|
| |
|
Слаботочка Книги 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 (Bao,7sSro,26)Ti03 с небольшими добавками CaTiOs - на рис. 1.1, б. Зависимости диэлектрической проницаемости пленки типа KHI-6 от температуры и напряженности электрического поля показаны на рис. 1.1, в, зависимость е/в (0) нелинейных диэлектриков для разной температуры - на рис. 1. I, г. 1. ЛИНЕЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ Линейные диэлектрики, используемые для изготовления ДР, по химическому составу можно разделить на следуюш,ие группы:-тнтаносодержаш,не (рутил, керамика на основе рутила и др.); цир-конийсодержащие (цирконаты простые и сложные); материалы, содержащие редкоземельные элементы (РЗЭ): Sm, Nd, Рг, e и др. Титаносодержащие диэлектрики ранее других стали использоваться для изготовления ДР. Исключительно малыми потерями на СВЧ обладает рутил (TiOa), один из первых кристаллов, на котором начали изготовлять ДР. Этот материал обладает высокой диэлектрической проницаемостью: 90, ец 170. Тангенс угла диэлектрических потерь монокристаллического рутила для частот 10...20 ГГц составляет (3...5) 10~* при температуре 300 К и 2 х X 10 при 4,2 К. Технология синтеза высококачественных кристаллов рутила хотя и хорошо разработана для применения в квантовых усилителях, но довольно сложна и дорогостояща. По обычной керамической технологии синтезируют керамику рутила нз порошка двуоксида титана TiOj с Бд = 93...98 и tg б в 1,5...2 раза выше, чем для кристаллов. Технология изготовления состоит в следующем: порошок ТЮг смешивают в шаровой мельнице мокрым способом с контролируемым количеством (0,1...0,5 весовых процента) некоторых трехвалентных катионов, вводимых через окислы РегОз, СГгОз, АЦОз. После сушки материал предварительно спекают при температуре 1000 °С в течение 20 ч. Для увеличения добротности рутиловых резонаторов их изготовляют методом горячего прессования. Титанат кальция (СаТЮз) имеет высокую диэлектрическую проницаемость (ед = 150) и малые потерн (tg б 10~) в сантиметровом диапазоне волн. Однако ед сильно зависит от температуры: ТК бд = -1500 10~ град~\ Температура Кюри титаната кальция находится ниже О К. Это означает, что частота мягкой моды в таком веществе никогда не становится достаточно малой для того, чтобы кристаллическая решетка его стала нестабильной и перешла бы в сегнетофазу. Это и отличает его от параэлектриков титаната стронция и танталата калия (см. гл. 2), у которых сегнето-электрический фазовый переход может индуцироваться под воздействием внешнего электрического поля или механического давления. Действие ионов Са+ в твердых растворах Ва;сСаДЮз отличается от действия ионов стронция в твердых растворах ВадЗгг xTiOg. Любое увеличение концентрации ионов стронция приводит к уменьшению единичной ячейки, соответственно понижая температуру Кюри. Это не выполняется в твердом растворе Сад;Ва1 Д10з, который имеет почти такую же точку Кюри, что и чистый BaTiOa, до концентрации примерно 25 молярных процентов. Например, для сегнетоэлектрика Сао,24Вао,7бТЮз температура Кюри равна Т. = = 392 К. Небольшая добавка титаната кальция в титанат стронция приводит к появлению в таком твердом растворе сегнетоэлектрического фазового перехода. Причем с увеличением концентрации х ионов кальция температура этого перехода повышается. Керамика Сад;5г1-Д10з имеет сегнетоэлектрический фазовый переход при температуре 4,2 К при концентрациях 0,01 < л: <0,1. При концентрациях ионов Са больше 0,1 молярных процентов этот твердый раствор становится потенциальным сегнетоэлектриком, не испытывающим перехода в сегнетофазу. Значительный интерес для криоэлектроники представляют виртуальные сегнетоэлектрики SrTiOa и КТаОз (см. гл. 2). Рассмотренные выше диэлектрики относятся к параэлектрикам типа смещения. Они обладают высокой диэлектрической проницаемостью и в большинстве случаев малыми диэлектрическими потерями в СВЧ диапазоне, но нетермостабильны, имеют большой по абсолютной величине и отрицательный по знаку температурный коэффициент ТК ед. Параэлектрик можно термокомпенсировать диэлектриком, имеющим положительный температурный коэффициент, но такое решение технически выполнить трудно. Для стабилизации ТКЧ используют термостабильные материалы с минимальным значением ТК ед. Следующим шагом в совершенствовании технологии ДР явилось создание термостабильной титансодержащей керамики (ТСК): тет-ратитаната бария BaTi409 (ТТБ) и дибариевого нонатитаната BaaTigOao (ДБНТ). Керамика состава BaTi409 разработана для ра~ бочего диапазона частот 5,2... 11 ГГц: Основные параметры керамики BaTi40g Диэлектрическая проницаемость .... 37,97 Тангенс угла диэлектрических потерь tg б 3,9 Ю * Температурный коэ4х})ициент диэлектрической проницаемости (ТКвд)...... -49,3 10~® град~ Коэффициент температурного линейного расширения.............. 9,4 10~® град Удельная масса............ 98,6 % от теоретического Водопоглощение ........... Отсутствует Твердость по Моосу.......... 7 Недавно появились материалы марки Resomics и NED-39, которые в основном состоят из BaTi409. Собственная добротность ДР- из этих материалов составляет 7000 на частоте 6 ГГц, а ТКЧ в интервале температур от -55 до 100 °С не превышает 3,1 х X 10~® град . ДР из керамики BagTiaOgo можно применять в частотном диапазоне до 100 ГГц. На частоте 80 ГГц собственная доброт- ность прямоугольного кубического резонатора для основного тип& колебаний Нщ находится в пределах 400...500 и значительно превышает добротность микрополосковых резонаторов. Следует отметить, ч1го керамика состава BajTieOgo имеет более высокие параметры, чем керамика состава BaTi409. Известны два способа прессования керамики состава BagTigOgo (табл. !.!): 1) традиционное прессование порошка состава BajTigOao в металлических пресс-формах с последующим спеканием заготовок в кислородной атмосфере; 2) горячее прессование порошка состава BagTigOjo, совмещающее процессы формирования и спекания. Добротность резонаторов из керамики состава BajTieOao, Таблица 1.1 Способ прессования ТКе град- 1 Qo при f=4 ГГц Обычный Горячий 39,8 -24 40,6 8000 5ОО0 полученной обычным прессованием, выше добротности резонаторов из керамики, полученной горячим прессованием. Исследования показали, что добротность ДР из керамики состава BajTigOgo уменьшается с ростом частоты, а зависимость резонансной частоты от температуры имеет нелинейный характер. Анализ и способы изготовления (твердофазный синтез из ВаСОз и анатазной модификации TiOg и химическое осаждение растворов Таблица 1.2
солей) керамики, по составу соответствующей соединению BagTigOao и названной 2БТ-9, рассмотрены в работе [22]. Основные параметры керамики 2БТ-9 приведены в табл. 1.2. Керамика 2БТ-9, полученная химическим осаждением растворов солей, имеет лучшие диэлектрические свойства, а плотность ее наибольшая. Таким образом, керамика 2БТ-9 обладает хорошими свойствами и ее можно применять для изготовления ДР и подложек микросхем коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн. Термостабильные материалы получены также в системе окислов TiOa - ZrOa - SnOa, причем, меняя соотношение и ввода допол- 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |
||||||||||||||||||||||||||