CN102674847A - 一种超材料谐振子及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超材料谐振子及其制备方法，将烧结温度低于950℃的陶瓷粉配制成陶瓷浆料，然后流延制成生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上加工出多个金属微结构，然后叠压成整体制成预烧LTCC陶瓷片；将玻璃粉中各氧化物组分的氧化物前驱体混合均匀形成溶胶，将陶瓷辅助片浸入溶胶后取出或通过旋涂的方式在陶瓷辅助片上涂覆一层溶胶，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；将预烧LTCC陶瓷片与预烧陶瓷辅助片叠合后在加载的条件下烧结获得超材料谐振子。利用陶瓷辅助片实现LTCC陶瓷片在XY平面上零收缩的同时还提高了Qf；采用溶胶-凝胶法制备的玻璃涂层，损耗低，还降低了整个烧结温度，避免了在LTCC陶瓷片中加入大量的助烧剂而增大超材料谐振子损耗的缺陷。

Description

一种超材料谐振子及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及滤波器领域，尤其涉及一种超材料谐振子及其制备方法。

【背景技术】

超材料是近十年来发展起来的对电磁波起调制作用的材料。超材料一般是由一定数量的金属微结构附在具有一定力学、电磁学的基板上，这些具有特定图案和材质的微结构会对经过其身的特定频段的电磁波产生调制作用。

超材料谐振子是指含金属微结构的微波陶瓷谐振子，用于制作小体积高性能的滤波器。超材料谐振子一般用低温共烧工艺，即在无压力条件下烧结。但LTCC工艺较难掌握，存在不少技术难题。例如无压空气中烧结导致分层和翘曲现象；为了保护较低的烧结温度(＜Ag-Pd合金的熔点)，必须加入一些低熔点的助烧剂，而过多的助烧剂又导致了高损耗。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：提供一种零收缩玻璃封装的超材料谐振子及其制备方法，同时还提高了超材料谐振子的品质因数。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种超材料谐振子的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

将烧结温度低于950℃的陶瓷粉配制成陶瓷浆料，然后流延制成生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上加工出多个金属微结构，将不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带叠压成整体制成预烧LTCC陶瓷片；

将玻璃粉中各氧化物组分的氧化物前驱体混合均匀形成溶胶，将陶瓷辅助片浸入所述溶胶后取出或通过旋涂的方式在陶瓷辅助片上涂覆一层溶胶，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；

将所述预烧LTCC陶瓷片与所述预烧陶瓷辅助片叠合后形成预烧整体；

将预烧整体固定后在10MPa以下的压力下、850℃～950℃温度范围内保温1～5小时进行烧结，获得包含陶瓷辅助片、玻璃涂层和LTCC陶瓷片的超材料谐振子。

制备所述预烧LTCC陶瓷片时，向所述陶瓷粉中加入0.5wt％～3wt％的助烧剂。

所述陶瓷辅助片为由Qf为30000GHz～60000GHz、介电常数为40～70、烧结温度为1100℃～1500℃的陶瓷粉制成的陶瓷辅助片。

所述陶瓷辅助片的厚度为2～4mm。

制备所述陶瓷辅助片的陶瓷粉为BaTi₄O₉体系、BaTi₉O₂₀体系或CaTiO₃-NdAlO₃体系。

所述玻璃粉为P₂O₅-ZnO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO体系或Bi₂O₅-B₂O₃-ZnO-Al₂O₃-SiO₂体系。

制备所述LTCC陶瓷片的陶瓷粉为ZnNb₂O₆体系、BaTi₄O₉体系或BiNbO₄体系。

一种超材料谐振子，由上述任一项方法制备的超材料谐振子，所述超材料谐振子包括陶瓷辅助片、LTCC陶瓷片及粘接所述陶瓷辅助片和所述LTCC陶瓷片的玻璃涂层，所述玻璃涂层采用的是溶胶-凝胶法制备的玻璃涂层。

本发明的有益效果为：用传统高温烧结方法制得的高介电低损耗的陶瓷片作为陶瓷辅助片，不仅可以提高整个超材料谐振子的Qf，还能作为制备LTCC陶瓷片时的陶瓷牺牲片，实现LTCC陶瓷片在垂直于压力方向的XY平面上的零收缩；并且粘接陶瓷辅助片和LTCC陶瓷片的玻璃涂层采用的是溶胶-凝胶法制备的玻璃涂层，该玻璃涂层薄、损耗低，同时一起烧结时还能降低整个烧结温度，避免了在LTCC陶瓷片中加入大量的助烧剂而增大超材料谐振子损耗的缺陷。

【附图说明】

图1为本发明制备方法的流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种超材料谐振子的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：如图1所示

a、将烧结温度低于950℃的陶瓷粉配制成陶瓷浆料，然后流延制成厚度为20μm～200μm的生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上加工出多个金属微结构，然后根据实际设计要求将不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带叠压成整体、并排胶，制成预烧LTCC陶瓷片；

b、将玻璃粉(如P₂O₅-ZnO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO体系、Bi₂O₅-B₂O₃-ZnO-Al₂O₃-SiO₂体系等)中各氧化物组分的氧化物前驱体(相应的碳酸盐、羟基盐或金属有机化合物等)混合均匀形成溶胶，将厚度为2～4mm的陶瓷辅助片浸入所述溶胶后取出或通过旋涂的方式在陶瓷辅助片上涂覆一层溶胶，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；

c、将所述预烧LTCC陶瓷片与所述预烧陶瓷辅助片叠合后形成预烧整体；

d、将预烧整体固定后在10MPa以下的压力下、850℃～950℃温度范围内保温1～5小时进行烧结，获得包含陶瓷辅助片、玻璃涂层和LTCC陶瓷片的超材料谐振子。

其中，陶瓷辅助片为由Qf为30000GHz～60000GHz、介电常数为40～70、烧结温度为1100℃～1500℃的陶瓷粉制成的高介电低损耗的陶瓷辅助片，不仅可以提高整个超材料谐振子的Qf，还能作为制备LTCC陶瓷片时的陶瓷牺牲片(已经烧结过不会再收缩)，实现LTCC陶瓷片在XY平面上的零收缩，该常用的陶瓷粉有BaTi₄O₉体系、BaTi₉O₂₀体系或CaTiO₃-NdAlO₃体系等；制备LTCC陶瓷片的陶瓷粉优选为ZnNb₂O₆体系、BaTi₄O₉体系或BiNbO₄体系等，只要陶瓷粉符合低温共烧(烧结温度小于950℃)基本都可以采用。

金属微结构是由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构，如工字型、雪花型等，可以采用丝网印刷技术制备出金属微结构，也可以采用其他蚀刻、光刻、离子刻等技术，加工金属微结构所采用的金属为金、银、铜、铝或银钯合金。

由上述方法制备的超材料谐振子实现了零收缩和高Qf，该超材料谐振子包括陶瓷辅助片、LTCC陶瓷片及粘接陶瓷辅助片和LTCC陶瓷片的玻璃涂层。玻璃涂层的损耗比目前常用的有机粘结剂的损耗都低，所以适合做为粘接两者的粘结剂；并且该玻璃涂层采用的是溶胶-凝胶法制备的玻璃涂层，玻璃涂层更薄，损耗也就更低，三者同时一起烧结时由于含有玻璃，可以降低整个烧结温度，因此LTCC陶瓷片中可不加或加入很少量(0.5wt％～3wt％)的助烧剂就实现了低温共烧，避免了向LTCC陶瓷片中加入大量的助烧剂使得制备的超材料谐振子的损耗增大的缺陷。

实施例一

将ZnNb₂O₆体系陶瓷粉配制成陶瓷浆料，并向其中加入0.5wt％的助烧剂，然后流延制成厚度为20μm的生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上采用350目的丝网印刷多个金属微结构，将不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带放入交替叠压成整体、并排胶，制成预烧LTCC陶瓷片；

将P₂O₅-ZnO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO体系的玻璃粉中的各氧化物组分的氧化物前驱体(相应的碳酸盐、羟基盐或金属有机化合物等)混合均匀形成溶胶，将厚度为2mm的陶瓷辅助片浸入所述溶胶后取出，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；

将一片预烧LTCC陶瓷片与两片预烧陶瓷辅助片放入定位模具中叠合、取出后形成预烧整体，其中预烧LTCC陶瓷片置于两片预烧陶瓷辅助片中间；

将预烧整体放入耐高温的模具中，在8MPa以下的压力下、850℃温度范围内保温4～5小时进行烧结，获得包含陶瓷辅助片、玻璃涂层和LTCC陶瓷片的超材料谐振子。

当然不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带可以按照实际设计、性能、厚度的需要进行叠压。

实施例二

将BaTi₄O₉体系陶瓷粉配制成陶瓷浆料，并向其中加入1wt％的助烧剂，然后流延制成厚度为100μm的生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上采用370目的丝网印刷多个金属微结构，将不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带放入交替叠压成整体、并排胶，制成预烧LTCC陶瓷片；

将P₂O₅-ZnO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO体系的玻璃粉中的各氧化物组分的氧化物前驱体(相应的碳酸盐、羟基盐或金属有机化合物等)混合均匀形成溶胶，将厚度为3mm的陶瓷辅助片通过旋涂的方法涂覆一层溶胶，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；

将一片预烧LTCC陶瓷片与一片预烧陶瓷辅助片放入定位模具中叠合、取出后形成预烧整体；

将预烧整体用耐高温的夹具夹紧，在8MPa以下的压力下、900℃温度范围内保温2～4小时进行烧结，获得包含陶瓷辅助片、玻璃涂层和LTCC陶瓷片的超材料谐振子。

当然不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带可以按照实际设计、性能、厚度的需要进行叠压。

实施例三

将BiNbO₄体系陶瓷粉配制成陶瓷浆料，并向其中加入3wt％的助烧剂，然后流延制成厚度为200μm的生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上采用400目的丝网印刷多个金属微结构，将不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带放入交替叠压成整体、并排胶，制成预烧LTCC陶瓷片；

将将Bi₂O₅-B₂O₃-ZnO-Al₂O₃-SiO₂体系的玻璃粉中的各氧化物组分的氧化物前驱体(相应的碳酸盐、羟基盐或金属有机化合物等)混合均匀形成溶胶，将厚度为4mm的陶瓷辅助片浸入所述溶胶后取出，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；

将一片预烧LTCC陶瓷片与两片预烧陶瓷辅助片放入定位模具中叠合、取出后形成预烧整体，其中预烧LTCC陶瓷片置于两片预烧陶瓷辅助片中间；

将预烧整体放入耐高温的模具中，在8MPa以下的压力下、950℃温度范围内保温1～3小时进行烧结，获得包含陶瓷辅助片、玻璃涂层和LTCC陶瓷片的超材料谐振子。

当然不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带可以按照实际设计、性能、厚度的需要进行叠压。

综上，预烧LTCC陶瓷片和预烧陶瓷辅助片可以根据实际需要各叠合一片，也可以各叠合多片。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (8)

1.一种超材料谐振子的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：

将烧结温度低于950℃的陶瓷粉配制成陶瓷浆料，然后流延制成生瓷带，在需要金属微结构的生瓷带上加工出多个金属微结构，将不含金属微结构的生瓷带和含金属微结构的生瓷带叠压成整体制成预烧LTCC陶瓷片；

将玻璃粉中各氧化物组分的氧化物前驱体混合均匀形成溶胶，将陶瓷辅助片浸入所述溶胶后取出或通过旋涂的方式在陶瓷辅助片上涂覆一层溶胶，然后静置凝胶并干燥，制得预烧陶瓷辅助片；

将所述预烧LTCC陶瓷片与所述预烧陶瓷辅助片叠合后形成预烧整体；

将预烧整体固定后在10MPa以下的压力下、850℃～950℃温度范围内保温1～5小时进行烧结，获得包含陶瓷辅助片、玻璃涂层和LTCC陶瓷片的超材料谐振子。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述预烧LTCC陶瓷片时，向所述陶瓷粉中加入0.5wt％～3wt％的助烧剂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷辅助片为由Qf为30000GHz～60000GHz、介电常数为40～70、烧结温度为1100℃～1500℃的陶瓷粉制成的陶瓷辅助片。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷辅助片的厚度为2～4mm。

5.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，制备所述陶瓷辅助片的陶瓷粉为BaTi₄O₉体系、BaTi₉O₂₀体系或CaTiO₃-NdAlO₃体系。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述玻璃粉为P₂O₅-ZnO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO体系或Bi₂O₅-B₂O₃-ZnO-Al₂O₃-SiO₂体系。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备所述LTCC陶瓷片的陶瓷粉为ZnNb₂O₆体系、BaTi₄O₉体系或BiNbO₄体系。

8.一种超材料谐振子，其特征在于，包括权利要求1～7任一项制备的超材料谐振子，所述超材料谐振子包括陶瓷辅助片、LTCC陶瓷片及粘接所述陶瓷辅助片和所述LTCC陶瓷片的玻璃涂层，所述玻璃涂层采用的是溶胶-凝胶法制备的玻璃涂层。

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