CN104134870A - 一种石墨烯微带天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多模复合探测或通讯技术中的天线技术，所发明的一种透光（含紫外、可见光与红外）的石墨烯微带天线，由绝缘介质基片1、石墨烯薄膜贴片2、石墨烯薄膜接地片3和与石墨烯薄膜贴片良好欧姆接触的馈线4组成。本发明利用透光的石墨烯薄膜替代传统微带天线的金属贴片和金属接地片制备而成，可实现微波/光学或毫米波/光学双模无遮挡、共孔径探测与通讯应用。

Description

一种石墨烯微带天线及其制备方法

技术领域

本发明属于多模复合探测与通讯技术中的天线技术领域，具体涉及一种石墨烯微带天线及其制备方法。

背景技术

采用光学成像无论昼夜均可提供高分辨率的影像，但在大雾、浓烟、灰尘或雪天显著降低其性能，而且红外探测不能给出被探测目标的距离和速度数据，微波或毫米波雷达具有微波雷达的全天候和对烟、雾穿透良好等优点，同时因波束较窄而具有更高的目标分辨率，在车辆自主驾驶、飞机自主进场着陆系统中，光学与微波或毫米波雷达结合使用会显著提高安全性，像美国的飞机自主进场着陆系统AALC，使用的光学与微波或毫米波结合，在低云层、能见度为零的气象条件下可实现安全着陆。

微波或毫米波与光学复合探测或通讯通常是两路入射通道或通过分束技术集成两个通道而实现复合探测或通讯，这样的系统结构复杂，体积大。在某些应用系统中要求紧凑小体积且微波与光学同轴共孔径视场。那么，将微波天线作为光学探测器的窗口就可实现双模共孔径探测，但该天线必须透光学辐射。随着天线设计、仿真技术及薄膜沉积或生长方法的进展，利用毫米波微带天线的设计原理，采用可透光学波段的半导体薄膜替代以往的微带天线中的金属贴片（薄膜）及接地片，可以制备透紫外、可见光与光学辐射的微波或毫米波天线。

CN102856628A公开了一种毫米波/红外双模符合探测用共形天线，包括绝缘介质基片、至少一个薄膜贴片、薄膜接地片和与所有薄膜贴片良好欧姆接触的馈线，所述薄膜接地片覆设在绝缘介质基片的一面，所述薄膜贴片和馈线覆设在绝缘介质基片的另一面，其中薄膜贴片和薄膜接地片采用透红外的半导体材料，例如HgMnTe、ZnO、ITO、InSb。但是这些半导体材料的导电性能与光学透过率均一般，很难满足未来对毫米波天线的高要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高透光性能的石墨烯微带天线。

本发明的另一个目的是提供一种石墨烯微带天线的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种石墨烯微带天线，由绝缘介质基片、薄膜贴片、薄膜接地片和与薄膜贴片良好欧姆接触的馈线组成，透光的薄膜贴片、薄膜接地片及馈线集成到绝缘介质基片的两面；所述的薄膜贴片、薄膜接地片是由石墨烯材料构成。

所述薄膜贴片2、薄膜接地片3是将制备在过渡衬底上的单层或多层石墨烯薄膜转移至绝缘介质基片1的两个表面上制成的。

所述绝缘介质基片采用氮化硼、二氧化硅、蓝宝石、氟化镁、尖晶石、氮氧化铝、硫化锌或硒化锌。

所述馈线的输出端电连接有连接电极；所述连接电极选取与石墨烯薄膜具有良好欧姆接触的铬/金或铬/铝金属材料。

一种上述的石墨烯微带天线的制备方法，包括下列步骤：

1）将过渡衬底表面制备好的石墨烯薄膜转移到绝缘介质基片两个表面；

2）重复步骤1），在绝缘介质基片的两面分别附着至少一层石墨烯薄膜；

3）将绝缘介质基片一面的石墨烯薄膜作为薄膜接地片进行保护，利用已设计好的天线图形模板光刻、等离子刻蚀，在所形成的石墨烯图片图形的适当位置与馈线建立良好的欧姆接触。

本发明采用石墨烯作为微带天线的薄膜贴片、薄膜接地片和馈线的材料，利用石墨烯材料本身的导电能力与透光的特性，制备出具有高透光（紫外、可见光或红外辐射）能力的微带天线，为微波/光学双模复合探测提供必要的支持。利用本发明的石墨烯微带天线所制成的双模探测与通讯装置，可以克服双模复合探测所面临的共孔径、结构复杂的难点，数据融合处理简单。

附图说明

图1为本发明的石墨烯微带天线中薄膜贴片一面的示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为连接电极图形光刻版示意图，其中灰色部分为遮挡部分；

图4为天线图形光刻版示意图，其中灰色部分为遮挡部分；

图5为本发明的石墨烯微带天线中薄膜2元贴片一面的示意图；

图6为本发明的石墨烯微带天线中薄膜8元贴片一面的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

根据所需的微波或毫米波的频率和天线的阵列元数，设计出微带天线的贴片尺寸、数量与排列关系，如图1、图5、图6。根据所设计的天线的图形制备相应的光刻模板，采用通产的微电子光刻和剥离技术，通过多次光刻，石墨烯膜层制备和干法刻蚀工艺，最终制备出所需透光的石墨烯天线。该天线由绝缘介质基片1、薄膜贴片2、薄膜接地片3和与薄膜贴片良好欧姆接触的馈线4组成，透光的薄膜贴片2、薄膜接地片3及馈线4集成到绝缘介质基片1的两面。

本发明的石墨烯微带天线的制备方法，具体包括下列步骤：

1）石墨烯薄膜制备：取过渡衬底，在过渡衬底表面上沉积单层石墨烯薄膜；

2）石墨烯薄膜转移：取绝缘介质基片清洗后，将过渡衬底表面沉积的石墨烯薄膜转移到绝缘介质基片表面；

3）重复步骤1）和步骤2）的石墨烯薄膜制备和石墨烯薄膜转移步骤，在绝缘介质基片的两面分别附着至少一层石墨烯薄膜；

4）将绝缘介质基片一面的石墨烯薄膜作为薄膜接地片进行保护，在相对薄膜接地片一面的石墨烯薄膜上刻蚀掉多余的石墨烯薄膜形成薄膜贴片和与薄膜贴片良好欧姆接触的馈线，即得。

其中：所述在过渡衬底表面上沉积单层石墨烯薄膜的方法为化学气相沉淀法，也可以采用其它常规的单层石墨烯薄膜的制备方法。所述单层石墨烯薄膜是指只有一个碳原子厚度的单原子层平面薄膜。多层石墨烯薄膜是由单层石墨烯薄膜相互叠加构成的。其中：步骤2）所述对绝缘介质基片的清洗为采用丙酮、甲醇和去离子水依次清洗，去除绝缘介质基片表面的杂质，保持其表面的光洁度，便于单层石墨烯薄膜能够牢固的附着在绝缘介质基片的表面。其中：将过渡衬底表面沉积的石墨烯薄膜转移到绝缘介质基片表面的方法为：将沉积有单层石墨烯薄膜的过渡衬底和清洗后的绝缘介质基片放入去离子水中，使单层石墨烯薄膜脱离过渡衬底并漂浮附着在绝缘介质基片的表面。其中：所述过渡衬底为金属箔衬底，优选为金箔或者铜箔。

本发明的石墨烯微带天线制备方法中，采用过渡衬底作为载体制备单层石墨烯薄膜，然后在去离子水中使制备的石墨烯薄膜脱离过渡衬底，漂浮至绝缘介质基片的表面，从而使石墨烯薄膜转移并附着在绝缘介质基片表，通过重复单层石墨烯的制备和转移步骤，可在绝缘介质基片的两面分别转移一层石墨烯薄膜，而且通过重复制备和转移步骤，在绝缘介质基片两面都可以转移多层石墨烯薄膜，从而控制薄膜接地片或者薄膜贴片的厚度。

所述在相对薄膜接地片一面的石墨烯薄膜上刻蚀掉多余的石墨烯薄膜的方法为依次采用光刻工艺和干法刻蚀工艺。所述在相对薄膜接地片一面的石墨烯薄膜上刻蚀掉多余的石墨烯薄膜的方法包括以下步骤：对绝缘介质基片相对薄膜接地片一面光刻出受到保护的天线图形，所述天线图形涵盖最终石墨烯微带天线中薄膜贴片和馈线的形状；受到保护指的是天线图形区域在光刻后被附上了一层光刻胶进行保护，便于在后续的干法刻蚀工艺中天线图形区域受到保护；然后采用干法刻蚀工艺除去天线图形以外的所有石墨烯薄膜，形成薄膜贴片和与薄膜贴片良好欧姆接触的馈线。其中干法刻蚀工艺优选的工艺参数为：在20～40℃下通入10～30sccm的氧气，在0.3～1.0Pa压力下用100～200W功率刻蚀30～100秒。

作为进一步的改进，所述馈线的输出端电连接有连接电极。所述连接电极选取与石墨烯薄膜具有良好欧姆接触的铬/金或铬/铝金属材料。

所述连接电极的制备方法为：在所述绝缘介质基片相对薄膜接地片一面光刻出不受保护的连接电极图形，所述部分的或全部的连接电极图形覆盖该面的石墨烯薄膜，不受保护指的是连接电极图形以外的区域在光刻后被附上了一层光刻胶，而连接电极图形区域不受光刻胶的保护；然后在光刻面上沉积一层连接电极膜层，此时连接电极膜层与石墨烯薄膜在连接电极图形区域发生接触，连接电极图形以外的区域受到光刻胶的影响，连接电极膜层被附着在光刻胶上，采用剥离工艺将连接电极图形以外的光刻胶随其上附着的连接电极膜层一同除去，最终在连接电极图形区域附着了连接电极膜层；其中连接电极膜层优选为铬/金复合膜层或者铬/铝复合膜层；其中连接电极膜层的沉积优选真空热蒸发法。

实施例1

本实施例的石墨烯微带天线，采用石英玻璃（二氧化硅）作为绝缘介质基片，厚度为0.3毫米；选择四元阵列薄膜贴片，频率工作在微波波段。具体结构如图1、2所示，包括绝缘介质基片1，绝缘介质基片1的一面设有薄膜接地片3，另一面设有四元阵列的薄膜贴片2和与所有薄膜贴片2欧姆接触的馈线4，薄膜接地片3、薄膜贴片2和馈线4均为三层石墨烯薄膜叠置而成。绝缘介质基片1的材料为石英玻璃（二氧化硅），所述馈线4的输出端电连接有连接电极5，所述连接电极5为铬/金复合膜层。

本实施例的石墨烯微带天线采用以下方法制备：

1）选择石英玻璃（二氧化硅）作为绝缘介质基片，厚度为0.3毫米，将石英玻璃先用丙酮清洗，再依次用甲醇及去离子水冲洗干净，备用；

2）制备石墨烯薄膜：用化学气相沉积设备（PECVD）在铜箔衬底（过渡衬底）上沉积单层石墨烯薄膜；

3）转移石墨烯薄膜：将表面清洗干净的石英玻璃放置到盛有去离子水的水槽中，再将沉积到铜箔衬底的石墨烯薄膜一同放置到盛有去离子水的水槽中，使石墨烯薄膜脱离铜箔衬底，漂浮至石英玻璃表面上；

4）重复六次制备和转移工艺，分别将三层石墨烯薄膜转移到石英玻璃的两面上；

5）将其中的一面（A面）作为接地片保护起来，对另一面（B面）进行光刻工艺，采用连接电极图形光刻版进行光刻、显影、后烘等光刻工艺制备出不受保护的连接电极图形，其中连接电极图形光刻版如图3所示，然后利用真空热蒸发方法，将石英玻璃装入高真空镀膜机，将铬粒与金丝放入不同蒸发舟内，蒸发铬（Cr）时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，在石英玻璃的B面蒸发50nm厚度的铬膜层，蒸发金（Au）时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，再在石英玻璃的B面蒸发生长一层厚度约2微米金膜层形成铬/金复合膜层，从而与石英玻璃上的石墨烯薄膜形成欧姆接触，利用剥离工艺，去除连接电极图形以外区域的铬/金膜；

6）采用天线图形光刻版对石英玻璃的B面进行光刻、显影、后烘等光刻工艺制备出天线图形，天线图形如图4所示，与最终微带天线的薄膜贴片、馈线、连接电极相匹配，通过干法刻蚀去掉天线图形以外的所有石墨烯薄膜，所述干法刻蚀为等离子化学反应刻蚀方法，在20℃温度向反应室通入30sccm的氧气（O₂），在0.7Pa的压力下用150W的功率刻蚀100秒，取出后，用丙酮去除光刻胶即得石墨烯微带天线。最后通过晶片切割、测试筛选、引线焊接、封装形成透可见光与紫外辐射的微带天线产品。

实施例2

本实施例的石墨烯微带天线，采用蓝宝石作为绝缘介质基片，厚度为0.26毫米；选择四元阵列薄膜贴片，频率工作在毫米波波段。具体结构包括绝缘介质基片，绝缘介质基片的一面设有薄膜接地片，另一面设有四元阵列的薄膜贴片和与所有薄膜贴片欧姆接触的馈线，薄膜接地片、薄膜贴片和馈线均为三层石墨烯薄膜叠置而成。绝缘介质基片的材料为蓝宝石，所述馈线的输出端电连接有连接电极，所述连接电极为铬/金复合膜层。

本实施例的石墨烯微带天线采用以下方法制备：

1）选择蓝宝石作为绝缘介质基片，厚度为0.26毫米，将蓝宝石先用丙酮清洗，再依次用甲醇及去离子水冲洗干净，备用；

2）制备石墨烯薄膜：用化学气相沉积设备（PECVD）在铜箔衬底（过渡衬底）上沉积单层石墨烯薄膜；

3）转移石墨烯薄膜：将表面清洗干净的蓝宝石放置到盛有去离子水的水槽中，再将沉积到铜箔衬底的石墨烯薄膜一同放置到盛有去离子水的水槽中，使石墨烯薄膜脱离铜箔衬底，漂浮至蓝宝石表面上；

4）重复六次制备和转移工艺，分别将三层石墨烯薄膜转移到蓝宝石的两面上；

5）将其中的一面（A面）作为接地片保护起来，对另一面（B面）进行光刻工艺，采用连接电极图形光刻版进行光刻、显影、后烘等光刻工艺制备出不受保护的连接电极图形，其中连接电极图形光刻版如图3所示，然后利用真空热蒸发方法，将蓝宝石装入高真空镀膜机，将铬粒与金丝放入不同蒸发舟内，蒸发铬（Cr）时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，在蓝宝石的B面蒸发50nm厚度的铬膜层，蒸发金（Au）时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，再在蓝宝石的B面蒸发生长一层厚度约2微米金膜层形成铬/金复合膜层，从而与蓝宝石上的石墨烯薄膜形成欧姆接触，利用剥离工艺，去除连接电极图形以外区域的铬/金膜；

6）采用天线图形光刻版对蓝宝石的B面进行光刻、显影、后烘等光刻工艺制备出天线图形，天线图形如图4所示，与最终微带天线的薄膜贴片、馈线、连接电极相匹配，通过干法刻蚀去掉天线图形以外的所有石墨烯薄膜，所述干法刻蚀为等离子化学反应刻蚀方法，在30℃温度向反应室通入10sccm的氧气（O₂），在1.0Pa的压力下用100W的功率刻蚀65秒，取出后，用丙酮去除光刻胶即得石墨烯微带天线。最后通过晶片切割、测试筛选、引线焊接、封装形成透可见光与红外辐射的微带天线产品。

实施例3

本实施例的石墨烯微带天线，采用硫化锌作为绝缘介质基片，厚度为0.35毫米；选择四元阵列薄膜贴片，频率工作在毫米波波段。具体结构包括绝缘介质基片，绝缘介质基片的一面设有薄膜接地片，另一面设有四元阵列的薄膜贴片和与所有薄膜贴片欧姆接触的馈线，薄膜接地片为三层石墨烯薄膜叠置而成，薄膜贴片和馈线为四层石墨烯薄膜叠置而成。绝缘介质基片的材料为硫化锌，所述馈线的输出端电连接有连接电极，所述连接电极为铬/铝复合膜层。

本实施例的石墨烯微带天线采用以下方法制备：

1）选择硫化锌作为绝缘介质基片，厚度为0.35毫米，将硫化锌先用丙酮清洗，再依次用甲醇及去离子水冲洗干净，备用；

2）制备石墨烯薄膜：用化学气相沉积设备（PECVD）在铜箔衬底（过渡衬底）上沉积单层石墨烯薄膜；

3）转移石墨烯薄膜：将表面清洗干净的硫化锌放置到盛有去离子水的水槽中，再将沉积到铜箔衬底的石墨烯薄膜一同放置盛有去离子水的水槽中，使石墨烯薄膜脱离铜箔衬底，漂浮至硫化锌表面上；

4）重复七次制备和转移工艺，将三层石墨烯薄膜转移到硫化锌的一面，将四层石墨烯薄膜转移到硫化锌的另一面；

5）将其中的具有三层石墨烯薄膜的一面（A面）作为接地片保护起来，对另一面（B面）进行光刻工艺，采用连接电极图形光刻版进行光刻、显影、后烘等光刻工艺制备出不受保护的连接电极图形，其中连接电极图形光刻版如图3所示，然后利用真空热蒸发方法，将硫化锌装入高真空镀膜机，将铬粒与铝丝放入不同蒸发舟内，蒸发铬（Cr）时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，在硫化锌的B面蒸发100nm厚度的铬膜层，蒸发铝时，当真空度小于1.0E-3Pa时，开始蒸发，再在硫化锌的B面蒸发生长一层厚度约1.5微米铝膜层形成铬/铝复合膜层，从而与硫化锌上的石墨烯薄膜形成欧姆接触，利用剥离工艺，去除连接电极图形以外区域的铬/铝膜；

6）采用天线图形光刻版对硫化锌的B面进行光刻、显影、后烘等光刻工艺制备出天线图形，天线图形如图4所示，与最终微带天线的薄膜贴片、馈线、连接电极相匹配，通过干法刻蚀去掉天线图形以外的所有石墨烯薄膜，所述干法刻蚀为等离子化学反应刻蚀方法，在40℃温度向反应室通入20sccm的氧气（O₂），在0.3Pa的压力下用200W的功率刻蚀30秒，取出后，用丙酮去除光刻胶即得石墨烯微带天线。最后通过晶片切割、测试筛选、引线焊接、封装形成透8-12微米红外辐射的微带天线产品。

本发明的石墨烯微带天线，天线的形状及贴片数量、布局，可以根据需要进行设计。

Claims (5)

1.一种石墨烯微带天线，其特征在于：由绝缘介质基片1、薄膜贴片2、薄膜接地片3和与薄膜贴片良好欧姆接触的馈线4组成，透光的薄膜贴片2、薄膜接地片3及馈线4集成到绝缘介质基片1的两面；所述的薄膜贴片2、薄膜接地片3是由石墨烯材料构成。

2.根据权利要求1所述的石墨烯微带天线，其特征在于：所述薄膜贴片2、薄膜接地片3是将制备在过渡衬底上的单层或多层石墨烯薄膜转移至绝缘介质基片1的两个表面上制成的。

3.根据权利要求1或2所述的石墨烯微带天线，其特征在于：所述绝缘介质基片1是采用氮化硼、二氧化硅、蓝宝石、氟化镁、尖晶石、氮氧化铝、硫化锌或硒化锌。

4.根据权利要求1所述的石墨烯微带天线，其特征在于：所述馈线4的输出端电连接有连接电极5；所述连接电极5选取与石墨烯薄膜具有良好欧姆接触的铬/金或铬/铝金属材料。

5.一种如权利要求1所述的石墨烯微带天线的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）将过渡衬底表面制备好的石墨烯薄膜转移到绝缘介质基片两个表面；

2）重复步骤1），在绝缘介质基片的两面分别附着至少一层石墨烯薄膜；

3）将绝缘介质基片一面的石墨烯薄膜作为薄膜接地片进行保护，利用已设计好的天线图形模板光刻、等离子刻蚀，在所形成的石墨烯图片图形的适当位置与馈线建立良好的欧姆接触。