一种无线无源温度传感器用低介微波介质陶瓷材料及其制备方法

本发明涉及电子陶瓷，具体涉及一种综合性能优异、适用于无线无源温度传感器用低介微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、在能源动力装备领域中，燃气轮机被视为最高端产品，代表了装备制造业的最高技术水平，被称为动力机械装备领域中的皇冠上的明珠。实时原位监控燃烧室内温度是提高现代燃气轮机工作效率、增强可靠性和减少污染排放的关键。然而，在超高温(>1000℃)、高氧化性和气流冲蚀等恶劣环境下，测量燃烧室内部件(如涡轮叶片)的温度参数是具有巨大挑战的。因此，迫切需要开发能够长时间承受1000℃以上超高温环境的健康监测和原位测试的温度传感器。

2、由于新一代燃气轮机燃烧室内部具有复杂测量测试环境，传统的敏感材料面临失效的问题，因此，必须采用新的敏感结构体材料以适应恶劣环境下应用的需要。目前广泛应用的传统温度传感器大多数都是需要采取有线方式来读取信号，传感器本身也需要电源进行供电，而对于一些特殊环境下例如高温、高电压、易燃、易爆、有毒等恶劣环境，不仅会无法提供稳定的有线供电电源，而且传感器获得被测参数后，需要将数据传输到后端进行处理，传统的线缆传输方式要求传感器必须和后端处理设备用线缆连接起来，这样传感器的使用就受到线缆和电源的限制，传感器的使用范围就被大大缩小。而无线无源传感器具有其独特的优势，可以合理避开且能很好地解决这些问题。近年来提出并逐渐发展起来的基于介质谐振器天线的无线无源温度传感器具有辐射效率高、尺寸小、重量轻、易激发、功率大、设计自由度高等优点而有望在恶劣环境下温度传感领域获得应用性突破。介质谐振器天线型无线无源温度传感器是利用陶瓷材料的介电常数随温度呈线性单调变化的原理，通过不同温度下陶瓷谐振器谐振频率的变化来实现对于环境温度的测试。传感器的天线结构大大缩小了器件的尺寸，利用天线接收谐振频率变化来实现信号的无线传输。目前，介质谐振器天线型无线无源温度传感器领域尚未进入应用阶段。因此，设计制备新型传感器用高性能微波介质陶瓷材料具有广阔前景和重要意义。

3、白钨矿结构cawo4基微波介质陶瓷，因具有较低的介电常数(8-12)而有利于减小信号延迟，较高的品质因数(＞10,000ghz)而有利于降低信号损耗，较低的烧结温度(1100℃-1200℃)而符合ltcc技术要求，已得到深入研究与广泛应用。然而，其谐振频率温度系数的绝对值较大，限制了其应用和发展。故需通过改进组成和工艺，在维持较低介电常数和较高品质因数的同时，尽可能提升其温度稳定性，令其满足微波元件的性能要求并具备应用于无线无源温度传感器领域的潜力。

技术实现思路

1、本发明目的在于，为了解决现有陶瓷材料介电常数不适于制备介质谐振器天线型无线无源温度传感器的问题，提供了一种无线无源温度传感器用低介微波介质陶瓷材料及其制备方法，所述陶瓷材料为四方白钨矿结构，化学组成为carnbwo8，其中r为ce、la、nd、sm或y，粒径均≤2μm，以cao、nb2o5、wo3和稀土氧化物为原料，通过固相烧结法获得。该材料的微波介电性能优异：介电常数εr＝12.58-13.84，品质因数q×f＝29,120 -59,800ghz，谐振频率温度系数绝对值|tcf|＜20ppm/℃，同时因具有低介电常数、介电常数对温度变化敏感的特点，符合介质谐振器天线型无线无源温度传感器利用陶瓷材料的介电常数随温度呈线性单调变化实现对环境温度测试的原理的要求，是一类在无线无源温度传感领域非常有潜力的微波介质陶瓷材料。

2、本发明所述的一种无线无源温度传感器用低介微波介质陶瓷材料，所述陶瓷材料化学组成为carnbwo8，其中r为ce、la、nd、sm或y，具有四方晶系白钨矿结构，具体操作按下列步骤进行：

3、a、按质量比1:2.2-2.4:4:2-3.3将cao、nb2o5、wo3和稀土氧化物粉末混合，于玛瑙研钵中研磨，时间为6-10h，得到混合粉体，其中稀土氧化物粉末为ceo2、la2o3、nd2o3、sm2o3或y2o3，粒径均≤2μm；

4、b、将步骤a中得到的混合粉体经煅烧，温度为1000℃-1150℃，时间为2-5h，研磨，时间为6-10h，即得混合粉体，再将混合粉体放入压片机中压片，压片成型压力为10-20kg/cm2，时间为0.5-2min，得到φ10mm×5mm圆柱胚体；

5、c、将步骤b中得到的圆柱坯体进行冷等静压，压强为200-300mpa，时间为1-3min，再置于马弗炉中烧结成瓷，烧结温度为1200℃-1300℃，烧结时间为2-6h，然后随炉冷却，即得到陶瓷材料的介电常数εr＝12.58-13.84，品质因数q×f＝29,120 -59,800ghz，谐振频率温度系数绝对值|tcf|＜20ppm/℃的低介微波介质陶瓷材料。

6、一种无线无源温度传感器用低介微波介质陶瓷材料的制备方法，所述陶瓷材料化学组成为carnbwo8，其中r为ce、la、nd、sm或y，按下列步骤进行：

7、a、按质量比1:2.2-2.4:4:2-3.3将cao、nb2o5、wo3和稀土氧化物粉末混合，于玛瑙研钵中研磨，时间为6-10h，得到混合粉体，其中稀土氧化物粉末为ceo2、la2o3、nd2o3、sm2o3或y2o3，粒径均≤2μm；

8、b、将步骤a中得到的混合粉体经煅烧，温度为1000℃-1150℃，时间为2-5h，研磨，时间为6-10h，即得混合粉体，再将混合粉体放入压片机中压片，压片成型压力为10-20kg/cm2，时间为0.5-2min，得到φ10mm×5mm圆柱胚体；

9、c、将步骤b中得到的圆柱坯体进行冷等静压，压强为200-300mpa，时间为1-3min，再置于马弗炉中烧结成瓷，烧结温度为1200℃-1300℃，烧结时间为2-6h，然后随炉冷却，即得到陶瓷材料的介电常数εr＝12.58-13.84，品质因数q×f＝29,120 -59,800ghz，谐振频率温度系数绝对值|tcf|＜20ppm/℃的低介微波介质陶瓷材料。

10、本发明所述的一种无线无源温度传感器用低介微波介质陶瓷材料及其制备方法，通过用相似离子半径的稀土离子对钙离子进行替位掺杂，改变钙离子位置的离子半径和价态以产生不同的导电特性，以探求carnbwo8(r＝ce、la、nd、sm或y)微波介质陶瓷材料在介质谐振器天线型无线无源温度传感器领域中的应用。

11、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明通过稀土氧化物掺杂，在维持较低介电常数和较高品质因数的同时提高谐振频率温度稳定性，实现介电性能指标的协同改善。本发明所研制微波介质陶瓷的介电常数εr＝12.58-13.84，品质因数q×f＝29,120-59,800ghz，谐振频率温度系数绝对值|tcf|＜20ppm/℃，综合性能优于绝大多数微波介质陶瓷；同时符合介质谐振器天线型无线无源温度传感器利用陶瓷材料的介电常数随温度呈线性单调变化实现对于环境温度测试的原理的要求，解决了现有陶瓷材料介电常数不适于制备介质谐振器天线型无线无源温度传感器的问题，是一类在无线无源温度传感领域非常有潜力的微波介质陶瓷材料。