阅读说明：本技术 一种毫米波介质陶瓷 (Millimeter wave dielectric ceramic ) 是由 陈湘明 丁艺含 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种毫米波介质陶瓷,其配方的一般表达式为：xHfO-(2)·yTiO-(2)·zSiO-(2)。其中75.0mol％≤x≤97.0mol％,3.0mol％≤y≤25.0mol％,0mol％≤z≤5.0mol％,且x+y+z＝100％。本发明提供的毫米波介质陶瓷介电常数为10～20,Q值高达5,000～9,000(在30GHz),同时具有近零谐振频率温度系数。利用本发明提供的毫米波介质陶瓷,可使介质谐振器与滤波器等微波元器件适合毫米波应用,可望为未来移动通讯解决关键材料问题。因此,本发明在工业上有着极大的价值。(The invention provides a millimeter wave dielectric ceramic, the general expression of the formula is as follows: xHfO 2 ·yTiO 2 ·zSiO 2 . Wherein x is more than or equal to 75.0 mol% and less than or equal to 97.0 mol%, y is more than or equal to 3.0 mol% and less than or equal to 25.0 mol%, z is more than or equal to 0 mol% and less than or equal to 5.0 mol%, and x + y + z is equal to 100%. The dielectric constant of the millimeter wave dielectric ceramic provided by the invention is 10-20, the Q value is as high as 5,000-9,000 (at 30GHz), and the temperature coefficient of the near-zero resonance frequency is obtained. The millimeter wave dielectric ceramic provided by the invention can enable microwave components such as dielectric resonators, filters and the like to be suitable for millimeter wave application, and is expected to solve the problem of key materials for future mobile communication. Therefore, the present invention is industrially very valuable.)

一种毫米波介质陶瓷

技术领域

本发明涉及毫米波通讯领域，具体涉及一种谐振器、滤波器用毫米波介质陶瓷。

背景技术

近年来，随着移动通讯与卫星通讯技术的迅速发展，对介质谐振器与滤波器等微波元器件用的微波介质陶瓷的需求正在日益增长。而随着移动通讯向毫米波段迅速发展，对低介电常数、超低损耗毫米波介质陶瓷提出了迫切的要求。其基本性能要求为：介电常数ε_r≤20,品质因数Q＝5,000GHz(在毫米波频率)，谐振频率温度系数τ_f＝0±10ppm/℃。

目前已有的Ba-基复合钙钛矿陶瓷等虽有超低损耗与近零写真频率温度系数，然其介电常数过大(>20),无法满足毫米波应用要求。MgAl₂O₄,、Mg₂SiO₄、Zn₂SiO₄陶瓷等则存在谐振频率温度系数过大、且Q值难以控制等问题。

本发明在综合考察已有微波介质陶瓷体系的基础上，着眼于氧化铪基固溶体，最后找出一种低介电常数、超低损耗毫米波介质陶瓷新配方。

发明内容

本发明提供毫米波陶瓷配方的一般表达式为：xHfO₂·yTiO₂·zSiO₂。其中75.0mol％≤x≤97.0mol％，1.0mol％≤y≤25.0mol％，0mol％≤z≤3.0mol％，且x+y+z＝100％。

上述配方中x＝0.9，y＝0.09,z＝0.01的毫米波介质陶瓷。

一种具有上述配方的毫米波介质陶瓷，具有低介电常数(10～20)、超低损耗(Q＝5,000～9,000at 30GHz)与良好的温度稳定性的特点，作为谐振器、滤波器的关键材料，适用于毫米波通讯领域。

本发明的有益效果

1、目前已有的Ba-基复合钙钛矿陶瓷等虽有超低损耗与近零写真频率温度系数，然其介电常数过大(>20)，无法满足毫米波应用要求。而本发明提供的介质陶瓷具有低介电常数(≤20)的特征，适合毫米波应用。

2、MgAl₂O₄,、Mg₂SiO₄、Zn₂SiO₄陶瓷等则存在谐振频率温度系数过大、且Q值难以控制等问题。本发明提供的介质陶瓷具有超低损耗(Q＝5,000～9,000at 30GHz)与良好的温度稳定性的特点，可为未来毫米波通讯提供关键基础材料

3、本发明提供的毫米波介质陶瓷为氧化铪基固溶体，与硅等半导体材料有着良好的兼容性。

4、HfO₂小的离子极化率，导致了其低介电常数。但单纯的HfO₂微波性能并不好，使其与TiO₂形成固溶体后，可有效降低非简谐振动，从而显著降低其介电损耗。同时，由于TiO₂具有正的谐振频率温度系数，与HfO₂负的谐振频率温度系数相互抵消，从而有利于获得近领谐振频率温度系数。加入SiO₂成分的目的在于进一步降低谐振频率温度系数，并改善陶瓷致密化特性。

具体实施方式

首先，将纯度为99.9％以上的HfO₂、TiO₂与SiO₂按比例用湿式球磨法混合24小时(溶剂为无水乙醇)，添加粘结剂，接着造粒，然后通过单轴压力成形在1000kg/cm²的压力下制备出直径6mm、厚度3-6mm的陶瓷坯体，最后在1375℃-1450℃、大气气氛中烧结3小时以制备所需的毫米波介质陶瓷。

用高阶模式圆柱介质谐振器法在30GHz进行了毫米波介电性能的评价。

实施例中材料的毫米波介电性能与组成的关系如表1所示。从表1可知，在本发明的陶瓷体系中，随着TiO₂含量的增加，材料的介电常数趋于增加，τ_f趋向于正值移动，而Q值先显著增加，后略微减小。在本实施例所有组分配方中，HfO₂＝90.0mol％，TiO₂＝9.0mol％,SiO₂＝1.0mol％的配方具有最佳的毫米波介电性能：ε_r＝15,Q＝8,000在30GHz，τ_f＝-3.5ppm/℃。

表1毫米波介电性能与组成的关系