大塊凝固非晶態合金制成的天線結構的制作方法

專利名稱：大塊凝固非晶態合金制成的天線結構的制作方法
技術領域：
0001本發明關于大塊或塊體凝固非晶(態)合金制成的天線結構，具
體關于包含由大塊凝固非晶態合金制成的器件的天線結構。
背景技術：
0002天線結構是設計用來為數據和語音傳輸的目的而接收和發射電磁信號的工具。在一個特定的形式中，接收天線，電磁信號在開放環境中被接收和收集并且轉換成電流，電流隨后被放大并解碼成數據和語音
f曰息。
0003傳統天線結構一般由金屬材料制成。傳統材料的導電性和相對的結構完整性足以滿足過去通信設備的要達到的目的。然而，移動通信的發展，諸如手機或蜂窩電話和其它無線電子設備的使用產生不斷增加的數據傳輸，因此，對天線結構提出更多的要求，諸如要求更小更緊密的形狀而能更有效地收集和轉換電磁信號。用于手機的天線同樣由新材料制成。例如，許多手機天線由涂有諸如金的高導電材料的塑料制成。塑料的低成本和易于制造使得復雜的天線設計結構可以做成為更緊湊的形狀。然而，由于這些器件越來越小并更易折斷，同時卻在日常生活中更頻繁地使用甚或被濫用，天線結構的性能穩定對于消費者是否能接受新一代手機或者其它無線電子設備變得至關緊要。
0004于是，存在對用于天線結構的新穎材料的需求，這種材料能提供對現有材料和結構缺陷的矯正。

發明內容
0005本發明主要是關于天線結構，其中至少結構的一部分是由大塊凝固非晶態合金制成的。0006在本發明的另一個實施方式中，天線結構采用開放正弦彎曲形 狀(open sinuous form)。
0007在本發明的又另一個實施方式中，天線結構采用二維滲透 (percolating)開多狀。
0008在本發明的又另一個實施方式中，天線結構采用三維滲透形狀。
0009在本發明的再另一個實施方式中，天線結構表面包括淀積的導 電層。
0010在本發明的再另一個實施方式中，天線結構表面包括淀積的覆 層或鍍層，所述淀積的鍍層包括一種或者多種貴金屬。
0011在本發明的再另一個實施方式中，非晶態合金由以下分子式表 示(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si,B)c，其中以原子百分比計"a"的范圍 是30到75， "b"的范圍是5到60， "c"的范圍是0到50。
0012在本發明的再另一個實施方式中，非晶態合金由以下分子式表 示(Zr, Ti)a(Ni， Cu)b (Be)c，其中以原子百分比計"a"的范圍是40到75， "b"的范圍是5到50， "c"的范圍是5到50。
0013在本發明的再另一個實施方式中，非晶態合金能保持高達1.5% 或者更高的應變而不會永久變形或斷裂。
0014在本發明的再另一個實施方式中，大塊凝固非晶態合金具有60°C 或者更高的AT。
0015在本發明的再另一個實施方式中，大塊凝固一^晶具有7.5Gpa或
者更高的硬度。
0016在本發明的再另一個實施方式中，大塊凝固非晶態合金具有400 cm或者更小的電阻率。
0017在另一個可替換的實施方式中，本發明還關于用大塊凝固非晶 態合金制造天線結構的方法。


0018通過以下的詳細描述，結合參考附圖，本發明的這些以及其它
特征和優點將得到更好的理解，其中
0019圖1，線狀(wire form)天線結構示意形狀(圓形截面)；以 及
0020圖2，薄帶狀(thin strip form)天線結構示意形狀(矩形截面)。
具體實施例方式
0021天線結構主要采用開放滲透結構并且可以是諸如盤子、連接桿 (connected pole)、線以及帶的形狀。 一般，這些結構的一端或者兩端 通過將電磁信號轉換成電流的連接元件連接到通信設備的電路上。圖1 和圖2描繪了根據本發明的不同天線結構的示意形式。雖然這些圖顯示 了可接受的天線設計結構，但是應該明白本發明也使用其它的天線形狀。 例如，通常天線結構采用正弦或者盤旋形狀以改善電磁信號的增益和收 集。天線結構特定的設計和形狀對于電磁信號的有效收集和轉換特別關 鍵。由于電磁信號在天線不同部分被收集和轉換成電流，為了天線高效 率功能特性，這些收集和轉換過程必須是"同相位的"。當天線的設計 形狀和形式發生變形扭曲，天線的效率和效用明顯降低。
0022本發明關于用大塊凝固非晶態合金制成的天線結構，大塊凝固非 晶態合金提供了形狀和形式的耐久性、對于化學和環境作用的優異的的抵 抗力、以及高度復雜的形狀的低成本凈成形(net-shape)制造。本發明的 另一個目標是用大塊凝固非晶態合金制造天線結構的方法。
0023大塊或塊體凝固非晶態合金是新近發現的非晶態合金族，其能在 相當低的速率下被冷卻，該冷卻速率約為500K/sec或者更低，并且能基本 保持其非晶態原子結構。同樣地，他們能被制造成0.5 mm或者更厚的厚 度，明顯比傳統非晶態合金厚，傳統非晶態合金典型地被限制在0.020 mm 的厚度并需要105 K/sec或者更高的冷卻速率。美國專利第5,288,344; 5,368,659; 5,618,359;以及5,735,975號公開了這種大塊凝固非晶態合金， 這些專利作為參考被完全并入本文。
0024大塊凝固非晶態合金族可以被描述為(Zr,Ti)a(Ni，Cu,Fe)b(Be,Al,Si，B)c，其中以原子百分比計a的范圍是30到75， b的范圍是5到60， c的范圍是0到50。此外，這些基本合金能容納 (accommodate)大量(多達20%原子百分比，或者更多)的其它過渡 金屬，諸如Nb，Cr, V，Co。優選金屬族為(Zr,Ti)a(Ni，Cu)b(Be)e，其中以原 子百分比計a的范圍是40到75， b的范圍是5到50， c的范圍是5到 50。還有，更優選的成分為(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)e，其中以原子百分比計a 的范圍是45到65， b的范圍是7.5到35， c的范圍是10到37.5。另一 個優選合金族為(Zr)a(Nb,Ti)b(Ni，Cu)e(Al)d，其中以原子百分比計a的范圍 是45到65， b的范圍是0到10， c的范圍是20到40， d的范圍是7.5 到15。
0025另一組大塊凝固非晶態合金為黑色金屬(Fe ，Ni,Co)基的組合物。 這些組合物的例子在美國專利6，325，868號，以及出版物(A. Inoue et al., Appl. Phys. Lett., Volume 71， p 464 (1997))， (Shen et. al,, Mater. Trans" JIM, Volume 42， p 2136 (2001))，以及日本專利申請2000126277 (公開號 2001303218 A)中公開，所有這些都作為參考而被并入本文。此類合金的 一個示例性的組合物為Fe72Al5Ga2P C6B4。另一個示例性的組合物為 Fe72Al7Zr1()Mo5W2B15。雖然這些合金組合物不如Zr基合金系好處理，但是 它們仍然能以l.Omm或者更厚的厚度被處理，這足夠在本發明中使用。
0026大塊凝固非晶態合金具有典型的高強度和高硬度。例如，Zr和 Ti基的非晶態合金典型地具有的屈服強度為250 ksi (千磅/平方英寸)或 者更高并且硬度值為450 Vicker (維氏硬度)或者更高。黑色金屬基的合 金可具有的屈服強度為500 ksi或者更高并且硬度值為1000 Vicker或者更 高。同樣的，這些合金呈現了優越的強度質量比。此外，大塊凝固非晶態 合金，尤其是Zr和Ti基的合金，具有良好的耐腐蝕性和環境耐久性。非 晶態合金一般具有接近2.0%的高彈性應變極限，遠高于其它金屬合金。
0027總體上，大塊非晶態合金的晶形沉淀(crystalline precipitate)對
非晶態合金性能有很大的危害，尤其是對于這些合金的韌性和硬度，于是 一般優選最小化這些沉淀的體積分數。然而，在有些情況，在大塊非晶態 合金處理期間，塑性晶相原位沉淀，其確實地有利于大塊非晶態合金的性能，尤其是合金的韌性和延展性。包含這些有利的沉淀的此類大塊非晶態
合金同樣包含在本發明中。 一個示例在(CC. Hays et. al， Physical Review Letters, Vol. 84, p 2901, 2000)中公開，其作為參考被完全并入本文。
0028作為使用這些大塊凝固非晶態合金的結果，本發明的天線結構的 特性比由一般金屬材料或者涂塑組合物制成的傳統天線結構有了很大的改 進。在生產天線結構中使用大塊凝固非晶態合金令人驚奇和新穎的優點將 通過以下不同實施例的描述得以體現。
0029首先，大塊凝固非晶態合金的單一非晶原子結構(unique amorphous atomic structure)提供了沒有特征的微觀結構，這種微觀結構 提供穩定的性能和特性，這些性能和特性能比傳統金屬合金明顯更好地 達到。多相以及多晶微觀結構的主要缺點是不適于應用的。本發明人發 現示例的大塊凝固非晶態合金的表面能被拋得高度光滑，這樣能為關鍵導 電層提供一個極好的襯底。因此，大塊凝固非晶態合金的反射表面的質量 明顯的好于傳統金屬和合金。
0030第二，大塊凝固非晶態合金的高強度和高強度質量比的結合顯著 地減小了本發明的天線結構的總體重量和體積，從而降低這些天線結構的 厚度而不危及結構整體性以及這些天線結構植入的移動設備的操作性。制 造較薄壁天線結構的能力對于減小天線系統的體積以及提高單位體積的效 率同樣很重要。這個提高的效率對于天線結構在高級移動設備和裝置上的 應用尤其有用。
0031如所討論的，大塊凝固非晶態合金具有很高的彈性應變極限，典 型地是1.8%或者以上。對于天線結構的使用和應用這是很重要的特性。尤 其是，高彈性應變極限對于安裝在移動設備的設備裝置或者在經歷機械裝 載或震動的其它應用中是優選的。高彈性應變極限允許天線結構采用更復 雜的形狀并更薄更輕，高彈性應變極限同樣允許天線結構保持裝載和彎曲 而設備不發生永久形變或破壞，尤其是在組裝的過程中。
0032其它傳統的金屬合金，雖然不是脆性的，然而卻容易由于低的 硬度值而發生永久形變、凹陷、刮痕。天線結構的大表面積和薄的厚度 使得這些問題更加突出。然而，大塊凝固非晶態合金具有適當的斷裂韌性，在20ksi-aqrt(in)的數量級，并且具有高彈性應變極限，可達到2%。于是， 可以獲得高揉屈或柔韌性但天線結構卻不發生永久變形和凹陷。這樣，由 大塊凝固非晶態合金制成的天線結構在制造和組裝過程中很容易操作， 從而減小了成本并提高了天線系統的性能。
0033此外，由大塊凝固非晶態合金制成的天線結構還具有好的耐腐 蝕性和高惰性。這些材料的高耐腐蝕性和惰性對于防止天線結構被天線 結構和環境之間不希望的化學反應引起的衰變或退化十分有用。大塊凝 固非晶態合金的惰性對于天線結構的壽命同樣十分重要，因為它不易衰 變而造成對電性能的影響。
0034本發明的另一方面是用各向同性特性制造天線結構，尤其是用 各向同性微結構制造天線結構。 一般而言，金屬件中的非各向同性微觀 結構，如拉長的晶粒(elongated grain)，往往造成需要精確安裝金屬件
(諸如在形成的天線結構的接觸表面上)的相應部分的性能退化或降低， 而這是由于溫度變化、機械力、以及物件經歷的震動引起的。此外，由 于非各向同性微觀結構，普通金屬在不同方向上的不一致的反應同樣要 求更大的設計富余以進行彌補，而這將導致沉重且大體積的結構。因此， 如果天線結構具有錯綜復雜的圖案以及相關的大表面積以及很薄的厚 度，以及需要使用高強度建筑材料的場合，則根據本發明的天線結構的 各向同性響應至少在某些設計中是很重要的。例如，普通金屬的鑄件的 機械強度一般都不好，并且在大表面積和小厚度的情況下會扭曲。因此， 使用金屬合金來鑄造這種在平面度上具有高容差或公差(或者精確的曲 線形狀)的大表面積通常不是可行的。此外，對于普通金屬合金，需要 延展軋制操作以產生具有要求的平面度和要求的高強度的金屬天線結 構。然而，在這種情形中，普通高強度合金的軋制產品在其微觀結構中 產生強烈的取向，因此缺乏希望的各向同性性能。確實，此類軋制操作 一般會在金屬合金中產生高度取向和拉長的晶粒結構，從而產生高非各 向同性的材料。相反，由于大塊凝固非晶態合金獨特的原子結構，因此， 其缺乏如在晶體和多晶粒金屬中觀察到的微觀結構，并因而從這類合金形 成的物件在宏觀和微觀級別上都承襲了這種各向同性。0035本發明的另一 目標是提供以凈成形形式用大塊凝固非晶態合金生 產天線結構的方法。大塊凝固非晶態合金的凈成形形成能力使復雜天線結 構的制造具有高精度以及減少的加工步驟，例如彎曲和焊接，這些步驟會 降低天線的性能。通過以凈成形形式生產天線結構，制造成本顯著降低， 同時保持形成的天線結構具有良好的平面度、包括精確曲線的復雜表面 特征、以及在反射區域的高表面光潔度。
0036雖然相對于諸如銅的高導電性金屬，大塊凝固非晶態合金典型 地具有更低的導電值，然而，這個缺點可以很容易地通過應用一種高導電 層來彌補，諸如電鍍鎳和金層。大塊凝固非晶態合金的凈成形形成工藝使 其具有一致耐用的高導電性金屬層，諸如金層。
0037
一個示例的制造這種天線結構的方法包括以下步驟
1) 提供基本為無定形的非晶態合金片狀原料，其具有約1.5%或者更 高的彈性應變極限和具有30°C或者更高的AT;
2) 加熱所述原料大約到玻璃化轉變溫度；
3) 將加熱的原料定形成要求的形狀；以及
4) 冷卻形成的片材到遠低于玻璃化轉變溫度的溫度。
0038其中，AT是在典型加熱速率(例如20。C/min)下由標準DSC (示
差掃描量熱法)確定的開始結晶溫度Tx與開始玻璃化轉變溫度Tg的差別。
0039提供的非晶態合金的AT優選地大于60°C，并且更優選地大于 90。C。提供的片狀原料可具有與最終的天線結構平均厚度相同的厚度。此 外，選擇加熱和塑型或成形操作的時間和溫度以使非晶態合金的彈性應變 極限被基本保持在不低于1.0%，并且優選地不低于1.5%。在本發明的上 下文中，玻璃化轉變附近的溫度意味著形成溫度能在玻璃化轉變溫度之 下、在玻璃化轉變溫度或者其附近、高于玻璃化轉變溫度，但是通常在 結晶溫度Tx以下。冷卻步驟在類似于加熱步驟中的加熱速率的速率下執 行，并且優選地大于加熱步驟中的加熱速率。冷卻步驟優選地在形成和塑 型負載仍然保持的時候完成。
0040
一旦完成上述制造方法，如果需要，成形的天線結構經歷進一步的表面處理操作，諸如從表面取出任何氧化物。化學蝕刻(有或者沒 有掩模版)以及輕磨和拋光操作都能夠使用，以提供所能夠獲得的表面 光潔度的改進。
0041根據本發明的另一個示例的制造天線結構的方法包括以下步驟
1) 提供非晶態合金(并非必須是非晶)的均質合金(homogeneous alloy)原料；
2) 加熱所述原料到高于熔化溫度的鑄造溫度；
3) 將熔融合金導入成形模具中；以及
4) 將熔融金屬淬火到玻璃化轉變溫度以下。
0042大塊非晶態合金從熔化溫度以上到玻璃化轉變溫度以下都保持 其流動性，這是由于其沒有一階相變(first order phase transition)。這與
傳統金屬以及合金形成直接對比。既然大塊非晶態合金保持其流動性，在 從其鑄造溫度降到玻璃化轉化溫度以下時，它們不會累積大量應力，并 且因此空間畸變或變形會被最小化。因此，具有大開口表面積和小厚度 的天線結構能成本有效地生產。
0043雖然在此公開了特定實施例，但是可以預期的是本領域技術人 員將能在所附權利要求范圍內照字面意義或者按照等同原則設計出替代 的非晶態合金天線結構以及生產所述天線結構的方法。
權利要求
1.一種天線，其包括接收和/或發送結構；以及至少一個連接元件，其用來將所述接收和/或發送結構連接到設備電路，其中所述天線的至少一部分由大塊凝固非晶態合金制成。
2. 根據權利要求1所述的天線，其中大塊凝固非晶態合金片的最小 尺寸是0.5 mm或者更大。
3. 根據權利要求l所述的天線，其中所述接收和/或發送結構完全由 大塊凝固非晶態合金制成。
4. 根據權利要求l所述的天線，其中所述天線完全由大塊凝固非晶 態合金制成。
5. 根據權利要求1所述的天線， 1.5%或者更高的彈性應變極限。
6. 根據權利要求1所述的天線， 1.8%或者更高的彈性應變極限。
7. 根據權利要求1所述的天線， 4.5 GPa或者更高的硬度。
8. 根據權利要求1所述的天線， 200 ksi或者更高的屈服強度。
9. 根據權利要求1所述的天線， 400 ^acm或者更小的電阻率。其中所述大塊凝固非晶態合金具有 其中所述大塊凝固非晶態合金具有 其中所述大塊凝固非晶態合金具有 其中所述大塊凝固非晶態合金具有 其中所述大塊凝固非晶態合金具有
10. 根據權利要求1所述的天線，其中大塊凝固非晶片被高導電的第二金屬材料包覆。
11. 根據權利要求1所述的天線，其中大塊凝固非晶片被Cu， Ni， Ag或 者Au包覆。
12. 根據權利要求1所述的天線，其中所述大塊凝固非晶態合金由 以下分子式表示(Zr，Ti)a(Ni，Cu,Fe)b(Be，Al，Si，B)c，其中以原子百分比 計"a"的范圍是30到75， "b"的范圍是5到60， "c"的范圍是O到 50。
13. 根據權利要求1所述的天線，其中所述大塊凝固非晶態合金由以 下分子式表示(Zr,Ti)a(Ni，Cu)"Be)c，其中以原子百分比計"a"的范圍 是40到75， "b"的范圍是5到50， "c"的范圍是5到50。
14. 根據權利要求l所述的天線，其中所述大塊凝固非晶態合金具有 60°C或者更高的AT。
15. 根據權利要求1所述的天線，其中所述接收和/或發送結構具有 各向同性微觀結構。
16. —種天線，其包括-接收和/或發送結構；以及至少一個連接元件，其用來將所述接收和/或發送結構連接到設備電路，其中所述天線的至少一部分由大塊凝固非晶態合金制成，從而所述部 分具有各向同性微觀結構。
17. —種形成天線的方法，包括用大塊凝固非晶態合金通過直接澆鑄 來凈成形制造所述天線的 一部分。
18. 根據權利要求17所述的天線，其中所述直接澆鑄從高于合金熔 化溫度的澆鑄溫度完成。
19. 根據權利要求17所述的天線，其中所述直接澆鑄從高于合金玻 璃化轉變溫度的澆鑄溫度完成。
20. 根據權利要求17所述的天線，其中所述接收和/或發送結構由所 述大塊凝固非晶態合金澆鑄而成。
全文摘要
描述了用大塊凝固非晶態合金(bulk-solidifying amorphous alloy)制成的天線結構以及用大塊凝固非晶態合金制造天線結構的方法。大塊凝固非晶態合金提供形式和形狀的耐久性、對于化學和環境效應的優異的抵抗性、以及高度復雜的天線形狀的低成本凈成形(net-shape)制造。
文檔編號H01Q7/08GK101496223SQ200680008801
公開日2009年7月29日 申請日期2006年2月17日 優先權日2005年2月17日
發明者J·康, Y-S·崔 申請人:液態金屬科技有限公司