CN102731102B - 一种谐振子及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振子及其制备方法，该方法包括如下步骤：在有机物制成的承印膜上印制平面的金属微结构，得到印膜；在微波介质陶瓷制成的陶瓷片表面涂覆介质玻璃浆料，将印膜贴在介质玻璃浆料上，制得坯体；在空气中将坯体烧结，有机物制成的承印膜被燃烧或分解完全，金属微结构转移到介质玻璃浆料烧结而成的介质玻璃层表面上，制得谐振子。本发明的谐振子，其表面及内部的金属微结构在电场沿其表面穿过时形成等效电容电阻串联或并联形成的电路，相当于提高了陶瓷片的介电常数，从而降低滤波器的谐振频率，减小滤波器的体积；本发明无需采用低温共烧设备及其复杂的工艺流程，实现将金属微结构印在陶瓷片表面上，可降低设备和人力成本。

Description

一种谐振子及其制备方法

技术领域

本发明涉及微波元器件及其制备方法，更具体地说，涉及一种谐振子及其制备方法。

背景技术

现在常用的介质谐振子通常都是一个均质的陶瓷块体，由它制得的滤波器比金属腔串通滤波器在体积上具有小型化的优势。但陶瓷谐振子的技术已经趋近成熟，要在现有的陶瓷介质滤波器上进一步小型化是很困难的。将超材料技术应用在陶瓷介质谐振子上，能够解决这个困难，因为超材料可以达到比陶瓷介质更高的介电常数，从而降低滤波器的谐振频率；因此，在实现相同谐振频率的条件下，高介电常数的超材料可以减小谐振腔的体积，从而实现进一步的小型化。

超材料包括介质基板和附着在介质基板表面上且周期性排布的、相互独立的金属微结构，每个金属微结构的尺寸在超材料所要响应的电磁波波长的十分之一左右或者小于十分之一。每个金属微结构能够对经过该微结构的电场，尤其是处于该微结构所在平面上的电场产生响应形成等效电容电感电路，从而提高整个超材料的介电常数。要尽可能地提高介电常数，可采用尽可能多的金属微结构排布。因此，基于超材料技术的谐振子是由陶瓷片、金属微结构依次交替叠加而成。

由于将超材料技术应用在谐振子上还是一种非常新的尝试，在陶瓷上印制金属微结构应该采用哪种制备工艺也是未知的。根据现有的陶瓷加工工艺尤其是基于陶瓷的无源集成器件的LTCC（低温共烧陶瓷）制造工艺，可以联想到超材料谐振子也可采用LTCC工艺来制成。但是LTCC工艺需要购置大型设备、生产线，配备相关专业人员才能完成，会造成超材料谐振子的前期开发投入大、成本高、能够正式投产的周期长。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种谐振子及其制备方法，该方法无需采用LTCC工艺即可将金属微结构印制到陶瓷片上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种制备谐振子的方法，包括如下步骤：

制备印膜：在有机物制成的承印膜上印制平面的金属微结构，得到印膜；

制备坯体：在微波介质陶瓷制成的陶瓷片表面涂覆介质玻璃浆料，将所述印膜贴在介质玻璃浆料上，制得坯体；

烧结：在空气中将坯体烧结，烧结温度高于所述承印膜的燃点和介质玻璃的玻璃软化点且低于所述金属微结构的金属熔点，有机物制成的所述承印膜被燃烧或分解完全，所述金属微结构转移到所述介质玻璃浆料烧结而成的介质玻璃层表面上，制得谐振子。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，所述坯体有多个，分别经烧结步骤后通过有机胶粘接为一体。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，在制备印膜步骤中，制成所述承印膜的有机物为植物纤维或塑料。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，在制备印膜步骤中，所述承印膜为有机物制成的孔径小于3微米的过滤纸。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，在制备印膜步骤中，金属微结构是利用银浆通过丝网印刷工艺而印制在所述承印膜上的。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，在制备坯体步骤中，所述陶瓷片表面经过打磨、粗抛光后用丙酮或酒精洗净，然后在表面上涂覆所述介质玻璃浆料。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，所述微波介质陶瓷为BaTi₄O₉、Ba₂Ti₉O₂₀、Ba₂Ti₃Nb₄O₁₉、CaTiO₃-NdAlO₃或ZnTiNb₂O₉。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，在制备坯体步骤中，所述介质玻璃浆料选用ZnO-B₂O₃-SiO₂系或BaO-B₂O₃-SiO₂系。

在本发明所述的制备谐振子的方法中，在制备坯体步骤中，所述介质玻璃浆料涂覆的厚度在1～8微米之间。

本发明还涉及一种上述方法制备的谐振子，包括由微波介质陶瓷制成的陶瓷片、设置在所述陶瓷片表面上涂覆的介质玻璃层以及附着在所述介质玻璃层表面上的金属微结构。

实施本发明的谐振子及其制备方法，具有以下有益效果：本发明的谐振子，是基于超材料技术的谐振子，其表面及内部的金属微结构在电场沿其表面穿过时形成等效电容电阻串联或并联形成的电路，相当于提高了陶瓷片的介电常数，有利于提高谐振子整体的介电常数，降低滤波器的谐振频率，减小滤波器的体积；利用承印膜作为金属微结构的中转站并利用介质玻璃浆料的粘接性，实现将金属微结构印在陶瓷片表面上，无需采用低温共烧设备及其复杂的工艺流程，可降低设备和人力成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的制备谐振子的方法的流程图；

图2是印膜的结构示意图；

图3是图2所示印膜的A-A剖面图；

图4是坯体的结构示意图；

图5是烧结后的谐振子的结构示意图；

图6是多个坯体烧结后粘接得到的谐振子的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种制备谐振子的方法以及用该方法制得的谐振子。用该方法来制备谐振子，无需采用程序复杂、设备昂贵的LTCC（低温共烧陶瓷）工艺或者电镀及蚀刻工艺，即可将金属微结构印制陶瓷上制成介电常数高、体积小的基于超材料的谐振子。

如图1所示，该方法包括如下步骤：

制备印膜：在有机物制成的承印膜上印制平面的金属微结构，得到印膜；

制备坯体：在微波介质陶瓷制成的陶瓷片表面涂覆介质玻璃浆料，将所述印膜贴在介质玻璃浆料上，制得坯体；

烧结：在空气中将坯体烧结，有机物制成的所述承印膜被燃烧或分解完全，所述金属微结构转移到介质玻璃浆料烧结而成的介质玻璃层表面上，制得谐振子。

下面根据具体实施例，说明该方法的详细过程。

第一实施例

制备印膜：如图2、图3所示，选择常规的植物纤维制成的办公用纸（A3、A4打印纸等），将其裁成如图2所示的圆环形，作为承印膜10，在上面利用丝网印刷工艺印上周期性排布的金属微结构11，得到印膜1。其中，金属微结构11为银浆印刷得到的具有一定几何图案的平面结构，本实施例中，该平面结构包括两条相同的金属线垂直正交得到的十字形结构和在十字形的四个端点分别连接着的、且垂直于所连接的金属线的一字形结构。金属微结构11在承印膜10上成矩形阵列排布。

制备坯体：如图4所示，在与图2所示承印膜10形状相同的圆环形陶瓷片21上涂覆介质玻璃浆料20，陶瓷片21的材料为微波介质陶瓷，也即现有技术中制造将被用在介质滤波器中的陶瓷谐振子所用的介质陶瓷，本实施例中采用主要成分为BaTi₄O₉的介质陶瓷，其中还可含有Al₂O₃、B₂O₃等辅助剂。介质玻璃浆料20采用介电损耗小、优选损耗角正切值小于10^-3的介电玻璃，本实施例中采用ZnO-B₂O₃-SiO₂系。为了便于浆料更好地粘覆，在涂覆前，优选先将陶瓷片21表面打磨、粗抛光后再用丙酮或酒精洗净。涂覆的介质玻璃浆料20应尽量均匀且薄，厚度优选在1～8微米之间，3～5微米最佳。

涂覆完介质玻璃浆料20后，将上一步完成的印膜1对齐地贴到陶瓷片20上，介质玻璃浆料11能将印膜1粘牢，得到坯体2。

烧结：在空气中将坯体2烧结，烧结的温度必须高于承印膜10的燃点和上述介质玻璃的玻璃软化点，同时必须低于金属微结构的金属熔点。本实施例中，承印膜10为普通办公用纸，燃点在130～185摄氏度之间，ZnO-B₂O₃-SiO₂系介质玻璃的玻璃软化点根据实际各氧化物配比的不同而不同，大约在600～900摄氏度之间，银浆制成的金属微结构的熔点为961摄氏度。

烧结过程中，纸质的承印膜10到达燃点后逐渐被燃烧成二氧化碳和水蒸气，而介质玻璃浆料稍微烧结硬化成玻璃层，仍具有一定的粘接力，使得承印膜10表面上的金属微结构11逐渐下移挪到介质玻璃浆料表面。直到达到介质玻璃的玻璃软化点后继续烧结，如图5所示，纸质的承印膜10被燃烧和分解完全，金属微结构11转移到介质玻璃浆料烧结而成的介质玻璃层表面上，与陶瓷片21一起构成基于超材料的谐振子。

采用这种方法来制备谐振子，由于采用承印膜10作为中转，再依靠介电玻璃浆料来粘附，无需采用LTCC设备及其相应的复杂的程序，即可实现在微波介电陶瓷片上附着周期性排布的金属微结构11，来实现提高谐振子的介电常数进而降低介质滤波器的谐振频率、减小滤波器体积的目的。

上述方法也不同于在陶瓷片上镀铜、然后蚀刻出金属微结构的工艺，免去了被蚀刻掉的铜材部分的浪费，同时也避免了蚀刻带来的环境污染问题，另外也克服了直接在陶瓷表面上镀银所存在的工艺困难。

第二实施例

如图6所示，坯体有多个，各个坯体分别经烧结后，利用有机胶（例如Loctite 496）将它们按图6所示的方式粘接起来，整体构成一个谐振子3。粘接前的制备印膜、制备坯体和烧结的步骤都与第一实施例相同。

第三实施例

本实施例中，印膜采用现有常用的各种塑料薄膜，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，微波介质陶瓷选用ZnTiNb₂O₉，介质玻璃浆料选用BaO-B₂O₃-SiO₂系，其他条件均与第一实施例相同。

第四实施例

本实施例中，印膜采用有机物制成的孔径小于3微米的过滤纸，其他条件均与第一实施例相同。

当然，本发明还有其他很多种实施方式，例如现有的微波介质陶瓷有很多种，包括各种钛酸钙、钛酸钡系列，如Ba₂Ti₉O₂₀、Ba₂Ti₃Nb₄O₁₉、CaTiO₃-NdAlO₃；同样介质玻璃也可采用现有的各种损耗低、介电常数相对较高的玻璃材料，同时金属微结构的形状并不限定于本发明实施例中所示的结构，还可以是其他各种用在超材料中对电场响应的结构，例如十字形、工字形等。

本发明还保护由上述方法制得的谐振子，如图6所示，包括微波介质陶瓷制成的陶瓷片21、陶瓷片21表面上涂覆的介质玻璃浆料20烧结而成的介质玻璃层，以及附着在介质玻璃层表面上的金属微结构11。微波介质陶瓷21、介质玻璃浆料20的材料、成分以及金属微结构11的材料、结构等各条件均可参照前述方法的相关内容。

本发明的谐振子，是基于超材料技术的谐振子，其表面及内部的金属微结构在电场沿其表面穿过时形成等效电容电阻串联或并联形成的电路，相当于提高了陶瓷片的介电常数，有利于提高谐振子整体的介电常数，降低滤波器的谐振频率，减小滤波器的体积；利用承印膜作为金属微结构的中转站并利用介质玻璃浆料的粘接性，实现将金属微结构印在陶瓷片表面上，无需采用低温共烧设备及其复杂的工艺流程，可降低设备和人力成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种制备谐振子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备印膜：在有机物制成的承印膜上印制平面的金属微结构，得到印膜，其中，所述有机物为植物纤维或塑料；

制备坯体：在微波介质陶瓷制成的陶瓷片表面涂覆介质玻璃浆料，将所述印膜贴在介质玻璃浆料上，制得坯体；

烧结：在空气中将坯体烧结，有机物制成的所述承印膜被燃烧或分解完全，所述金属微结构转移到所述介质玻璃浆料烧结而成的介质玻璃层表面上，制得谐振子。

2.根据权利要求1所述的制备谐振子的方法，其特征在于，所述坯体有多个，分别经烧结步骤后通过有机胶粘接为一体。

3.根据权利要求1所述的制备谐振子的方法，其特征在于，在制备印膜步骤中，所述承印膜为孔径小于3微米的过滤纸。

4.根据权利要求1所述的制备谐振子的方法，其特征在于，在制备印膜步骤中，金属微结构是利用银浆通过丝网印刷工艺而印制在所述承印膜上的。

5.根据权利要求1所述的制备谐振子的方法，其特征在于，在制备坯体步骤中，所述陶瓷片表面经过打磨、粗抛光后用丙酮或酒精洗净，然后在表面上涂覆所述介质玻璃浆料。

6.根据权利要求5所述的制备谐振子的方法，其特征在于，所述微波介质陶瓷为BaTi₄O₉、Ba₂Ti₉O₂₀或CaTiO₃-NdAlO₃。

7.根据权利要求1或5所述的制备谐振子的方法，其特征在于，在制备坯体步骤中，所述介质玻璃浆料选用ZnO-B₂O₃-SiO₂系或BaO-B₂O₃-SiO₂系。

8.根据权利要求1所述的制备谐振子的方法，其特征在于，在制备坯体步骤中，所述介质玻璃浆料涂覆的厚度在1～8微米之间。

9.一种谐振子，其特征在于，所述谐振子由权利要求1所述的制备谐振子的方法制得，包括由微波介质陶瓷制成的陶瓷片、设置在所述陶瓷片表面上的介质玻璃层以及附着在所述介质玻璃层表面上的金属微结构。