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研究生： 李柏欣
Li, Po-Hsin
論文名稱： (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xCa0.6La0.8/3TiO3微波介電陶瓷特性之探討與應用
Microwave Dielectric Properties and Applications of (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xCa0.6La0.8/3TiO3 Ceramics
指導教授： 黃正亮
Huang, Cheng-Liang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 97
中文關鍵詞： 介電
外文關鍵詞： dielectric properties, filter
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    • 本論文探討(1-x)Mg0.95Zn0.05TiO3-xCa0.6La0.8/3TiO3(MZCLT)微波介電陶瓷在不同x值時的介電特性。使用液相燒結的方式添加燒結促進劑V2O5促使材料的緻密化，降低MZCLT的燒結溫度。由實驗結果，當x=0.15時，85MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時下具有良好的微波特性：Q×f值為86000(9GHz)， =26，共振頻率溫度係數( )為0.5ppm/℃。添加燒結促進劑V2O5雖然可以降低85MZCLT的燒結溫度，但是整體的介電特性也隨著添加量的增加而有下降變差的情形。另外，以85MZCLT為基板，實作一個二階Butterworth帶通濾波器，中心頻率在2.4GHz並且利用零度饋入方式以及偶合線一端掛上電容性負載結構來產生可調整的零點。最後再實作此濾波器在FR4與Al2O3的基板上來比較與驗證85MZCLT具有良好的溫度穩定性、高介電係數εr及高品質因素(Q×f )。

    The microstructures and the microwave dielectric properties of the (1-x)(Mg0.95Zn0.05)TiO3-xCa0.6La0.8/3TiO3 ceramic system were investigated. In order to achieve a temperature-stable material, we studied a method of combining a positive temperature coefficient material with a negative one. Ca0.6La0.8/3TiO3 has dielectric properties of dielectric constant ~ 109, Q × f value ~ 17,600 GHz and a large positive value ~ 213 ppm/oC. (Mg0.95Zn0.05)TiO3 possesses high dielectric constant ( ~ 17), high quality factor (Q × f value ~ 260,000 at 9 GHz) and negative value (-40 ppm/oC). With x = 0.15, a dielectric constant ~ 25.81, a Q × f value ~ 86,000 GHz (at 9 GHz) and a value ~ 0.5 ppm/oC was obtained for 0.85(Mg0.95Zn0.05)TiO3-0.15Ca0.6La0.8/3TiO3 ceramics sintered at 1320oC for 4 h.
    In addition, we fabricate a second-order Butterworth band-pass filters with a central frequency of 2.4GHz and a bandwidth of 8% on FR4, Al2O3 and 85MZCLT substrates.

    目錄 第一章　緒論　…………………………………… 1 　1-1. 前言　…………………………………………　 1 　1-2. 研究背景與動機　 ………………………… 1 第二章 介電材料原理 ………………………… 　 2 　2-1. 鈦鐵礦結構 …………………………… 2 　2-2. 鈣鈦礦結構 ……………………… 2 　2-3. 介電材料的微波特性需求 ……………… 3 　2-4. 介電理論 …………………………………　 6 　2-5. 介電共振器 ………………………………… 7 　2-6. 液相燒結 ………………………………… 8 第三章 濾波器電路文獻探討 ……………………… 13 　3-1. 微帶線結構 ……………………………… 13 　　3-1-1. 微帶線傳輸組態 …………………　 13 　　3-1-2. 微帶線各項參數公式計算及考量 …… 14 　　3-1-3. 微帶線的損耗　　……………………　 16 　　3-1-4. 微帶線的不連續效應 ……………… 17 　3-2. 偶合微帶線結構　………………………… 18 　3-3. 偶合共振電路 …………………………………………………　 21 　　3-3-1. 偶合共振濾波器的一般偶合參數………… 21 　　3-3-2. 偶合理論 ……………………………………………………　 27 　3-4. 零度饋入理論 …………………………………………………………　 32 　　3-4-1. 零度饋入結構分析 ……………………………………………… 32 　　3-4.2. 饋入點計算 ……………………………………………………… 34 　3-5. 偶合微帶線一端為電容性負載之效應……………………………… 34 第四章 實驗製程與量測 ………………………………………　 48 　4-1. 材料的製備步驟 ………………………………………………　 48 　4-2. 微波特性之量測 ………………………………………………………　 49 　4-3. 濾波器製作與量測 …………………………………………… 53 第五章 實驗結果與討論 ……………………………………………　 60 　5-1. (1-x)Mg0.95Zn0.05TiO3-xCa0.6La0.8/3TiO3系統 ……………………　 60 　5-2. 0.85Mg0.95Zn0.05TiO3-0.15Ca0.6La0.8/3TiO3系統 ……………… 62 　5-3. V2O5添加對85MZCLT之影響 …………………………………………… 63 5-4. 實作濾波器特性 ………………………………………… 65 　　5-4-1. FR4基板…………………………………… 65 　　5-4-2. Al2O3基板 ………………………………………………………… 66 　　5-4-3. 85MZCLT基板 …………………………………………………… 66 第六章 結論 ……………………………………………………　 93 參考文獻 圖目錄 圖2-1　ABO3 化合物與離子半徑的關係 ……………………………… 10 圖2-2 (a)四種極化機構﹔(b)頻率響應圖 …………………………　 10 圖2-3 圓柱型DR電場分佈圖 …………………………… 11 圖2-4 圓柱型DR中各種mode之外部與內部功率傳輸比 ……………… 12 圖3-1 (a)微帶線之結構示意圖(b)微帶線結構電場與磁場分布圖 ……………… 36 圖3-2 步階組抗不連續處示意圖(a)實際結構(b)等效電路 ………………… 36 圖3-3 微帶線開路端效應　………………………　 37 圖3-4 直角彎折效應之結構圖與等效電路 ……………………… 37 圖3-5 偶合微帶線結構示意圖 …………………………… 38 圖3-6 偶合微帶線準TEM模態(a)偶模態(b)奇模態 ………………… 38 圖3-7 n個由回路推導的偶合共振器等效電路 ………………… 38 圖3-8 圖3-7的等效電路網路表示　………………………　39 圖3-9 n個由回路推導的偶合共振器等效電路 ………………………　 39 圖3-10 圖3-9的等效電路網路表示 …………………………　 39 圖3-11 偶合係數的大小由共振器之間的幾何形狀與共振頻率決定 ………… 40 圖3-12 微帶線共振器電場強度分布圖(a) 短路(b) 開路 ……………… 40 圖3-13 幾種電場偶合的共振器佈局 ……………………… 40 圖3-14 兩電場偶合的共振器等效電路圖 ………………………… 41 圖3-15 當 以及 的等效π型網路 ……………………… 41 圖3-16 表示電場偶合使用導納反轉子的另一種等效電路圖 ………… 42 圖3-17 微帶線共振器之磁場強度分佈圖(a) 短路(b) 開路 ………………… 42 圖3-18 幾種磁場耦合的共振器佈局 …………………… 42 圖3-19 兩磁場耦合的共振器之等效電路圖 …………………… 43 圖3-20 當 以及 的等效T型網路 ………………… 43 圖3-21 表示磁場耦合使用阻抗反轉子的另一種等效電路圖 ……… 44 圖3-22 幾種混和耦合的共振器佈局 ………………………… 44 圖3-23 兩混和耦合的共振器之等效電路圖 …………………………… 45 圖3-24 使用導納反轉子和阻抗反轉子個別代表電場、磁場耦合的等效電路圖…45 圖3-25 (a)對稱式饋入(b)非對稱式饋入(零度饋入) …………………… 46 圖3-26 零度饋入電場偶合共振器等效電路 ……………………… 46 圖3-27 半波長微帶傳輸線共振器示意圖 ……………………… 46 圖3-28 偶合微帶線一端掛上負載示意圖 ……………………… 47 圖3-29 圖3-28分別在奇模態與偶模態時的示意圖 ………………… … 47 圖4-1 實驗流程圖 ………………………………… 55 圖4-2 Courtney hold基本架構 ……………………… 56 圖4-3 量測用模具組 ……………………………… 56 圖4-4 判別TE mode 和TM mode之方法 ……………………… 57 圖4-5 (a)TE011 mode (b)TE012 mode ……………………… 57 圖4-6 一顆DR放入測量系統內測量介電常數 ……………………… 58 圖4-7 二顆DR放入測量系統內測量介電常數 ……………………… 58 圖4-8 濾波器電路佈局 ………………………… 59 圖4-9 濾波器量測架構 ……………………………… 59 圖5-1 MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的XRD圖 ……………… 68 圖5-2 MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的SEM圖 ……………… 69 圖5-3 針對A，B，C三種晶粒做EDS分析 ……………………………… 70 圖5-4 A晶粒的EDS分析圖 ……………………………… 70 圖5-5 B晶粒的EDS分析圖 ………………………………… 71 圖5-6 C晶粒的EDS分析圖 ……………………………… 71 圖5-7 MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的密度圖 ………… 72 圖5-8 MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的Q×f圖………… 72 圖5-9 MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的介電常數圖……………… 73 圖5-10 MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的共振頻率溫度係數圖　…… 73 圖5-11 85MZCLT不同燒結溫度的XRD圖 ………………………… 74 圖5-12 85MZCLT在不同燒結溫度下的SEM圖 ………………………… 75 圖5-13 85MZCLT在不同燒結溫度下的密度關係圖 ……………………… 76 圖5-14 85MZCLT在不同燒結溫度下的介電常數關係圖 …………… 76 圖5-15 85MZCLT在不同燒結溫度下的Q×f關係圖 …………………… 77 圖5-16 85MZCLT在不同燒結溫度下的共振頻率溫度係數關係圖 ……… 77 圖5-17 85MZCLT添加0.5wt%V2O5在不同燒結溫度下的XRD圖 ……… 78 圖5-18 85MZCLT添加1wt%V2O5在不同燒結溫度下的XRD圖 ………… 79 圖5-19 85MZCLT添加2wt%V2O5在不同燒結溫度下的XRD圖 …………… 79 圖5-20 85MZCLT添加4wt%V2O5在不同燒結溫度下的XRD圖 …………… 80 圖5-21 85MZCLT添加0.5wt%V2O5在不同燒結溫度時的SEM圖 …………… 81 圖5-22 85MZCLT添加1wt%V2O5在不同燒結溫度時的SEM圖 ………………　82 圖5-23 85MZCLT添加2wt%V2O5在不同燒結溫度時的SEM圖 ……………… 83 圖5-24 85MZCLT添加4wt%V2O5在不同燒結溫度時的SEM圖 ……………… 84 圖5-25 85MZCLT不同添加量在不同燒結溫度時的密度圖 ………………… 85 圖5-26 85MZCLT不同添加量在不同燒結溫度時的介電常數圖 ………… 85 圖5-27 85MZCLT不同添加量在不同燒結溫度時的Q×f圖 ………………… 86 圖5-28 85MZCLT不同添加量在不同燒結溫度時的共振頻率溫度係數圖 …… 86 圖5-29 實作濾波器的layout圖 …………………………… 87 圖5-30 電容性負載產生的零點位置 ………………………………… 87 圖5-31 以FR4為基板時的電路圖 ………………………………… 88 圖5-32 以FR4為基板時的HFSS模擬結果 …………………………… 88 圖5-33 以FR4為基板時的實作量測圖 …………………………… 89 圖5-34 以Al2O3為基板的電路圖 …………………………… 89 圖5-35 以Al2O3為基板的HFSS模擬結果 …………………………… 90 圖5-36 以Al2O3為基板的實作量測圖 …………………………… 90 圖5-37 以85MZCLT為基板的電路圖 …………………………… 91 圖5-38 以85MZCLT為基板的HFSS模擬結果 …………………………… 91 圖3-39 以85MZCLT為基板時的實作量測圖 ………………………… 92 表目錄 表2-1　週期表上適合鈣鈦礦結構之元素 …………………………………　 12 表5-1　MZCLT在燒結溫度1320℃持溫4小時的介電特性數據　　…… 78

    參考文獻

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    下載圖示 校內：2007-06-22公開
    校外：2007-06-22公開
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