CN109714015B - 一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器 - Google Patents

一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器，属于材料与器件技术领域。包括电感，以及位于电感正上方和正下方的电容，所述电感为由多层带线圈的基体材料组成的螺旋线圈，相邻层线圈采用金属通孔连接，所述电容由多层带“十”字形金属层的基体材料组成，其特征在于，所述基体材料为磁介复合材料。本发明通过将磁性与介电材料复合，得到一种介电常数和磁导率接近、同时具有低损耗的新型磁介复合陶瓷材料；并基于此提供了叠层低通滤波器，为LTCC元器件的小型化、集成化提供了一种有效解决方案。

Description

一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器
技术领域
本发明属于材料与器件技术领域，具体涉及一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器。
背景技术
电子信息技术的高速发展对各类电子设备中广泛使用的电子元器件提出了轻薄化、小型化的要求，其中元器件的片式化、材料的多功能化是向小型化突破的关键。因此，开发一种多功能材料，获得一种在宽频段范围内同时具有优良电磁性能、介电性能、甚至良好的力热性能和集成性能的磁介复合材料，并使其满足LTCC(Low-Temperature Co-firedCeramics)封装技术要求，是实现元器件小型化的重要途径之一。基于此类磁介复合材料设计的叠层低通滤波器，相比传统的介质滤波器具有工艺简单、体积小、易于集成等优势，因此具有重大的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，通过将磁性与介电材料复合，得到一种介电常数和磁导率接近、同时具有低损耗的新型磁介复合陶瓷材料；并基于此提供了叠层低通滤波器，为LTCC元器件的小型化、集成化提供了一种有效解决方案。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器，包括电感，以及位于电感正上方和正下方的电容，所述电感为由多层带线圈的基体材料组成的螺旋线圈，相邻层线圈采用金属通孔连接，所述电容由多层带“十”字形金属层的基体材料组成，所述低通滤波器为对称结构，其特征在于，所述基体材料为磁介复合材料。
进一步地，所述电感包括四层带“回”字形的线圈的基体材料，相邻线圈之间通过金属通孔连接，形成螺旋线圈结构。
进一步地，所述电容包括位于电感正上方的第一电容和位于电感正下方的第二电容，第一电容和第二电容完全相同，包括三层带“十”字形金属层的基体材料。
进一步地，所述磁介复合材料包括NiCuZn铁氧体相和BaTiO3介电相，所述NiCuZn铁氧体相的配比为0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3，质量百分比为80wt％，所述BaTiO3介电相的质量百分比为20wt％。
进一步地，所述NiCuZn铁氧体相以NiO、CuO、ZnO和Fe2O3为原料，按照化学配比0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3配制；所述BaTiO3介电相以BaCO3和TiO2为原料，按照分子式BaTiO3的比例配制。
进一步地，所述NiCuZn铁氧体相的原料NiO、CuO、ZnO和Fe2O3的摩尔比为0.61:0.25:0.16:1.96；所述BaTiO3介电相的原料BaCO3和TiO2的摩尔比为1：1。
进一步地，所述磁介复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、以NiO、CuO、ZnO和Fe2O3为原料，按照分子式0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3的比例称料，混料，得到铁氧体粉体；
步骤2、以BaCO3和TiO2为原料，按照分子式BaTiO3的比例称料，混料，得到介电相粉体；
步骤3、将步骤1得到的铁氧体粉体球磨，烘干，过筛，然后在800～850℃下煅烧1～3h，得到无杂相的NiCuZn铁氧体粉体；
步骤4、将步骤2得到的介电相粉体球磨，烘干，过筛，然后在1000～1200℃下煅烧2～4h，得到无杂相的BaTiO3粉体；
步骤5、将步骤3得到的NiCuZn铁氧体粉体和步骤4得到的BaTiO3粉体按照NiCuZn铁氧体相为80wt％、BaTiO3介电相为20wt％的比例混合，并添加10wt％的H3BO3-Bi2O3-SiO2-ZnO(BBSZ)玻璃粉作为助烧剂，混合均匀，得到混合粉体；
步骤6、将步骤5混合后得到的粉体球磨，烘干，过筛，压制成坯件，然后将坯件在空气气氛下、900℃温度下烧结2h成瓷，即可得到所述磁介复合材料，得到的磁介复合材料的介电常数～26，相对磁导率～15。
一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的设计方法，设计3dB截止频率为65MHz、在150MHz以后带外抑制大于20dB、截止频率的偏差范围在±5％的低通滤波器，具体过程为：首先，对原型滤波器归一化值的变换得到满足设计目标的各元件参数，并通过ADS电路仿真得到滤波器电路的传输特性与反射特性；然后，分别对电感和电容的三维结构进行HFSS仿真，以满足电路仿真给出的电感量和电容量要求；最后，以上步得到的仿真结果为参考，对滤波器的三维结构进行仿真，得到满足设计要求的滤波器结构。
进一步地，所述低通滤波器原型选用巴特沃斯型，结构为3阶π型，其截止频率为1/2πHz，特征阻抗为1Ω。对经过截止频率变换为65MHz、特征阻抗变换为50Ω后得到的各元件值和电路结构进行ADS仿真得到S21和S11参数，其3dB截止频率为65.3MHz，在140.3MHz以后带外抑制大于20dB，满足设计指标。
进一步地，所述对电感和电容的三维结构进行HFSS仿真时，其电感仿真过程：根据有效电感量计算公式
Figure BDA0001926226060000031
其中f为频率、Im(Y11)为Y11参数虚部，仿真结果显示其电感值在65MHz前与设计值244.7nH偏差不大；电容仿真过程：根据有效电容量计算公式
Figure BDA0001926226060000032
其中f为频率、im(Z11)为Z11参数虚部，仿真结果显示其电容量在65MHz前与设计值48.9pF偏离较小。
进一步地，所述对滤波器的三维结构进行仿真时，参考电感和电容的仿真结构，通过组合得到完整的滤波器仿真模型和结构，如图2所示。考虑到加工时流延出的膜片厚度一致性，结合多次仿真结果，最终将电感膜厚via_H参数和电容膜厚film_H参数统一设计成via_H＝film_H＝18μm；仿真结果显示其截至频率约为65MHz，150MHz以后带外抑制大于20dB，满足设计目标。
本发明的有益效果为：本发明通过将铁氧体与介电材料复合，得到一种具有容感复合双性的滤波器基体材料，且该材料体系满足LTCC流延工艺的要求；基于这一材料设计的低通滤波器原型采用巴特沃斯型，在调整电感和电容的仿真参数基础上得到满足设计目标的叠层低通滤波器结构，为LTCC滤波器件的小型化、集成化提供了一种有效解决方案。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器各个元件去归一化后的电路结构图；
图2为本发明提供的一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的结构示意图；
图3为本发明实施得到的基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的仿真结果。
具体实施方式
在下文的特定实施例代表本发明的示例性实施例，并且本质上仅为示例说明而非限制。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。
在说明书中，提及“一个实施例”或者“实施例”意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。术语“在一个实施例中”在说明书中各个位置出现并不全部涉及相同的实施例，也不是相互排除其他实施例或者可变实施例。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
实施例
如图2所示，为一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的结构示意图，包括电感、位于电感正上方的第一电容和位于电感正下方的第二电容，第一电容和第二电容完全相同；所述电感包括四层带“回”字形线圈的基体材料，相邻线圈之间通过金属通孔连接，形成螺旋线圈，螺旋线圈的两端通过引线端L1和L2引出；所述第一电容和第二电容包括三层带“十”字形金属层的基体，第一电容的两极通过引线端C10和C11引出，第二电容的两极通过引线端C20和C21引出；所述低通滤波器采用LTCC工艺形成，其中，流延膜片(即基体材料)为磁介复合材料。首先，在四个流延膜片上分别形成“回”字形线圈，四层结构层叠后通过金属通孔连接相邻线圈，以形成螺旋线圈结构，即为电感部分；然后，在6个流延膜片上分别形成相同的、“十”字形的金属层，取其中三个带金属层的流延膜片层叠于上步形成的电感部分的上方，形成第一电容，剩下三个带金属层的流延膜片层叠于电感的下方，形成第二电容；最后，将螺旋线圈(即电感)的两端通过L1和L2引出，第一电容的两极通过引线端C10和C11引出，第二电容的两极通过引线端C20和C21引出，得到所述叠层低通滤波器。
进一步地，所述磁介复合材料包括NiCuZn铁氧体相和BaTiO3介电相，所述NiCuZn铁氧体相的配比为0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3，质量百分比为80wt％，所述BaTiO3介电相的质量百分比为20wt％。
进一步地，所述NiCuZn铁氧体相以NiO、CuO、ZnO和Fe2O3为原料，按照化学配比0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3配制；所述BaTiO3介电相以BaCO3和TiO2为原料，按照分子式BaTiO3的比例配制。
进一步地，所述NiCuZn铁氧体相的原料NiO、CuO、ZnO和Fe2O3的摩尔比为0.61:0.25:0.16:1.96；所述BaTiO3介电相的原料BaCO3和TiO2的摩尔比为1：1。
进一步地，所述磁介复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、以NiO、CuO、ZnO和Fe2O3为原料，按照分子式0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3的比例称料，混料，得到铁氧体粉体；
步骤2、以BaCO3和TiO2为原料，按照分子式BaTiO3的比例称料，混料，得到介电相粉体；
步骤3、按照重量比(铁氧体粉体：去离子水＝1:1.5)的比例向步骤1得到的铁氧体粉体中加入去离子水，湿法球磨5h，取出后在120℃下烘干，烘干后得到的粉料过80目筛后以2℃/min的升温速率由室温升温至800℃并保温2h，随炉自然降温至室温，得到无杂相的NiCuZn铁氧体粉体；
步骤4、将步骤2的粉体混合均匀，以无水乙醇为分散剂、氧化锆球为球磨介质，其中氧化锆球的直径为3～15mm，按照重量比(介电相粉体：无水乙醇：氧化锆球＝1:2:1.5)的比例采用球磨机球磨10h，转速为300转/分，出料后烘干，再放入研钵中研磨25分钟，过80目筛后以2℃/min的升温速率由室温升温至1200℃并保温4h，随炉自然降温至室温，得到无杂相的BaTiO3粉体；
步骤5、将步骤3得到的NiCuZn铁氧体粉体和步骤4得到的BaTiO3粉体按照NiCuZn铁氧体相为80wt％、BaTiO3介电相为20wt％的比例混合，并添加10wt％的H3BO3-Bi2O3-SiO2-ZnO(BBSZ)玻璃粉作为助烧剂，混合均匀，得到混合粉体；
步骤6、将步骤5混合后得到的粉体以无水乙醇为分散剂、氧化锆球为球磨介质，按照重量比粉体：无水乙醇：氧化锆球＝1:2:1.5的比例进行球磨，球磨时间为6h，转速为300转/分，出料后烘干，放入研钵中研磨25分钟，然后加入6～10wt％的有机粘合剂进行造粒，过120目筛后压制成坯件，再将坯件放入马弗炉内，在空气气氛中、900℃下烧结2h，随炉降温至室温即得到本发明所述磁介复合材料。
本实施例得到的磁介复合材料的磁性能为：磁导率～15，磁损耗～0.03；介电性能为：介电常数εr～26，介电损耗～0.01。
基于实施例得到的磁介复合材料，设计3dB截止频率为65MHz，在150MHz以后带外抑制大于20dB的叠层片式低通滤波器，截止频率允许的偏差范围在±5％。
如图1所示，为实施例提供的一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器各个元件去归一化后的电路结构图；该低通滤波器原型选用巴特沃斯型，结构为3阶π型，其截止频率为1/2πHz，特征阻抗为1Ω。对经过截止频率变换为65MHz、特征阻抗变换为50Ω后得到的各元件值和电路结构如图1所示。对电路结构进行ADS仿真得到S21和S11参数，其3dB截止频率为65.3MHz，在140.3MHz以后带外抑制大于20dB，满足设计指标。
如图2所示，为本发明提供的一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的结构示意图；所述的叠层低通滤波器采用实施例得到的介电常数～26、相对磁导率～15的容感复合磁介双性材料作为滤波器的基板材料。
所述基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的设计过程，包括：
步骤1、电感仿真：根据有效电感量计算公式
Figure BDA0001926226060000061
其中f为频率、Im(Y11)为Y11参数虚部，电感结构参照图2中电感线圈引线端标注为L1、L2之间所包含的部分，电感线圈结构参数为：0.8×0.2mm+1.7×0.2mm，仿真结果显示其电感值在65MHz前与设计值244.7nH偏差不大；
步骤2、电容仿真：根据有效电容量计算公式
Figure BDA0001926226060000062
其中f为频率、im(Z11)为Z11参数虚部，电容结构参照图2中电容电极引线端标注为C10、C11，以及C20、C21之间所包含的部分，设计的电容结构参数为：1.2×0.6mm+1.2×0.8mm，仿真结果显示其电容量在65MHz前与设计值48.9pF偏离较小；
步骤3：通过组合步骤1和步骤2的仿真结构，参照图2，得到完整的滤波器模型结构。得到的叠层片式滤波器包括磁介复合材料基体B0；四层“回”字形线圈组成的螺旋线圈及其引线端L1、L2，线圈线宽为0.2mm，相邻线圈之间的金属通孔的孔径为0.1mm；三层“十”字形电极组成的第一电容和第二电容，以及电容电极引线端C10、C11、C20、C21，“十”字形电极其中一个臂的宽度为0.8mm，另一个臂的宽度为0.6mm，臂长为1.2mm；滤波器的长为2mm、宽为1.2mm、高为0.6mm。考虑到加工时流延出的膜片厚度一致性，结合多次仿真结果，将流延膜片设计成18μm；仿真结果显示其截至频率约为65MHz，150MHz以后带外抑制大于20dB，如图3所示，满足设计目标。
本发明提出的一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器，采用磁介复合材料作为基体，有利于实现器件的小型化、集成化；滤波器电路原型选用巴特沃斯型，设计的叠层滤波器3dB截止频率为65MHz，在150MHz以后带外抑制大于20dB，截止频率允许的偏差范围在±5％。
综上，本发明提供了一种基于磁介复合材料的叠层滤波器设计方案，该方案以磁介复合材料为滤波器基板，在此基础上通过仿真设计出截至频率约为65MHz，150MHz以后带外抑制大于20dB的叠层滤波器，为LTCC滤波器的小型化和集成化提供了一种有效解决方案。

Claims (5)

1.一种基于磁介复合材料的叠层低通滤波器，包括电感、位于电感正上方的第一电容和位于电感正下方的第二电容，其特征在于，所述低通滤波器采用LTCC工艺形成，基体材料为磁介复合材料；
所述磁介复合材料采用以下方法制备得到：
步骤1、以NiO、CuO、ZnO和Fe2O3为原料，按照分子式0.61NiO·0.25CuO·0.16ZnO·1.96Fe2O3的比例称料，混料，得到铁氧体粉体；
步骤2、以BaCO3和TiO2为原料，按照分子式BaTiO3的比例称料，混料，得到介电相粉体；
步骤3、将步骤1得到的铁氧体粉体球磨，烘干，过筛，然后在800～850℃下煅烧1～3h，得到无杂相的NiCuZn铁氧体粉体；
步骤4、将步骤2得到的介电相粉体球磨，烘干，过筛，然后在1000～1200℃下煅烧2～4h，得到无杂相的BaTiO3粉体；
步骤5、将步骤3得到的NiCuZn铁氧体粉体和步骤4得到的BaTiO3粉体按照NiCuZn铁氧体相为80wt％、BaTiO3介电相为20wt％的比例混合，并添加10wt％的H3BO3-Bi2O3-SiO2-ZnO玻璃粉作为助烧剂，混合均匀，得到混合粉体；
步骤6、将步骤5混合后得到的粉体球磨，烘干，过筛，压制成坯件，然后将坯件在空气气氛下、900℃温度下烧结2h，即可得到所述磁介复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于磁介复合材料的叠层低通滤波器，其特征在于，所述电感包括多层带“回”字形线圈的基体材料，相邻线圈之间通过金属通孔连接，形成螺旋线圈结构。
3.根据权利要求1所述的基于磁介复合材料的叠层低通滤波器，其特征在于，所述第一电容和第二电容由多层带“十”字形金属层的基体材料组成。
4.一种如权利要求1-3任一项所述基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的设计方法，具体过程为：首先，对原型滤波器归一化值的变换得到满足设计目标的各元件参数，并通过ADS电路仿真得到滤波器电路的传输特性与反射特性；然后，分别对电感和电容的三维结构进行HFSS仿真，以满足电路仿真给出的电感量和电容量要求；最后，以上步得到的仿真结果为参考，对滤波器的三维结构进行仿真，得到满足设计要求的滤波器结构。
5.根据权利要求4所述的基于磁介复合材料的叠层低通滤波器的设计方法，其特征在于，所述低通滤波器原型选用巴特沃斯型，结构为3阶π型，其截止频率为1/2πHz，特征阻抗为1Ω。
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