CN109687063B - 一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，该方法包括以下步骤：S1：选取原料；以聚酰亚胺塑料薄膜为原料，根据一阶RC滤波电路的等效电路图设计雕刻电路的图案；S2：激光雕刻；将S1步骤中的原料平展于激光雕刻台，预先在雕刻软件中导入雕刻电路的图案，设定雕刻功率和雕刻深度；S3：引出电极；将经S2步骤雕刻后的电路用导电银浆引出铜丝作为电极，然后放入高温加热炉固化银浆；S4：封装电路；将经S3步骤后的电路用道康宁封装起来，然后高温固化道康宁。本发明制备方法简单，价格低廉，柔性可穿戴，且稳定性高，适合工业批量生产。本发明的石墨烯基柔性滤波器具备良好的滤波性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，可用于柔性电子技术领域。
背景技术
滤波器是电子设备中的重要组成部分，它可以对输入信号特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号，可以被用来消除噪声、干扰、减小频率分量的混叠，衰减某些特定频率点上的谐振。低通滤波器则是容许低于截止频率的信号通过，高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置，但传统的滤波器是硬质的、不能弯折和拉伸，不能用于可穿戴电子设备，作为最常见的电路原件之一，它极大限制了柔性电子设备的发展。
石墨烯具有良好的导热、导电性能，是目前已知导电性能最好的材料，非常适合用来做电子器件。传统制备石墨烯的方法包括化学气相沉积法、湿化学方法以及还原氧化石墨烯法等，但是这些方法大多需要严苛的生产条件：高温、高纯度的气体或者强酸、强氧化性环境，且生成的石墨烯质量不等，无法实现大规模的量产。通过激光雕刻聚酰亚胺(PI)塑料薄膜制备石墨烯是最简单直接的方法，该方法没有生成环境的约束条件，可以直接在室内环境中进行。由于聚酰亚胺薄膜是非常好的柔性聚合物材料，该过程可实现在柔性基质材料上设计可穿戴的电子器件。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1：选取原料；
以聚酰亚胺塑料薄膜为原料，根据传统一阶RC低通滤波电路的等效电路图初步设计雕刻电路的图案；
S2：激光雕刻；
将S1步骤中的聚酰亚胺塑料薄膜原料平展于激光雕刻台，然后在雕刻软件导入S1中所设计的雕刻电路图案，并设定雕刻功率和雕刻深度，调整光斑的位置和大小，开始雕刻；
S3：引出电极；
将经S2步骤雕刻后的电路在其a，b，c接口处用常温固化型导电银浆引出铜丝作为电极，然后将整个雕刻电路放入高温加热炉固化银浆；
S4：封装电路；
将经S3步骤银浆固化后的包括电极在内的整个电路，用道康宁封装起来，然后高温固化道康宁，封装完成后雕刻生成的石墨烯稳定附着在塑料薄膜表面，弯折或拉伸时不会脱落。
优选地，所述S2步骤中，激光雕刻功率为95％，雕刻深度为14。
优选地，所述S3步骤中的银浆固化温度为90℃，时间为1小时。
优选地，所述S3步骤中的银浆型号为01L-2211D型。
优选地，所述S4步骤中的道康宁固化温度为80℃，时间为30分钟。
优选地，所述S4步骤中的道康宁型号为SYLGARDTM184型。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明制备方法简单，价格低廉，柔性可穿戴，且稳定性高，适合工业批量生产。本发明的激光雕刻石墨烯具备良好的导电性能。本发明的石墨烯基柔性低通滤波器其幅频特性曲线自截止频率开始衰减较快，可以有效滤除高频分量，滤波性好，对温度的感知较低，弯折或温度发生变化时对电路特征影响较小，即电路的稳定性好。
附图说明
图1为本发明石墨烯基柔性低通滤波器的电路图。
图2为本发明石墨烯基柔性低通滤波器的雕刻图。
图3为本发明的XRD图。
图4为本发明的TEM图。
图5为本发明的TEM图。
图6为本发明的幅频特性曲线和相频特性曲线。
图7为本发明的幅频特性曲线和相频特性曲线。
图8为本发明在不同频率下的输入与输出信号对比图。
图9为本发明在截止频率时不同波形的输入与输出信号对比图。
图10为本发明在截止频率时不同弯折角度下输入与输出信号对比图。
图11为本发明在截止频率时不同温度条件下输入与输出信号对比图。
图12为本发明的输出电压噪声波形。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本技术方案选择激光雕刻PI薄膜的方法生成石墨烯基柔性滤波器。本发明揭示了一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1：选取原料；
以聚酰亚胺塑料薄膜为原料，根据传统一阶RC低通滤波电路的等效电路图初步设计雕刻电路的图案，低通滤波电路包括平面指叉式电容结构和蛇形弯折的电阻结构；
S2：激光雕刻；
将S1步骤中的聚酰亚胺塑料薄膜原料平展于激光雕刻台，然后在雕刻软件导入S1步骤中所设计的雕刻电路图案，并设定雕刻功率和雕刻深度，调整光斑的位置和大小，开始雕刻；
调整光斑的大小，使得激光光斑面积最小；调整激光光斑位置，确保在整个雕刻过程中激光始终处于PI薄膜上，开始雕刻；在本技术方案中，雕刻软件为ScarveCh。
S3：引出电极；
将经S2步骤雕刻后的电路在雕刻后生成的电路a，b，c接口处用常温固化型导电银浆引出铜丝作为电极，然后将整个雕刻电路放入高温加热炉固化银浆；
S4：封装电路；
将经S3步骤银浆固化后的包括电极在内的整个电路，用道康宁封装起来，然后高温固化道康宁，封装完成后雕刻生成的石墨烯会稳定附着在塑料薄膜表面，弯折或拉伸时不会脱落。
所述S2步骤中，雕刻功率为95％，雕刻深度为14，在此雕刻条件下所雕刻的电路有最小的电阻。所述S3步骤中的银浆固化温度为90℃，时间为1小时，所述S3步骤中的银浆型号为01L-2211D型。所述S4步骤中的道康宁固化温度为80℃，时间为30分钟。
具体地，该低通滤波器制备方法如下：按一阶RC低通滤波器的等效电路图设计雕刻图案，对塑料薄膜进行激光雕刻，得到该形状的石墨烯材料。点上银浆引出铜丝电极，放入烘干炉在90℃下加热1小时使银浆固化，随后用道康宁将整个电路封装起来并在80℃加热30分钟使道康宁固化。
具体地，在本技术方案中，基质材料选用聚酰亚胺(PI)塑料薄膜，通过激光雕刻的方法得到石墨烯基低通滤波器，为防止暴露在薄膜表面的石墨烯脱落，确保电路的稳定性，用银浆引出铜丝电极，固化银浆之后用道康宁封装整个电路，使得该发明在弯折和拉伸时仍保持电路性能的稳定。
石墨烯的制备方法多种多样，通过激光雕刻聚酰亚胺(PI)塑料薄膜制备石墨烯是最简单直接的方法，该方法没有生成环境的约束条件，可以直接在室内环境中进行。同时通过激光雕刻的方法可以很好的规定石墨烯的形状、大小等规格，因此可以根据需求去设计不同的雕刻图案达到不同应用目的。用于生成石墨烯的聚酰亚胺(PI)塑料薄膜是非常好的柔性聚合物材料，将其作为基质材料生成所需形状的石墨烯可以成功将柔性与导电性结合起来，可以解决传统滤波器的硬质特点，从而实现柔性可穿戴电子设备。
实验结果：
图1为传统一阶RC滤波器的等效电路图，图2为本发明的雕刻图案，从图2中可以看到，直接调整激光使其在聚酰亚胺(PI)塑料薄膜上写入叉指式电容结构以及蛇形弯折的电阻结构。微加工技术的进步使芯片上的微型电容器能够存在于一种交错的平面形式中，便于在聚酰亚胺(PI)塑料薄膜上实现，且克服了传统的三明治结构与集成电路不兼容的缺点本发明具有良好的柔性特征，可以应用于柔性可穿戴电子设备。道康宁封装后的电路石墨烯具有非常好的稳定性，在弯折过程中其滤波性能不会发生变化。
图3为本发明的XRD图，石墨烯的XRD图展示出在20＝25.9°峰值给出了层间距
可以看出所雕刻的石墨烯高度石墨化，其峰值左右呈不对称结构，在较小的2y 角处拖尾，也表明Ic增加。在2θ＝42.9°处有一个小的峰值说明该电路的激光雕刻石墨烯为层状结构，如图4和图5电镜图直接反映出这种层状结构。
图6为本发明的幅频特性曲线，其横坐标为输入信号频率，其单位为lgf(MHz)，纵坐标为输出信号电压幅值，其单位为20lgVppdVB。理想低通滤波器的幅频特性曲线应为矩形，但无法物理实现。这里的幅频特性曲线自截止频率f＝1.75MHz开始衰减较快，其曲线形状较为接近矩形，表示本发明有较好的滤波性能，可以有效的滤除高频分量；保持输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，用频响特性来表述即为-3dB点处即为截止频率。将输入信号的幅值设为5V，截止频率时的输出信号幅值应为3.535V。本发明经测量得到其阻值R大小约为580Ω，滤波器显示其截止频率为 1.75MHz，由截止频率公式f＝1/(2πRC)计算得到电容值约为157pF，其中π取3.14。其相频特性曲线如图7所示，其横坐标为输入信号频率，其单位为lgf(MHz)，纵坐标为其相位偏移，其单位为φ(rad)。相频特性曲线表示输入信号与输出信号之间的相位差，图示在截止频率时其相位差为
表现出该滤波器有较好的相位保持性。
图8为本发明在不同频率下是输入与输出信号的对比图，其中灰色为输出信号，黑色曲线为输入信号，可以清楚的看到随着输入频率的增加输出信号的幅度越来越小，说明高频分量无法顺利通过滤波器，即本发明可以有效的滤除高频分量。
图9为本发明在截止频率时不同波形的输入与输出信号的对比，其中灰色曲线为输出信号，黑色曲线为输入信号。从上至下输入信号依次为正弦波、方波、三角波和脉冲信号，当输入信号是正弦波时，可以直接看出输出信号的幅度随着频率的增加而变小。当方波经过RC滤波器后，上升沿变得缓慢，说明信号高频分量被有效滤除。
图10为本发明在截止频率时不同弯折角度下的输入与输出信号的对比，其中灰色曲线为输出信号波形，黑色曲线为输入信号的波形。从图9可以看出弯折几乎不影响电路的特性，说明本发明具备良好的稳定性。
图11为本发明在截止频率时不同温度下的输入与输出信号的对比，其中灰色曲线为输出信号的波形，黑色曲线为输入信号的波形。从图10可以看出本发明对于温度感知并不敏感，随着温度升高输出信号的峰峰值会略有下降，对电路特性影响并不明显，即说明本发明具备良好的热稳定性。
图12为本发明的输出电压噪声波形。即当输入短路时测得的输出端电压的峰峰值。从图中可以看出短路输出电压峰峰值大部分处于±200uv左右，其峰峰值的最大值低于400uv，即可说明本发明电路具备一定的抗噪声能力，可以抵抗噪声对于信号的干扰，以保证输出波形。
本发明制备的激光雕刻石墨烯基柔性滤波器具有良好的滤波作用，且成本低廉，稳定性好，材料易于重复，适合大面积工业生产。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：选取原料；
以聚酰亚胺塑料薄膜为原料，根据传统一阶RC低通滤波电路的等效电路图初步设计雕刻电路的图案；
S2：激光雕刻；
将S1步骤中的聚酰亚胺塑料薄膜原料平展于激光雕刻台，然后在雕刻软件导入S1中所设计的雕刻电路图案，并设定雕刻功率和雕刻深度，调整光斑的位置和大小，开始雕刻；
S3：引出电极；
将经S2步骤雕刻后的电路在其a,b,c接口处用常温固化型导电银浆引出铜丝作为电极，然后将整个雕刻电路放入高温加热炉固化银浆；
S4：封装电路；
将经S3步骤银浆固化后的包括电极在内的整个电路，用道康宁封装起来，然后高温固化道康宁，封装完成后雕刻生成的石墨烯稳定附着在塑料薄膜表面，弯折或拉伸时不会脱落。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，其特征在于：所述S2步骤中，激光雕刻功率为95％，雕刻深度为14。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，其特征在于：所述S3步骤中的银浆型号为01L-2211D型，固化温度为90℃，时间为1小时。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯基柔性低通滤波器的制备方法，其特征在于：所述S4步骤中的道康宁固化温度为80℃，时间为30分钟；所述S4步骤中的道康宁型号为SYLGARDTM184型。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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