一种陶瓷矩形太赫兹波导管芯、波导组件及其制备方法与流程

本发明属于太赫兹器件制备技术领域，具体涉及一种陶瓷矩形太赫兹波导管芯、波导组件及其制备方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

太赫兹(thz)在电磁波谱中的频率范围大致为0.1thz-10thz。thz波具有独特的瞬态性、宽带性、相干性和低能性。近年来，thz波以其独特的性能和广泛的潜在应用价值而越来越受到世界各国的关注，随着应用研究的不断深入和交叉学科领域的不断扩大，thz波的研究与应用将迎来一个蓬勃发展的阶段。

由于微波器件的加工尺寸随着工作频率的提高逐渐减小，在太赫兹频段，尺寸加工精度已经突破常规机械加工设备的极限，这就对加工手段和加工精度提出了更高的要求。也因此，太赫兹微型金属部件存在着整件大尺寸与波导小尺寸、微米级形位公差要求之间的矛盾，存在着三维、曲面立体结构难以成型的问题。发明人发现，常规铣削加工过程不稳定、微径铣刀使用寿命短、形位精度很难保证，并且存在喇叭口、波导内腔直角处呈圆弧形等问题，传统加工技术只能加工单个零件且由于上述缺点，因此各个波导管芯之间形位尺寸一致性差，且加工效率低下。

技术实现要素：

针对目前现有技术的不足，本发明提供一种陶瓷矩形太赫兹波导管芯、波导组件及其制备方法。本发明采用三片陶瓷基片堆叠压合工艺制备波导管芯，并将波导管芯组装到包含波导组件外形及法兰的镀金金属管壳内形成完整的波导组件，其中波导开腔宽度和开腔高度分开控制制备完成，有效避免波导内腔直角处呈圆弧形的问题，采用了阵列加工方法，提高加工制作效率，也大大提高各单元波导的电气性能的一致性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供一种陶瓷矩形太赫兹波导管芯，所述陶瓷矩形太赫兹波导管芯由多层氧化铝陶瓷基片堆叠压合制成；

所述氧化铝陶瓷基片为三层；其中，三层氧化铝陶瓷基片分别定义为上盖陶瓷层、管芯陶瓷层和下底陶瓷层。

所述管芯陶瓷层设置有波导腔，所述波导腔通过激光开通获得。

本发明的第二个方面，提供上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯的制备方法，所述制备方法包括：

s1、采用激光加工技术分别加工各层陶瓷基片，保证各层陶瓷基片形状和相互之间的位置关系都是一致的，用以实现各层之间的精确对准；优选的，采用对准标记技术从而保证各层陶瓷基片形状和相互之间的位置关系都是一致的，用以实现各层之间的精确对准；

s2、采用磁控溅射技术对各层陶瓷基片进行表面金属化处理，并以这一金属化层作为种子层采用电镀技术电镀金到一定的金属化层总厚度d，以减小因趋肤效应带来的波导损耗；

s3、将各层陶瓷基片按照顺序堆叠在一起，并调整各层间的相对位置，通过各层间的对准标记实现各层间的对准，加压加热进行堆叠压合处理；本发明通过加压加热工艺使表面镀金层能通过扩散作用完成各陶瓷基片间的充分压合；

s4、采用激光加工技术，以定位标记为基准，加工波导管芯外形；

s5、对波导管芯进行表面溅射、电镀金处理，使其各面都有金属覆盖。

本发明的第三个方面，提供上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯在制备波导组件中的应用。

本发明的第四个方面，提供一种波导组件，所述波导组件包含上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯。

具体的，所述波导组件包括：上腔组件和下腔组件，以及设置于上腔组件和下腔组件内的上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯；所述上腔组件和下腔组件可用于装配和固定波导管芯；其具有波导组件的外形结构和法兰盘结构，方便波导组件的使用。

本发明的第五个方面，提供上述波导组件的装配方法，所述装配方法包括：将上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯装置到上述上腔组件和下腔组件内；配置定位销钉，即装配完成。

以上一个或多个技术方案的有益技术效果：

(1)上述技术方案中关键指标波导开腔宽度和开腔高度分开来控制，开腔宽度采用激光开贯通腔同时考虑金属化层总厚度的方法进行控制，开腔高度采用选取中间层陶瓷片的厚度并同时考虑表面金属化层总厚度的方法进行控制，且采用贯通腔的方法可有效避免波导内腔直角处呈圆弧形问题，从而使得波导内腔呈标准直角；

(2)上述技术方案中堆叠压合时采用了同时加压、加热的方法，使表面镀金层能通过扩散完成各陶瓷基片间的充分压合，可有效避免波导腔的电磁信号泄露问题；

(3)上述技术方案中充分利用激光加工设备的承片台所具有的x、y、z、θ各轴运动和自动编程功能，对各单元波导管芯进行阵列加工，保持各单元波导管芯之间具形位尺寸高度一致的同时，提高加工制作效率，也大大提高各单元波导的电气性能的一致性。

综上，与原传统机械加工方法相比较，上述技术方案可有效避免波导内腔直角处呈圆弧形的问题；堆叠压合时采用了同时加压、加热的方法，使表面镀金层能通过扩散完成各陶瓷基片间的充分压合，可有效避免波导腔的电磁信号泄露问题；采用了阵列加工方法，提高加工制作效率，也大大提高各单元波导的电气性能的一致性，因此具有良好的实际应用之价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中波导组件结构示意图；其中，1为上腔组件，2为下腔组件，3为波导管芯；

图2为本发明实施例中三层陶瓷加工图形示意图；其中，4为上盖陶瓷，5为管芯陶瓷，6为下底陶瓷，4-1为上盖陶瓷对准标记，5-1为管芯陶瓷对准标记，6为下底陶瓷对准标记；

图3为本发明实施例中三层陶瓷做金属化表面处理示意图，7为波导腔；

图4为本发明实施例中三层陶瓷实现堆叠示意图；

图5为本发明实施例中加工波导管芯外形；8为加工波导管芯示意形状图；

图6为本发明实施例中波导管芯示意图；

图7为本发明实施例中波导腔内腔尺寸示意图；

图8为本发明实施例中加工波导管芯外形图；

图9为本发明实施例中波导组件装配示意图；其中，9为定位销钉，10为定位销钉，11为定位销钉，12为定位销钉。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

如前所述，太赫兹微型金属部件存在着整件大尺寸与波导小尺寸、微米级形位公差要求之间的矛盾，存在着三维、曲面立体结构难以成型等问题。

有鉴于此，本发明的一个具体实施方式中，提供一种陶瓷矩形太赫兹波导管芯，所述陶瓷矩形太赫兹波导管芯由多层氧化铝陶瓷基片堆叠压合制成；所述氧化铝陶瓷基片可选用成色96％以上普通氧化铝陶瓷基片。

优选的，所述氧化铝陶瓷基片为三层；其中，三层氧化铝陶瓷基片分别定义为上盖陶瓷层、管芯陶瓷层和下底陶瓷层。

所述管芯陶瓷层设置有波导腔，所述波导腔通过激光开通获得。

各层氧化铝陶瓷基片采用金属化处理；为了满足金属化层的附着力，优选采用多层金属化处理。

其中，金属化处理可选用磁控溅射技术。

本发明的又一具体实施方式中，为了满足波导在传输电磁信号时的导体损耗满足需求，金属化层的最外层是金，金层厚度根据实际需求进行设置。

所述金层采用电镀技术进行。

本发明的又一具体实施方式中，提供上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯的制备方法，所述制备方法包括：

s1、采用激光加工技术分别加工各层陶瓷基片，保证各层陶瓷基片形状和相互之间的位置关系都是一致的，用以实现各层之间的精确对准；优选的，采用对准标记技术从而保证各层陶瓷基片形状和相互之间的位置关系都是一致的，用以实现各层之间的精确对准；

s2、采用磁控溅射技术对各层陶瓷基片进行表面金属化处理，并以这一金属化层作为种子层采用电镀技术电镀金到一定的金属化层总厚度d，以减小因趋肤效应带来的波导损耗；

s3、将各层陶瓷基片按照顺序堆叠在一起，并调整各层间的相对位置，通过各层间的对准标记实现各层间的对准，加压加热进行堆叠压合处理；本发明通过加压加热工艺使表面镀金层能通过扩散作用完成各陶瓷基片间的充分压合；

s4、采用激光加工技术，以定位标记为基准，加工波导管芯外形；

s5、对波导管芯进行表面溅射、电镀金处理，使其各面都有金属覆盖。

其中，所述步骤s1中，采用激光技术对管芯陶瓷层加工波导腔；

本发明的又一具体实施方式中，波导腔开腔宽度和开腔高度分开控制制备完成，波导腔开腔宽度根据需求预先做好补偿，即使得将表面处理后金属化层的总厚度考虑在内的内腔宽度满足需求；开腔高度则是通过选取管芯陶瓷层的陶瓷片厚度来实现的，同时需要考虑金属化层的总厚度，即类似于开腔宽度一样进行补偿。

本发明的又一具体实施方式中，设波导腔的内腔宽度为w，内腔高度为h，金属化层总厚度为d，则管芯陶瓷层的陶瓷厚度h＇＝h-2d，波导腔的内腔开腔尺寸w＇＝w+2d。

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤s3中，加压加热处理具体条件为：加压压力控制在8000mbar(含8000mbar)以上的压力，加热温度控制为300～400℃(优选为350℃)处理时间为0.2～1小时，优选为0.5小时。

本发明的又一具体实施方式中，提供上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯在制备波导组件中的应用。

本发明的又一具体实施方式中，提供一种波导组件，所述波导组件包含上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯。

具体的，所述波导组件包括：上腔组件和下腔组件，以及设置于上腔组件和下腔组件内的上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯；所述上腔组件和下腔组件可用于装配和固定波导管芯；其具有波导组件的外形结构和法兰盘结构，方便波导组件的使用。

本发明的又一具体实施方式中，提供上述波导组件的装配方法，所述装配方法包括：将上述陶瓷矩形太赫兹波导管芯装置到上述上腔组件和下腔组件内；配置定位销钉，即装配完成。

以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例

波导组件结构如图1所示，结构包括上腔组件1、下腔组件2和波导管芯3。

该实施例中，设计了一种上腔组件1、下腔组件2用于装配和固定波导管芯3，其中上腔组件1和下腔组件2具有波导组件的外形结构和法兰盘结构，方便波导组件的使用，波导管芯采用三层96％氧化铝陶瓷片堆叠制作而成。波导组件制作流程详述如下：

首先，选取合适厚度和外形规格的陶瓷基片作为上、中、下三层，上层定义为上盖陶瓷4，中间层定义为管芯陶瓷5，下层定义为下底陶瓷6。

其次，用激光加工技术分别加工上、中、下三层陶瓷，加工图形如图2所。其中，上盖陶瓷4和下底陶瓷6金加工层间对准标记4-1和6-1各四个，管芯陶瓷5上除了加工层间对准标记5-1外，还要加工波导腔7，三层陶瓷上的各四个层间对准标记4-1、5-1、6-1，其形状和相互之间的位置都是一致的，用以实现三层之间的精确对准。

第三，三层陶瓷分别采用磁控溅射技术实现表面金属化，并以这一金属化层作为种子层采用电镀技术电镀金到一定的金属化层总厚度d，以减小因趋肤效应带来的波导损耗。

第四，将上盖陶瓷4、管芯陶瓷5和下底陶瓷6按照从上到下的顺序堆叠在一起，并调整各层间的相对位置，通过各层间的对准标记实现各层间的对准，并将该堆叠体施加8000mbar以上的压力，同时加热到350℃保温半小时，然后自然冷却致室温。

第五，采用激光加工技术，以四个定位标记4-1为基准，按照如图5所示的形状8加工波导管芯3的外形，外形加工完成的波导管芯3示意图如图6所示。

从剖面图h-h可以看出，波导腔7的内壁都具有金属化层，波导腔7的内腔尺寸跟开腔尺寸w＇、金属化层总厚度d和管芯陶瓷5的厚度h＇等都有直接关系，如图7所示，设矩形波导内腔的宽度为w，内腔高度为h，则管芯陶瓷5的厚度h＇＝h-2d，矩形波导7的内腔开腔尺寸w＇＝w+2d。

第六，对波导管芯3进行表面溅射、电镀金处理，使其各面都有金属覆盖，如图8所示。

最后，将波导管芯3装配到上腔组件1和下腔组件2内，并装配定位销钉9、10、11、12，形成波导组件，如图9所示。

应注意的是，以上实例仅用于说明本实施例的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本实施例进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实施例技术方案的精神和范围。