Semelhante a ESTUDO DAS PROPRIEDADES DIELÉTRICAS E ELÉTRICAS DA CERÂMICA Mg4Nb2O9 ADICIONADAS COM V2O5 PARA APLICAÇÃO EM DISPOSITIVOS DE RF E MICROONDAS
Semelhante a ESTUDO DAS PROPRIEDADES DIELÉTRICAS E ELÉTRICAS DA CERÂMICA Mg4Nb2O9 ADICIONADAS COM V2O5 PARA APLICAÇÃO EM DISPOSITIVOS DE RF E MICROONDAS (20)
Revestimentos Protetores Obtidos a Plasma na Indústria Metal-Mecânica
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DIELÉTRICAS E ELÉTRICAS DA CERÂMICA Mg4Nb2O9 ADICIONADAS COM V2O5 PARA APLICAÇÃO EM DISPOSITIVOS DE RF E MICROONDAS
1. Universidade Federal do Ceará
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI)
ESTUDO DAS PROPRIEDADES DIELÉTRICAS E ELÉTRICAS
DA CERÂMICA Mg4Nb2O9 ADICIONADAS COM V2O5 PARA
APLICAÇÃO EM DISPOSITIVOS DE RF E MICROONDAS
Aluno: José Miranda da Silva Filho
Orientador: Dr. Antônio Sérgio Bezerra Sombra
Defesa de Tese de Doutorado
2. 2
Sumário
Objetivo
Justificativas e motivação
Fundamentação teórica
A cerâmica LTCC (Mg4Nb2O9 ≡MN)
Propriedades
Aplicações
Propriedades dielétricas
Modelos de relaxação dielétrica
Antenas ressoadoras dielétricas (DRAs)e e sua análise
Procedimentos Experimentais
Resultados e Discussões
Conclusões
Perspectivas futuras
Publicações decorrentes do trabalho
Agradecimentos
Referências
3. 3
Objetivos
Obter a cerâmica Mg4Nb2O9 LTCC através da síntese
de estado sólido com moagem mecânica de alta
energia.
Estudar as propriedades elétricas e dielétricas de uma
série da cerâmica Mg4Nb2O9 obtida adicionada com
os óxidos V2O5, e discutir a influência da desse
óxido, visando conferir melhores propriedades
elétricas e dielétricas para aplicação em dispositivos
que operem em RF e microondas.
Conferir tais propriedades através de simulações e
adequações com modelos teóricos visando otimização
4. 4
Justificativas e Motivação
Desenvolvimento de dispositivos cada vez mais
eficientes com alto desempenho elétrico e dielétrico
para suprir o crescente setor de telecomunicação.
Os materiais LTCC neste contexto tem grande
parâmetro de importância que é uma baixa
temperatura de sinterização que possibilita a
utilização vantajosa para os conceitos de
encapsulamento atuais em módulos microeletrônicos
e microondas.
O presente material possui uma baixa perda dielétrica
o que também possibilita uma combinação versátil
de componentes microondas passivos tais como
micro-fitas, antenas, filtros, ressonadores, capacitores,
indutores, etc.
6. 6
A cerâmica ortorrômbica (Mg4Nb2O9)
São classificadas em 4 (quatro) principais classes e é um
dos óxidos de niobato de magnésio já reconhecidos:
Óxido 1 (MgM2O6)
Óxido 2 (Mg4M2O9)
Óxido 3 (Mg5M4O15)
Óxido 4 (Mg2/3M11(1/3)O9)
onde (M = Ta, Nb)
8. Propriedades
É uma cerâmica de calcinação simultânea de baixa temperatura
(LTCC).
Permissividade dielétrica entre (10-15) ou maior.
Baixíssimas perdas dielétricas.
Fotoluminescente a temperatura ambiente dopado com cério.
8
9. Aplicações
Podem ser aplicadas em diferentes setores do mercado consumidor.
Antenas ressoadoras dielétricos (DRAs)
Material apropriado de camada de memória temporária em dispositivos de
memória ferroelétricos
Dispositivos de múltiplas camadas em comunicações moveis e radar
Capacitores internos que requerem desacoplamento monolítico podem ter
melhor desempenho em encapsulamento LTCC.
Componentes embarcados em tecnologia microondas.
Conjuntamente com componentes que requerem circuitos de alta frequência
trabalhando em comunicações de dados de alta velocidade por possuir
baixa perda.
9
10. 10
(i) Material de camadas para dispositivos de
memória temporária (BUFFER)
(ii) Antenas ressonadoras dielétricas
(iii) Capacitores de múltiplas camadas
(iv) Atuadores em pilha
(v) Transdutores
(vi) Lâmpadas fluorescentes frias
Alguns Componente fabricados com MN
terminal
terminal
Camadas
dielétricas
Eletrodo
encapamento
Camadas
dielétricas
Placa mãe
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(vi)
11. Propriedades dielétricas
As equações de Maxwell descrevem o comportamento dos
campos eletromagnéticos, e suas interações com os materiais.
As quatro equações de Maxwell na forma diferencial são:
t
B
F
D
onde F, D, H e B são os vetores campo elétrico, densidade de
fluxo elétrico ou deslocamento elétrico, campo magnético,
densidade de fluxo magnético ou indução magnética
respectivamente, J é o vetor denominado de densidade de
corrente elétrica, e ρ a densidade de carga.
12. O parâmetro B se relaciona com o H, e o D com F, e J com F,
através das equações:
B H
D F
J F
onde µ, ε e σ são respectivamente a permissividade, permeabilidade
e a condutividade do material (meio).
Usualmente os valores relativos de µ e ε, são expressos por:
0
r
0
r
6 1
1.257 10o H m
12 1
8.854 10o F m
onde
e
São a permeabilidade e
permissividade do espaço
livre respectivamente.
13. A ação de um campo elétrico variante no tempo aplicado sobre um
capacitor de placas paralelas separadas de uma distância d, e com área
transversal unitária (Fig. 3.1), produz uma corrente total, dada por:
J
*
T
d
t dt
D F
J J J
onde, é a corrente de condução e é
definida como a permissividade complexa, a
qual é introduzida as perdas dielétrica devido
à polarização e ao movimento dos dipolos
elétricos. Isso pode ser escrito como:
J
*
* ' ''
j ' ''
( )r r oj
Vamos considerar para simplificação um campo aplicado
com função senoidal de frequência angular ω igual a: exp( )m j tF F
Capacitor de placas paralelas com área
unitária em campo elétrico alternado
(KAO, 2004)
14. usando as relações e equações anteriores, obtemos:
' ''
( )T j j J F F
'' '
( ) j F F
Em muitos casos a contribuição do primeiro termo é desprezada, e podemos escrever a
Tangente de perdas dielétricas, como mostra a figura abaixo:
'
''
r
r
eTan
''
rac
erTan '
Circuito equivalente de um capacitor de placas
paralelas de área unitária em campo elétrico alternado
(KAO, 2004)
*
*
1
r
M
Espalhamento ineslático dos P. de cargas Atrito no processo de polarização
Relativo à corrente
de deslocamento
15. Modelos de Relaxação Dielétrica
Existe na literatura modelos e equações empíricas para estudar a relaxação
dielétrica de materiais.
j
s
1
*
1
*
1 j
s
)1(
*
1
j
s
(Debye)
(Cole-Cole)
(Cole-Davidson)
(Havriliak-Negami)
20. Antena Ressoadora Dielétrica (DRA) e sua análise.
Utilização dos ressoadores dielétricos (RDs):
Por muitos anos os RDs foram usados principalmente como
osciladores e filtros em microondas.
Materiais com εr > 20 e fator de qualidade (Q) podendo atingir
valor de até 10.000.
São tratados como dispositivos capazes de armazenar energia e
radiadores.
20
21. A nova utilização dos RDs:
A idéia de usar os RDs como antenas só foi bem aceita em
1983 através do estudo publicado por Long, McAllister e Shen
sobre DRA cilíndrica.
Nesse período, observou-se bom comportamento numa faixa
de rádio frequência a microondas, podendo ser usado em
ondas milimétricas (100 – 300 GHz).
E posteriormente estudos foram desenvolvidos pela
comunidade científica para DRA retangulares, semi-esféricas,
triangulares, esféricas e anel-cilíndricas.
21
22. Diferentes formas geométricas para as DRAs (LUCK; LEUNG, 2003)
22
Tipos:
Cilíndrico
Semi-esférico
Retangular
Esférico
Disco circular
Triangular
23. Vantagens
23
Uma das grandes vantagens das DRAs comparadas com antenas
metálicas tradicionais é o fato desta não possuir perdas por condução
principalmente em microondas.
E conseqüentemente grande eficiência de radiação por haver poucas
perdas devido a ausência de metais.
Vantagens em relação ao tamanho, perfil e peso, e dimensão
proporcional a:
E possuir maior largura de banda e mecanismo de excitação simples,
flexíveis e fáceis de controlar.
'
0 r
24. Os principais modos de ressonância:
Transversal Elétrico (TE)
Transversal Magnético (TM)
Híbridos (HEM)
Geralmente, os modos que são utilizados para aplicações em
que o ressoador é o elemento radiante são os modos TM01δ,
TE01δ e HEM10δ.
24
25. 25
Aproximações iniciais:
Paredes perfeitamente condutoras e contato da sonda com o ressoador são
ignorados
As funções de ondas, para o modos TE e TM na direção de z:
( )
TE
np
TEnpm n
X
J Asen B
a
cos( )
TM
np
TMnpm n
X
J A B
a
( )
cos( )
sen n
A
n
(2 1)
2
m z
B
d
onde e
Os índices subscritos em cada modo (TEnpm) e (TMnpm) se refere as variações do campo
nas direções azimutal , radial e axial . E é a função de Bessel
de ordem n de primeiro modo. A escolha de e depende da posição de
alimentação e são raízes que satisfazem as equações que seguem:
( )n ( )p ( )m z nJ
sen n cos n
,TE TM
np npX X
DRA cilíndrico com plano de terra em Z=0
26. 26
0TE
n npJ X
'
0TM
n npJ X
TE:
TM:
em que é derivada de ordem n da função de Bessel de primeiro modo em
relação a . Através da equação de onda:
'
nJ
r
2
2 2 2
r z r
f
k k
c
1
TE
np
r TM
np
X
k
a X
(2 1)
2
z
m
k
d
2
2
2
1 ( )
(2 1)
42
npm
a
f C m
da
TE
np
TM
np
X
C
X
com e
podemos obter a freqüência de ressonância:
onde
podemos observar que o ressoador dielétrico cilíndrico oferece grande flexibilidade, pois
através da razão raio (a) e altura (d) do ressoador pode-se controlar a freqüência de
ressonância e o fator de qualidade com boa precisão, uma vez que a permissividade (ε) e
a permeabilidade (μ) são características do próprio material em estudo.
35. Identificação de Fase
Difratograma padrão e o obtido através da moagem mecânica por 5h (CoKα, λ=1.88405 Å)
35
A identificação da
maioria dos picos de
difração foi realizada
e concorda com a
estrutura cristalina
hexagonal
36. Refinamento Rietveld
36
Padrões de Difração do refinamento de Rietveld para Mg4Nb2O9 para
Observado , Calculado e Diferença (Observado – Calculado)
(CoKα, λ=1.8885Å)
44. Permissividade Dielétrica Parte Real
– Parte real da permissividade variando com a freqüência para diferentes temperaturas das amostras: a) N00 b) (MN0 2c) MN05 e d) MN10.
45. Permissividade Dielétrica Parte Complexa
Parte imaginária da permissividade e a frequência com diferentes temperaturas das amostras:MN00, MN02, MN05 e MN10.
46. Impedância Elétrica Parte Real
↑σ
liberação de possíveis
cargas espaciais, ou
consequentemente a
diminuição da
barreira de energia de
separação dos
portadores de cargas
nos materiais
(ASHOK KUMAR et
al., 2006)
48. Figuras de Nyquist
gg
g
g
CRi
R
Z
1
gbgb
gb
gb
CRi
R
Z
1
22
'
)(1)(1 RgRg
gb
gg
g
CR
R
CR
R
Z
22
''
)(1)(1 RgRg
gbgb
gb
gg
gg
CR
CR
R
CR
CR
Z
As componentes real e imaginária
da impedância total do circuito
equivalente são dadas por:
Os menores diâmetros em baixas
frequências representam pequenas
resistências e diminuem com
aumento da temperatura (JAMNIK,
2001; ABDULLAH; YUSOFF, 2001)
49. Variação da condutividade ac em função da frequência e da temperatura
Condutividade
KT
Ea
exp0
Natentativadeexplicaromecanismodetrans.elétrico
dispersão
Arhenius
50. Valores de Condutividade com
Parte Imaginária da Impedância
305 2.99 x 106 2.85 x 10-9 8.67 x 107 6.99 x 10-11 8.45 x 108 5.86 x 10-8
330 1.10 x 106 7.76 x 10-9 2.42 x 107 2.22 x 10-10 6.94 x 107 7.42 x 10-7
355 3.35 x 105 2.55 x 10-8 8.68 x 106 7.30 x 10-10 2.93 x 107 1.38 x 10-7
380 1.39 x 105 6.16 x 10-8 1.17 x 106 5.22 x 10-9 3.54 x 106 1.48 x 10-5
405 1.29 x 105 1.29 x 10-7 4.63 x 105 1.32 x 10-8 4.53 x 105 1.16 x 10-4
430 3.56 x 105 2.40 x 10-7 1.41 x 105 4.34 x 10-8 1.59 x 105 3.29 x 10-4
ToC ZRe (Ω)
MN00
σ [(Ω.m)-1]
MN00
ZRe (Ω)
MN02
σ (Ω.m)-1
MN02
ZRe (Ω)
MN05
σ (Ω.m)-1
MN05
51. Módulo Dielétrico
1M
Variação do módulo elétrico real em função da frequência e da temperatura
Como no caso
temp. ambiente.
Ausência de
força
restauradora
governando a
mobilidade dos
portadores de
carga sob a ação
de um campo
elétrico induzido
52. Variação do módulo elétrico imaginário em função da frequência e da temperatura
Na região onde o pico aparece é um indicativo de transição de faixa da mobilidade longa para a curta , com o
aumento da frequência e temperatura para os portadores de carga envolvidos no processo (Não-Debye).
(Arrhenius)
KT
E
ff a
exp0
77. Padrão de Radiação
Padrões de Radiação Simulada de (a) Eθ (φ=0o) e Eθ (φ=90o); (b) Eφ (θ = 00) e Eφ (θ = 900) da amostra MN00
78. Padrão de Radiação
Padrões de Radiação Simulada de (a) Eθ (φ=0o) e Eθ (φ=90o); (b) Eφ (θ = 00) e Eφ (θ = 900) da amostra MN02
79. Padrões de Radiação Simulada de (a) Eθ (φ=0o) e Eθ (φ=90o); (b) Eφ (θ = 00) e Eφ (θ = 900) da amostra MN05
80. Carta de SMITH
Carta de SMITH da impedância de entrada experimental e HFSS para a amostra pura e MN02
81. Conclusões
Tendo em vista todos os resultados do presente trabalho podemos concluir
que a moagem mecânica de alta energia foi eficaz na obtenção da
hexaferrita, bem como:
A hexaferrita (Ba2Co2Fe12O22) mostrou-se potencialmente aplicável em
dispositivos em rádio frequência por apresentar grandes valores de
permissividade 32,2 para (Y-Bi3T) e pequenas perdas dielétricas
1,03x10-2 para (Y- Pb3P) em 100MHz.
E passiva de miniaturização, e também possível uso proposto como
antenas ressoadoras dielétricas em microondas por apresentar
permissividade dielétrica e perdas dielétricas de até 32,19 e 3,71x10-2 em
4,81 GHz para (Y- Pb3P) e 37,75 e 5,14x10-2 em 4,76 GHz para
(Y- Bi10P).
81
82. Perspectivas futuras
O emprego de novas metodologias para obtenção do material cerâmico;
O aprofundamento no estudo microestrutural do material estudado
(microdeformação);
Emprego de outras técnicas de caracterização de materiais
(Infravermelho,);
Análise mais minuciosa da influência da composição dos pré-cursores
visando melhorias nas propriedades dielétricas e microondas do material
aqui estudado
Mudança do precursor Nb2O5 por Ta2O5
Investigar as propriedades de fotoluminescência através da dopagem de
cério;
Síntese e caracterização de uma outra fase para obtenção de um compósito
estável na faixa de microondas com a temperatura, envolvendo essa duas
fases.
Construção de um protótipo de uma DRA feita do material estudado
unidirecional polarizada com distribuições de campo para dois modos
ortogonais excitados
82
83. Agradecimentos
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
(CNPq)
U.S Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) (FA9550-06-1-0543
and FA9550-08-1-0210)
Laboratório de Raios-X da Universidade Federal do Ceará.
83
84. Referências
84
[1]FREIRE, F. N. A. Síntese e Estudo das Propriedades Estruturais e
Dielétricas de Matrizes Cerâmicas Compósitas (CMC) Baseadas em:
(Fe1/4Cu1/8Ti3/8)2O3/Fe5/8Cr3/8)2 O3/ b(Fe1/2Nb1/2)O3/CaTiO3 Para
Uso em Dispositivos Eletrônicos. Tese (Doutorado em
Química Inorgânica) – Universidade Federal do Ceará (UFC), 2008.
[2]L. P. Curecheriu. R. Frunza. And A. Ianculescu. Proces. Appl. Ceramic.
2. 81(2005).
[3]M.A.L. Nobre and S. Lanfredi. J.Phys. Condens. Matter. 12. 7833(2000).
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Belgrade, 2008)
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Glass, Vol. 13, 1972, p.172.
[9]V. Provenzano, L. P. Boesch, V. Volterra, C. T. Oynihan, P. B. Macedo,
“Electrical Relaxation in Na2O.3SiO2 Glass,” “Jounal of the American
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doi: 10.1111./j.1151-2916.1972.tb13413.x
85. [10] H. Jain and C. H. Hsieh, “ Window Effect in the Analysis of Frequency
Dependence of Ionic Conductivity” Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.
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[13] S. Chatterjee, P. K. Mahapatra, R. N. P. Choudhary and A. K. Thakur, “Complex
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Inductive caacities in the millimeter range. IRE Trans. Microw. Theory Tech. MTT-
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permittivity and permeability of microwave materials. IEEE Trans. Microw. Theory
Tech. MTT-18(1970)476–485
86. Publicações Decorrentes do Trabalho
PUBLICAÇOES RELACIONADAS À TESE
1. J.M.S. FILHO,1,2,5 C.A. RODRIGUES JUNIOR,4 D.G. SOUSA,3R.G.M.
OLIVEIRA,1 M.M. COSTA,3 G.C. BARROSO,4 and A.S.B. SOMBRA2, Impedance
Spectroscopy Analysis of Mg4Nb2O9 Ceramics with Different Additions of V2O5 for
Microwave and Radio Frequency Applications, Journal of ELECTRONIC
MATERIALS, Vol. 46, No. 7, 2017 doi: 10.1007/s11664-017-5324-0 2017
PUBLICAÇÕES NÃO RELACIONADAS À TESE
2. R.G.M. Oliveira, 1,2 D.B. Freitas,2 M.C. Romeu,2 M.A.S. Silva,2A. J. M. Sales,1,2
A.C. Ferreira,2 J.M.S. Filho,1,2 andA.S.B. Sombra, Design and Simulation of
Na2Nb4O11 Dielectric Resonatot Antenna Added with Bi2O3 for Microwave
Aplication, 1,2 DOI 10.1002/mop Microwave and Optical Technology Letters / Vol. 58,
No. 5, May 2016.
87. 3. D. G. Sousa G. D. Saraiva, J. M. S. Filho, J. M. Filho, A. S. B. Sombra,
Dielectric and microwave properties study of TiFeNbO6 ceramics added
Bi2O3, J Mater Sci: Mater Electron 2014 25:4450–4457 doi:
10.1007/s10854-014-2187-5.
4. R.G.M. Oliveira a, M.C. Romeu a, M.M. Costa b,c, , P.M.O Silva a, J.M.S.
Filho a, C.C.M. Junqueira d, A.S.B. Sombra a Impedance spectroscopy
study of Na2Nb4O11 ceramic matrix by the addition of Bi2O3, Journal of
Alloys and Compounds 584 2014 295–302,
http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.08.208.
5. M. C. Romeu, R. G. M. Oliveira, A. J. M. Sales, P. M. O. Silva, J. M. S.
Filho, M. M. Costa A. S. B. Sombra. Impedance spectroscopy study of
TiO2 addition on the ceramic matrix Na2Nb4O11, Mater Sci: Mater
Electron 2013 24:4993–4999 doi 10.1007/s10854-013-1514-6
6. C.A. Rodrigues Jr., J.M.S. Filho, P.M.O. Silva, M.A.S. Silva, C.C.M.
Junqueira, A.S.B. Sombra, “High dielectric permittivity and low loss of
SrBi4Ti4 with PbO and V2O5 additions for RF and microwave
applications”, 2013 Journal of Material Sci: Mater Electrons. Online
ISSN1573-482X, 0957-4522. doi: 10.1007/s10854-013-1271-6.
88. Trabalhos apresentados em congressos e encontros
1. Sousa, D.G., Silva Filho, J.M., Sales, J.C., Silva, M.A.S., Sales, A.J.M.,
Nascimento, J.P.C., Rodrigues Junior, C.A., Sombra, A.S.B., Caracterização
dielétrica da cerâmica ferroelétrica Ti0.4Fe0.3Nb0.3O2 (TFNO) com adição
de Bi2O3, 57o Congresso Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-
americano de Cerâmica de 19 a 22 de Maio de 2013 Natal –RN -Brasil
2. Rodrigues Junior, C.A, Silva Filho, J.M., Sales, J.C., Silva, M.A.S., Sales,
A.J.M., Nascimento, J.P.C., Sombra, A.S.B., Estudo das propriedades
dielétricas do SrBi4Ti4O15 (SBTi) dopado com V2O5, 57o Congresso
Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de 19
a 22 de Maio de 2013 Natal –RN –Brasil.
3. M.C. Romeu, R.G.M. Oliviera, A.J.M. Sales, P.M.O. Silva, J.C. Sales, Silva
Filho, J.M., C.A.R. Junior, Sombra, A.S.B., Estudo Estrutural e dielétrico da
matriz cerâmica Na2Nb4O11 adicionado com TiO2, 57o Congresso
Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de 19
a 22 de Maio de 2013 Natal –RN –Brasil.
4. Rodrigues Junior, C.A, Silva Filho, J.M., Freitas, D.B., Oliveira, R.G.M.;
Sales, J.C., Silva; J.P.C., Sombra, A.S.B., Estudo das propriedades dielétricas
do SrBi4Ti4O15 (SBTi) dopado com PbO, 56o Congresso Brasileiro de
Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de 03 a 06 de Maio
de 2012 Curitiba –PN –Brasil
89. 5. Sales, J.C.; Sales, A.J.M.; Almeida, J.s.; Silva Filho, J.M.; Sombra,
A.S.B.; Sancho, E.O.; Os fornos na indústria cerâmica no Ceará 56o
Congresso Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de
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