Brevet FR2755128A1 — publié le 19980430

COMPOSITION CERAMIQUE MAGNETIOUE POUR L'UTILISATION DANS DES DISPOSITIFS A lJlICRO-ONDES, CERAMIOUE MAGNETIOUE POUR L'UTILISATION DANS DES DISPOSITIFS A MICRO-ONDES ET SON PROCEDE DE PREPARATION La présente invention est relative à un matériau pour l'emploi dans des dispositifs à bande micro-ondes qui sont utilisés par le grand public et dans des appareils d'électronique industrielle. En particulier, la présente invention est relative à une composition céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, à une céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à microondes, et à son procédé de préparation, composition dans laquelle la magnétisation de saturation peut être facilement contrôlée, et dans laquelle sont assurés une faible largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique, et un point de Curie acceptable. Récemment, parallèlement à l'emploi universel de moyens de communication tels que les téléphones de voiture, les téléphones portables, les téléphones sans fil, et les récepteurs de télécommunication par satellite, de gros progrès ont été effectués dans les circuits à microondes, et dans les circuits intégrés. En conséquence, la tendance est à une large utilisation de la céramique magnétique dans des dispositifs à microondes, tels que les isolateurs, les conducteurs, les stimulateurs S/N, et dispositifs similaires. De telles céramiques magnétiques pour dispositifs à microondes sont utilisées le plus souvent dans des isolateurs ou des conducteurs. Les céramiques magnétiques conventionnelles typiques sont le YIG (Y3Fe5012), les ferrites Ni-Zn, les ferrites Mn-Mg, et les ferrites Li.En même temps, si la céramique magnétique pour dispositifs à microondes doit être appliquée aux composants à bande micro-ondes, tels que les isolateurs et les conducteurs, il faut assurer une magnétisation de saturation appropriée dans laquelle des ajustements doivent être possibles dans l'intervalle de 100 à 1.800 G. De plus, dans la bande micro-ondes, la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique doit descendre à 60 Oe, et le coefficient de température pour la magnétisation de saturation doit descendre vers 0,2 O/o/"C. Si le coefficient de température pour la magnétisation de saturation est élevé, on ne peut obtenir une stabilité de la température, et si la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique est élevée, la caractéristique de perte dans la bande micro-ondes est altérée. Cependant, parmi les céramiques magnétiques conventionnelles pour les dispositifs à micro-ondes, la série YIG présente une magnétisation de saturation appropriée, une faible largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique, mais un coefficient de température relativement élevé, de 0,3 à 0,4 /O/OC pour la saturation magnétique. En même temps, dans le cas des ferrites Ni-Zn et des ferrites Mn-Mg, la magnétisation de saturation est élevée, et le coefficient de température est relativement faible, mais la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique s'élève à 160 Oe. En même temps, dans le cas des ferrites Li, la magnétisation de saturation est appropriée, et le coefficient de température est faible, mais la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique s'élève à 300 Oe. Les céramiques magnétiques conventionnelles pour dispositifs à micro-ondes décrites plus haut présentent donc des problèmes pratiques d'application aux composants de bande micro-ondes. De plus, au cours de la préparation des céramiques magnétiques, on utilise des matières premières onéreuses, telles que l'oxyde d'yttrium, L'oxyde de fer, et autres similaires, ce qui entraîne un alourdissement du point de vue économique. La présente invention est destinée à surmonter les inconvénients des techniques conventionnelles, décrits ci-dessus. C'est donc un objet de la présente invention, de prévoir une composition céramique pour l'utilisation dans des dispositifs à microondes, dans laquelle les contrôles sont faciles, une magnétisation de saturation appropriée est assurée, une faible largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique est assurée, le coefficient de température pour la magnétisation de saturation est faible, un ratio stable d'ingrédients est assuré, et la fabrication est économiquement acceptable. C'est un autre objet de la présente invention, de prévoir une céramique magnétique et son procédé de préparation, dans lequel une magnétisation de saturation appropriée est assurée, une faible largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique est assurée, le coefficient de température pour la magnétisation de saturation est faible, et une application pratique aux composants à bande micro-ondes est possible. Pour la réalisation des objets ci-dessus, la composition de céramique magnétique pour dispositifs à micro-ondes comprend de l'oxyde d'yttrium (Y203), de l'oxyde de fer (Fe203), de l'oxyde d'étain (SnO2), de l'oxyde d'aluminium (Al2O3), et une source d'apport de calcium, et elle est définie comme suit: Y3-xCax/2Snx/2Fe5-yAlO12 où0,l Dans la composition céramique magnétique suivant la présente invention, la source apportant le calcium peut être le carbonate de calcium (CaC03), ou l'oxyde de calcium (CaO). Dans le cas de l'oxyde de calcium, un processus de broyage à boulets peut être appliqué au cours de la préparation de la composition de céramique magnétique pour les dispositifs à micro-ondes, de façon à ce qu'un mélange uniforme puisse être réalisé. Les céramiques magnétiques pour dispositifs à micro-ondes sont fabriquées en effectuant une mise en forme et un frittage après mélange de l'oxyde d'yttrium, de l'oxyde de fer, de l'oxyde d'étain, de l'oxyde d'aluminium, et du carbonate de calcium (ou de l'oxyde de calcium) sur la base de la formule donnée ci-dessous. Elles ont une magnétisation de saturation de 100 à 1.800 G à température normale, un coefficient de température pour la magnétisation de saturation, de 0,2 %/ C, et une largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique de moins de 60 Oe. Y3 xCa X2Snxz2Fe, yAlyOl2 où 0,1 Le procédé de fabrication de céramiques magnétiques pour dispositifs à micro-ondes comprend les étapes de: - mélange de l'oxyde d'yttrium, de l'oxyde de fer, de l'oxyde d'étain, de l'oxyde d'aluminium, et du carbonate de calcium (ou de l'oxyde de calcium) pour former une mixture sur la base de la formule donnée ci-dessous; - séchage de la mixture, et de traitement par calcination à une température de 1.100 à 1.200 C pendant 1 à 3 heures pour former une poudre calcinée; - d'addition d'un liant à la poudre calcinée; et de transformation de cette dernière en un objet mis en forme; et - de frittage de l'objet mis en forme, à une température de 1.300 à 1 .5000C sous atmosphère d'air: Y3 yC a"X2Snxz2Fes yAlyO 12 où 0,1 Dans la composition de céramiques magnétiques pour dispositifs à micro-ondes décrite ci-dessus, si la quantité d'oxyde d'aluminium se substituant à l'oxyde de fer est augmentée, la magnétisation de saturation de la céramique magnétique pour dispositifs à micro-ondes, est diminuée. Cependant, si la quantité de substitution est supérieure à 1,5 mole, alors la magnétisation de saturation est diminuée, et la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique augmente en flèche, avec pour conséquence, que l'utilisation pratique devient impossible. En outre, dans la composition suivant la présente invention, L'oxyde d'étain et la source foumissant le calcium sont dans une relation de substitution. Lorsque la quantité de substitution entre l'oxyde d'étain et la source fournissant le calcium augmente, la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique diminue, et le coefficient de température pour la magnétisation de saturation diminue également, de même que la température optimum de frittage s'abaisse. En revanche, si la substitution est faite à raison de plus d'une mole, la magnétisation de saturation est diminuée, mais la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique est augmentée. La composition de céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, la céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, et leur procédé de fabrication vont être décrits ci-dessous en détail, en s'appuyant sur un exemple réel. Cet exemple est présenté pour décrire la présente invention d'une manière spécifique, et il apparaîtra à ceux qui sont de compétence normale dans l'art, que la présente invention ne sera pas limitée par l'exemple présenté. D'abord, L'oxyde d'yttrium, L'oxyde de fer, l'oxyde d'étain, L'oxyde d'aluminium, et le carbonate de calcium (ou l'oxyde de calcium) ont été pesés comme indiqué dans le Tableau 1 ci-après, et ils ont été mélangés ensemble, à de l'eau dé-ionisée. L'opération de mélange a été effectuée en appliquant un processus de broyage à boulets, opération dans laquelle il a été utilisé des boulets de zirconium, et une bouteille en plastique. Après la fin de l'opération de mélange, la mixture a été séchée, et la poudre séchée a été soumise à une calcination à une température de 1.100 à 1200"C pendant 2 heures. Puis, une quantité appropriée de polyvinyl alcool, en tant que liant, a été ajoutée à la poudre calcinée, puis le mélange a été effectué dans un mortier en oxyde de zirconium. Le produit mélangé a été transformé en une éprouvette de la forme d'un disque de 10 mm de diamètre, et d'une hauteur de 3 mm, en utilisant une presse hydraulique et une matrice. La pression de transformation était, dans ces conditions, supérieure à 1,0 tonne par cm Puis, I'éprouvette transformée a été mise sous forme sphérique. Elle a été ensuite montée sur un support en oxyde de zirconium, et un frittage a été effectué à une température supérieure à 1.300 C en utilisant un four électrique. Pour l'éprouvette en céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, qui a été obtenue par le procédé décrit plus haut, la magnétisation de saturation en fonction de la variation de température, a été mesurée en utilisant un magnétomètre à échantillon vibrant. De plus, la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique a été mesurée en appliquant un champ magnétique d'une fréquence de 10 GHz, selon une procédure de perturbation de cavité. En outre, le coefficient de température de la magnétisation de saturation a été obtenu dans l'intervalle 25-1250C en appliquant l'équation ci-dessous, et en se basant sur une magnétisation de saturation à 25 C. 4ohms (125 C) - 4flMs (25"C) a= -------------------------------------- 4plus (250C) AT où a est le coefficient de température de la magnétisation de saturation, 4flMs (1250C) est la magnétisation de saturation à 125"C, 4HMs (250C) est la magnétisation de saturation à 250C, et AT est la différence de température mesurée (dans le cas présent: 1250C - 25"C = 100"C) Pour la céramique magnétique pour l'utilisation dans les dispositifs à micro-ondes suivant la présente invention, la magnétisation de saturation, la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique, et le coefficient de température de la magnétisation de saturation, sont présentés dans le Tableau 1 ci-dessous. Eprouvette Composition Conditions de Saturation Résonance Coeff. de N (moles) frittage magnétique terri- tempe magnétique rature x Y T Temps (4#Ms) (Largeur) (Saturation) ~ ( C) (heures) (G) (oye) %10C l 0,1 1,48 1.425 3 337 58 0,3 2 0,1 0,2 1.475 3 1.782 59 0,16 3 0,15 1,03 1.425 3 477 56 0,28 4 0,24 1,27 1.425 3 486 55 0,27 5 0,3 1,33 1.400 4 512 48 0,25 6 (*) 0,3 1,33 1.400 4 508 49 0,24 7 0,46 1,05 1.350 4 688 46 0,18 8 (*) 0,46 1,05 1.350 4 694 48 0,20 9 0,57 0,96 1.350 4 723 52 0,12 10 0,62 0,98 1.350 4 802 56 0,13 Il 0,68 0,65 1.350 5 812 60 0,16 12 0,72 0,54 1 .350 5 856 52 0,16 13 0,74 0,58 1.350 5 842 56 0,17 14 0,82 0,34 1.350 5 886 52 0,11 15 0,88 0,32 1.325 5 1.051 52 0,13 16 0,91 1,44 1.350 5 107 59 0,19 17 0,91 0,23 1.325 5 1.081 50 0,13 18 1,0 0,22 1.300 6 1.206 58 0.14 (*) Utilisation d'oxyde de calcium au lieu de carbonate de calcium comme source de calcium. Comme on peut le voir dans le Tableau 1 ci-dessus, dans les compositions de céramiques magnétiques pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, suivant la présente invention, parallèlement à l'augmentation de la quantité d'oxyde d'aluminium se substituant à l'oxyde de fer, il y a eu diminution de la magnétisation de saturation, et la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique a d'abord diminue, puis augmenté. Le ratio de composition optimum d'oxyde d'aluminium a pu être varié parallèlement à la quantité de substitution de carbonate de calcium et d'oxyde d'étain, et les valeurs mesurant les propriétés ont présenté le niveau approprié, dans l'intervalle 0,3-1,5 mole. De plus, parmi les compositions suivant la présente invention, parallèlement à l'augmentation de la quantité de carbonate de calcium et d'oxyde d'étain se substituant à l'oxyde d'yttrium, la température optimum de frittage a été abaissée, la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique a diminué, et le coefficient de température de la magnétisation de saturation a été diminué. Cependant, si la substitution est effectuée à raison de plus de 1 mole, la magnétisation de saturation diminue, mais la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique est augmentée. Comme on peut encore le voir dans le Tableau l ci-dessus, même si l'oxyde de calcium a été utilisé à la place du carbonate de ca comme source d'apport de calcium, il n'y a pas eu beaucoup de variation de la magnétisation de saturation, de la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique, et du coefficient de température de la magnétisation de saturation. En même temps, dans la même composition, si la température de frittage était élevée, la magnétisation de saturation de l'objet fritté était légèrement augmentée, tandis que si la période de temps de frittage était allongée, la largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique était alors légèrement diminuée. Suivant la présente invention, comme cela est décrit plus haut, on obtient une céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes dans laquelle, à température normale, une magnétisation de saturation de 100 à 1.800 G, un coefficient de température pour la magnétisation de saturation de 0,2 /O/OC, et une largeur à mi-courbe de résonance ferrimagnétique de 60 Oe sont assurés, et à laquelle sont conférées une magnétisation de saturation appropriée, une stabilité régulière de la température, et une caractéristique de perte, supérieure. Les céramiques magnétiques pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes suivant la présente invention, peuvent donc être employé avantageusement dans la fabrication de composants à bande micro-ondes, tels que les isolateurs à bande micro-ondes, les conducteurs, et les stimulateurs S/N. De plus, dans la présente invention, en tant que matières premières, les produits onéreux, oxyde d'yttrium et oxyde de fer, sont associés à des produits bon marché, oxyde d'étain, oxyde d'aluminium, et carbonate de calcium (ou oxyde de calcium). il est donc possible de fournir une céramique magnétique destinée à des dispositifs à microondes de haut de gamme. REVENDICATIONS 1. - Composition de céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, comprenant de l'oxyde d'yttrium, de l'oxyde de tèr, de l'oxyde d'étain, de l'oxyde d'aluminium, et une source d'apport de calcium, basée sur la formule: Y3 -xCax/2Snx/2Fe5-yAlyO12 où 0,1 2.- Composition de céramique magnétique selon la revendication 1, dans laquelle ladite source d'apport de calcium est le carbonate de calcium, ou l'oxyde de calcium 3.- Céramique magnétique pour l'utilisation dans des dispositifs à micro-ondes, comprenant de l'oxyde d'yttrium, de l'oxyde de fer, de l'oxyde d'étain, de l'oxyde d'aluminium, et une source d'apport de calcium, basée sur la formule: Y3- xCax/2Snx/2Fe5-yAlyO12 où 0,1 4.- Céramique magnétique selon la revendication 3, dans laquelle ladite céramique magnétique a une magnétisation de saturation de 100 à 1.800 G à température normale, un coefficient de température pour la magnétisation de saturation, de 0,2 %/ C, et un largeur à micourbe de résonance ferrimagnétique, de moins de 60 Oe. 5.- Procédé de fabrication d'une céramique magnétique pour dispositifs à micro-ondes comprenant les étapes de: - mélange d'oxyde d'yttrium, d'oxyde de fer, d'oxvde d'étain, d'oxyde d'aluminium, et de carbonate de calcium (ou d'oxyde de calcium) pour former une mixture sur la base d'une formule donnée cidessous; - séchage de la mixture, et de traitement par calcination à une température de 1.100 à 1.200 C pendant 1 à 3 heures pour former une poudre calcinée; - d'addition d'un liant à la poudre calcinée; et de transformation de cette dernière en un objet mis en forme ; et - de frittage de l'objet mis en forme, à une température de 1.300 à 1.500 C sous atmosphère d'air: Y3-xCax/2Snx/2Fe5-yAlyO12 où 0,1 #x# 1, et 0,1 # y# 1,5.