专利名称：同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷的测量装置和方法，尤其是一种同时测量低温共烧结陶瓷 (LTCC)收缩率和介电常数的装置及方法。
背景技术：
LTCC在烧结过程中，会产生收缩现象。当把LTCC作为微波基板使用时，为了保证 电气性能，必须要知道LTCC的收缩率，以便在设计过程中加以修正。另外设计基于LTCC基 板的微波电路时，也需要知道LTCC的介电常数。通常测量LTCC收缩率的方法是使用X射 线装置透视测量，这种方法需要专门设备，设备昂贵且有防护要求，而且效果也不是很好; 测量材料介电常数方法有传输线法，驻波法等等，这些方法对材料样品的形态有一些要求， 不一定适合实际使用的LTCC微波基板。

发明内容
技术问题本发明的目的是提出一种同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置及方 法，该方法和装置可以同时测量LTCC的收缩率和介电常数，也特别适合于测量LTCC微波基 板的收缩率和介电常数。技术方案本发明的同时测量低温共烧结陶瓷收缩率和介电常数的装置包括 LTCC基板和位于LTCC基板上两个结构形式相似且并排排列的第一谐振电路、第二谐振电 路，其中第一谐振电路的中间是第一矩形微带环谐振器，第一矩形微带环谐振器的两侧 是第一 L形输入输出微带线，第一矩形微带环谐振器与第一 L形输入输出微带线相邻的一 端之间是第一耦合缝隙，第一 L形输入输出微带线的另一端是第一谐振电路的输入输出端 口 ；第二谐振电路的中间是第二矩形微带环谐振器，第二矩形微带环谐振器的两侧是第二 L形输入输出微带线，第二矩形微带环谐振器与第二 L形输入输出微带线相邻的一端之间 是第二耦合缝隙，第二 L形输入输出微带线的另一端是第二谐振电路的输入输出端口。第一矩形微带环谐振器导带的周长与第二矩形微带环谐振器导带的周长不同，因 而第一谐振电路谐振频率与第二谐振电路的谐振频率不同。本发明的同时测量低温共烧结陶瓷收缩率和介电常数的装置的测量方法为首先 使用测量仪器分别测量烧结后的LTCC基板上第一谐振电路和第二谐振电路的谐振频率； 然后使用电磁仿真软件，以烧结前制版时设定的LTCC基板上的第一谐振电路和第二谐振 电路的结构尺寸参数、LTCC基板厚度及基板材料估计的介电常数为初值，分别计算第一谐 振电路和第二谐振电路的谐振频率，接着调整介电常数和用收缩率调整这些结构尺寸参 数，使得仿真计算得到的第一谐振电路和第二谐振电路的谐振频率分别等于第一谐振电路 和第二谐振电路谐振频率的测量值；这时候仿真计算使用的收缩率就是LTCC基板烧结后 的收缩率，仿真计算使用的介电常数就是LTCC基板材料的介电常数，仿真计算使用的第一 谐振电路和第二谐振电路各部分结构尺寸参数就是烧结后的LTCC基板第一谐振电路和第 二谐振电路各部分结构尺寸参数。
本装置所使用测量方法是第一谐振电路和第二谐振电路的谐振频率的测量值与 仿真计算值相等时，仿真计算时使用的基板材料的介电常数和电路结构尺寸参数就等于实 际LTCC基板材料的介电常数和电路尺寸。第一 L形输入输出微带传输线与第矩形微带环谐振器之间通过第一耦合缝隙进 行电磁能量耦合；第二 L形输入输出微带传输线与第二矩形微带环谐振器之间通过第二耦 合缝隙进行电磁能量耦合。有益效果本发明的有益效果是，可以同时测量LTCC基板材料的收缩率和介电常 数；而且LTCC基板测试时的样品形态与实际应用时的形态一致，测量结果更具有代表性； 又因为测量过程与仿真计算密切结合，因此测量结果便于应用于设计过程。


图1是本发明的结构示意图。图中有LTCC基板1、第一谐振电路2、第二谐振电路3、第一矩形微带环谐振器4、 第一 L形输入输出微带线5、第一耦合缝隙6、第二矩形微带环谐振器7、第二 L形输入输出 微带线8、第二耦合缝隙9。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明所采用的实施方案是陶瓷收缩率和介电常数测量装置包括LTCC基板和 LTCC基板上的微波电路，其中LTCC基板的一面是金属接地面，LTCC基板的另一面蚀刻着 微波电路；微波电路包括两个结构形式相似的微波谐振电路，即第一谐振电路和第二谐振 电路，这两个谐振电路各部分结构尺寸不同，两者的谐振频率也不同；每个微波谐振电路由 矩形微带环谐振器和两个输入输出微带传输线组成；输入输出微带传输线形状是L形，每 个L形输入输出微带传输线的一端作为谐振电路的输入输出端口，另一端则与矩形微带环 谐振器的一条边平行，L形输入输出微带传输线与矩形微带环谐振器的通过缝隙进行电磁 能量耦合。本发明装置的测量方法依据微波谐振电路的谐振频率由电路结构尺寸和基板材 料介电常数及基板厚度所决定的原理。LTCC基板上的微波谐振电路的谐振频率与矩形微 带环谐振器和输入输出微带传输线的结构尺寸和LTCC基板厚度及基板材料的介电常数有 关，有了这些参数，就可以使用电磁仿真软件计算得到该微波谐振电路的谐振频率；另一方 面也可以用测量烧结后的实际LTCC基板微波谐振电路的方法直接得到该谐振电路的谐振 频率。如果仿真软件计算得到的谐振频率与测量得到的谐振频率一样，那么仿真计算谐振 频率时所使用的介电常数就是烧结后实际LTCC基板材料的介电常数，同样仿真计算谐振 频率时所使用的谐振电路各部分结构的尺寸参数就是烧结后实际LTCC基板上微波谐振电 路对应的各部分结构的尺寸参数。由于烧结前实际LTCC基板上的微波谐振电路各部分的 尺寸是制版时设定的尺寸，这些尺寸都是已知的，这样我们就有了实际LTCC基板上微波谐 振电路烧结前和烧结后的各部分的尺寸参数，LTCC基板上微波谐振电路某部分结构在烧结 前的尺寸数值减去烧结后相应结构的尺寸数值就得到这部分结构的尺寸差值，该尺寸差值 除以烧结前该部分结构的尺寸数值就得到该部分结构的收缩率。
在结构上，本发明的同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置包括LTCC基板和 LTCC基板上的微波电路，其中LTCC基板的一面是金属接地面，微波电路蚀刻在LTCC基板 的另一面。微波电路包括两个结构形式相似的微波谐振电路。每个微波谐振电路由矩形 微带环谐振器和两个输入输出微带传输线端口组成，其中一个谐振电路的矩形微带环谐振 器尺寸小于另一个谐振电路的矩形微带环谐振器尺寸。每个输入输出微带传输线形状都 是L形，每个L形输入输出微带传输线的一端作为谐振电路的输入输出端口，该端口的微带 线的阻抗设为50欧姆，L形输入输出微带传输线另一端则与矩形微带环谐振器的一条边平 行。在制造上，两个微波谐振电路都制作在同一块基板上，基板材料是LTCC，也可以是 其它陶瓷基板；可以采用通常的LTCC电路板工艺制作基板上的金属图形；为减小损耗，在 LTCC基板的金属上可以镀金；可根据所需要的工作频率，分别确定两个矩形微带环谐振器 环形导带的总周长，使一个谐振电路的谐振频率高于工作频率，而另一个谐振电路的谐振 频率低于工作频率。在测量时，首先使用矢量网络分析仪分别测量烧结后的LTCC基板上两个微波谐 振电路的谐振频率；然后使用电磁仿真软件，如Ansoft的HFSS，以烧结前制版时设定的 LTCC基板微波谐振电路的结构尺寸参数和LTCC基板厚度及基板材料估计的介电常数等参 数为初值，分别计算两个微波谐振电路的谐振频率，接着调整介电常数和用收缩率调整这 些结构尺寸参数，使得仿真计算得到的这两个微波谐振电路的谐振频率等于这两个微波谐 振电路谐振频率的测量值；这时候仿真计算使用的收缩率就是LTCC烧结的收缩率，仿真计 算使用的介电常数就是LTCC基板材料的介电常数，仿真计算使用的微波谐振电路各部分 结构尺寸参数就是烧结后的LTCC基板微波谐振电路各部分结构尺寸参数。根据以上所述，便可实现本发明。
权利要求
1.一种同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置，其特征在于该装置包括LTCC基板(1) 和位于LTCC基板(1)上两个结构形式相似且并排排列的第一谐振电路(2)、第二谐振电路(3)，其中第一谐振电路(2)的中间是第一矩形微带环谐振器(4)，第一矩形微带环谐振器(4)的两侧是第一L形输入输出微带线(5)，第一矩形微带环谐振器(4)与第一 L形输入输 出微带线(5)相邻的一端之间是第一耦合缝隙(6)，第一 L形输入输出微带线(5)的另一 端是第一谐振电路⑵的输入输出端口 ；第二谐振电路⑶的中间是第二矩形微带环谐振 器(7)，第二矩形微带环谐振器(7)的两侧是第二 L形输入输出微带线(8)，第二矩形微带 环谐振器(7)与第二 L形输入输出微带线(8)相邻的一端之间是第二耦合缝隙(9)，第二 L 形输入输出微带线(8)的另一端是第二谐振电路(3)的输入输出端口。
2.根据权利要求1所述的同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置，其特征在于第一矩 形微带环谐振器(4)导带的周长与第二矩形微带环谐振器(7)导带的周长不同，因而第谐 振电路(2)谐振频率与第二谐振电路(3)的谐振频率不同。
3 —种如权利要求1所述的同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置的测量方法，其特 征在于该方法为首先使用测量仪器分别测量烧结后的LTCC基板(1)上第一谐振电路(2) 和第二谐振电路(3)的谐振频率；然后使用电磁仿真软件，以烧结前制版时设定的LTCC基 板上的第一谐振电路(2)和第二谐振电路(3)的结构尺寸参数、LTCC基板(1)厚度及基板 材料估计的介电常数为初值，分别计算第谐振电路(2)和第二谐振电路(3)的谐振频率， 接着调整介电常数和用收缩率调整这些结构尺寸参数，使得仿真计算得到的第一谐振电路 ⑵和第二谐振电路(3)的谐振频率分别等于第一谐振电路⑵和第二谐振电路(3)谐振 频率的测量值；这时候仿真计算使用的收缩率就是LTCC基板(1)烧结后的收缩率，仿真计 算使用的介电常数就是LTCC基板⑴材料的介电常数，仿真计算使用的第一谐振电路⑵ 和第二谐振电路(3)各部分结构尺寸参数就是烧结后的LTCC基板(1)第一谐振电路(2) 和第二谐振电路(3)各部分结构尺寸参数。
全文摘要
同时测量陶瓷收缩率和介电常数的装置包括低温共烧结陶瓷(LTCC)基板(1)和位于LTCC基板(1)上两个结构形式相似且并排排列的第一谐振电路(2)、第二谐振电路(3)，其中第一谐振电路(2)的中间是第一矩形微带环谐振器(4)，两侧是第一L形输入输出微带线(5)，第一矩形微带环谐振器(4)与第一L形输入输出微带线(5)相邻的一端之间是第一耦合缝隙(6)，第二谐振电路(3)的中间是第二矩形微带环谐振器(7)，两侧是第二L形输入输出微带线(8)，第二矩形微带环谐振器(7)与第二L形输入输出微带线(8)相邻的一端之间是第二耦合缝隙(9)，第二L形输入输出微带线(8)的另一端是第二谐振电路(3)的输入输出端口。
文档编号G01N27/00GK102004121SQ201010293248
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者包一鸣, 殷晓星, 王磊, 赵洪新 申请人:东南大学