CN101847774A - 薄膜式天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种薄膜天线，其特征在于采用物理气相沉积-滚轴式制备工艺，天线材质包含金属氧化物、导电高分子、导电胶体或是导电碳管。

Description

薄膜式天线及其制作方法

技术领域

本发明是关于一种天线，尤其是有关于一种薄膜式天线。

背景技术

近年来无线传输技术普遍发展于世界各地，而绝大部分的无线装置，如移动电话、个人数字助理以及数字电视等，均需使用接收传输讯号的接收装置。由于信息传递的数字化，使得如声音讯号、影像讯号等的各种信息得以轻易地由个人计算机、行动装置等处理，而由声音与影像编译码技术，更可增进上述信息种类的频带压缩。而数字通讯与数字传播能制造容易且有效地传递此种信息至终端装备的环境，例如将声音影像数据(AV数据)传递至一可携式电话。

无线传输利用外部突出的天线进行装置间讯号交换。射频电路、传输线与天线组件通常制造在特别设计的基板上，针对这些电路的用途特殊，维持阻抗特性的控制不容忽视，所以在这些电路中，传输线与发射天线的长度便为关键的设计要素。两个影响基底材料效能的重要关键因素为介电常数(有时称作相对介电常数)以及介电损失(有时称作散逸系数)，其中介电常数决定讯号于基底材料中的传递速度，以及传输线与其它施作在基板上的零件的讯号收发相关长度。而介电损失为讯号于基底材料中传递所造成的耗损，此耗损会随频率的变大而增多。

微带(micro-strip)天线结构，将讯号线放置在板状物表面并提供一导电层，此导电层一般称为接地面。另一种为埋式微带线(buried micro-strip)天线结构，除了其讯号线被一介电基底材料覆盖外，其余均与第一种结构相似。第三种为带状线(strip-line)结构，其讯号线乃夹在两导电(接地)面之间，并且天线配置在印刷电路板的主要平面上。对于车辆的应用，此类系统绝大部分的解决方式均为将鞭状天线安装在车顶，而相对于现今汽车设计的潮流，乃将这些天线嵌入车辆结构中，以减少天线对于车辆美观上与空气动力上的影响。并且，将数种电信服务整合进单一天线将可降低制造的成本。天线可接收频带包含：调频(Frequency Modulation；FM)、个人手机系统(Personal Handyphone System；PHS)、Wireless car aperture、全球移动通信系统(System For Mobile；GSM 900、GSM 1800)、分码多重存取(Code Division Multiple Access；CDMA)、一般封包式无线服务(General Package Radio Service；GPRS)、蓝芽(Bluetooth)、无线网络(Wireless Local Area Network；WLAN)以及数字电视的频带。

某些天线结构仅能在预设的频带中运作，是此频率受限于天线的特性因而不适合多频运作的缘故，并且天线的材质不外乎金属或合金，其若形成于玻璃之上将影响能见度。此外，目前的天线大都采用电镀制备工艺制作平面天线，而其中的电镀液将对环境造成污染，且金属块材原物料成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄膜式天线及其制作方法。

为实现上述目的，本发明提供了有关于具有下列特性的薄膜天线。

本发明提出薄膜式天线制作方法，其主要步骤包含以转轴至转轴式装置驱动一基材水平移动，由物理性溅镀(sputter)、沉积(deposition)或蒸镀形成天线的材质，以利于形成薄膜于受该转轴至转轴式装置所驱动的基材上，随后以机械力或蚀刻或激光施加于天线薄膜以制作天线图案。其中该天线材质包含选自下列族群之一或其组合金、锌、银、钯、铂、铑、钌、铜、铁、镍、钴、锡、钛、铟、铝、钽、镓、锗及锑。天线材质亦可包含非金属氧化物，例如氧化铟锡或氧化锌，亦可以为导电高分子。所述的薄膜式天线制作方法包含对该天线薄膜加热或/及提升天线薄膜的表面能量。天线图案包含单极、偶极、对数周期天线、双螺线、碎形或倒F天线图案、矩形、峰形、直线、三角形、六边形、圆形、梯形、梳子状、城垛形或树枝状。

在其它实施例中，薄膜式天线制作方法特征包含提供具有天线薄膜附着于其上的软质基材，该软质基材上天线薄膜是采用溅镀、物理性沉积、蒸镀、涂布、喷洒方式所制作；以机械力或蚀刻或激光施加于该天线薄膜以制作天线图案。为提升两者间附着力或提升基材平坦度，可以于基材与天线薄膜间制作一层缓冲层。其中上述天线薄膜以转轴至转轴式装置驱动基材水平移动，使该天线薄膜形成于该软质基材上。

本发明的薄膜式天线制作装置，其包含物理性溅镀、沉积或蒸镀能量源，以利于产生溅镀、沉积或蒸镀粒子或气体；转轴至转轴式装置，以驱动基材水平移动，由物理性溅镀、沉积或蒸镀天线薄膜于该基材上。所述的薄膜式天线制作装置，其中还包含加热装置、真空泵。

附图说明

图1为本发明的天线制作装置。

图2为本发明的天线制作方法。

图3为本发明的天线制作装置。

图4为本发明的天线制作方法。

附图中主要组件符号说明

100腔体；102靶材；102A溶液；104能量源；106转轴至转轴式装置；108加热器；110基材；112粒子；114真空泵；116气体排出口；118气体进入口；200降低腔体气压；205导入气体；210启动物理气相沉积程序；215沉积天线材质于转轴式基材上；220选择性加热天线材质；225提升天线材质表面能量；230提升腔体气压；235移转至缓冲腔体；240天线图案成形；400备置溶液；410启动喷涂程序；415涂布天线材质于转轴式基材上；420选择性加热天线材质；425提升天线材质表面能量；430天线图案成形。

具体实施方式

本发明提供一种使用于车辆、电子装置或可携式装置的薄膜天线。本天线是制作于软质基材之上，有别于传统天线基材。因此基材具备挠区性，有利于贴附于不规则表面或不平的表面，且适合于本发明的转轴式制备工艺。为提升两者间附着力或提升基材平坦度，可于基材与天线薄膜间制作一层缓冲层。其中上述天线薄膜以转轴至转轴式装置驱动基材水平移动，使该天线薄膜形成于软质基材上，且可以利用转轴速度控制薄膜成长厚度。上述天线可以采用物理性沉积溅镀、蒸镀、喷墨(inkjet)、涂布、喷洒。

举一实施例而言，本发明薄膜式天线的制作装置，其主要特征包含：一腔体或制备工艺室100，其中备置天线靶材(target)102，能量源(power source)104用以提供物理性溅镀(physical sputter)或物理性沉积的能量源，用以物理性撞击靶材，以利于形成物理性溅镀(sputter)或物理性气相沉积(physical vapor deposition；PVD)。物理性气相沉积其方法可以包含电子枪、激光(激光)、等离子体源、物理性溅镀可以采用射频溅镀(RF-sputter)、直流溅镀(DC-sputter)。亦可以采用蒸镀制作薄膜，其包含一干锅用以承载待加热材料，以利于形成气体。一转轴至转轴式(roll to roll)装置106配置于腔体内100对应于上述靶材位置或于其下侧。转轴至转轴式装置106由驱动装置，例如马达等加以驱动使其依据一转轴旋转，而牵动软质基材移动，例示如图中的旋转箭头方向旋转，使得基材110可由一端卷至另一端。为利于程序的进行，可以备置成卷尚未镀天线薄膜的软质基材，卷于第一转轴之上，软质基材一端则固定于第二转轴上，由驱动第二转轴牵引软质基材，使得基材水平移动，且同时沉积天线薄膜于其上，而依程序的进行，则将软质基材卷于第二转轴之上。于此过程中将带动基材110水平移动(如图示水平箭头)，于沉积、蒸镀或溅镀过程中，材料粒子(形成天线的材质)112将沉积或镀于上述的水平移动基材110之上。可以控制转轴的转速，利于控制水平移动速率，进而控制天线材料厚度。加热装置108对应配置于水平移动材质的下侧，可以选择性开启加热装置，提供形成天线薄膜所需热源。为利于蒸镀、溅镀或沉积程序的进行，一真空泵114连接于腔体100，以利于将腔体内的气压降低，以达到适合的真空度，例如0.0001-0.1托耳(torr)。为利于气体的导入与导出，所述的腔体100亦配置气体进入口118与排出口116。基材110材质以具有软性或挠曲性为佳，可以为PET、PC、PVC、PI、PMMA、高分子或软性电路板。加热装置108可以为灯泡、电磁辐射或是红外线加热器。靶材102可以选用，导电碳(conductive carbon)，其中该导电碳包含纳米碳管(carbon nano-tube；CNT)；其亦可以选用包含选自下列族群之一或其组合：金、锌、银、钯、铂、铑、钌、铜、铁、镍、钴、锡、钛、铟、铝、钽、镓、锗及锑。亦可以选用铟锡氧化物或铟锌氧化物、导电高分子(conductive polymer)作为天线靶材的材质。

其中天线图案包含单极、偶极、对数形天线或倒F天线图案。其中该天线图案包含碎形、矩形、峰形、直线、三角形、六边形、圆形、梯形、梳子状、城垛形或树枝状。其中此碎形组件为碎形基本图案至少一次迭代的迭置。上述的迭代是将碎形基本图案以下列方法之一或其组合来放置于基底图案上：(1)旋转，(2)伸长，以及(3)平移。其可配置于手持装置、移动电话、笔记型计算机、个人数字助理、可携式装置、交通载具、NFC应用。上述的具天线装置，其中天线可制作于一装置壳体的外表面或内表面，其特征包含一屏蔽结构配置于该天线与电路板之间。而某些以此方法制成的导电材质为透明，且假使此天线附着于玻璃或窗户上，其将具有视觉穿透力。此天线亦可附着于车辆中灯泡的外壳上，由于此外壳的透明度低于窗户，所以本发明可形成在车辆中灯泡的外壳上。或者，此天线可形成在笔记型计算机或移动电话等等的外壳或屏幕上可避免屏蔽效应。在此情形下，导电层通常以具有金属的氧化物所构成，其中该金属最好为一个或以上选自金、锌、银、钯、铂、铑、钌、铜、铁、镍、钴、锡、钛、铟、铝、钽、镓、锗以及锑的金属。上述透明天线材料如铟锡氧化物或铟锌氧化物可以掺杂氧化铝(Al₂O₃)。馈入结构可由一电容耦合来达成，此馈入机制为本领域的公知技术，并可由使用空间变异(space-diversity)或极化变异技术来改进接收系统。在此亦可采用两个或数个的多频天线或一天线数组，而使用本发明所述的技术其优点在于复数个附着于同一透明窗户的天线可以低成本来含括不同的结构。此馈入结构为本领域公知的技术，其它多频天线的结构亦可应用于本发明相同的领域与精神中。天线以不同的结构呈现(如数组具不同转向方位)。当利用极化变异来补偿因快速变换传输环境所造成的讯号衰减时，可选择多角形为基底的结构作为替代的形状。铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)与铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)等类透明导电薄膜材料可利用束离子辅助(ion-beam assisted)溅镀系统，可安装高能离子源，使镀膜过程中达到基板清洁与改质，获得较佳薄膜附着力。此离子辅助机制亦可作为辅助能量，提高镀膜原子动能，使得沉积薄膜形成高致密性、高均匀性和连续性微观组织的膜层结构。

本发明形成透明天线的制备工艺可以在低温下形成薄膜结构，举例来说，薄膜可在室温下形成而其透光度可高于82％。制备工艺温度可以控制室温至200摄氏度之间，若选用PET做为软质基材，则可以在室温下制作，减省制备工艺热成本。图2所示为本发明的制作流程，首先将靶材102配置于腔体内100，将腔体气压以真空泵114抽气将气压降低至一预设真空度，利于减少杂质，步骤200。随之，若有需求则步骤205导入所需气体，随后启动物理气相沉积、溅镀或蒸镀程序210，以产生形成天线的粒子或气体于腔体内，利用转轴至转轴式装置106牵动基材水平移动，利用控制转轴速度可以控制基材移动速度，天线材质将沉积或布于基材表面，步骤215。故本发明可以采大量沉积、蒸镀或溅镀方式将天线材料沉积于受到转轴至转轴式装置106驱动的水平移动基材的上面。随着制备工艺的进展，基材由未沉积的一端移转至另一端，此时已完成天线材质的沉积或溅镀的基材将被卷至此端。基于所采基材具有挠曲性，故可以将其卷曲于另一端。若有必要，则可以开启加热装置提供天线薄膜所需热能，步骤220或提升天线薄膜表面能量(surface energy)205。随后可将此具有天线薄膜的基材移转至缓冲腔体后再将其气压提升至常压取出(步骤235)或直接提升至常压取出(步骤230)。此时，成卷的天线薄膜已完成制作，随后依据需求可将此成卷的天线薄膜展开利用机器加压以制具裁切或压印出所需天线图案，亦可以蚀刻或激光切割形成天线图案，步骤240。若有需要，则可以于软质基材上涂布缓冲层。

本发明可以采用非金属材质作为天线。利用非金属材质将使装置更轻、更小、降低成本以及大量成批制备工艺。非金属天线在此指的是天线主体不采用金属原物料，非不含金属添加物、或颗粒。利用可挠曲式基材，使得材质得通过本发明的转轴至转轴式装置，可以大量制作天线薄膜，无需电镀液，制备工艺不会污染环境。且利用驱动转轴的速度控制薄膜成长厚度，且薄膜式天线的期才具挠曲性，使其可以附着于不规则或不平表面。此外，手持装置的传统天线均配置于印刷电路板上，故极易与电子组件间造成干扰。但是依据本发明可以将天线自电路板上移走。若其为透明，则可以贴附于银幕或玻璃或外表面。天线附着于手持装置壳体的内表面或外表面，一屏蔽结构可配制于天线与电路板间以避免天线与电路板组件间的相互干扰。

天线可以利用导电高分子或纳米碳管制作。导电高分子可以选自thiophenes、selenophenes，tellurophenes、pyrroles，anilines、polycyclic aromatics，以此制作高分子可包含但不限于polythiophenes、poly(selenophenes)、poly(tellurophenes)、polypyrroles、polyanilines、polycyclic aromatic polymers等。美国专利US.Patent Application 20080017852to Huh；Dal Ho et al.，发明名称为“Conductive Polymer Composition Comprising Organic Ionic Salt and Optoelectronic Device Using the Same”公开制作导电高分子的方法可做参考。再另一实施例中，导电高分子为有机高分子半导体(organic polymer semiconductor)或有机半导体(organic semiconductor)。导电polyacetylenes型态包含polyacetylene、polypyrrole、polyaniline及其衍生物(derivatives)。导电有机高分子通常具有extended delocalized bonds，此造成导带结构(band structure)，类似于硅但是具有localized states。此零能隙(zero-band gap)导电高分子具有类金属行为。碳管可以包含多层复壁碳管、单层碳管；其可以参考文献：Young′s modulus in the low TPa range and tensile strengths in excess of 37GPa，please refer to the Articles：Yakobson et al.，Phys.Rev.Lett.1996，76，2411；Lourie et al.，J.Mater.Res.1998，13，2418；lijima et al.，J.Chem.Phys.1996，104，2089。通常CNT包含交错的纳米纤维而形成纳米碳管(mutually entangled carbon nanotubes)，形成上述纳米碳管的方法之一为infusion有机分子穿透tangled CNTs，因此造成纳米网状结构(nanotube networks)。接着polymerization以及热处理有机分子以产生交错网状结构或CNT纤维(nanofibers)。

基于成本于制造的考虑，本实施例中形成如铟锡氧化物的天线薄膜的方法可在室温下潮湿的空气中形成。在此薄膜形成或图样化后，以50摄氏度至220摄氏度间的温度进行热处理来降低薄膜的电阻并增进其透光度。此实施例参照图3与图4，首先备置氧化铟锡或氧化锌溶液400，可以将材质粉末由酒精/水混合溶剂中稀释而得，而加热处理的温度高于100摄氏度，实施热处理。其中在稀释过程可以加入稀释剂，如ferrous sulfate、trisodium citrate、tartaric acid、sodium boron hydride。此实施例的装置与图1和图2类似，不同之处为本实施例采用涂布、喷洒或喷墨(inkjet print)，将溶液涂布于所欲的软质基板上。备置溶液后，则启动喷墨、喷洒、印刷或涂布程序410将材质分布于软质基材之上415，若利用喷墨打印式则可以将天线图案直接喷涂于软质基板上。其余步骤类似上实施例，包含选择性加热420、提升表面能量425，之后裁切制作天线单元。导电薄膜可由将上述的液体施加于基板上而得，并使其干躁以得到一透明薄膜。金属溶液得混合分散剂来配置。

对本领域技术人员而言，本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明的精神。在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改与类似的配置，均应包含在申请的权利要求范围内，此范围应覆盖所有类似修改与类似结构，且应做最宽广的诠释。

Claims (25)

1.一种薄膜式天线制作方法，其包含：

以转轴至转轴式装置驱动基材移动，由蒸镀、物理性溅镀或沉积法形成天线薄膜于受驱动的该基材上；以机械力、蚀刻或激光施加于该天线薄膜以制作天线图案。

2.如权利要求1所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线薄膜包含选自下列族群之一或其组合：金、锌、银、钯、铂、铑、钌、铜、铁、镍、钴、锡、钛、铟、铝、钽、镓、锗及锑。

3.如权利要求1所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线薄膜包含铟锡氧化物或铟锌氧化物。

4.如权利要求1所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线薄膜包含导电高分子或纳米碳管。

5.如权利要求1所述的薄膜式天线制作方法，其中，包含对该基材包含PET、PC、PVC、PI或PMMA。

6.如权利要求1所述的薄膜式天线制作方法，其中，包含形成缓冲层于该基材与该天线薄膜之间。

7.一种薄膜式天线制作方法，其包含：

提供具有天线薄膜附着于其上的软质基材，该软质基材上天线薄膜采用蒸镀、溅镀、沉积、喷墨、涂布或喷洒方式所制作；及

以机械力、蚀刻或激光施加于该天线薄膜以制作天线图案。

8.权利要求7所述的薄膜式天线制作方法，其中，所述天线薄膜以转轴至转轴式装置驱动该软质基材水平移动，使该天线薄膜形成于该软质基材上。

9.如权利要求7所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线薄膜包含选自下列族群之一或其组合：金、锌、银、钯、铂、铑、钌、铜、铁、镍、钴、锡、钛、铟、铝、钽、镓、锗及锑。

10.如权利要求7所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线薄膜铟锡氧化物或铟锌氧化物。

11.如权利要求7所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线薄膜包含导电高分子或纳米碳管。

12.如权利要求7所述的薄膜式天线制作方法，其中，该软质基材包含PET、PC、PVC、PI或PMMA。

13.如权利要求7所述的薄膜式天线制作方法，其中，包含形成缓冲层于该软质基材与该天线薄膜之间。

14.一种薄膜式天线制作方法，其包含：

以转轴至转轴式装置驱动基材移动，由涂布、喷墨或喷洒天线溶液于受转轴至转轴式装置所驱动的基材上；以机械力、蚀刻或激光施加于该天线薄膜以制作天线图案。

15.如权利要求14所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线图案包含选自下列族群之一或其组合：金、锌、银、钯、铂、铑、钌、铜、铁、镍、钴、锡、钛、铟、铝、钽、镓、锗及锑。

16.如权利要求14所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线图案包含铟锡氧化物或铟锌氧化物。

17.如权利要求14所述的薄膜式天线制作方法，其中，该天线图案包含导电高分子或纳米碳管。

18.如权利要求14所述的薄膜式天线制作方法，其中，该基材包含PET、PC、PVC、PI或PMMA。

19.如权利要求14所述的薄膜式天线制作方法，其中，包含形成缓冲层于该基材与该天线薄膜之间。

20.一种薄膜式天线制作装置，其包含：

物理性溅镀、沉积或蒸镀能量源，以利于产生溅镀、沉积或蒸镀粒子或气体；

转轴至转轴式装置，以驱动基材水平移动，藉由物理性溅镀、沉积或蒸镀天线薄膜于该基材上。

21.如权利要求20所述的薄膜式天线制作装置，其中，包含加热装置。

22.如权利要求20所述的薄膜式天线制作装置，其中，包含真空泵。

23.一种薄膜式天线制作装置，其包含：

薄膜溶液源，由喷洒、涂布或喷墨天线溶液以形成薄膜于基材上；

转轴至转轴式装置，以驱动该基材移动，以利于该天线溶液形成薄膜于该基材上。

24.如权利要求23所述的薄膜式天线制作装置，其中，包含加热装置。

25.如权利要求23所述的薄膜式天线制作装置，其中，包含真空泵。

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