基于摻雜有導(dǎo)電納米填充物的介電聚合物的分?jǐn)?shù)階電容器的制造方法
【專利說明】基于摻雜有導(dǎo)電納米填充物的介電聚合物的分?jǐn)?shù)階電容器
[0001]對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)主張于2013年3月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/783，373號(hào)的權(quán)益。所提及申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用并入本申請(qǐng)中。
【背景技術(shù)】
[0003]A.發(fā)明領(lǐng)域
[0004]本公開一般性地涉及具有對(duì)電容器特性(包括復(fù)阻抗相位角)的改良控制的分?jǐn)?shù)階電容器。電容器具有介電納米復(fù)合層，該介電納米復(fù)合層含有允許對(duì)電容器特性改良控制的填充材料。
[0005]B.相關(guān)技術(shù)說明
[0006]過去，在工程中并未研發(fā)分?jǐn)?shù)階微積分，這是由于其較為復(fù)雜以及其并不具有完全可接受的幾何或物理實(shí)現(xiàn)的事實(shí)。例如，電組件通常限于α值分別為-1、0和I的理想電感器、電阻器和電容器的特定特性。在此背景下，α可被用于經(jīng)由公式-a /2來確定器件的電流與其電壓之間的相位差。在轉(zhuǎn)變至度(即90、0和-90)時(shí)，這些值代表復(fù)阻抗相位角。
[0007]然而，由于當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)施時(shí)電組件并不具有確切整數(shù)值的α，故具有有意將α值控制在標(biāo)準(zhǔn)組件的特性之間某處的能力可用于各種應(yīng)用中，所述應(yīng)用包括執(zhí)行自動(dòng)控制、圖案識(shí)別、系統(tǒng)表征、信號(hào)處理和應(yīng)用與電化學(xué)、黏彈性和甚至生物及神經(jīng)系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)的濾波器和振蕩器。
[0008]有意設(shè)計(jì)具有范圍0〈 α〈I內(nèi)的特定α值的電組件的先前嘗試通常得到極龐大設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)在許多情形下在實(shí)際應(yīng)用或電路中不可用或并不實(shí)際。例如，就基于液體電極(LEB)的類型分?jǐn)?shù)電容器而言，將銅電極浸沒于PMMA-氯仿溶液中，相位角根據(jù)電極的浸沒深度而變化。然而，顯而易見，此方法不允許容易地與印刷電路板和/或電子電路集成。另外，封裝這樣的裝備會(huì)得到極龐大裝置。
[0009]其他嘗試包括分形類型(FT)分?jǐn)?shù)電容器設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)通常在晶圓產(chǎn)生上并依賴于傳輸線理論。這些類型的電容器的基本操作原理涉及產(chǎn)生分形幾何結(jié)構(gòu)(例如短截線或傳輸線)，這些分形幾何結(jié)構(gòu)繼而能夠產(chǎn)生基于幾何形狀和技術(shù)參數(shù)的特定阻抗。FT使用一系列產(chǎn)生于電路上的金屬跡線來產(chǎn)生阻抗而不是產(chǎn)生電容器。與集中式組件設(shè)計(jì)相反，這通常稱為分布式組件設(shè)計(jì)。另外，在使用FT分?jǐn)?shù)電容器時(shí)，能夠獲得的α的值僅在0.46到0.5。另外，考慮到微波電路的性質(zhì)，恒定相特性發(fā)生于極高頻范圍(IMHz到1GHz)處，且相位角變化約為5°。
[0010]其他方式包括通過數(shù)字近似分?jǐn)?shù)階問題并計(jì)算近似解來模擬。數(shù)字近似必然受限于帶寬、計(jì)算機(jī)資源的高度消耗，并且能夠因有限精度運(yùn)算而承受數(shù)值不穩(wěn)定性。這些限制能夠使得數(shù)字技術(shù)不實(shí)際或不能解決許多問題，例如控制涉及強(qiáng)反向力的快速過程或“僵硬”過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，能夠使用二維納米材料(也闡述為填充材料)的重量百分比來控制電容器的復(fù)阻抗角。具體而言，能夠通過基于填充材料在聚合物基質(zhì)中的組合選擇該填充材料(例如石墨烯)的某一重量百分比來形成電容器的介電層。重量百分比能夠被用于選擇α在0〈α〈I的范圍內(nèi)的任一非整數(shù)值，這直接改變?nèi)缟衔乃龅碾娙萜鞯膹?fù)阻抗相位角。
[0012]使用石墨烯作為二維納米材料的獨(dú)特方面之一涉及在介電層內(nèi)形成微電容器。具體而言，通過在聚合物基質(zhì)中加載石墨烯片材以使得形成分散的微電容器來控制分?jǐn)?shù)電容。這極其類似于用于模擬的RC梯狀網(wǎng)絡(luò)并且允許調(diào)整α的值而無需復(fù)雜且龐大的電路設(shè)計(jì)。石墨烯亦具有促進(jìn)電子以超高速度自由流動(dòng)的獨(dú)特性質(zhì)。
[0013]另外，本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階電容器的制造可擴(kuò)展并且有成本效益，從而允許有效的制造和商業(yè)化。
[0014]根據(jù)本公開的一方面，分?jǐn)?shù)階電容器包括厚度為t的介電納米復(fù)合層，并且包括第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)。分?jǐn)?shù)階電容器還包括耦合至介電納米復(fù)合層的第一側(cè)的第一電極層和耦合至介電納米復(fù)合層的第二側(cè)的第二電極層。分?jǐn)?shù)階電容器亦包括復(fù)阻抗相位角，其至少取決于介電納米復(fù)合層中的填充材料的材料重量百分比。
[0015]根據(jù)本公開的另一方面，分?jǐn)?shù)階電容器的介電納米復(fù)合層包括基質(zhì)材料和導(dǎo)電填充材料，其中基質(zhì)材料是聚合物，導(dǎo)電填充材料是石墨烯。石墨烯可部分地氧化或完全未氧化。此外，基于介電納米復(fù)合層的總重量，石墨烯的材料重量百分比為約0.1%到15%。
[0016]根據(jù)本公開的又一方面，分?jǐn)?shù)階電容器的第一電極層和第二電極層包括導(dǎo)電材料。第一電極層包括鉑，第二電極層包括鋁。第一電極層和第二電極層可替代地包括PEDOT:PSS。
[0017]根據(jù)本公開的另一方面，分?jǐn)?shù)階電容器包括0°到-90°的復(fù)阻抗相位角，或包括相對(duì)于頻率近似恒定的損耗角正切，或?qū)τ?kHz到2MHz的頻率表現(xiàn)出分?jǐn)?shù)特性。
[0018]根據(jù)本公開的另一方面，分?jǐn)?shù)階電容器可以被包括于印刷電路板或集成電路中并用于通信電路或感測(cè)電路或控制電路的至少一部分中。分?jǐn)?shù)階電容器亦可以被包括于電子器件中。
[0019]根據(jù)本公開的又一方面，一種制造分?jǐn)?shù)階電容器的方法包括獲得第一電極層。該方法亦包括選擇介電納米復(fù)合層中的填充材料的材料重量百分比以獲得指定復(fù)阻抗相位角。該方法還包括將介電納米復(fù)合層布置于第一電極層上。該方法亦包括將第二電極層布置于介電納米復(fù)合層上，從而將介電納米復(fù)合層布置于第一電極層與第二電極層之間。
[0020]根據(jù)本公開的另一方面，可使用基質(zhì)材料和導(dǎo)電填充材料來制造分?jǐn)?shù)階電容器的介電納米復(fù)合層，其中基質(zhì)材料是聚合物并且導(dǎo)電填充材料是石墨烯。石墨烯可部分氧化或完全未氧化。此外，基于介電納米復(fù)合層的總重量，石墨烯的材料重量百分比為約0.1%到15%。此外，分?jǐn)?shù)階電容器包括0°到-90°的復(fù)阻抗相位角，或包括相對(duì)于頻率近似恒定的損耗角正切，或?qū)τ?kHz到2MHz的頻率表現(xiàn)出分?jǐn)?shù)特性。
[0021]根據(jù)本公開的另一方面，可使用包括導(dǎo)電材料的第一電極層和第二電極層來制造分?jǐn)?shù)階電容器。第一電極層包括鉑，第二電極層包括鋁。替代地，第一電極層和第二電極層可包括 PEDOT: PSS。
[0022]根據(jù)本公開的又一方面，可通過溶液澆注、通過刮刀、或通過流延成型、或通過絲網(wǎng)印刷、或通過熱壓制將分?jǐn)?shù)階電容器的介電納米復(fù)合層布置于第一電極層上。使用陰影掩模將第二電極層熱蒸發(fā)于介電納米復(fù)合層上。根據(jù)本公開的另一方面，分?jǐn)?shù)階電容器可以被封裝于印刷電路板或集成電路中。
[0023]根據(jù)本公開的另一方面，使用本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階電容器中任一者操作延遲電路以向電信號(hào)施加所選延遲的方法包括選擇分?jǐn)?shù)階電容器的介電納米復(fù)合層中填充材料的材料重量百分比以獲得指定復(fù)阻抗相位角。該方法還包括響應(yīng)于輸入信號(hào)以一充電速率將所述分?jǐn)?shù)階電容器充電至第一電壓。該方法還包括響應(yīng)于輸入信號(hào)以一放電速率將所述分?jǐn)?shù)階電容器放電至第二電壓。該方法還包括產(chǎn)生隨所述分?jǐn)?shù)階電容器的復(fù)阻抗相位角變化的延遲信號(hào)。
[0024]根據(jù)本公開的另一方面，調(diào)節(jié)濾波器(其包括本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階電容器中任一者和電阻器)的頻率響應(yīng)的方法包括選擇分?jǐn)?shù)階電容器的介電納米復(fù)合層中填充材料的材料重量百分比以獲得指定復(fù)阻抗相位角。該方法還包括在分?jǐn)?shù)電容器和電阻器的串聯(lián)組合兩端供應(yīng)輸入電壓。該方法還包括基于電阻器兩端的電壓供應(yīng)輸出電壓。該方法還包括測(cè)量在特定頻率下的濾波器增益。該方法還包括根據(jù)特定頻率下的濾波器增益通過改變復(fù)阻抗相位角來調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)階電容器的電容。
[0025]根據(jù)本公開的另一方面，一種操作包括本發(fā)明的分?jǐn)?shù)階電容器中任一者的RF通信電路的方法包括選擇分?jǐn)?shù)階電容器的介電納米復(fù)合層中填充材料的材料重量百分比以獲得指定復(fù)阻抗相位角。該方法還包括在共振頻率下生成RF信號(hào)。該方法還包括檢測(cè)RF通信電路中的其他組件的串聯(lián)電阻值。該方法還包括設(shè)定分?jǐn)?shù)階電容器的負(fù)電阻值以通過改變復(fù)阻抗相位角來抵消(Offset)RF通信電路中的其他組件的至少一部分等效串聯(lián)電阻值。
[0026]還公開了本發(fā)明的以下實(shí)施例1到44。實(shí)施例1是一種分?jǐn)?shù)階電容器，所述分?jǐn)?shù)階電容器包括:厚度為t的介電納米復(fù)合層，其包括第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)；第一電極層，其耦合至介電納米復(fù)合層的第一側(cè)；第二電極層，其耦合至介電納米復(fù)合層的第二側(cè)；和復(fù)阻抗相位角，其至少取決于介電納米復(fù)合層中的填充材料的材料重量百分比。實(shí)施例2是實(shí)施例1的分?jǐn)?shù)階電容器，其中介電納米復(fù)合層包括基質(zhì)材料和導(dǎo)電填充材料。實(shí)施例3是實(shí)施例2的分?jǐn)?shù)階電容器，其中導(dǎo)電填充材料是石墨烯。實(shí)施例4是實(shí)施例3的分?jǐn)?shù)階電容器，其中石墨烯部分地氧化。實(shí)施例5是實(shí)施例3的分?jǐn)?shù)階電容器，其中石墨烯完全未氧化。實(shí)施例6是實(shí)施例3到5中任一項(xiàng)的分?jǐn)?shù)階電容器，其中基于介電納米復(fù)合層的總重量，石墨烯的