[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

本发明涉及可在高频范围内(频率>200MHz)，更特别地在千兆赫范围内(频率f>1GHz)作为电介质使用的微晶玻璃。

背景技术

对于高频范围内的一系列应用，需要组合极高的相对电容率ε与极低的介电损耗(tanδ)的特殊材料。为了一方面允许小天线构造且另一方面防止由使用者身体(称为“身体荷载”)引起的近距离去谐，在天线、过滤器及其它装置情形下介电充电具有特殊的意义。对于该目的需要如下的电介质，其在高频范围内具有ε≥15的高相对电容率，以及不超过10^-2、优选更低的低介电损耗(tanδ)。另外，共振频率的温度依赖度τ_f应该极低。最后，这类材料能够极其简单且经济地加工以允许在有利的成本下近净形。

在现有技术中已知一系列通过烧结操作加工的陶瓷材料。微晶玻璃同样是已知的，参见，例如BiNbO₄体系，其公开在Mirsaneh等的“Circularly Loaded Dielectric-Loaded Antennas:Current Technology and Future Challenges”(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，其用于在千兆赫范围内在介电充电天线情况下的应用。该材料可用于制造三种主要利用形式的天线：圆偏振DLA螺旋天线(D-LQH天线)和方形贴片天线以及SMD天线。为此目的，首先将具有如下组成的玻璃在1250℃下常规熔化2小时，该组成为30摩尔％的Bi₂O₃、30摩尔％的Nb₂O₅、30摩尔％的B₂O₃和10摩尔％的SiO₂。

将该玻璃浇注到圆柱形模具中，在500至520℃下减压并缓慢冷却到室温。在这之后，然后在600℃至1000℃之间的多个温度下结晶。对于天线应用在960℃下加热处理的情况下，指定的最佳值是相对电容率ε为15，其中品质因数Q·f₀为15000GHz且共振频率的温度系数τ_f为-80MK^-1。在该情况下表征的结晶相基本为斜方晶BiNbO₄。

使用铋和铌的这种体系在原料方面费用浩大。

另外，存在一系列烧结的陶瓷材料(参见，US6,184,845B1、US2007/063902A1)。在其中被指定为用于介电充电D-LQH天线的陶瓷芯的介电材料是如下的烧结陶瓷材料，其具有约36的相对电容率且分别基于钛酸锆和基于钛酸锆锡。据称通过挤制或压制并然后烧结来制造该材料。

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。虽然这些材料在一些情况下被确定为“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。

通过烧结制造的电介质具有一系列缺点：每个烧结操作总是与特定的收缩相关联，导致几何误差和相应的最终机械加工。另外，每个烧结操作都产生特定的残余孔隙度，其在表面金属化的情况下是不利的。金属渗透孔隙且升高电介质的介电损耗。

此外，烧结材料的制造在根本上相对不便且费用浩大。