[发明专利]在高频范围内作为电介质的微晶玻璃

说明书

技术领域

本发明涉及可以在高频范围内(频率>200MHz)、更特别地在千兆赫范围内(频率f>1GHz)用作电介质的微晶玻璃。

背景技术

一系列在高频范围内的应用要求具有极高的相对介电常数ε连同极低的介电损耗(tanδ)的特殊材料。为了避免因用户身体(称为“身体载荷”)所致的近距离去谐，电介质充电对于天线、过滤器和其它装置来说尤其重要。为此目的，需要如下的电介质，其在高频范围内具有ε≥15的高相对介电常数以及不超过10^-2、优选更低的低介电损耗(tanδ)。此外，谐振频率的温度依赖性τ_f应当极低。最后，这种材料能够以极简单且廉价的方式被处理以便以有利成本实现近净形。

一系列通过烧结操作处理的陶瓷材料是现有技术内已知的。通过玻璃熔体的方式获得的第一种微晶玻璃体系是Mirsaneh等人，“Circularly Loaded Dielectric-Loaded Antennas:Current Technology and Future Challanges”(圆形载荷的介电载荷的天线：当前的技术和未来的挑战)，Adv.Funct.Materials(先进功能材料)18，(2008)，第1-8页中公开的BiNbO₄体系，其用于千兆赫范围的电介质充电天线的应用。这种材料用于制造两种主要利用形式的天线，即圆偏振DLA螺旋天线(D-LQH天线)和方形贴片天线。为此目的，将具有如下组成的玻璃以常规方式在1250℃下熔化两小时：30摩尔％的Bi₂O₃、30摩尔％的Nb₂O₅、30摩尔％的B₂O₃和10摩尔％的SiO₂。

将这种玻璃浇注入圆柱形模具中，在500℃到520℃下减压，并且缓慢冷却到室温。此后在600℃与1000℃之间的不同温度下结晶。对于960℃下的热处理来说，认为用于天线应用的最佳值是15的相对介电常数ε与15000GHz的品质因数Q·f₀和-80MK^-1的谐振频率的温度系数τ_f。这种情况下所表征的结晶相是基本上为斜方晶系的BiNbO₄。

使用了铋和铌的这种体系在原料方面是非常昂贵的。

另外，有一系列的烧结陶瓷材料(参见US6,184,845B1、US2007/063902A1)。其中被指定为用于电介质充电的D-LQH天线的陶瓷核心的电介质材料是如下的烧结陶瓷材料，其具有约36的相对介电常数，分别基于钛酸锆和基于钛酸锆锡。认为所述材料是通过挤制或压制和随后烧结而制造的。

在M.T.Sebastian等的综述，“Low loss dielectric materials for LTCC applications(用于LTCC应用的低损耗介电材料)”，International Materials Reviews(国际材料综述)，第53卷，2008，第57-90页中描述了其它烧结材料。虽然这些材料中的一些被称为“微晶玻璃”，但它们事实上为烧结材料，因为它们通过烧结玻璃质和结晶粉末的混合物来制造。

US2002/0037804A1和US2004/0009863A1还公开了据称形成不同晶相的介电陶瓷，例如CaTiO₃、SrTiO₃、BaTi₄O₉、La₂Ti₂O₇、Nd₂Ti₂O、Ba₂Ti₉O₂₀、Mg₂TiO₄、Mg₂SiO₄、Zn₂TiO₄等，据称它们带来高品质因数。这些同样是烧结陶瓷。

通过烧结制造电介质具有一系列缺点：每次烧结操作总会引起一定的皱缩，从而导致几何学上的不准确性和相应的终加工。此外，每次烧结操作均会产生一定的残余孔隙率，如果对表面进行金属化，那么这是不利的。金属穿透孔隙并且增大了电介质的介电损耗。

此外，烧结材料的制造根本上是相对不方便的且昂贵的。