Keramické materiály a jejich použití v elektrotechnice

Keramické materiály a jejich použití v elektrotechnice Ing. Vladimír Skácel, Ing. Jana Fiedlerová, Ing. Karel Nejezchleb CSc. T-CERAM s.r.o., Libice 60, skacel@t-ceram.com, www.t-ceram.com Keramika je obecn definována jako anorganická nekovová látka s heterogenní polykrystalickou strukturou pipravená slinováním. Mže se proto jevit v porovnání s monokrystaly jako nedokonalá. U keramiky lze ale využít jev, které se objevují pouze v polykrystalických materiálech, jak bude na nkterých píkladech dále ukázáno. Keramika ovlivnila zásadním zpsobem rozvoj elektrotechniky. Pro mnohé aplikace v mikrovlnné technice je nepostradatelným materiálem. Keramická technologie Moderní keramické materiály pro elektrotechniku se zpravidla vyrábí ze syntetických surovin, které mají požadované fyzikální a chemické vlastnosti. Cena surovin asto exponenciáln roste s jejich chemickou istotou, a proto je velmi dležitá znalost, které neistoty a v jakém množství mohou degradovat vlastnosti výsledného výrobku. Prvním technologickým krokem je navážka vstupních surovin. Dležitým parametrem je ztráta žíháním, což je procentuální ztráta hmotnosti vzorku suroviny po zahátí na vysokou teplotu. O ztrátu žíháním je nutno navážku korigovat. Navážené suroviny se homogenizují nejastji v rotaních nebo vibraních mlýnech. Suroviny zpravidla nereagují s vodou, proto se obvykle homogenizuje mletím ve vodném prostedí. Úelem homogenizace je krom dkladného promísení vstupních surovin též rozrušení aglomerát. Navíc dochází k vytvoení krystalových poruch a tím ke zvýšení reaktivity pi následném tepelném zpracování. Vtšinou jsou suroviny dostaten jemnozrnné a postauje nkolikahodinová homogenizace. Po odvodnní a podrcení následuje tepelný proces zvaný kalcinace, pi kterém vzniká požadovaný produkt. Výše kalcinaní teploty závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech výchozích surovin. Musí být dostaten vysoká na to, aby došlo k reakci v pevné fázi, ale nesmí dojít k intenzivnímu slinování, což by zhoršilo následné zpracování. Dležitá je také doba výdrže na kalcinaní teplot, protože mechanizmy reakce v pevné fázi jsou relativn pomalé. Hotový kalcinát by již neml obsahovat nezreagované ástice surovin. Následuje intenzivní mletí, jehož výsledkem by mly být ástice o velikosti nkolika mikron. Další zpracování závisí na tom, jaká vytváecí technologie bude použita. Velmi asto se používá metody suchého lisování. Pi použití automatického lisu se jedná o vysoce produktivní proces, lisovací granulát ale musí být kvalitn pipraven nejlépe rozprachovým sušením. Umletá vodní suspense se pivádí erpadlem do trysky a rozstíknuté kapénky se suší v proudu horkého vzduchu. Vznikající granule mají velikost nkolika desetin milimetru a pi zahrnutí strkou granulát Poátení stádium slinování rychle a rovnomrn zaplní lisovací formu. K dalším vytváecím metodám patí isostatické lisování, extruze, lití fólií, kalandrování nebo vstikové lití. Tlusté vrstvy se vytváejí nejastji sítotiskem. Konené vlastnosti získává výrobek výpalem, jehož cílem je získání hutné slinuté keramiky. Slinování je fyzikální proces, pi kterém dochází k transportu materiálu mezi jednotlivými zrny, jejich pibližování a snižování vnitní porosity za souasného smršování. Hnacím mechanismem slinování je snižování energie povrchu ástic transportem hmoty podél povrchu zrn do míst, kde se tato zrna stýkají. Povrch se zmenšuje a z termodynamického hlediska se snižuje celková energie soustavy. Vypálená keramika se pro její tvrdost musí obrábt vtšinou diamantovými nástroji. Mezi bžné operace patí broušení naplocho rovinnou bruskou, broušení nakulato hrotovou nebo bezhrotou bruskou, lapování, ezání kruhovou pilou s vnitním bitem a u nkterých výrobk i leštní. K posledním operacím asto patí pokovení. Tlusté vrstvy se vytváí sítotiskem, nástikem, ponorem, chemickým i galvanickým pokovením. Pro depozici tenkých vrstev, vytváených nap. napaováním, magnetronovým naprašováním nebo laserovou depozicí, musí být povrch keramiky leštn nebo alespo velmi jemn lapován. Leštit lze pouze nkteré typy keramiky. Metody používané pi výzkumu keramických materiál U keramických materiál je nutno charakterizovat jejich mikrostrukturu. Krom optické mikroskopie se asto používá elektronový mikroskop, u kterého je paprsek elektron rozmítán a pesn fokusován magnetickým polem. Rozlišení mže být až 10-10 m, pro studium keramiky ale vzhledem k bžné velikosti krystal postauje zvtšení do 10 tisíc. Elektronový mikroskop se dopluje tzv. mikrosondou, což je systém detektor, umožující kvantifikovat energii foton, emitovaných dopadem elektron. V každém bod dopadu se tak vlastn provádí rychlá chemická analýza a krom bžného obrazu z elektronového mikroskopu se získají i mapy distribuce jednotlivých prvk. Fázové složení se analyzuje rentgenovou difrakcí. Monochromatické rentgenové záení se nechá dopadat na zkoumaný vzorek. Na každé rovin atom dochází k ástenému odrazu a odražené vlny spolu interferují tehdy, pokud se dráhový rozdíl rovná n násobku vlnové délky. Podle difrakních linií lze stanovit obsah jednotlivých krystalových fází v celém objemu vzorku. Leštný nábrus, optický mikroskop Lom, elektronový mikroskop

Izolaní a konstrukní keramika Tvrdý porcelán a korundový porcelán Výrobky z tchto materiál našly uplatnní zejména v elektrorozvodných sítích. Nejdležitjšími požadavky na izolátory jsou vysoká mechanická a elektrická pevnost, odolnost vi povtrnostním vlivm, chemická odolnost a samozejm cena, protože izolátory tvoí až 10% ceny celé penosové sít. Hlavními surovinami pro výrobu elektrotechnického porcelánu je kaolín, živce, oxid kemiitý a oxid hlinitý, který zvyšuje mechanickou pevnost, ale zhoršuje zpracování. Nejkvalitnjší izolátory se vyrábí isostatickým lisováním s následným obrábním. Nezbytnou technologickou operací je glazování. Mechanická pevnost v ohybu dosahuje 150 až 180 MPa u korundového porcelánu, elektrická pevnost je lepší než 30 kv/mm. Dielektrické ztráty jsou vysoké (až 150 10-4 ), což ale pro prmyslové kmitoty není nijak na závadu. Významnou složkou ceny porcelánových izolátor je cena energie pi výpalu, která se neustále zvyšuje. Proto jsou v souasné dob porcelánové izolátory nahrazovány výrobky ze sklenných vláken se stíškami z chemicky odolného elastomeru. Hoenatá keramika Prvními keramickými materiály vyvinutými v moderních laboratoích jsou materiály z trojsložkového systému MgO Al 2 O 3 SiO 2. Z hoenaté keramiky se vyrábí drobné izolaní a konstrukní prvky. Pro elektrotechniku jsou nejvýznamnjší ti materiály: steatit, forsterit a kordierit, které se navzájem liší obsahem uvedených oxid. Steatit. Jeho základem je metakemiitan hoenatý MgO SiO 2. Ve steatitové keramice je velké množství skelné fáze, která obklopuje krystaly a urychluje proces slinování. Jako vstupní suroviny se pro mén nároné použití volí mastek, kaolín a sodnodraselné živce jako tavivo. Steatit má dobrou jak mechanickou pevnost (140 MPa v ohybu), tak i elektrickou pevnost (20 kv/mm). Vysokofrekvenní vlastnosti se znan zlepší náhradou alkalických živc za uhliitany alkalických zemin (nap. BaCO 3 CaCO 3 ). Ztrátový initel na 1 MHz pak dosahuje hodnoty 7 10-4 a s frekvencí roste až k hodnot 20 10-4 na frekvenci 10 GHz. Steatit se proto v mikrovlnných pásmech bžn nepoužívá. Forsterit. Hlavní složkou je ortokemiitan hoenatý 2MgO SiO 2. Mechanická pevnost forsteritu je nižší než u steatitu, ale má znan nižší dielektrické ztráty (okolo 5 10-4 na 10 GHz). Jeho teplotní délková roztažnost je vysoká a lze ji pomrem složek a písad pizpsobit teplotní roztažnosti nkterých kov. Používá se proto ve vakuové technice. Forsterit lze použít v mikrovlnné technice jako konstrukní materiál, ale teplotní závislost permitivity nelze dobe kompenzovat. Kordierit krystaluje v komplikovaném složení 2MgO 2Al 2 O 3 5SiO 2. Nejdležitjší vlastností kordieritu je velmi nízká délková teplotní roztažnost (až 0,8 ppm / C pi nízkých teplotách) a z toho vyplývající vysoká odolnost vi rychlým zmnám teploty. Teplotní koeficient se dá dobe regulovat pídavkem SiO 2, který tvoí s kordieritem pevný roztok a teplotní koeficient zvyšuje. Vzhledem k vysokým dielektrickým ztrátám (až 80 10-4 ) není vhodné kordierit používat ve vysokofrekvenních obvodech. Oxidová keramika Tímto termínem se oznaují jednosložkové keramické hmoty složené ze žárovzdorných oxid bu istých nebo s pímsemi, které neobsahují skelnou složku. Patí sem napíklad Al 2 O 3, ZrO 2, MgO nebo BeO. Korundová keramika má ve vysokofrekvenní a mikrovlnné technice široké použití. Elektrické vlastnosti jsou siln závislé na složení a obsahu neistot. Zejména obsah oxid alkalických kov vlastnosti siln zhoršuje. Vzhledem k tomu, že istý Al 2 O 3 slinuje až za velmi vysokých teplot (nad 1750 C), pidávají se do korundové keramiky pro mén nároné aplikace písady (Si, Ca, Mg). Ty umožují snížit slinovací teplotu až pod 1350 C. S obsahem oxidu hlinitého klesají ztráty, roste tepelná vodivost, mechanická pevnost a koeficient teplotní délkové roztažnosti. V R se vyrábl materiál AK4, pálený ve vodíkové atmosfée na 1900 C. Jeho mechanická pevnost v ohybu byla 330 MPa. U dielektrického rezonátoru AK4 byla namena na 10 GHz hodnota Q okolo 15000. Teplotní závislost korundového rezonátoru je ale píliš vysoká pro praktické použití. Dležitou aplikací korundu jsou klystrony a magnetrony. Vysoce istý korund zde dobe spluje kombinaci požadavk na vysokofrekvenní výkonová zaízení. I za zvýšených teplot si udržuje výborné izolaní vlastnosti, elektrickou a mechanickou pevnost, nízké dielektrické ztráty a slušnou tepelnou vodivost. Pokud jsou požadavky na tepelnou vodivost ješt vyšší, napíklad u vysoce výkonových klystron, používá se oxid berylnatý s vodivostí až desetinásobn vyšší. Vyšší je ale také cena, a to nejen z dvodu dražší suroviny. BeO se musí zpracovávat ve speciálních podmínkách, protože je toxický. U slinuté keramiky již ale nebezpeí prakticky nehrozí. Substráty pro tlusté vrstvy se vyrábí litím z materiálu 96% Al 2 O 3. Technologie doctor blade umožuje vytváet substráty pro sítotisk pímo, bez nutnosti dalšího opracování po výpalu. Pro depozici tenkých vrstev je nezbytný kvalitní, leštný povrch substrátu. Takového povrchu je možno dosáhnout u jemnozrnného materiál s nejmén 98% Al 2 O 3. Pi požadavku na vyšší tepelnou vodivost lze použít aluminiumnitrid, který má navíc srovnatelnou teplotní roztažnost s kemíkem. Korund se používá i pro vícevrstvé laminované substráty technologie MLC. Dnes ale pevažuje technologie LTCC na bázi sklokeramiky. Oxid zirkoniitý je vysoce žárovzdorným keramickým materiálem. Výrobky z nho lze použít až do 2400 C [4]. Pro praktické použití je ale nutná jeho stabilizace. Existuje totiž ve tech krystalových modifikacích, a pi zmn teploty dochází k rekrystalizaci, spojené s velkou objemovou zmnou. Pro stabilizaci vysokoteplotní kubické fáze se používají nejastji oxidy Y 2 O 3, CaO nebo MgO. Pokud je oxid zirkoniitý stabilizován jen ásten, nachází se v materiálu rozptýlené ostrvky tetragonální fáze v metastabilním stavu. Pi šíení trhliny, dojde k jejich rekrystalizaci, zvtšení objemu a tím k zastavení šíení trhliny. Dalšího zpevnní se dosahuje pídavkem oxidu hlinitého. U keramiky o složení 78% ZrO 2, 2% Y 2 O 3 a 20% Al 2 O 3 (ATZ) bylo dosaženo pevnosti v ohybu až 2500 MPa [2]. Pi teplotách nad 600 C se stabilizovaný oxid zirkoniitý chová jako pevný elektrolyt s vodivostí kyslíkovými ionty. Tohoto jevu lze využít k mení obsahu kyslíku v plynech a roztavených kovech, k ištní plyn od kyslíku (argon), v palivových láncích apod. Vodivá keramika Mezi vodivou keramiku lze poítat topné lánky pro odporový ohev, rezistory s kladnou nebo zápornou teplotní závislostí odporu, rezistory s napovou závislostí odporu, iontové vodie, senzory a supravodie.

Silicium karbid (SiC) je velmi tvrdý materiál. Jeho hlavní použití je v brousící technice. Mén známé jsou jeho elektrické vlastnosti. istý SiC je polovodivý a v monokrystalické form se v devadesátých letech dokonce používal pro modré LED, než byl nahrazen GaN. Dnes se používá nap. pro speciální výkonové vf tranzistory se zvýšenou odolností proti radiaci, pro spínané zdroje nebo UV senzory. Z polykrystalického SiC se vyrábí topné tye, které jsou použitelné až do teplot 1500 C. Mrný odpor SiC klesá s teplotou, minima dosahuje pi 1000 C (zhruba 10-3 ohm m). Molybden disilicid (MoSi 2 ) má podobné vlastnosti jako SiC, ale jeho mrný odpor je podstatn nižší. Dá se použít pro topné elementy až do 1800 C, nevýhodou je vysoká cena. Známjší je pod obchodní názvem Kanthal-Super. Varistory Hlavní aplikací je ochrana elektronických obvod. Varistory na bázi ZnO jsou dalším píkladem využití jev, které se v keramice mohou odehrávat na hranicích zrn. Typické, pomrn komplikované složení keramiky pro varistor je 96,5% Zn0 + 0,5% Bi 2 O 3 + 1% CuO + 0,5% MnO 2 + 1% Sb 2 O 3 + 0,5% Cr 2 O 3. Uvedené dotující prvky se koncentrují pedevším v intergranulární fázi mezi zrny ZnO. Mn, Cr a Co jsou prvky, které se mohou vyskytovat v ad oxidaních stav a mohou Skutená a idealizovaná mikrostruktura varistoru tedy psobit jako pasti, zachycující elektrony uvolnné v dsledku ásteného tkání kyslíku ze zrn ZnO. Na hranicích zrn se tak vytváí potenciální bariéra. Z makroskopického hlediska dostáváme prvek, který pipomíná dv Zennerovy diody zapojené proti sob. Mechanizmus funkce varistoru není dosud z fyzikálního hlediska dostaten vysvtlen. Samotný jev prrazu je velmi rychlý (asi 0,5 ns), ale parazitní kapacity a induknosti zpsobují zpomalení. Krom ZnO se varistory vyrábí i z SiC. Výroba varistor vyžaduje znanou zkušenost a je velmi nároná pedevším na tepelné zpracování materiálu. Napový rozsah varistoru mže být až v ádu kilovolt. Vyrábjí se i varistory ve tvaru spojky do koaxiální trasy 50 ohm. Termistory Keramických materiál s vysokou teplotní závislostí odporu je mnoho. Silná teplotní závislost odporu je u keramiky zpsobena temi jevy. Mže to být polovodivé chování zrn vedoucí k exponenciální zmn odporu. Strukturální transformace spojená se zmnou polovodie na vodi má za následek velkou zmnu odporu v úzkém teplotním rozsahu. U nkterých materiál dochází v úzkém rozsahu teplot ke zmn dielektrických vlastností. Pro NTC se asto používají materiály se spinelovou strukturou, jako Fe 3 O 4 MgCr 2 O 4 nebo Mn 3 O 4. U PTC rezistor je prudká zmna odporu vtšinou spojena s Curieho teplotou feroelektrik. Píkladem mže být BaTiO 3 dopovaný prvky vzácných zemin. Výrazná zmna odporu s teplotou je zpsobena zmnou elektrické dvojvrstvy na hranicích zrn. PTC efekt závisí na množství hranic zrna v jednotkovém objemu keramiky. U monokrystal PTC efekt pozorovat nelze. Vysokoteplotní supravodie Supravodivost je jev, pi kterém elektrický odpor poklesne na nulovou hodnotu. Nastává pi teplot nižší, než je teplota kritická. Jev byl objeven již roku 1911 u rtuti pi teplot kapalného helia (4,2 K). Velký nárst zájmu o supravodivost nastal koncem roku 1986, kdy Bednorz a Muller popsali keramický materiál La-Ba-Cu-O s kritickou teplotou 35 K. Brzy se objevily další sloueniny jako Y-Ba-Cu-O (93 K), Bi-Sr-Ca-Cu-O (110 K) nebo Hg-Ba-Ca-Cu-O (166 K), pro které staí chlazení kapalným dusíkem (77 K). Dležitým parametrem je kritická proudová hustota, která je nejvyšší u Y-Ba-Cu-O (10 10 A/m), a také kritická velikost vnjšího magnetického pole. Krom uplatnní supravodi pro penos a skladování energie, levitaci a další výkonové aplikace lze vlastností supravodi využít i v mikroelektronice a mikrovlnné technice. Zajímavou aplikací je Josephsonv pechod, tvoený dvma supravodii oddlenými submikronovou dielektrickou bariérou. Pechod ze supravodivého do vodivého stavu je velmi rychlý (10 12 ) a lze ídit naptím. Po pivedení stejnosmrného naptí na pechod bude proud oscilovat na frekvenci f = 2eU/h. Frekvence je závislá pouze na piloženém naptí a iní pibližn 484 MHz/µV [5]. Supravodie se též mohou použít pro zvtšení Q u dutinových rezonátor. Pokud je na stny dutiny nanesena supravodivá vrstva, Q dramaticky vzroste. Napíklad pro vrstvy Y-Ba-Cu-O byla u 10 GHz dutiny namena hodnota Q až 400 tisíc [1]. Piezokeramika Keramika sama o sob nemá piezoelektrické vlastnosti. Pokud bychom rozdrtili piezoelektrický krystal, napíklad monokrystal ZnS, z prášku slinuli destiku a opatili elektrodami, nedojde u ní psobením elektrického pole k žádné deformaci ani se na elektrodách neobjeví náboj, vlivem deformace. Pouze keramika vyrobená z feroelektrického materiálu bude po zpolarizování vykazovat piezoelektrické vlastnosti. Pi polarizaci se za zvýšené teploty vlivem stejnosmrného elektrického pole uspoádá doménová struktura do smru jeho psobení. Pak na této destice mžeme i navenek, nejen v jednotlivých doménách, zjistit uritou hodnotu polarizace a tedy i pyroelektrické a piezoelektrické vlastnosti. Dnes se vyrábí pevážn keramika na bázi Pb(TiZr)O 3. Lze ji rozdlit do dvou základních skupin: mkká (soft PZT), která je dotovaná ptimocnými prvky, se používá pro snímae chvní i zrychlení nebo pro akustické aplikace. Je dotovaná napíklad kationty Fe 3+ nebo Ni 3+. Tvrdá (hard PZT) je vhodná pro výkonové aplikace. Vzhledem k toxicit olova je snaha ho nahradit, což se v nkterých aplikacích daí. Používá se zejména KNbO 3 a NaNbO 3.

Keramická dielektrika Na rozdíl od pedchozích kapitol patí k nejdležitjším parametrm dielektrik permitivita a ztrátový initel a jejich teplotní, frekvenní, pípadn napové závislosti. Dielektrika se tradin rozdlují do tí skupin podle permitivity (nkdy do skupin ty). Dielektrika typu I mají permitivitu do 500, nízké dielektrické ztráty a relativn nízký lineární teplotní koeficient permitivity. Typ II jsou feroelektrika nejastji na bázi BaTiO 3 s permitivitou mezi 2 000 až 20 000. Dielektrické ztráty jsou vysoké, ádu od 10-2 až 3 10-3 a mají i vysoký, vtšinou nelineární teplotní koeficient permitivity. Ob první skupiny lze použít pro monolitické vícevrstvé kondenzátory. Pedstavitelem typu III je zejména reoxidovaný BaTiO 3. U kondenzátor lze speciálním technologickým postupem dosáhnout velmi vysoké zdánlivé permitivity. Pokud se titaniitan barnatý vypálí v oxidaní atmosfée, vykazuje vysoký mrný odpor ádu 10 8 ohm m. Pi výpalu v redukní atmosfée vzniknou v krystalové mížce kyslíkové vakance a ást titaniitých iont se zredukuje na titanité. Zredukovaný BaTiO 3 získá polovodivé vlastnosti a odpor poklesne až o 12 ád. ízenou reoxidací lze na povrchu dielektrika vytvoit vrstvu s vysokým odporem, která u kondenzátoru psobí jako dielektrikum, piemž polovodivá oblast keramiky je souástí elektrody. Dosahuje se tak vysokých mrných kapacit, elektrická pevnost je však velmi malá. U bariérových kondenzátor je ást titaniitých iont substituována ionty s jinou valencí, nap. Nb, Sb, La nebo Ce. Ve struktue pak pi výpalu kyslíkové vakance nevzniknou, ale materiál bude polovodivým. Dielektrické vrstvy se vytvoí pomocí mdi, která difunduje po hranicích zrn. Bariérový kondenzátor mže mít zdánlivou permitivitu až 500 000. Mikrovlnná keramika Pro použití v RF a mikrovlnné technice jsou na dielektrika kladeny ponkud jiné požadavky. Rozhodující jsou dielektrické ztráty na vysokých kmitotech a teplotní závislost permitivity. Krom použití pro kondenzátory malých kapacit jsou hlavní aplikací dielektrické rezonátory, antény, koaxiální rezonátory a filtry. Hlavní složkou mikrovlnných dielektrik tvoí zejména titanáty, zirkonáty, tantaláty nebo niobáty. asto jde o pevné roztoky rzných složek, z nichž každá má odlišnou teplotní závislost permitivity. Dielektrický rezonátor. V dielektriku ve tvaru nepokoveného válce se vytvoí stojatá vlna vlivem diskontinuity permitivity na rozhraní dielektrikum-vzduch. Vlnová délka stojaté vlny je oproti vzduchovému dutinovému rezonátoru zkrácena v pomru odmocniny permitivity dielektrika. Využívá se vidu TE 01δ. Se zmnou teploty dochází vlivem délkové teplotní roztažnosti keramiky ke zvtšení rozmr a tím ke snížení rezonanní frekvence. Vhodnou volbou pomru jednotlivých složek dielektrika a zmnou technologie lze pipravit materiál tak, aby teplotní závislost permitivity kompenzovala rozmrové zmny a rezonanní frekvence pi zmn teploty zstala konstantní. Lze tak dokonce kompenzovat i teplotní závislosti dalších prvk mikrovlnného obvodu vetn nap. ladicích prvk. Ideálním stavem by mla být nulová teplotní závislost obvodu v celém pracovním rozsahu teplot. Proto je dležité u keramických hmot sledovat i derivace teplotních závislostí. Teplotní závislost rezonanní frekvence dielektrického rezonátoru TC f lze pesn mit a používá se pro charakterizaci mikrovlnných dielektrik. Používanou jednotkou je ppm/ C, v nkteré literatue M/K, což je totéž. Napíklad u dielektrického rezonátoru s teplotní závislostí 1 ppm/ C, rezonujícího na 10 GHz se pi nárstu teploty o 1 C zvýší rezonanní frekvence o 10 khz. Nkterá mikrovlnná dielektrika je možno vyrábt i s lepší tolerancí než 1 ppm/ C. Další dležitá charakteristika materiálu, dielektrické ztráty, se opt odvozuje od dielektrického rezonátoru. Rezonátor se umístí do stínné dutiny vhodné velikosti. (obrázek) Rozmry dutiny musí být takové, aby její vlastní rezonance byla dostaten vzdálena od frekvence rezonátoru. Z rezonanní kivky je možno vypoítat nezatížený initel kvality, Q 0 i Q U. Vzhledem k tomu, že u vtšiny mikrovlnných dielektrik je Q U v uritém rozsahu frekvencí nepímo úmrná frekvenci, používá se též parametru Q f s jednotkou THz. Koaxiální rezonátor. (obrázek) Zvtšení permitivity dielektrika koaxiálního vedení má za následek zmenšení délky koaxiálního rezonátoru. Keramické koaxiální rezonátory se vyrábí bu s kruhovým nebo se tvercovým prezem, což je pro montáž výhodnjší. Nejastjší jsou tvrtvlnné, ale používají se i plvlnné. Výsledný initel jakosti je dielektrickými ztrátami kvalitní keramiky ovlivnn mén, dležitjší jsou vodivostní ztráty ve vnitním vodii a kvalita zkratu. Povrch keramiky musí být dostaten kvalitní, aby se u pokovení dosáhlo co nejvyšší vodivosti na rozhraní keramika-kov. Používá se zejména stíbro, které se vypaluje. Pro mén náronjší použití je vhodná i m. Q U závisí také na prezu rezonátoru a na frekvenci, kde ovšem díky zmenšující se hloubce vniku ztráty klesají. U prezu 6x6 mm se na frekvenci 1 GHz dosahuje hodnoty Q U okolo 600. Keramické koaxiální rezonátory se používají do oscilátor a jsou dležitým prvkem keramických filtr. Filtry typu pásmová propust se asto vyrábjí z keramických vícerezonátorových blok, kde se vazby ladí vhodným pizpsobením pole mezi jednotlivými stedními vodii rezonátor. LTCC pro mikrovlnnou techniku. Rozvoj technologie monolitických vícevrstvých blok zasáhl i do mikrovlnné techniky. Na nevypálené keramické fólie se nanášejí planární struktury, fólie se pak laminují pálí jako bloky. V souasné dob se pro tuto sklokeramickou technologii používají materiálové systémy Ba-Nd-Ti-O ale i Mg(Ca)TiO 3 a dosahované parametry jsou pekvapiv dobré.

Nkteré materiály pro mikrovlnné aplikace MgTiO 3 je dobe známým mikrovlnným dielektrikem. Samotný má záporný TC f. Substitucí Ca za Mg lze dosáhnout nulové teplotní závislosti, ovšem v nepíliš širokém rozsahu teplot. Permitivita kompenzovaného materiálu je 20,5 a Q U se na 10 GHz pohybuje okolo 7000. Dá se použít pro dielektrické rezonátory i nad 20 GHz, ale hlavní použití je pro koaxiální rezonátory, filtry a tlustovrstvé substráty. Zr(Sn)TiO 4 patí stále k nejrozšíenjším mikrovlnným keramikám; oznaují se jako ZTS. Podobn jako pedchozí materiál je i tento tuhým roztokem, u kterého se pomrem Zr/Sn ovlivuje teplotní chod. Problémem je jeho špatná slinovatelnost, proto se musí dotovat oxidy pechodných kov tak, aby se vytvoilo malé množství kapalné fáze, umožující slinutí do hutného stavu. Složení použitých písad výrazn ovlivuje barvu. Vhodnou volbou složení a technologie zpracování lze teplotní chod regulovat velmi dobe. V rozsahu 6ppm/ C až +12 ppm/ C lze vyrábt s reprodukovatelností asi 1ppm/ C. Permitivita se pohybuje okolo 37 a Q U na 10 GHz mže dosahovat 6000. Používá se jak pro dielektrické tak pro koaxiální rezonátory a filtry. Hexagonální perovskity mají základní složení Ba(Mg 1/3 Ta 2/3 )O 3, kde Mg mže být nahrazen Zn. Známjší jsou pod oznaením BMT a BZT. Jejich hlavní výhodou je vysoká hodnota Q U, která bžn bývá 2x vyšší než u pedchozích dvou materiál. Pedpokladem je použití vysoce istých surovin, jejichž cena, zejména u oxidu tantaliného, brání masovjšímu použití. Tantal se podailo ásten nahradit levnjším niobem, ale za cenu zhoršení parametr. Podle složení se permitivita pohybuje od 25 do 35. Používají se pedevším pro dielektrické rezonátory s nejvyššími nároky. Ba(Pb)Nd 2 Ti 4 O 12 se vyznauje vysokou permitivitou pi vyhovujících ztrátách. Podle složení mže být permitivita od 70 do 90 nebo i více. initel kvality Q U je více než 5x nižší než u ZTS, ale tato nevýhoda je vyvážena práv vyšší permitivitou a tím i miniaturizací. Hlavní použití je pro koaxiální rezonátory, filtry a v technologii LTCC. Materiály s napovou závislostí permitivity. V poslední dob probíhá intenzívní vývoj mikrovlnných dielektrik, které vykazují napovou závislost permitivity. Jejich použití umožuje ídit stejnosmrným naptím frekvence rezonátor i pelaovat úzkopásmové filtry, antény apod. Materiál na bázi Ba(Sr)TiO 3 (BST), který tuto vlastnost vykazuje, není sám o sob vhodný jako rezonátor pro mikrovlnná pásma z dvodu vysokých ztrát, a to ani po ásteném zlepšení vlastností dotováním MgO. Pokud se BST keramika použije ve form tlusté vrstvy jako ladicí prvek kvalitního dielektrického rezonátoru, lze dosáhnout zatím peladitelnosti pouze jednotek MHz na 10 GHz pi velikosti pole 2kV/mm. Ve vývoji jsou další materiály, jako nap. BaTi(Ga,Nb)O 3, který má nižší dielektrické ztráty. Peladitelnosti vtší než 5% bylo dosaženo u materiálu Ag(Ta, Nb)O 3 (ATN), ale dielektrické ztráty na 10 GHz byly okolo 0,1. Nejvyšší peladitelnosti se dosahuje na tenkých vrstvách, napíklad u vrstvy BST naprášené na monokrystalu MgO bylo dosaženo peladitelnosti až 30% pi intenzit pole 15 kv/mm, teplotní závislost permitivity ale inila desítky % v pracovním rozsahu teplot [6]. Jako zajímavá možnost se nabízí dolaování dielektrického rezonátoru pomocí bimorfního piezokeramického prvku, který se po piložení stejnosmrného pole ohýbá a tím se mní rozložení pole v okolí dielektrického rezonátoru. Touto metodou bylo dosaženo peladitelnosti 40 MHz na frekvenci 2 GHz. [6] Ukázky výrobk z mikrovlnné keramiky: koaxiální rezonátory, multirezonátorové bloky a filtry Literatura: [1] Moulson, A.; Herbert, J.: Electroceramics, Wiley, 2003 [2] Hanyký, V.; Kutzendörfer, J.: Technologie keramiky, SiliS, 2000 [3] Pospíšil, Z.; Koller, A.: Jemná keramika, SNTL, 1981 [4] Hlavá, J.: Technologie silikát, SNTL, 1988 [5] Kittel, Ch.: Úvod do fyziky pevných látek, Academia, 1985 [6] Sborník z konference MMA, York, 2003