專利名稱：同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷的測(cè)量裝置和方法，尤其是一種同時(shí)測(cè)量低溫共燒結(jié)陶瓷 (LTCC)收縮率和介電常數(shù)的裝置及方法。
背景技術(shù)：
LTCC在燒結(jié)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象。當(dāng)把LTCC作為微波基板使用時(shí)，為了保證 電氣性能，必須要知道LTCC的收縮率，以便在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以修正。另外設(shè)計(jì)基于LTCC基 板的微波電路時(shí)，也需要知道LTCC的介電常數(shù)。通常測(cè)量LTCC收縮率的方法是使用X射 線裝置透視測(cè)量，這種方法需要專門設(shè)備，設(shè)備昂貴且有防護(hù)要求，而且效果也不是很好; 測(cè)量材料介電常數(shù)方法有傳輸線法，駐波法等等，這些方法對(duì)材料樣品的形態(tài)有一些要求， 不一定適合實(shí)際使用的LTCC微波基板。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置及方 法，該方法和裝置可以同時(shí)測(cè)量LTCC的收縮率和介電常數(shù)，也特別適合于測(cè)量LTCC微波基 板的收縮率和介電常數(shù)。技術(shù)方案本發(fā)明的同時(shí)測(cè)量低溫共燒結(jié)陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置包括 LTCC基板和位于LTCC基板上兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式相似且并排排列的第一諧振電路、第二諧振電 路，其中第一諧振電路的中間是第一矩形微帶環(huán)諧振器，第一矩形微帶環(huán)諧振器的兩側(cè) 是第一 L形輸入輸出微帶線，第一矩形微帶環(huán)諧振器與第一 L形輸入輸出微帶線相鄰的一 端之間是第一耦合縫隙，第一 L形輸入輸出微帶線的另一端是第一諧振電路的輸入輸出端 口 ；第二諧振電路的中間是第二矩形微帶環(huán)諧振器，第二矩形微帶環(huán)諧振器的兩側(cè)是第二 L形輸入輸出微帶線，第二矩形微帶環(huán)諧振器與第二 L形輸入輸出微帶線相鄰的一端之間 是第二耦合縫隙，第二 L形輸入輸出微帶線的另一端是第二諧振電路的輸入輸出端口。第一矩形微帶環(huán)諧振器導(dǎo)帶的周長(zhǎng)與第二矩形微帶環(huán)諧振器導(dǎo)帶的周長(zhǎng)不同，因 而第一諧振電路諧振頻率與第二諧振電路的諧振頻率不同。本發(fā)明的同時(shí)測(cè)量低溫共燒結(jié)陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置的測(cè)量方法為首先 使用測(cè)量?jī)x器分別測(cè)量燒結(jié)后的LTCC基板上第一諧振電路和第二諧振電路的諧振頻率； 然后使用電磁仿真軟件，以燒結(jié)前制版時(shí)設(shè)定的LTCC基板上的第一諧振電路和第二諧振 電路的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、LTCC基板厚度及基板材料估計(jì)的介電常數(shù)為初值，分別計(jì)算第一諧 振電路和第二諧振電路的諧振頻率，接著調(diào)整介電常數(shù)和用收縮率調(diào)整這些結(jié)構(gòu)尺寸參 數(shù)，使得仿真計(jì)算得到的第一諧振電路和第二諧振電路的諧振頻率分別等于第一諧振電路 和第二諧振電路諧振頻率的測(cè)量值；這時(shí)候仿真計(jì)算使用的收縮率就是LTCC基板燒結(jié)后 的收縮率，仿真計(jì)算使用的介電常數(shù)就是LTCC基板材料的介電常數(shù)，仿真計(jì)算使用的第一 諧振電路和第二諧振電路各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)就是燒結(jié)后的LTCC基板第一諧振電路和第 二諧振電路各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。
本裝置所使用測(cè)量方法是第一諧振電路和第二諧振電路的諧振頻率的測(cè)量值與 仿真計(jì)算值相等時(shí)，仿真計(jì)算時(shí)使用的基板材料的介電常數(shù)和電路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)就等于實(shí) 際LTCC基板材料的介電常數(shù)和電路尺寸。第一 L形輸入輸出微帶傳輸線與第矩形微帶環(huán)諧振器之間通過(guò)第一耦合縫隙進(jìn) 行電磁能量耦合；第二 L形輸入輸出微帶傳輸線與第二矩形微帶環(huán)諧振器之間通過(guò)第二耦 合縫隙進(jìn)行電磁能量耦合。有益效果本發(fā)明的有益效果是，可以同時(shí)測(cè)量LTCC基板材料的收縮率和介電常 數(shù)；而且LTCC基板測(cè)試時(shí)的樣品形態(tài)與實(shí)際應(yīng)用時(shí)的形態(tài)一致，測(cè)量結(jié)果更具有代表性； 又因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程與仿真計(jì)算密切結(jié)合，因此測(cè)量結(jié)果便于應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有LTCC基板1、第一諧振電路2、第二諧振電路3、第一矩形微帶環(huán)諧振器4、 第一 L形輸入輸出微帶線5、第一耦合縫隙6、第二矩形微帶環(huán)諧振器7、第二 L形輸入輸出 微帶線8、第二耦合縫隙9。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明所采用的實(shí)施方案是陶瓷收縮率和介電常數(shù)測(cè)量裝置包括LTCC基板和 LTCC基板上的微波電路，其中LTCC基板的一面是金屬接地面，LTCC基板的另一面蝕刻著 微波電路；微波電路包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式相似的微波諧振電路，即第一諧振電路和第二諧振 電路，這兩個(gè)諧振電路各部分結(jié)構(gòu)尺寸不同，兩者的諧振頻率也不同；每個(gè)微波諧振電路由 矩形微帶環(huán)諧振器和兩個(gè)輸入輸出微帶傳輸線組成；輸入輸出微帶傳輸線形狀是L形，每 個(gè)L形輸入輸出微帶傳輸線的一端作為諧振電路的輸入輸出端口，另一端則與矩形微帶環(huán) 諧振器的一條邊平行，L形輸入輸出微帶傳輸線與矩形微帶環(huán)諧振器的通過(guò)縫隙進(jìn)行電磁 能量耦合。本發(fā)明裝置的測(cè)量方法依據(jù)微波諧振電路的諧振頻率由電路結(jié)構(gòu)尺寸和基板材 料介電常數(shù)及基板厚度所決定的原理。LTCC基板上的微波諧振電路的諧振頻率與矩形微 帶環(huán)諧振器和輸入輸出微帶傳輸線的結(jié)構(gòu)尺寸和LTCC基板厚度及基板材料的介電常數(shù)有 關(guān)，有了這些參數(shù)，就可以使用電磁仿真軟件計(jì)算得到該微波諧振電路的諧振頻率；另一方 面也可以用測(cè)量燒結(jié)后的實(shí)際LTCC基板微波諧振電路的方法直接得到該諧振電路的諧振 頻率。如果仿真軟件計(jì)算得到的諧振頻率與測(cè)量得到的諧振頻率一樣，那么仿真計(jì)算諧振 頻率時(shí)所使用的介電常數(shù)就是燒結(jié)后實(shí)際LTCC基板材料的介電常數(shù)，同樣仿真計(jì)算諧振 頻率時(shí)所使用的諧振電路各部分結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)就是燒結(jié)后實(shí)際LTCC基板上微波諧振電 路對(duì)應(yīng)的各部分結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。由于燒結(jié)前實(shí)際LTCC基板上的微波諧振電路各部分的 尺寸是制版時(shí)設(shè)定的尺寸，這些尺寸都是已知的，這樣我們就有了實(shí)際LTCC基板上微波諧 振電路燒結(jié)前和燒結(jié)后的各部分的尺寸參數(shù)，LTCC基板上微波諧振電路某部分結(jié)構(gòu)在燒結(jié) 前的尺寸數(shù)值減去燒結(jié)后相應(yīng)結(jié)構(gòu)的尺寸數(shù)值就得到這部分結(jié)構(gòu)的尺寸差值，該尺寸差值 除以燒結(jié)前該部分結(jié)構(gòu)的尺寸數(shù)值就得到該部分結(jié)構(gòu)的收縮率。
在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置包括LTCC基板和 LTCC基板上的微波電路，其中LTCC基板的一面是金屬接地面，微波電路蝕刻在LTCC基板 的另一面。微波電路包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式相似的微波諧振電路。每個(gè)微波諧振電路由矩形 微帶環(huán)諧振器和兩個(gè)輸入輸出微帶傳輸線端口組成，其中一個(gè)諧振電路的矩形微帶環(huán)諧振 器尺寸小于另一個(gè)諧振電路的矩形微帶環(huán)諧振器尺寸。每個(gè)輸入輸出微帶傳輸線形狀都 是L形，每個(gè)L形輸入輸出微帶傳輸線的一端作為諧振電路的輸入輸出端口，該端口的微帶 線的阻抗設(shè)為50歐姆，L形輸入輸出微帶傳輸線另一端則與矩形微帶環(huán)諧振器的一條邊平 行。在制造上，兩個(gè)微波諧振電路都制作在同一塊基板上，基板材料是LTCC，也可以是 其它陶瓷基板；可以采用通常的LTCC電路板工藝制作基板上的金屬圖形；為減小損耗，在 LTCC基板的金屬上可以鍍金；可根據(jù)所需要的工作頻率，分別確定兩個(gè)矩形微帶環(huán)諧振器 環(huán)形導(dǎo)帶的總周長(zhǎng)，使一個(gè)諧振電路的諧振頻率高于工作頻率，而另一個(gè)諧振電路的諧振 頻率低于工作頻率。在測(cè)量時(shí)，首先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)量燒結(jié)后的LTCC基板上兩個(gè)微波諧 振電路的諧振頻率；然后使用電磁仿真軟件，如Ansoft的HFSS，以燒結(jié)前制版時(shí)設(shè)定的 LTCC基板微波諧振電路的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和LTCC基板厚度及基板材料估計(jì)的介電常數(shù)等參 數(shù)為初值，分別計(jì)算兩個(gè)微波諧振電路的諧振頻率，接著調(diào)整介電常數(shù)和用收縮率調(diào)整這 些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，使得仿真計(jì)算得到的這兩個(gè)微波諧振電路的諧振頻率等于這兩個(gè)微波諧 振電路諧振頻率的測(cè)量值；這時(shí)候仿真計(jì)算使用的收縮率就是LTCC燒結(jié)的收縮率，仿真計(jì) 算使用的介電常數(shù)就是LTCC基板材料的介電常數(shù)，仿真計(jì)算使用的微波諧振電路各部分 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)就是燒結(jié)后的LTCC基板微波諧振電路各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。根據(jù)以上所述，便可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置，其特征在于該裝置包括LTCC基板(1) 和位于LTCC基板(1)上兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式相似且并排排列的第一諧振電路(2)、第二諧振電路(3)，其中第一諧振電路(2)的中間是第一矩形微帶環(huán)諧振器(4)，第一矩形微帶環(huán)諧振器(4)的兩側(cè)是第一L形輸入輸出微帶線(5)，第一矩形微帶環(huán)諧振器(4)與第一 L形輸入輸 出微帶線(5)相鄰的一端之間是第一耦合縫隙(6)，第一 L形輸入輸出微帶線(5)的另一 端是第一諧振電路⑵的輸入輸出端口 ；第二諧振電路⑶的中間是第二矩形微帶環(huán)諧振 器(7)，第二矩形微帶環(huán)諧振器(7)的兩側(cè)是第二 L形輸入輸出微帶線(8)，第二矩形微帶 環(huán)諧振器(7)與第二 L形輸入輸出微帶線(8)相鄰的一端之間是第二耦合縫隙(9)，第二 L 形輸入輸出微帶線(8)的另一端是第二諧振電路(3)的輸入輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置，其特征在于第一矩 形微帶環(huán)諧振器(4)導(dǎo)帶的周長(zhǎng)與第二矩形微帶環(huán)諧振器(7)導(dǎo)帶的周長(zhǎng)不同，因而第諧 振電路(2)諧振頻率與第二諧振電路(3)的諧振頻率不同。
3 —種如權(quán)利要求1所述的同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置的測(cè)量方法，其特 征在于該方法為首先使用測(cè)量?jī)x器分別測(cè)量燒結(jié)后的LTCC基板(1)上第一諧振電路(2) 和第二諧振電路(3)的諧振頻率；然后使用電磁仿真軟件，以燒結(jié)前制版時(shí)設(shè)定的LTCC基 板上的第一諧振電路(2)和第二諧振電路(3)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、LTCC基板(1)厚度及基板 材料估計(jì)的介電常數(shù)為初值，分別計(jì)算第諧振電路(2)和第二諧振電路(3)的諧振頻率， 接著調(diào)整介電常數(shù)和用收縮率調(diào)整這些結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，使得仿真計(jì)算得到的第一諧振電路 ⑵和第二諧振電路(3)的諧振頻率分別等于第一諧振電路⑵和第二諧振電路(3)諧振 頻率的測(cè)量值；這時(shí)候仿真計(jì)算使用的收縮率就是LTCC基板(1)燒結(jié)后的收縮率，仿真計(jì) 算使用的介電常數(shù)就是LTCC基板⑴材料的介電常數(shù)，仿真計(jì)算使用的第一諧振電路⑵ 和第二諧振電路(3)各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)就是燒結(jié)后的LTCC基板(1)第一諧振電路(2) 和第二諧振電路(3)各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。
全文摘要
同時(shí)測(cè)量陶瓷收縮率和介電常數(shù)的裝置包括低溫共燒結(jié)陶瓷(LTCC)基板(1)和位于LTCC基板(1)上兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式相似且并排排列的第一諧振電路(2)、第二諧振電路(3)，其中第一諧振電路(2)的中間是第一矩形微帶環(huán)諧振器(4)，兩側(cè)是第一L形輸入輸出微帶線(5)，第一矩形微帶環(huán)諧振器(4)與第一L形輸入輸出微帶線(5)相鄰的一端之間是第一耦合縫隙(6)，第二諧振電路(3)的中間是第二矩形微帶環(huán)諧振器(7)，兩側(cè)是第二L形輸入輸出微帶線(8)，第二矩形微帶環(huán)諧振器(7)與第二L形輸入輸出微帶線(8)相鄰的一端之間是第二耦合縫隙(9)，第二L形輸入輸出微帶線(8)的另一端是第二諧振電路(3)的輸入輸出端口。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102004121SQ201010293248
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者包一鳴, 殷曉星, 王磊, 趙洪新 申請(qǐng)人:東南大學(xué)