一種基於石墨烯的電子電路的製作設備的製作方法

2023-08-10 20:44:06 1

一種基於石墨烯的電子電路的製作設備的製作方法
【專利摘要】本實用新型是一種基於石墨烯的電子電路的製作設備。包括有精密注射器、微納米纖維收集板、控制系統、高壓直流電源、靜電紡絲噴頭、微納米纖維、石墨烯層、基板、X-Y平臺、石墨烯氧化環境裝置。基板用於保護電路，石墨烯層沉積在基板上，用於電路的製作材料；近場電紡絲直寫工藝用於電路的圖案軌跡形成；石墨烯氧化過程用於電路的析出。本實用新型利用石墨烯帶不同帶寬而顯現的導電性或者半導體性質，可以在石墨烯層上形成導體或者電晶體，把石墨烯作為靜電紡絲的接收板，利用近場電紡絲直接工藝可以在石墨烯上進行微納米纖維圖案可控沉積，製作電路軌跡，利用氧化石墨烯的不導電性，可以將沒有被微納米纖維保護的石墨烯氧化掉，從而析出電路。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型是一種基於石墨烯的電子電路的製作設備，屬於基於石墨烯的電子電 路的製作設備的創新技術。 -種基於石墨烯的電子電路的製作設備

【背景技術】
[0002] 電紡絲技術最早由Formhzls在1934年提出，隨後Taylor等人於1964年對靜電 紡絲過程中帶電聚合物的變形提出了泰勒錐這一概念，直到上個世紀90年代人們開始廣 泛關注電紡絲技術。但靜電紡絲生產出來的納米纖維很難有序收集，也很難做到有序排布。 2006年，孫道恆等人提出近場電紡直寫技術，基於近場靜電紡的電紡直寫技利用電紡過程 中直線穩定射流的優點，實現了單根米纖維的有序沉積，為電紡絲納米纖維的產業化應開 拓了一種新的方法。
[0003] 石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有 一個碳原子厚度的二維材料，2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦 丁 ?諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，從此，學術界開展了對石墨烯的 一種研究熱潮。
[0004] 石墨烯具備作為優秀的集成電路電子器件的理想性質。石墨烯具有高的載流子遷 移率（carrier mobility),以及低噪聲，允許它被用作在場效應電晶體的通道。問題是單 層的石墨烯製造困難，更難作出適當的基板。2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經成 功地創造了第一個石墨烯為基礎的集成電路-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達10GHz， 其性能在高達127°C的溫度下不受影響。
[0005] 通過對石墨烯進行氧化及化工處理後得到的石墨烯氧化物（graphene oxide)的 拉伸模數被測量到具有32GPa，具有很好的熱導電性和機械性能。
[0006] 石墨烯材料的各種優異性能，使得其被寄予很多運用，包括代替銅形成導電，以及 在石墨烯上直接生產電晶體，還有柔性電子產品電路的運用，MEMS/NEMS電路等等，傳統的 生產工藝是利用光刻原理，但這種工藝受到尺寸的很大限制。而將電紡工藝用於電子電路 的軌跡生成，可以大大提高生產效率。Choi，W.M.等人在2013提出利用靜電紡絲工藝來制 作石墨烯帶的方法，並得到較好的效果
[0007] 目前，通過近場電紡直寫技術已經實現了直徑由幾納米到數百納米範圍內近百種 不同聚合物納米纖維、各種類型聚合物、無機物複合納米纖維及無機納米纖維的製備。由高 壓靜電紡絲技術所製備的納米纖維材料已經在光電子、傳感器和生物科學領域表現出極大 的應用潛力。但由於大部分聚合物不導電，因此利用電紡製作器件需要在聚合物裡面加上 一些導電納米顆粒，而將靜電紡絲的工藝與石墨烯材料的結合，可以生產出性能優異的微 納電子電路及其設備。 實用新型內容
[0008] 本實用新型的目的在於考慮上述問題而提供一種基於石墨烯的電子電路的製作 設備及其製作方法。本實用新型針對當前電子電路生產工藝中，大部分採用光刻和腐蝕的 工藝，這種工藝受尺寸限制大，而且無法生產當前熱門的柔性電子電路。因此，本實用新型 利用宏微複合原理，利用靜電紡絲工藝，設計了一種基於石墨烯的電子電路的製作設備。本 實用新型設計合理，結構簡單，製作方便。
[0009] 本實用新型的技術方案是：本實用新型的基於石墨烯的電子電路的製作設備，包 括有精密注射器、微納米纖維收集板、控制系統、高壓直流電源、靜電紡絲噴頭、微納米纖 維、石墨烯層、基板、X-Y平臺、石墨烯氧化環境裝置，其中精密注射器包括有用於給注射器 提供動力的注射器推桿、注射器儲液器，其中注射器推桿安裝在注射器儲液器上，注射器儲 液器用於靜電紡絲溶液的供給；用於形成微納米纖維的靜電紡絲噴頭安裝在注射器儲液 器上，高壓直流電源的高電壓端通過導線與靜電紡絲噴頭連接，為靜電紡絲提供紡絲電壓； 控制高壓直流電源的控制系統通過導線與高壓直流電源連接，高壓直流電源的低電壓端通 過導線與石墨烯層相連，使得在靜電紡絲過程中靜電紡絲噴頭與石墨烯層之間形成紡絲電 場，石墨烯層單層沉積在基板上作為靜電紡絲收集板；基板安裝在X-Y平臺上，X-Y平臺用 於靜電紡絲器件為收集器提供X-Y方向的運動速度和方向，使得微納米纖維得到可控圖案 化沉積；控制系統通過信號線控制X-Y平臺運動，在石墨烯層上沉積了納米纖維圖案之後， 將基板連同石墨烯層送至石墨烯氧化環境裝置處進行氧化，在石墨烯氧化環境裝置的作用 下有微納米纖維圖案保護的石墨烯層將不被氧化，而其他部分將被氧化成氧化石墨烯保護 留下的石墨烯帶，控制系統通過信號線控制石墨烯氧化環境裝置。
[0010] 本實用新型與現有技術相比，具有如下優點：
[0011] 1)本實用新型製作的電子電路採用石墨烯作為導電介質，具有很高的導電率。
[0012] 2)本實用新型採用的石墨烯具有高導熱性，可以較快把電子電路在工作中所產生 的熱量傳導出去，保護電路。
[0013] 3)本實用新型採用的石墨烯具有柔性，本實用新型可以用於柔性電子產品的制 造。
[0014] 4)本實用新型採用的石墨烯被氧化後得到的氧化石墨烯不導電，且具有很好的熱 學和力學性能，對所得到的電子電路具有保護作用。
[0015] 5)本實用新型採用的石墨烯帶的尺寸和形狀不同表現出來的半導體性質或者高 導電率性質，可以直接在石墨烯上形成電子元件或者電路。
[0016] 6)本實用新型採用靜電紡絲工藝繪製電路，可以進行微納米尺寸的電路繪製，同 時，可加工元件的尺寸比目前的加工工藝大，可不受加工尺寸限制。
[0017] 7)本實用新型採用氧化技術將電子電路從石墨烯上生成，不容易出現短路或者斷 路現象，而且所產生的不導電氧化石墨烯對有用的電子電路部分有保護作用。
[0018] 本實用新型是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的基於石墨烯的電子電路的制 作設備及其製作方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作設備的原理圖；
[0020] 圖2為本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作設備的正視圖；
[0021] 圖3為本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作設備的左視圖；
[0022] 圖4為本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作方法的工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0023] 實施例：
[0024] 本實用新型的結構示意圖如圖1、2、3、4所示，本實用新型的基於石墨烯的電子電 路的製作設備，包括有用於靜電紡絲溶液的進給、實現連續紡絲的精密注射器，由石墨烯層 沉積在基板上做成的微納米纖維收集板，石墨烯層作為收集板的導電層；用於提供靜電紡 絲電場、形成紡絲環境的高壓直流電源，用於形成靜電紡絲的泰勒錐的靜電紡絲噴頭10,為 微納米纖維的可控圖案化沉積提供速度和方向的X-Y平臺14,用來進行電路設計、數控加 工以及整個生產工藝控制的控制系統3,用於氧化沒有被微納米纖維保護的石墨烯部分，使 石墨烯帶析出的石墨烯氧化環境15,精密注射器包括有用於給注射器提供動力的注射器推 杆1、注射器儲液器2,其中注射器推桿1安裝在注射器儲液器2上，注射器儲液器2用於靜 電紡絲溶液的供給；用於形成微納米纖維11的靜電紡絲噴頭10安裝在注射器儲液器2上， 高壓直流電源7的高電壓端通過導線9與靜電紡絲噴頭10連接，為靜電紡絲提供紡絲電 壓；控制高壓直流電源7的控制系統3通過導線5與高壓直流電源7連接，高壓直流電源7 的低電壓端通過導線8與石墨烯層12相連，使得在靜電紡絲過程中靜電紡絲噴頭10與石 墨烯層12之間形成紡絲電場，石墨烯層12單層沉積在基板13上作為靜電紡絲收集板；基 板13安裝在X-Y平臺14上，X-Y平臺14用於靜電紡絲器件為收集器提供X-Y方向的運 動速度和方向，使得微納米纖維得到可控圖案化沉積；控制系統3通過信號線6控制X-Y平 臺14運動，在石墨烯層12上沉積了納米纖維11圖案之後，將基板13連同石墨烯層12送 至石墨烯氧化環境裝置15處進行氧化，在石墨烯氧化環境裝置15的作用下有微納米纖維 11圖案保護的石墨烯層12將不被氧化，而其他部分將被氧化成氧化石墨烯保護留下的石 墨烯帶，控制系統3通過信號線4控制石墨烯氧化環境裝置15。
[0025] 本實施例中，上述電子電路的材料是由石墨烯製備；電子元件和電路直接在石墨 烯上生成；
[0026] 本實施例中，上述石墨烯電子電路基板是柔性的。
[0027] 本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作方法，包括如下步驟：
[0028] 16)路基板的製備；
[0029] 17)電路設計；
[0030] 18)形成電路軌跡；
[0031] 19)析出電路；
[0032] 20)封裝。
[0033] 上述步驟16)中電路基板的製備是將單層石墨烯12沉積到基板13上；上述步驟 17)中電路設計是在控制系統3上完成，步驟18)形成電路軌跡是通過靜電紡絲工藝在石墨 烯12表面上沉積微納米纖維10。
[0034] 上述靜電紡絲工藝流程為：
[0035] 1)靜電紡絲溶液在注射器推桿1的作用下，從注射器儲液器2裡面擠出，在靜電紡 絲噴頭10上形成泰勒錐；
[0036] 2)高壓直流電源7在控制系統3的控制下，高壓直流電源7通過導線9將高壓電 傳導給靜電紡絲噴頭10,使得靜電紡絲噴頭10與石墨烯層12之間形成紡絲高壓電場；
[0037] 3)當開始紡絲後，控制系統3通過導線6控制X-Y運動平臺14做數控插補運動， 使得微納米纖維11在石墨烯層12的表面進行可控圖案化沉積；
[0038] 4)靜電紡絲工藝石墨烯12表面沉積了微納米纖維11電路圖案後，將包括基板13 的石墨烯層12送到石墨烯氧化環境裝置15裡面氧化，沒有被微納米纖維11保護的石墨烯 將被氧化成氧化石墨烯，剩下的石墨烯即為石墨烯電路。
[0039] 本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作方法能用來生產MEMS或者NEMS器件； 能用於製作柔性電子電路。
[0040] 本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作方法，靜電紡絲工藝是近場靜電紡絲， 微納米纖維能進行精確沉積，靜電紡絲溶液所形成的微納米纖維能保護石墨烯不被氧化， 被氧化的石墨烯依然能做為電路的保護材料。
[0041] 本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作方法，靜電紡絲工藝生產的微納米纖維 能控制其直徑的沉積大小。
[0042] 本實用新型基於石墨烯的電子電路的製作方法，不會把微納米纖維所覆蓋的石墨 烯氧化掉。
[0043] 本實用新型單層石墨烯沉積在電路基板上，用於靜電紡絲的收集器；本實用新型 製作的電路的導電介質為石墨烯，根據石墨烯的切割形狀和大小不同而表現的半導體性質 或者是高導電率性質，因此可以直接在石墨烯上形成電晶體或者電路；本實用新型製作的 電子電路的圖案繪製是由靜電紡絲工藝完成的，近場靜電紡絲工藝可以進行可控微納米纖 維高精度圖案化沉積，利用石墨烯具有導電性做收集器，在石墨烯上進行微納米纖維高精 度可控沉積，形成微納米電子電路。本實用新型石墨烯上的電子元件或者電路是在靜電紡 絲工藝之後，利用氧化技術，把石墨烯上沒有被靜電紡絲產生的纖維覆蓋的部分氧化成不 導電但力學、熱學性能很好的氧化石墨烯，這樣既可以把導電電路和電子元件留下來，還可 以利用氧化石墨烯的性能，對這些功能部件進行有效的保護。
[0044] 本實用新型的工作原理如下：近場靜電紡絲工藝可以在導電基板上進行微納米可 控圖案化沉積，而單層石墨烯具有很好的導電性，而石墨烯被氧化後，不具有導電性，但氧 化石墨烯的機械性能和熱學性能依然存在。因此在石墨烯上沉積電子電路微納米纖維圖案 之後，把石墨烯放到氧化環境下氧化，由於電路圖案部分由微納米纖維的保護，所以不會被 氧化，依然保留石墨烯的性質存在，因此可以製作電子電路。
【權利要求】
1. 一種基於石墨烯的電子電路的製作設備，其特徵在於包括有精密注射器、微納米纖 維收集板、控制系統（3)、高壓直流電源（7)、靜電紡絲噴頭（10)、微納米纖維（11)、石墨烯 層（12)、基板（13)、X-Y平臺（14)、石墨烯氧化環境裝置（15)，其中精密注射器包括有用於 給注射器提供動力的注射器推桿（1 )、注射器儲液器（2)，其中注射器推桿（1)安裝在注射 器儲液器（2)上，注射器儲液器（2)用於靜電紡絲溶液的供給；用於形成微納米纖維（11)的 靜電紡絲噴頭（10)安裝在注射器儲液器（2)上，高壓直流電源（7)的高電壓端通過導線（9) 與靜電紡絲噴頭（10)連接，為靜電紡絲提供紡絲電壓；控制高壓直流電源（7)的控制系統 (3 )通過導線（5 )與高壓直流電源（7 )連接，高壓直流電源（7 )的低電壓端通過導線（8 )與 石墨烯層（12)相連，使得在靜電紡絲過程中靜電紡絲噴頭（10)與石墨烯層（12)之間形成 紡絲電場，石墨烯層（12)單層沉積在基板（13)上作為靜電紡絲收集板；基板（13)安裝在 X-Y平臺（14)上，X-Y平臺（14)用於靜電紡絲器件為收集器提供X-Y方向的運動速度和方 向，使得微納米纖維得到可控圖案化沉積；控制系統（3)通過信號線（6)控制X-Y平臺（14) 運動，在石墨烯層（12)上沉積了納米纖維（11)圖案之後，將基板（13)連同石墨烯層（12) 送至石墨烯氧化環境裝置（15)處進行氧化，在石墨烯氧化環境裝置（15)的作用下有微納 米纖維（11)圖案保護的石墨烯層（12)將不被氧化，而其他部分將被氧化成氧化石墨烯保 護留下的石墨烯帶，控制系統（3)通過信號線（4)控制石墨烯氧化環境裝置（15)。
2. 根據權利要求1所述的基於石墨烯的電子電路的製作設備，其特徵在於上述電子電 路的材料是由石墨稀製備；電子兀件和電路直接在石墨稀上生成。
3. 根據權利要求1所述的基於石墨烯的電子電路的製作設備，其特徵在於上述石墨烯 電子電路的基板（13 )是柔性的。
【文檔編號】H05K3/10GK203912352SQ201420099975
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】朱自明, 陳新度, 王晗, 陳新, 李炯傑, 李敏浩, 唐立虎, 曾俊, 蔡維琳 申請人:廣東工業大學