CN113257452A - 自谐振传感器的镀铜导体结构及其制造 - Google Patents

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Abstract

通过首先印刷导电油墨的前体晶种层然后将高导电性金属(诸如Cu或Ag)电镀到前体上来在(柔性的或刚性的)基板上制造导电结构。镀层的导电性接近本体金属的导电性。为了提高镀覆的均匀性，可以在电镀之前将无电金属中间层沉积到所述前体上。所述结构可以用于诸如电感式传感器等应用。

Description

自谐振传感器的镀铜导体结构及其制造
技术领域
本公开涉及在各种基板上制造的铜导电结构及其制造方法。更具体地，通过以预先选定的图案在基板上印刷导电糊料或导电油墨的薄层并且然后将铜层镀覆到导电油墨图案上以增加所述图案的电导率来制造结构。可以将这些图案并入到其中高导电性是有益的各种电路中。这样的电路包括但不限于各种类型的感测系统。
背景技术
设置在非导电或绝缘基板上的导电结构用于各种电气设备和电子设备。基板包括无机材料和有机材料的刚性片材和柔性片材两者，其中聚合物基板是非常常见的。所使用的结构的尺寸范围很广。
尽管已经使用了众多技术来制造这些设备，但是在改进制造成本和效率、通过谨慎使用珍贵材料来提高可持续性、以及创造具有可接受的电气特性同时在制造和最终使用期间保持稳健的复杂结构方面仍然存在挑战。
发明内容
本公开的一方面涉及自谐振传感器，所述自谐振传感器包括导电结构，所述导电结构位于基板的第一主表面上并且具有包含多个匝的螺旋导体的形式，并且其中，所述导电结构包括：
(a)粘附到所述第一主表面的导电油墨第一层；以及
(b)位于所述第一层顶上的电镀铜第二层。
本公开的另一方面提供一种导电结构，所述导电结构位于具有相反的第一主表面和第二主表面的绝缘基板上，所述导电结构具有预先选定的图案并且包括：
(a)具有所述预先选定的图案并且粘附到所述第一主表面的导电油墨第一层；以及
(b)位于所述第一层顶上的电镀铜第二层。
另一方面提供了一种用于在绝缘基板的主表面上制造导电结构的方法，所述绝缘基板具有相反的第一主表面和第二主表面，所述方法包括以下步骤：
(a)在所述第一主表面上以预先选定的图案印刷导电油墨层；以及
(b)将铜电镀到油墨上以形成导电结构。
附图说明
当参考本发明的优选实施例的以下详细描述和附图时，将更充分地理解本发明并且其他优点将变得显而易见，其中贯穿若干视图相似的附图标记表示相似的要素，并且在附图中：
图1示意性地描绘了本发明的具有阿基米德螺旋形式的导电结构；
图2示意性地描绘了本发明的呈矩形螺旋形式的导电结构；
图3是绘制了本发明的导电结构和用导电油墨制造的导电结构的自谐振的曲线图；以及
图4是将本发明的导电结构和用导电油墨制造的导电结构的自谐振的信号强度进行比较的曲线图。
具体实施方式
本公开的各方面涉及一种导电结构，所述导电结构通过以下方式制造：首先以预先选定的图案将导电油墨沉积在基板上，然后利用高导电性金属对沉积的油墨进行电镀以提供具有增加的厚度以及因此增加的导电性的整体导电结构。其他方面涉及一种导电结构的制造方法及其最终用途。
一种用于在基板上制造复杂导电结构的方法在刚性或柔性电路板的制造中广泛实践。将薄的铜箔层压到基板的整个表面上，所述基板可以是刚性的(诸如玻璃纤维增强的环氧片材)或柔性的(诸如聚酰亚胺薄膜)。然后通过光刻技术形成表示导电迹线的期望最终构型的图案。通过化学蚀刻剂溶解铜箔上不想要导体的区域，从而留下期望的图案。这种方法通常称为“减材”。由于可用光刻方法的复杂性，可以形成非常复杂的图案。所使用的铜具有较高的固有导电性(接近本体铜所能达到的最佳水平)，并且通常可以通过利用相对较厚的箔层压板来将迹线制作成具有足够的厚度。尽管如此，减成法通常很昂贵，并且会产生大量的通常是有害且有毒的液体废物。可以回收铜，但要以将液体中的铜离子还原为金属铜为代价。
可替代地，可以通过以下方式形成具有期望构型的铜或其他导电金属的迹线：通过已知的机械刻划或切割技术或通过激光辅助切割技术将从片材上切割出期望的图案，然后去除其他区域中的材料。尽管通过这些方法产生的废料仍然是导电金属，但是可能需要进行大量的返工或再加工才能再次使用废料。
因此，具有能够直接创造具有期望的最终构型或与其接近的近似构型的结构的制造技术将是有益的。这样的技术通常称为“增材”，所得到的结构可以被描述为“净成型”或“近净成型”。对于一些最终用途，增材技术已经是众所周知的。例如，可以使用以任何期望的图案沉积导电油墨的各种各样的印刷方法来创造结构。这样的印刷方法包括喷墨印刷、模版印刷、丝网印刷和三维印刷。
然而，用印刷油墨可达到的电气性能是有限的。导电油墨通常包含分散在载体液体或溶剂中的、导电材料的精细分散的粉末，所述载体液体或溶剂可能包括粘合剂或其他有益物质。用具有高比例的高导电性金属粉末的油墨获得最佳的导电性。沉积之后，通常通过在环境温度或适度加热下进行干燥来去除载体液体。沉积的图案通过由相邻颗粒之间的接触所限定的渗透路径获得其导电性。由于这个原因，基于银的油墨是优选的，因为银颗粒能抵抗表面氧化或其他腐蚀，因此在邻近颗粒之间的界面处通常具有较小的接触电阻。然而，有时使用铜。无论哪种情况，由于实际颗粒间接触的有限总面积以及因任何表面氧化引起的界面电阻，可达到的接触导致导电性远低于相同金属的固体导体的固有导电性。这种低水平的导电性对于一些应用(诸如屏蔽)是足够的，但对于必须承受高电流密度的应用可能是不可行的。虽然原则上可以通过将油墨层印刷得更宽或更厚(或两者兼有)来减小结构的电阻，但存在实际的限制。随着厚度增加，很难避免会使有效电阻的潜在降低无效的裂纹或其他缺陷。设计考虑可能会限制导电迹线的可允许宽度。
在一些最终用途中，通过在足以使相邻金属颗粒烧结的高温下对沉积物进行热处理来增强印刷糊料或油墨的导电性。但是大多数聚合物基板不能承受进行任何烧结所需的温度，所述温度通常为几百摄氏度。
本发明的诸位发明人已经发现了一种无需进行高温热处理即可提供高导电性的可替代方法。首先通过印刷相对较薄的导电油墨(诸如基于银的油墨)层并对其进行可能的干燥以形成前体结构或晶种层来形成期望的图案，所述前体结构或晶种层然后用作镀铜操作的阴极。可以进行镀覆以产生相对较厚的铜层，所述铜层精密地复制油墨图案的几何形状，并且获得的导电性水平接近本体铜的导电性水平。在本文中可替代地考虑镀银，但是通常铜的成本要低得多，因此建议使用铜。
如本领域中已知的，进行电镀以将金属从阳极沉积到提供作为要镀覆的工件的阴极上。在本发明方法的实施方式中，电力源的端子分别连接到一个或多个Cu金属阳极以及阴极。这里，阴极最初由前体导电晶种层提供。将(多个)阳极和阴极浸入电镀浴(诸如具有溶解的Cu离子的H2SO4水溶液)。电流从电源流到(多个)阳极、通过镀浴流到阴极并且然后流回电源，从而将铜原子从阳极去除并沉积到阴极上。
在实施例中，前体中的导电油墨必须至少具有足以建立导电路径的厚度，所述导电路径提供贯穿整个前体的电连续性，使得可以完全镀覆期望的构型。所需要的油墨厚度取决于所使用的特定油墨，但是10μm的层通常很方便。在各种实施例中，所使用的导电油墨的电阻率最多约为30、50、75或100μΩ-cm。某些实施方式导致导电油墨层具有至多约为0.02、0.03、0.05、0.07或0.1Ω/sq的薄层电阻。
镀铜的导电性通常比典型的导电油墨的导电性大至少一个数量级或更多，使得甚至1μm或更大的镀覆都可以显著增强成品结构的导电性。所得到的结构具有足够的总电导率，以在仅使用印刷导体不能可行地实施的各种最终用途中充分发挥作用。在各种实施例中，电镀层的厚度至少为5、10、15、20、50、75、100、150或200μm，优选的厚度部分地取决于特定电路应用所需的电导率。在实施例中，厚度是在整个导电结构上取的平均值。理想地，电镀层具有相对较光滑的表面。实际上，随着厚度增加超过某些限制，镀层的品质开始下降。例如，铜和银的镀层表面都变成不期望的结节状，内部应力增加(可能导致裂纹或其他体积缺陷)，并且总导电性不会随表观厚度相称地增加。对于厚层，镀覆金属对基板的粘附也可能受到损害。
本发明的技术可以高效地利用油墨前体和镀覆层中的导电金属，因为期望的构型是直接形成的，而不需要通过蚀刻或作为废料去除任何大量的材料。因为镀覆部分紧密地复制初始油墨图案，所以可以通过使用高分辨率印刷方法形成前体来简单且高效地创造相对复杂的结构。
导电结构可以具有覆盖基板的主表面的一部分或甚至基本上全部的任何合宜的图案。结构的高导电性使其适合用于各种各样的电路，既可以用作电路元件本身，也可以用作电连接两个或更多个任意类型的电路部件的导体。
可以在各种非导电基板(包括刚性基板和柔性基板)上制造本发明的导电结构。合适的刚性基板包括无机和有机/聚合物基础材料。无机材料包括但不限于二氧化硅、氧化铝、硅、碳化硅、石英、玻璃和GaAs/GaN半导体。有机材料包括但不限于各种刚性聚合物材料以及包含无机填料材料的聚合物复合材料。一种示例性复合材料由特拉华州威尔明顿内穆尔杜邦公司(DuPont de Nemours,Inc.,Wilmington,DE)以
Figure BDA0002909996650000051
固体表面材料商售，所述固体表面材料包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基质和三水合氧化铝。也可以使用通常用于制造印刷电路板的玻璃纤维增强的环氧片材。
本发明的结构还可以在各种泡沫板材料上制造。合适的板包括但不限于从密歇根州米德兰的陶氏化学公司(Dow Chemical,Midland,MI)可获得的闭孔聚苯乙烯泡沫板，取决于其压缩强度，将这些闭孔聚苯乙烯泡沫板按等级表示为STYROFOAMTMHighload 40、60或100挤塑聚苯乙烯。在一些实施例中，所述板或其他绝缘层标称地是刚性的，但足够薄以保留一定程度的柔性，使其可以在不完全平坦的基板上使用。
取决于最终用途应用，导电结构可以在可以吹塑形成泡沫的任何塑料材料上制造。合适的热塑性塑料包括聚烯烃和烯基芳族聚合物。合适的聚烯烃包括聚乙烯和聚丙烯。合适的烯基芳族聚合物包括聚苯乙烯以及苯乙烯与其他单体的共聚物。合适的聚乙烯包括高密度类型、中密度类型、低密度类型、线性低密度类型和超低密度类型的聚乙烯。也可以由热固性聚合物(诸如聚异氰脲酸酯或硬质聚氨酯)形成泡沫板。
在实施例中，基板包括烯基芳族聚合物材料的泡沫结构。合适的烯基芳族聚合物材料包括烯基芳族均聚物以及烯基芳族化合物与可共聚的烯键式不饱和共聚单体的共聚物。烯基芳族聚合物材料可以进一步包括较少比例的非烯基芳族聚合物。烯基芳族聚合物材料可以仅由一种或多种烯基芳族均聚物、一种或多种烯基芳族共聚物、烯基芳族均聚物和烯基芳族共聚物中的每一种的一种或多种的共混物或者前述任一项与非烯基芳族聚合物的共混物构成。不论组成如何，烯基芳族聚合物材料均包含大于50重量百分比、优选地大于70重量百分比的烯基芳族单体单元。在一些实施例中，烯基芳族聚合物材料完全由烯基芳族单体单元构成。
合适的烯基芳族聚合物包括源自烯基芳族化合物(诸如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙基苯乙烯、乙烯基苯、乙烯基甲苯、氯苯乙烯和溴苯乙烯)的聚合物。优选的烯基芳族聚合物是聚苯乙烯。可以将少量的单烯键式不饱和化合物(诸如C2-6烷基酸和酯、离聚物衍生物和C4-6二烯)与烯基芳族化合物共聚。可共聚化合物的示例包括丙烯腈、丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸、马来酸、衣康酸、马来酸酐、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯和丁二烯，其量符合保持期望的特性(诸如足够低的保水性能)。实施例有利地包含大于80百分比的聚苯乙烯，并且可以完全由聚苯乙烯制成。
在一些实施例中，泡沫结构包含一种或多种添加剂，诸如无机填料、成核剂、颜料、抗氧化剂、除酸剂、红外线衰减剂、紫外线吸收剂、阻燃剂、加工助剂、挤塑助剂等。根据ASTMD2856-87，泡沫板可以是闭孔的或开孔的。
合适的柔性聚合物片材材料包括但不限于聚酰亚胺材料、聚对苯二甲酸乙二酯材料、聚碳酸酯材料和聚烯烃材料。其他有用的柔性基板包括纤维聚合物，所述纤维聚合物的一个代表性示例是湿蒸气可渗透、闪纺、丛丝、高密度聚乙烯片材，所述片材可从内穆尔杜邦公司以商品名
Figure BDA0002909996650000071
商购。本发明的方法对于在粗糙的基板(诸如像前述
Figure BDA0002909996650000072
片材等纤维材料)上制造导电结构方面尤其有益，因为利用常规技术难以形成使用其他技术(诸如在没有初始油墨沉积的情况下进行无电沉积)的连续且导电的前体。镀浴的化学性质(包括其成分和pH值)应该与基板材料相容。
在一些实施例中，本发明的导电结构是细长的，这意味着其长度远大于其宽度。在各种实施例中，长度与宽度之比可以至少为50、100、300、500、1000或2000。例如，细长的结构可以具有包含多个匝的螺旋的形式。如本文所使用的，术语“螺旋”基于由平面中的某个点的路径限定的轨迹的常规数学意义，所述路径从内部起点开始，并围绕中心点移动同时远离所述中心点。内部起点可以但不必与中心点相同。导电结构由遵循螺旋轨迹的不间断导电迹线形成。
在用于本发明的结构的一些螺旋形式中，从中心点开始的远离是连续的。具有连续且恒定远离的一种常见形式常规地称为“阿基米德螺旋”，如图1中总体上以10描绘的。这种螺旋由内径ri、外径ro、迹线宽度w和间距P(这些参数如所指示的进行测量)限定。S是环之间的间隔。用匝数N一起指定这些参数。
可替代地，从螺旋中心开始的远离是逐匝地而不是连续地发生。例如，在图2所描绘的矩形螺旋中，螺旋中给定匝内的每个点与相邻匝中的相当点间隔固定的距离。尽管图2中所描绘的拐角为直角，但是矩形螺旋也可以构造为具有圆角。S是环之间的间隔，P是间距，w是迹线宽度，ri是内径，并且ro是外径。对于本发明的导电结构，也可以想到本领域技术人员将认识到的其他平面螺旋形式，诸如与前述矩形螺旋相当的正方形螺旋。
螺旋形导电结构有利地用于期望较大电感的应用中。具有通过本发明的印刷/镀覆工艺产生的导体的电感器在电路中的使用由于其电阻的减小而得到增强。在一个这种应用中，可以基于螺旋的固有电感和寄生的匝间电容来创建自谐振电路，而自谐振频率在很大程度上取决于螺旋的几何形状。(术语“自谐振频率”在本文中按其在电子学中的常规含义使用，即电感器的寄生电容与其有效电感发生电谐振的频率。)例如，利用本发明的导体制成的自谐振线圈由于减小的电阻而表现出具有较高品质因数Q的谐振，特别是在镀层厚度为10μm或更大时。在各种实施例中，自谐振电感器具有至少为100、150、250、500、1000、1500或2000的Q。
在另一个实施例中，螺旋导体的两端与外部电容器连接以形成储能电路(tankcircuit)，所述储能电路的谐振频率由螺旋的几何形状和所选电容确定。
然而，已经发现，如果构型包括非常长的迹线(无论是笔直的还是弯曲的)都难以在本发明的导电结构中保持均匀的厚度。例如，细长的迹线存在于许多螺旋结构中，如上所述。不受任何理论的束缚，据信厚度变化可归因于从沿迹线长度的不同部分处所看到的镀覆电路的总有效电阻抗的变化。特别地，具有相对较低的固有导电性的材料的细长晶种层的内部电阻可以形成总阻抗的相当大一部分。因此，镀覆期间镀覆浴-阴极界面各点处的电势随着沿晶种层长度(从连接点到电源)的距离而减小。给定点的局部电势影响Cu沉积物的初始成核及此后的Cu沉积速率。据信镀覆是在连接点附近(此处电势最高)开始的，然后开始前部沿迹线长度前进。在开始前部的后面，很快沉积足够的Cu以分流并减轻初始晶种层的低导电性，使得局部电势不会随着远离连接点而降低太多。在初始成核之后，前进前部后面的沉积速率(垂直于基板进行测量)相对一致。因此，在任何给定的镀覆持续时间之后，镀层在连接点附近是最厚的，并且随着远离连接点而逐渐变薄。可以通过提供更高导电性的晶种层来减小差异，使得开始前部更快速地移动通过前体区域的全部范围，从而使镀覆周期沉积被抑制的部分最小化。de Leeuw等人在Synthetic Metals[合成金属]66 263-273(1994)中进行的理论建模表明开始前部的前进速率与晶种层的薄层电阻的平方根大致成反比。还可以通过使得可以在沿前体的多个点处进行直接连接来改善均匀性，使得在获得完全覆盖之前，存在只需在较短距离上移动的多个开始前部，并且此后可以进行均匀沉积。例如，连接可以在螺旋结构的两端或在沿这种结构的范围的其他点处进行。随着总镀覆厚度增加，厚度差异也变得不太明显。
在一些实施例中，可以通过减少或消除铜镀浴中经常包含的有机增亮剂来进一步减轻厚度变化。
在实施例中，电镀之后的迹线厚度基本上是均匀的，这意味着沿延伸迹线的最高厚度与最低厚度之比至多为6:1、5:1、4:1、2:1或1.5:1。在进一步的实施例中，该比具有上述任何一个值，并且沿迹线的最低厚度至少为2、5、10、15、20或50μm。在仍另一实施例中，该比具有上述任何一个值，并且沿迹线的最高厚度至多为20、50、75、100、150或200μm。在这些实施例中，可以使用各种技术来测量厚度。例如，可以通过X射线荧光(XRF)技术来测量厚度，在所述技术中，在迹线与相同材料且已知厚度的参考样品之间比较荧光强度。XRF技术是非破坏性的，并且有利地提供在由X射线束照射的局部区域上的平均厚度。还可以使用扫描共焦显微镜术(诸如利用Keyence VK-X260K 3D的激光扫描共焦显微镜)对厚度进行非破坏性测量。另外，可以使用在截面上拍摄的显微照片对迹线进行破坏性测量。
在一些实施方式中，通过在导电油墨与电镀金属之间设置金属增强层来减轻印刷油墨图案的低导电性与随之而来的镀覆厚度变化的前述问题。这可以通过在电镀步骤之前执行的无电镀覆步骤来实现。无电镀覆步骤将附加金属(包括但不限于铜或镍)沉积到印刷的油墨图案上。例如，增加的金属可以在印刷的图案内的离散颗粒之间提供附加连接性，这对于具有低金属负载的油墨尤其有利。所得到的对前体导电性的改善可以改善镀层的均匀性。在一些实施例中，无电金属的添加甚至可以弥合最初的导电油墨沉积物无法跨越其提供导电性的间隙。不受任何理论的束缚，据信初始导电油墨中的金属颗粒可以用作使无电金属的沉积成核的催化位点。合适的无电方法是其中仅在晶种层上并且可能在其边缘处沉积金属而不在覆盖大部分或全部基板的更广泛分布的层中沉积金属的方法。
本公开的其他实施例涉及上述导电结构的最终用途。
示例
从以下描述的示例可以更充分地理解本发明的某些实施例的操作和效果。这些示例所基于的实施例仅是代表性的，并且选择那些实施例来展示本发明的各方面并不表示未描述的材料、部件、条件、技术和/或构型不适合于在本文中使用，或不表示未在这些示例中描述的主题被排除在所附权利要求及其等效物的范围之外。
示例1
在聚烯烃片材基板上制造自谐振结构
在10-1056DR型
Figure BDA0002909996650000101
聚乙烯片材(可从特拉华州威尔明顿内穆尔杜邦公司获得)的薄片上制造具有如图1中示意性地描绘的阿基米德螺线形式的导电结构。针对示例1，所使用的螺旋结构具有以下尺寸：ri＝16mm，ro＝60mm，w＝2mm以及P＝4mm/匝，共11匝。所得到的导电迹线长度约为2.6m，因此长度与宽度之比约为1300。这种线圈由于其电感和绕组固有的匝间电容而是电自谐振的。特定的几何形状被选择为使得使用以下文献中提供的等式得到的自谐振频率约为40MHz：“An Empirical Expression to Predict the ResonantFrequencies of Archimedean Spirals[预测阿基米德螺旋的谐振频率的经验表达式],”IEEE Trans.Microwave Theory Tech.63(7):2107-2114(2015)，IEEE微波理论技术会报，63(7)：2107-2114(2015)。
以15cm正方形试样的形式制备
Figure BDA0002909996650000102
片材(约为160μm厚)。使用AIM885丝网印刷机将具有图1所示形状的含银导电油墨(PE828 ATM006，可从特拉华州威尔明顿内穆尔杜邦公司获得)的图案印刷在每个片材上，其中图案厚度约13μm。将印刷的图案在箱式烤箱中在80℃下以循环气流固化30分钟，从而提供前体。制造商将该油墨表示为固化后具有约45μΩ·cm的电阻率，使得13μm的层展现出约0.034Ω/sq的薄层电阻。
此后，将前体的银油墨图案电镀有铜，以增加螺旋的电导率。首先，通过在10％硫酸浴中短暂浸入试样使油墨表面活化，然后将片材放置在H2O中的35至75g/L Cu2SO4·5H2O、180至225g/L H2SO4以及35至65ppm Cl-(呈HCl的形式)的镀浴中。有机增亮剂保持在0.05ppm到10ppm之间，并且载体保持在500至2500ppm。银油墨是镀覆操作的阴极，其中电源连接到螺旋的内端和外端两者。镀浴包含可溶的Cu阳极。整个镀覆周期中，维持22至28℃的操作温度，并且保持空气、溶液和浆式搅拌。使用10至30ASF(每平方英尺安培)的镀覆电流密度。在20ASF的镀覆电流下进行4h的镀覆时间得到在整个螺旋长度上平均厚度约为38μm的结构。
表I列举了针对前体螺旋和成品镀Cu螺旋的裸银油墨所测量的代表性电气特性。
表I
螺旋线圈的电气特性
印刷的Ag Ag+电镀Cu
平均厚度<t>(μm) 约13 约38
电阻R(Ω)@100Hz 45 0.58
电感(μH)@10KHz 9 8.9
测得的自谐振(MHz) 39.2 42.6
计算出的自谐振线圈的Q 49 4107
使用标准的四探针法测量DC电阻值。通过将所测得的总电阻R假设为裸Ag层和镀Cu层的电阻的并联组合来计算Cu层本身(即没有印刷的Ag晶种层)的电阻RCu。然后，假设Cu层具有纯Cu的电阻率ρ(1.7μΩ·cm)，并且使用螺旋的所测得的长度l和宽度w，使用标准公式
Figure BDA0002909996650000111
来计算镀Cu的平均厚度<t>。使用BK
Figure BDA0002909996650000112
计量型号879B来测量电感。自谐振频率确定为使用Hewlett Packard HP3577网络分析仪测得的S12传输频谱中的峰值。使用等式Q＝2πfL/R计算相关联的Q。
如表I所显示的，镀覆的主要作用是将线圈的电阻降低几乎两个数量级，同时Q相应增加。推断出的平均厚度<t>＝38μm与迹线的XRF测量结果一致，所述结果示出在内端和外端的连接点处的厚度约为100μm、并且在螺旋长度的中点附近的厚度约为20μm，所述中点距离连接点最远。如果镀Cu的有效电阻率高于本体Cu的1.7μΩ·cm，则实际平均厚度将成比例地更高。尽管印刷的Ag的电阻率远低于本体Ag或Cu的电阻率，但是镀Cu迹线的电阻率却接近高纯度退火本体Cu的值。据信在镀铜迹线中获得的增加的厚度和改善的固有低电阻率都有助于明显降低电阻和增加自谐振Q。
低电阻、高Q线圈有益地用于许多应用中。例如，自谐振传感器经常用于检测附近电介质物体的存在的系统，电介质物体的存在会改变对匝间电容起作用的有效介电常数。这种电容转变会改变线圈的自谐振频率。高Q会加剧谐振，使得可以更容易检测中心频率的微小移动。
示例2
未通电的无线湿度传感器
将示例1中描述的导电结构用作湿度传感器。使用包含两个连接到HewlettPackard HP3577网络分析仪的测试线圈的配置来询问所述传感器。测试线圈中的每一个都是直径约为4cm的圆形单匝铜线，所述铜线连接到网络分析仪的散射参数端口之一。线圈共面放置并重叠，以使这些线圈的互感归零从而获得最大灵敏度。通过将湿度传感器在测试线圈附近居中对齐、同时使测试线圈对与湿度传感器的相应平面近似平行来获得数据。当湿度传感器位于测试线圈的2cm以内时，这会导致测试线圈之间的耦合足够大以在网络分析仪上进行记录，该网络分析仪提供了S12耦合对频率的曲线图。所述曲线图展现了与湿度传感器的自谐振频率相对应的峰值。
通过将网络分析仪迹线与相应线圈放置在同一位置并使传感器保持干燥或在传感器线圈上放置一张毛巾纸(其上加了两滴水)来证明湿度传感器检测水的存在的能力。图3描绘了针对示例1的湿度传感器和仅具有Ag油墨沉积物的类似配置的
Figure BDA0002909996650000121
片材两者的S12耦合信号。曲线40、42、44和46分别表示湿度传感器干燥和湿润以及印刷的Ag干燥和湿润的频率响应。曲线40中的峰比曲线44更尖，这反映出由镀铜产生的Q更高。另外，如相应箭头所指示，曲线42中的峰在频率上从曲线40向下移动的幅度比从44到46的移动更大，这表明使用镀Cu传感器时的湿度检测能力要比其印刷Ag的前体更大。
在检测距离方面进一步证明了镀Cu的益处，即本发明的湿度传感器的检测距离比其印刷Ag的前体更高。通过测量湿度传感器及其前体在从2cm到14cm的一系列间隔距离(作为传感器与测试线圈的平面之间的间距，传感器与测试线圈再一次居中对齐)下展现的信号强度来测试此性能。图4中绘制了如使用Rohde-Schwarz网络分析仪(ZVH8，版本V1.60)测得的S11耦合参数的强度随间隔距离的变化。可以看出，与Ag前体相对应的曲线52随距离的下降远快于镀Cu传感器的曲线54。
尽管已经如此相当充分详细地描述了本发明，但将要理解的是此细节无需严格地遵守，而是本领域技术人员可想到所有落入如由所附权利要求限定的本发明范围内的另外的变化和修改。
本文所描述的传感系统及其部件的实施例(包括示例)并非限制性的；可以设想本领域的普通技术人员可以进行较小的替换，并且基本上不会改变期望特性及其在系统中的功能。
凡在此列举或确定某一数值范围之处，该范围包括其端点以及位于该范围内的所有单独的整数和分数，并且还包括其中由这些端点和内部整数及分数的所有各种可能组合形成的每一个较窄范围以如同明确列举了这些较窄范围中的每一个的相同程度在所述范围内形成更大数值群的子群。当数值范围在此被描述为大于指定值时，该范围仍然是有限的并且被如在此所述的本发明的上下文内切实可行的值限定其上限。当数值范围在此被描述为小于指定值时，该范围仍然被非零值限定其下限。
在本说明书中，除非由使用上下文另外明确指明或相反指示，在本发明主题的实施例被陈述或描述为包含(comprising)、包括(including)、含有(containing)、具有某些特征或要素、由某些特征或要素组成或由某些特征或要素构成时，除了明确陈述或描述的那些之外的一个或多个特征或要素也可存在于该实施例中。然而，本发明主题的替代实施例可被陈述或描述为基本上由某些特征或要素组成，其中将实质改变实施例的操作原理或区别特性的实施例特征或要素不存在于其中。本发明主题的另一个替代实施例可被陈述或描述为由某些特征或要素组成，在该实施例中或在其非本质变型中，仅存在所具体陈述或描述的特征或要素。另外，术语“包含”旨在包括由术语“基本上由…组成”和“由…组成”涵盖的示例。类似地，术语“基本上由…组成”旨在包括由术语“由…组成”涵盖的示例。
为了清楚和方便描述而不是出于任何限制目的，本文中可以使用某些术语。例如，术语“向前”、“向后”、“右侧”、“左侧”、“顶部”、“底部”、“上部”和“下部”表示所参考的附图中的参考方向。各种附图可以描绘以方便的构型定向的本发明部件。除上文具体提及的词语以外，类似含义的术语也应视为是出于方便的目的，而不是出于任何限制的意义。

Claims (4)

1.一种自谐振传感器，所述自谐振传感器包括导电结构，所述导电结构位于基板的第一主表面上并且具有包含多个匝的螺旋导体的形式，并且其中，所述导电结构包括：
(c)粘附到所述第一主表面的导电油墨第一层；以及
(d)位于所述第一层顶上的电镀铜第二层。
2.如权利要求1所述的自谐振传感器，其中，所述导电油墨包含银。
3.如权利要求1任一项所述的自谐振传感器，其中，所述第二层的厚度至少为10μm。
4.如权利要求1任一项所述的自谐振传感器，所述自谐振传感器具有至少为150的Q。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113674946A (zh) * 2021-09-07 2021-11-19 北京精雕科技集团有限公司 一种线圈结构及其制作工艺

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4560445A (en) * 1984-12-24 1985-12-24 Polyonics Corporation Continuous process for fabricating metallic patterns on a thin film substrate
CN1531717A (zh) * 2001-05-04 2004-09-22 用于eas标签的金属喷镀电介质基片
US20040200061A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-14 Coleman James P. Conductive pattern and method of making
US20070262471A1 (en) * 2006-05-15 2007-11-15 James Montague Cleeves Plated antenna for high frequency devices
CN101128085A (zh) * 2001-05-04 2008-02-20 微金属技术公司 用于eas标签的金属喷镀电介质基片

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7120987B2 (en) * 2003-08-05 2006-10-17 Avery Dennison Corporation Method of making RFID device
US8646695B2 (en) * 2010-10-01 2014-02-11 Disney Enterprises, Inc. Combined HF and UHF RFID device
EP3221759A4 (en) * 2014-11-20 2019-01-02 Total Safety U.S., Inc. Safety control room
JP6776867B2 (ja) * 2016-12-15 2020-10-28 Tdk株式会社 配線部品

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4560445A (en) * 1984-12-24 1985-12-24 Polyonics Corporation Continuous process for fabricating metallic patterns on a thin film substrate
CN1531717A (zh) * 2001-05-04 2004-09-22 用于eas标签的金属喷镀电介质基片
CN101128085A (zh) * 2001-05-04 2008-02-20 微金属技术公司 用于eas标签的金属喷镀电介质基片
US20040200061A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-14 Coleman James P. Conductive pattern and method of making
US20070262471A1 (en) * 2006-05-15 2007-11-15 James Montague Cleeves Plated antenna for high frequency devices

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113674946A (zh) * 2021-09-07 2021-11-19 北京精雕科技集团有限公司 一种线圈结构及其制作工艺

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