University of Oulu

A room-temperature fabrication method for microwave dielectric Li₂MoO₄ ceramics and their applicability for antennas

Saved in:
Author: Kähäri, Hanna1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526213606
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-10-25
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 4 November 2016, at 12 noon
Tutor: Professor Heli Jantunen
Docent Jari Juuti
Reviewer: Professor Robert Freer
Professor Eung Soo Kim
Opponent: Professor Robert Freer
Professor Maarit Karppinen
Description:

Abstract

This work presents a method for the fabrication of Li₂MoO₄ ceramics at room-temperature based on utilizing a small amount of water with Li₂MoO₄ powder. The densification of the ceramic takes place during pressing. Thus the shape and size of the final ceramic compact can easily be managed by controlling the mould dimensions and the amount of material. Post-processing at 120 °C is applied to remove residual water from the compact. This post-processing temperature can be chosen to be suitable to the other materials integrated, such as the substrate or electrodes, as long as the post-processing time is adequate to remove the residual water. The dielectric properties (relative permittivity of 5.1 and a loss tangent value of 0.00035 at 9.6 GHz) after optimization of the powder particle size, sample pressing pressure, and post-processing time were similar to those achieved for Li₂MoO₄ ceramics fabricated by sintering at 540 °C.

The dielectric properties of Li₂MoO₄ ceramics were also modified using composite methods. For example, an addition of 10 volume-% of BaTiO₃ increased the relative permittivity from 6.4 to 9.7 and the loss tangent value from 0.0006 to 0.011 at 1 GHz. To investigate the thermal dependence of the permittivity, different amounts of rutile TiO₂ were incorporated into a Li₂MoO₄ ceramic matrix fabricated with the method described in this work. As the amount of TiO₂ increased from 10 to 30 volume-%, the thermal coefficient of permittivity decreased from 180 ppm/°C to -170 ppm/°C. The low processing temperature made the fabrication approach introduced here feasible for silver electrode integration without the formation of extra phases, which were observed in sintered samples with similar compositions in another study.

A patch antenna was realized utilizing a Li₂MoO₄ ceramic disk fabricated by the room-temperature method. The antenna operating at ~4 GHz showed reasonably good performance. A relative humidity of 80% lowered the resonant frequency by 3.25% from the initial value, and reduced the total and radiation efficiencies of the antenna by ~2 dB. The changes were slowly reversible. Use of a silicone conformal coating reduced the shift of the resonant frequency to 1.26% from the initial value and also reduced the effect on efficiencies to ~1 dB. The use of the coating also speeded up the reversibility of the changes when the humidity was decreased.

see all

Tiivistelmä

Tässä työssä esitellään menetelmä, jolla Li₂MoO₄-keraameja voidaan valmistaa huoneenlämpötilassa. Menetelmä hyödyntää pientä määrää Li₂MoO₄-vesiliuosta ja sen kiteytymistä. Keraami tiivistyy kappaletta puristettaessa, joten sen koko ja muoto ovat sama kuin muotilla riippuen vain keraamin määrästä. Kappaleeseen jäänyt vesi poistetaan lämpökäsittelyllä yleensä 120 celsiusasteessa. Jälkikäsittelylämpötila voidaan valita muiden integroitavien materiaalien mukaan, kuten alusta- tai elektrodimateriaalin, kunhan jälkikäsittelyaikaa muokataan vastaavasti, jotta kaikki vesi poistuu. Optimoimalla Li₂MoO₄-jauheen partikkelikokoa, puristuspainetta ja jälkikäsittelyaikaa saavutettiin samankaltaiset dielektriset ominaisuudet taajuudella 9,6 GHz (suhteellinen permittiivisyys 5,1 ja häviötangentti 0,00035) kuin Li₂MoO₄-keraameilla, jotka on sintrattu 540 celsiusasteessa.

Li₂MoO₄-keraamien dielektrisiä ominaisuuksia muokattiin myös lisäaineilla. Esimerkiksi 10 tilavuus-% BaTiO₃-jauhetta kasvatti suhteellista permittiivisyyttä taajuudella 1 GHz arvosta 6,4 arvoon 9,7 ja häviötangenttia arvosta 0,0006 arvoon 0,011. Myös eri määriä TiO₂-jauhetta (rutiili) lisättiin Li₂MoO₄-matriisiin permittiivisyyden lämpötilariippuvuuden tutkimiseksi. TiO₂-jauheen määrän kasvaessa 10 tilavuusprosentista 30 tilavuusprosenttiin laski permittiivisyyden lämpötilariippuvuus arvosta 180 ppm/°C arvoon -170 ppm/°C. Matalan käsittelylämpötilan ansiosta työssä esitelty valmistusmenetelmä soveltui käytettäväksi hopeaelektrodien kanssa. Aiemman tutkimuksen mukaan nämä komposiittimateriaalit muodostivat ei-toivottuja faaseja sintrattaessa hopean kanssa.

Menetelmällä valmistettua Li₂MoO₄-keraamikiekkoa käytettiin mikroliuska-antennin valmistuksessa. Taajuudella 4 GHz toimivan antennin suorituskyky oli suunnitellun kaltainen. 80 prosentin suhteellinen ilmankosteus laski resonanssitaajuutta 3,25 % alkuperäisestä arvosta ja vähensi antennin kokonais- ja säteilytehokkuutta noin 2 dB. Muutokset palautuivat hitaasti. Silikonisuojalakan käyttö vähensi taajuuden laskua 1,26 prosenttiin alkuperäisestä arvosta ja tehokkuudet laskivat vain noin 1 dB. Suojalakan käyttö nopeutti muutosten palautuvuutta ilmankosteuden laskiessa.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1360-6
ISBN Print: 978-952-62-1359-0
Issue: 584
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.