CN116435794A - 高耐弯曲的柔性微波天线/滤波器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性微波天线/滤波器领域，具体涉及一种高耐弯曲性的柔性微波天线/滤波器的制造方法。两片聚酰亚胺薄膜外凸的一面、内凹的一面所制备得到的金属银导电层面对面地被拉伸平直状态下叠合热压成型，因此两个金属银导电层将紧密接触合并构成一个导电层，导电层位于热压后的聚酰亚胺薄膜的内部，因此，无论柔性微波天线/滤波器在弯曲、揉搓、褶皱、摩擦状态，金属银导电层都受到聚酰亚胺薄膜的保护，不会受到外界的摩擦而被减薄和开裂，进一步增强了其耐弯曲、耐磨的机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及柔性微波天线/滤波器领域，具体涉及一种高耐弯曲的柔性微波天线/滤波器的制造方法。
背景技术
柔性电子是一种新兴的电子技术，近年来备受欢迎，并且受到了越来越多的关注。在当今信息化社会中，柔性电子器件常常需要和柔性天线集成来满足无线连接的需求。显然，柔性微波天线/滤波器是柔性无线通信系统中重要的组成部分，其性能的好坏将直接影响到整个系统的性能。
对于柔性电子结构，在使用过程中不可避免的需要承受反复的拉伸、弯曲等变形。此时，电子器件与基底界面可能出现脱粘、滑移等现象，而且这种界面的失效往往先于材料本身的破坏（可参阅CN102393328A）。由于薄膜/基体结构存在明显的多材料、多结构特性，其基本的断裂性能与块体材料表现出明显的差异，例如，薄膜的断裂强度和韧性等基本断裂参量与薄膜内部的残余应力与厚度等因素息息相关。在薄膜生长过程中，由于薄膜与基体的材料物性参数失配，导致在薄膜中存在较大的残余应力，该残余应力值可能达到甚至超过薄膜本身的屈服强度，而且会在薄膜/基体界面处产生较大的应力集中。残余应力可能会严重影响薄膜的一些主要性能，如抗剥落及分层能力、疲劳寿命及结合强度等。
如图5所示，柔性微波天线/滤波器处于弯曲状态时，柔性基底2上附着的金属层1将受到弯曲拉伸引起的应力作用，在反复很多次后将会引起微裂纹，电阻率增加甚至开路，从而影响柔性微波天线/滤波器的电学性能，其频率特性将偏离预定值。
在我们的授权专利ZL202010640641.9中，公开了一种柔性微波滤波器的制造方法，其技术方案核心在于：柔性微波滤波器的制造方法包括以下步骤：
（1）采用计算机进行柔性微波滤波器的仿真设计，得到柔性微波滤波器的理论结构尺寸参数；（2）采用常温湿法工艺将步骤（1）中已完成结构设计的柔性微波滤波器制造出来；（3）将步骤（2）中得到的柔性带通滤波器，进行电学性能测试和/或机械性能测试，若测试结果偏离预计值，则调整参数，返回步骤（1）和/或（2），重新制造柔性微波滤波器；若测试结果符合预计值，则将步骤（1）和（2）中的参数固定下来，进行柔性微波滤波器的批量生产。
其中步骤（2）的常温湿法工艺实现如下：
（2-1）使用氢氧化钾溶液对聚酰亚胺薄膜进行表面改性；
（2-2）使用银氨溶液实现对步骤（1）得到的聚酰亚胺薄膜表面进行离子交换；
（2-3）在步骤（2-2）得到的聚酰亚胺表面喷墨打印所需的柔性微波滤波器的图形；
（2-4）通过双氧水对步骤（2-3）得到的聚酰亚胺表面进行还原处理；
（2-5）对步骤（2-4）得到的聚酰亚胺薄膜进行清洗。
由于在该授权专利ZL202010640641.9中金属银导电层是基于湿法表面反应得到的，因此金属银导电层与聚酰亚胺薄膜之间的附着性较好，上述柔性微波滤波器经测试可耐受几千次甚至上万次的弯折而不明显降低电学性能。然而，对于实际应用而言，这还是不够的，需要进一步提高耐弯曲性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种柔性微波天线/滤波器的制造方法，用以更进一步提高柔性微波天线/滤波器的耐弯曲性能。
本发明中柔性微波天线/滤波器基于表面改性和原位自金属化工艺得到。其技术方案为：
在两片大小、形状完全相同的聚酰亚胺薄膜上制作完全相同的图形化金属天线，具体地：将其中一片聚酰亚胺薄膜进行弯曲，在其外凸的一面制造图形化金属天线；将另一片聚酰亚胺薄膜进行弯曲，在其内凹的一面制造图形化金属天线；两片薄膜上的图形化金属天线大小、形状完全相同；由此得到两片相同的聚酰亚胺薄膜表面图形化银金属的柔性微波天线/滤波器；
将上述两片具有图形化金属层的聚酰亚胺薄膜在平直状态下，按照相同的方位、面对面叠合（有图形化银金属层的面贴合），再热压成型，得到最终的柔性微波天线/滤波器。
优选地，两片聚酰亚胺薄膜按照相同的预设的曲率半径进行弯曲。
优选地，上述柔性微波天线/滤波器的制造方法，包括以下步骤：
（0）通过HFSS仿真软件进行柔性微波天线/滤波器的仿真，通过仿真优化结构参数来得到理论最优化的柔性微波天线/滤波器的尺寸参数；
（1）聚酰亚胺薄膜在KOH 溶液中表面改性，接着在AgNO3溶液中离子交换，反应完成后清洗并干燥聚酰亚胺薄膜；
（2）以步骤（1）得到的柔性微波天线/滤波器的尺寸参数，在干燥后的经过改性的聚酰亚胺膜上打印掩膜层，再在H2O2溶液中的还原反应，得到聚酰亚胺薄膜表面图形金属化的柔性微波天线/滤波器。
柔性微波天线/滤波器的制造方法（1）、（2）具体为：
（1）剪裁选取两片大小、形状完全相同的聚酰亚胺薄膜；
将两片聚酰亚胺薄膜按照预设的曲率半径进行弯曲，分别将两片聚酰亚胺薄膜外凸的一面、内凹的一面在KOH 溶液中表面改性，接着在同样的弯曲状态下外凸的一面、内凹的一面在AgNO3溶液中离子交换，反应完成后清洗并干燥聚酰亚胺薄膜；
（2）在经过步骤（1）改性的、干燥后的两片聚酰亚胺薄膜上按照相同的方向打印完全相同的掩膜层，再在H2O2溶液中的还原反应，得到两片相同的聚酰亚胺薄膜表面图形金属化的柔性微波天线/滤波器，分别清洗、烘干；
在步骤（2）之后还包括：
（3）将两片聚酰亚胺薄膜在平直状态下，按照相同的方位、面对面叠合（有图形金属的面贴合），叠合前引出金属导线端子，再热压成型，得到最终的柔性微波天线/滤波器。
值得指出的是，本发明提出的柔性微波天线/滤波器的制造方法，它适用于任何柔性微波天线/滤波器，而不仅仅局限于某种柔性微波天线或某种柔性微波滤波器。
在本发明中，由于天线结构是从聚酰亚胺基板上通过化学方法生长出来的，所以与基板之间有优异的附着力，不容易出现裂纹。更进一步地，由于两片聚酰亚胺薄膜外凸的一面、内凹的一面所制备得到的金属银导电层分别处于外凸和内凹的两种状态，当它们被拉伸平直状态下叠合热压成型，因此两个金属银导电层将紧密接触合并构成一个导电层，并且分别受到一定的弯曲挤压应力和弯曲拉伸应力，两者在一定程度上将作出互补，无论最终叠合热压成型的柔性微波天线/滤波器是向哪个方向弯曲受力，金属银导电层都会紧密导电，在任何一个层面上消除受到的应力，进而在整体上表现出更强的耐弯曲性能，无故障耐弯曲次数更多，导电可靠性更强。该技术工艺简单，无需昂贵的设备和真空条件，大大降低了制造成本。
另外一个意想不到的优越之处在于：由于两片聚酰亚胺薄膜外凸的一面、内凹的一面所制备得到的金属银导电层面对面地被拉伸平直状态下叠合热压成型，因此两个金属银导电层将紧密接触合并构成一个导电层，导电层位于热压后的聚酰亚胺薄膜的内部，因此，无论柔性微波天线/滤波器在弯曲、揉搓、褶皱、摩擦状态，金属银导电层都受到聚酰亚胺薄膜的保护，不会受到外界的摩擦而被减薄和开裂，进一步增强了其耐弯曲、耐磨的机械性能。
至此，发明人已经阐述了本发明的工作原理及技术方案、技术效果。
附图说明
图1：本发明的常温湿法工艺涉及的化学过程示意图；
图2：本发明的常温湿法工艺涉及的化学过程示意图；
图3：本发明中的一种常温湿法工艺得到的柔性微波滤波器；
图4：图3中的柔性微波滤波器的弯曲试验；
图5：柔性微波天线/滤波器的弯曲状态；
图6：柔性微波天线/滤波器热压成型示意图。
其中：1—金属层，2—柔性基底。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图1-5及较佳实施例，对依据本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
作为一个具体实施例，一种柔性双陷波超宽带天线，基于表面改性和原位自金属化工艺得到；所述柔性双陷波超宽带天线低于-10 dB的带宽分别是2.58~10.7 GHz 和2.5~10.87 GHz，实现WiMAX频段和WLAN频段的陷波，天线在3.5 GHz和5.5 GHz两个频率都保持全向辐射特性。其具体结构可参阅我们的在先申请CN2021114298942，该天线的具体结构不属于本发明的核心要点，详细与否均无关紧要。
作为一种优选实施方式，柔性双陷波超宽带天线为柔性双陷波超宽带天线，基于表面改性和原位自金属化工艺得到，具体如下：
在正式制造柔性微波天线之前，首先根据预期的性能指标进行设计、仿真。通过HFSS仿真软件进行柔性双陷波超宽带天线的仿真，通过仿真优化结构参数来得到理论最优化的柔性双陷波超宽带天线的尺寸参数；
采用常温湿法工艺将已完成结构设计的柔性微波天线制备出来；
剪裁选取两片大小、形状完全相同的聚酰亚胺薄膜；
将其中一片聚酰亚胺薄膜按照预设的曲率半径进行弯曲，将聚酰亚胺薄膜外凸的一面在KOH 溶液中表面改性，接着在同样的弯曲状态下外凸的一面在AgNO3溶液中离子交换，反应完成后清洗并干燥聚酰亚胺薄膜；
将另一片聚酰亚胺薄膜按照同样的预设的曲率半径进行弯曲，将聚酰亚胺薄膜内凹的一面在KOH 溶液中表面改性，接着在同样的弯曲状态下内凹的一面在AgNO3溶液中离子交换，反应完成后清洗并干燥聚酰亚胺薄膜；
在经过改性的、干燥后的两片聚酰亚胺薄膜上按照相同的方向打印完全相同的掩膜层，再在H2O2溶液中的还原反应，得到两片相同的聚酰亚胺薄膜表面图形金属化的柔性双陷波超宽带天线，分别清洗、烘干。
上述过程涉及到的化学反应及步骤参见图1和图2。
参见图6，再将两片聚酰亚胺薄膜在平直状态下，按照相同的方位、面对面叠合（有图形金属的面贴合），叠合前引出金属导线端子，再热压成型，得到最终的柔性双陷波超宽带天线。
将得到的柔性带通天线，进行电学性能测试，若测试结果偏离预计值，则调整参数，返回前面的步骤重新仿真设计或调整常温湿法工艺参数，重新制造柔性微波天线；若测试结果符合预计值，则将前面步骤中的参数固定下来，进行柔性微波天线的批量生产。
该技术包括聚酰亚胺薄膜（前峰公司，上海）在KOH 溶液中表面改性，在AgNO3溶液（阿拉丁公司，上海）中离子交换，以及在H2O2溶液中的还原反应，最终实现聚酰亚胺薄膜的表面金属化。实验所有步骤均在室温下进行。
通过HFSS仿真软件进行柔性双陷波超宽带天线的仿真，该软件基于有限元法。聚酰亚胺基板的仿真模型厚度是50.8 μm，介电常数是3.5。通过仿真优化结构参数来实现性能的最优化。采用常温湿法工艺将上述步骤中已完成结构设计的柔性微波天线制备出来，具体过程如下：
聚酰亚胺薄膜清洗后，两片聚酰亚胺薄膜按照预设的曲率半径进行弯曲，分别将两片聚酰亚胺薄膜外凸的一面、内凹的一面首先浸没在4 mol/L KOH 溶液中3 h。通过这一步骤确保聚酰亚胺薄膜通过表面的酰亚胺环的裂解化学改性为聚酰胺酸。随后，将两片聚酰亚胺薄膜外凸的一面、内凹的一面薄膜浸入0.02 mol/LAgNO3（99.8%）和NH3⋅H2O 中2 h以确保K+置换为Ag+。
清洗并干燥后，将处理过的两片聚酰亚胺薄膜粘贴在一张A4纸上，然后使用普通的打印机将碳墨打印在聚酰亚胺膜上作为金属银还原的掩膜层。接着，将印有掩膜图案的聚酰亚胺薄膜浸入H2O2（30%）溶液中确保银离子完全还原为银。
最后将两片聚酰亚胺薄膜在平直状态下，按照相同的方位、面对面叠合（有图形金属的面贴合），优选地，叠合前引出金属导线端子，再热压成型，得到最终的柔性双陷波超宽带天线，如图6所示。
由表面改性和原位自金属化技术制备的柔性双陷波超宽带天线的回波损耗由矢量网络分析仪（VNA，AgilentE8363C）测量。该微波天线/滤波器低于-10 dB 的仿真带宽覆盖范围是2.58~10.7 GHz，仿真陷波带宽包括3.13~3.74 GHz 和5.07~5.95 GHz。实测带宽覆盖范围是2.5~10.87 GHz，实测陷波带宽包括3.22~3.94 GHz 和4.99~6.04 GHz。该微波天线/滤波器的仿真和实测带宽都包括了标准的3.1~10.6 GHz超宽带带宽，并且都对WiMAX（3.3~3.7 GHz）频段及WLAN（5.15~5.825 GHz）频段实现了阻断。此外，地平面上的阶梯过渡结构也很好地实现了高频部分的阻断作用。
作为另外一种实施例，采用上述类似的工艺制造一种柔性微波滤波器，如图3所示。
由于希望该天线可以集成在柔性电子器件上，所以对该天线的回波损耗进行了弯曲测试。即将天线紧贴在两个不同半径（r =10 mm 和r =8 mm）的泡沫圆柱体（εr = 1）上进行测量，以模拟不同的弯曲程度，参照图4。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高耐弯曲的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：所述柔性微波天线/滤波器基于表面改性和原位自金属化工艺得到，制造方法具体包括以下步骤：
（1）剪裁选取两片大小、形状完全相同的聚酰亚胺薄膜；
将其中一片聚酰亚胺薄膜按照预设的曲率半径进行弯曲，将聚酰亚胺薄膜外凸的一面在KOH 溶液中表面改性，接着外凸的一面在AgNO3溶液中离子交换，反应完成后清洗并干燥聚酰亚胺薄膜；
将另一片聚酰亚胺薄膜按照同样的预设的曲率半径进行弯曲，将聚酰亚胺薄膜内凹的一面在KOH 溶液中表面改性，接着内凹的一面在AgNO3溶液中离子交换，反应完成后清洗并干燥聚酰亚胺薄膜；
（2）在经过步骤（1）改性的、干燥后的两片聚酰亚胺薄膜上按照相同的方向打印完全相同的掩膜层，再在H2O2溶液中的还原反应，得到两片相同的聚酰亚胺薄膜表面图形化银金属的柔性微波天线/滤波器；
（3）将两片聚酰亚胺薄膜在平直状态下，按照相同的方位、面对面叠合（有图形化银金属层的面贴合），再热压成型，得到最终的柔性微波天线/滤波器。
2.如权利要求1所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：
在步骤（1）之前还包括步骤（0）：通过仿真软件进行柔性微波天线/滤波器的仿真，通过仿真优化结构参数来得到理论最优化的柔性微波天线/滤波器的尺寸参数；所得到的尺寸参数用于步骤（2）中打印掩膜层。
3.如权利要求1所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：
步骤（1）具体操作如下：聚酰亚胺薄膜清洗后，聚酰亚胺薄膜首先浸没在4 mol/L KOH溶液中3 h；通过这一步骤确保聚酰亚胺薄膜通过表面的酰亚胺环的裂解化学改性为聚酰胺酸；随后，表面改性的那一面薄膜浸入0.02 mol/LAgNO3（99.8%）和NH3⋅H2O 中2 h 以确保K+置换为Ag+；清洗并干燥。
4.如权利要求1所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：
步骤（2）中，使用普通的打印机将碳墨打印在聚酰亚胺膜上作为金属银还原的掩膜层；接着，将印有掩膜图案的聚酰亚胺薄膜浸入H2O2（30%）溶液中确保银离子Ag+完全还原为金属银。
5.如权利要求1所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：在步骤（1）中，其中一片聚酰亚胺薄膜在同样的预设的曲率半径的弯曲状态下外凸的一面在AgNO3溶液中离子交换；其中另一片聚酰亚胺薄膜在同样的预设的曲率半径的弯曲状态下内凹的一面在AgNO3溶液中离子交换。
6.如权利要求1所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：在步骤（2）中，得到两片相同的聚酰亚胺薄膜表面图形化银金属的柔性微波天线/滤波器，再分别清洗、烘干。
7.如权利要求1所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：在步骤（3）中，叠合前先引出金属导线端子，再热压成型。
8.一种高耐弯曲的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
在两片大小、形状完全相同的聚酰亚胺薄膜上制作完全相同的图形化金属天线，具体地：将其中一片聚酰亚胺薄膜进行弯曲，在其外凸的一面制造图形化金属天线；将另一片聚酰亚胺薄膜进行弯曲，在其内凹的一面制造图形化金属天线；两片薄膜上的图形化金属天线大小、形状完全相同；由此得到两片相同的聚酰亚胺薄膜表面图形化银金属的柔性微波天线/滤波器；将上述两片具有图形化金属层的聚酰亚胺薄膜在平直状态下，按照相同的方位、面对面叠合（有图形化银金属层的面贴合），再热压成型，得到最终的柔性微波天线/滤波器。
9.如权利要求8所述的柔性微波天线/滤波器的制造方法，其特征在于：两片聚酰亚胺薄膜按照相同的预设的曲率半径进行弯曲。
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