O的氧化物陶瓷组成，其中Re是选自La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Dy，和Er的至少一种元素。所述氧化物陶瓷由化学式aMgO－bBaO－cRe
文档编号H01P7/10GK1440949SQ0310612
公开日2003年9月10日 申请日期2003年2月18日 优先权日2002年2月21日
发明者木户俊介, 酒井延行, 藤浪直胜 申请人:株式会社村田制作所