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Accueil du site > Divers > equipes de recherche > Matériaux Fonctionnels et de Structure (MFS) > Activités > Céramiques diélectriques >

25 février 2011

Introduction

Les matériaux diélectriques, soumis à un champ électrique, peuvent emmagasiner de l’énergie électrostatique et sur lesquelles on peut maintenir ce champ sans apport d’énergie extérieure. Par voie de conséquence, un matériau diélectrique doit être isolant. Toutefois, on parle souvent des propriétés diélectriques de matériaux non isolants (électrolytes, semi-conducteurs, métaux....).

Présentation de la recherche de l’équipe :

Nous travaillons, en étroite collaboration avec l’industrie, sur deux types d’applications : les condensateurs multicouches et les résonateurs hyper-fréquences. Ces composants passifs sont présents dans tous les circuits électroniques. L’enjeu économique essentiel pour ce type de composant est de diminuer le coût de fabrication (diminution des températures de frittage, modification de la composition des électrodes...) sans altérer les propriétés.
 

 Sans champ électrique Un champ E est appliqué => formation de dipôles (polarisation)

Les charges se déplacent et s’orientent par rapport au champ. C’est l’origine de l’effet capacitif dans les matériaux diélectriques.



 

La réponse du matériau au champ électrique appliqué E est le déplacement D des dipôles. La quantité d’énergie perdue lors de ce déplacement de charge est appelée "pertes diélectriques" et notée tan(d).

Selon les applications, différents types de matériaux peuvent être utilisés :

Type

I <300

II >300

III >1000

ε

Paraélectrique 

Ferroélectrique 

 Mixte Isolant/Conducteur

Caractéristiques Propriétés

Très stables en température et fréquence

Peu stables en température et fréquence

Peu stables en température et fréquence

 

Les appareils modernes utilisent des condensateurs de technologie multicouches dans lesquels des couches alternativement isolantes et conductrices sont empilées pour minimiser l’espace occupé tout en augmentant les performances globales du composant.

 :


 On distingue très clairement sur ce schéma l’électrode externe (contact), la céramique diélectrique ainsi que les électrodes internes
 

 

Les BME-MLCC (Base Metal Electrodes - Multi Layers Ceramic Capacitors)
Les condensateurs multicouches à électrodes en métaux de base

 

 


Actuellement, les électrodes utilisées dans l’industrie sont en Palladium/Argent .

L’objectif est donc de substituer le Cuivre au Pd/Ag . (Prix Pd >>>>Cu)

Deux contraintes importantes apparaissent alors :

La température de fusion du cuivre est de 1084°C. Ceci implique de diminuer le température de frittage du matériau diélectrique sous cette température.
Il devient indispensable d’utiliser une atmosphère réductrice lors du frittage afin d’éviter l’oxydation du cuivre. 
Pour diminuer la température de frittage des matériaux, différentes possibilités s’offrent à nous :
 

- Modification de la stoechiométrie

- Ajout de dopants

- Ajout de fondants lithiés (LiF, LiNO3...)

- Ajout de phases verres (SiO2, B2O3...)


Les matériaux sur lesquels nous travaillons sont de type I. Ils présentent une constante diélectrique inférieure à 300 et des pertes diélectriques très faibles. Ils ont également l’avantage d’être très stables en température et en fréquence. Ces matériaux de type pérovskite (ABO3) sont idéaux pour application en BME-MLCC. Le tableau ci-dessous vous présente les matériaux étudiés au laboratoire.

Matériau Température de frittage ε
CaZrO3 1600°C 30
Ba(Zn1/3Ta2/3)O3  (BZT) 1500°C 30
Ba(Zn1/3Nb2/3)O3  (BZN) 1400°C 25
Ba(Mg1/3Ta2/3)O3  (BMT) 1600°C 25

 

 

Les résonateurs hyper-fréquences

 
Les propriétés souhaitées pour ce type de composants passifs sont les suivantes :

Faibles pertes diélectriques
Stabilité de la fréquence de résonance avec la température
Les matériaux que nous étudions dans ce cadre sont les mêmes que précédemment pour les BME-MLCC :

BMT, BZT, BZN



 
L’objectif est de diminuer la température de frittage sous air sans altérer les propriétés. Pour cela, nous utilisons des agents de frittage (fondants, verres, dopants). Ci-dessous, un exemple de résonateurs HF commercialisés par la société TEMEX (1.5 à 5GHz).

Contact : Sylvain MARINEL

 

 

 

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