一種石墨烯微帶天線及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多模復合探測或通訊技術中的天線技術，所發(fā)明的一種透光（含紫外、可見光與紅外）的石墨烯微帶天線，由絕緣介質基片1、石墨烯薄膜貼片2、石墨烯薄膜接地片3和與石墨烯薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線4組成。本發(fā)明利用透光的石墨烯薄膜替代傳統(tǒng)微帶天線的金屬貼片和金屬接地片制備而成，可實現(xiàn)微波/光學或毫米波/光學雙模無遮擋、共孔徑探測與通訊應用。
【專利說明】—種石墨烯微帶天線及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于多模復合探測與通訊技術中的天線【技術領域】，具體涉及一種石墨烯微帶天線及其制備方法。

【背景技術】
[0002]采用光學成像無論晝夜均可提供高分辨率的影像，但在大霧、濃煙、灰塵或雪天顯著降低其性能，而且紅外探測不能給出被探測目標的距離和速度數(shù)據(jù)，微波或毫米波雷達具有微波雷達的全天候和對煙、霧穿透良好等優(yōu)點，同時因波束較窄而具有更高的目標分辨率，在車輛自主駕駛、飛機自主進場著陸系統(tǒng)中，光學與微波或毫米波雷達結合使用會顯著提高安全性，像美國的飛機自主進場著陸系統(tǒng)AALC，使用的光學與微波或毫米波結合，在低云層、能見度為零的氣象條件下可實現(xiàn)安全著陸。
[0003]微波或毫米波與光學復合探測或通訊通常是兩路入射通道或通過分束技術集成兩個通道而實現(xiàn)復合探測或通訊，這樣的系統(tǒng)結構復雜，體積大。在某些應用系統(tǒng)中要求緊湊小體積且微波與光學同軸共孔徑視場。那么，將微波天線作為光學探測器的窗口就可實現(xiàn)雙模共孔徑探測，但該天線必須透光學輻射。隨著天線設計、仿真技術及薄膜沉積或生長方法的進展，利用毫米波微帶天線的設計原理，采用可透光學波段的半導體薄膜替代以往的微帶天線中的金屬貼片(薄膜)及接地片，可以制備透紫外、可見光與光學輻射的微波或毫米波天線。
[0004]CN102856628A公開了一種毫米波/紅外雙模符合探測用共形天線，包括絕緣介質基片、至少一個薄膜貼片、薄膜接地片和與所有薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線，所述薄膜接地片覆設在絕緣介質基片的一面，所述薄膜貼片和饋線覆設在絕緣介質基片的另一面，其中薄膜貼片和薄膜接地片采用透紅外的半導體材料，例如HgMnTe、ZnO、ITO、InSb。但是這些半導體材料的導電性能與光學透過率均一般，很難滿足未來對毫米波天線的高要求。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種具有高透光性能的石墨烯微帶天線。
[0006]本發(fā)明的另一個目的是提供一種石墨烯微帶天線的制備方法。
[0007]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種石墨烯微帶天線，由絕緣介質基片、薄膜貼片、薄膜接地片和與薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線組成，透光的薄膜貼片、薄膜接地片及饋線集成到絕緣介質基片的兩面；所述的薄膜貼片、薄膜接地片是由石墨烯材料構成。
[0008]所述薄膜貼片2、薄膜接地片3是將制備在過渡襯底上的單層或多層石墨烯薄膜轉移至絕緣介質基片I的兩個表面上制成的。
[0009]所述絕緣介質基片采用氮化硼、二氧化硅、藍寶石、氟化鎂、尖晶石、氮氧化鋁、硫化鋅或硒化鋅。
[0010]所述饋線的輸出端電連接有連接電極；所述連接電極選取與石墨烯薄膜具有良好歐姆接觸的鉻/金或鉻/鋁金屬材料。
[0011]一種上述的石墨烯微帶天線的制備方法，包括下列步驟:
[0012]I)將過渡襯底表面制備好的石墨烯薄膜轉移到絕緣介質基片兩個表面；
[0013]2)重復步驟1)，在絕緣介質基片的兩面分別附著至少一層石墨烯薄膜；
[0014]3)將絕緣介質基片一面的石墨烯薄膜作為薄膜接地片進行保護，利用已設計好的天線圖形模板光刻、等離子刻蝕，在所形成的石墨烯圖片圖形的適當位置與饋線建立良好的歐姆接觸。
[0015]本發(fā)明采用石墨烯作為微帶天線的薄膜貼片、薄膜接地片和饋線的材料，利用石墨烯材料本身的導電能力與透光的特性，制備出具有高透光(紫外、可見光或紅外輻射)能力的微帶天線，為微波/光學雙模復合探測提供必要的支持。利用本發(fā)明的石墨烯微帶天線所制成的雙模探測與通訊裝置，可以克服雙模復合探測所面臨的共孔徑、結構復雜的難點，數(shù)據(jù)融合處理簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的石墨烯微帶天線中薄膜貼片一面的示意圖；
[0017]圖2為圖1中A-A剖視圖；
[0018]圖3為連接電極圖形光刻版示意圖，其中灰色部分為遮擋部分；
[0019]圖4為天線圖形光刻版示意圖，其中灰色部分為遮擋部分；
[0020]圖5為本發(fā)明的石墨烯微帶天線中薄膜2元貼片一面的示意圖；
[0021]圖6為本發(fā)明的石墨烯微帶天線中薄膜8元貼片一面的示意圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
[0023]根據(jù)所需的微波或毫米波的頻率和天線的陣列元數(shù)，設計出微帶天線的貼片尺寸、數(shù)量與排列關系，如圖1、圖5、圖6。根據(jù)所設計的天線的圖形制備相應的光刻模板，采用通產的微電子光刻和剝離技術，通過多次光刻，石墨烯膜層制備和干法刻蝕工藝，最終制備出所需透光的石墨烯天線。該天線由絕緣介質基片1、薄膜貼片2、薄膜接地片3和與薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線4組成，透光的薄膜貼片2、薄膜接地片3及饋線4集成到絕緣介質基片I的兩面。
[0024]本發(fā)明的石墨烯微帶天線的制備方法，具體包括下列步驟:
[0025]I)石墨烯薄膜制備:取過渡襯底，在過渡襯底表面上沉積單層石墨烯薄膜；
[0026]2)石墨烯薄膜轉移:取絕緣介質基片清洗后，將過渡襯底表面沉積的石墨烯薄膜轉移到絕緣介質基片表面；
[0027]3)重復步驟I)和步驟2)的石墨烯薄膜制備和石墨烯薄膜轉移步驟，在絕緣介質基片的兩面分別附著至少一層石墨烯薄膜；
[0028]4)將絕緣介質基片一面的石墨烯薄膜作為薄膜接地片進行保護，在相對薄膜接地片一面的石墨烯薄膜上刻蝕掉多余的石墨烯薄膜形成薄膜貼片和與薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線，即得。
[0029]其中:所述在過渡襯底表面上沉積單層石墨烯薄膜的方法為化學氣相沉淀法，也可以采用其它常規(guī)的單層石墨烯薄膜的制備方法。所述單層石墨烯薄膜是指只有一個碳原子厚度的單原子層平面薄膜。多層石墨烯薄膜是由單層石墨烯薄膜相互疊加構成的。其中:步驟2)所述對絕緣介質基片的清洗為采用丙酮、甲醇和去離子水依次清洗，去除絕緣介質基片表面的雜質，保持其表面的光潔度，便于單層石墨烯薄膜能夠牢固的附著在絕緣介質基片的表面。其中:將過渡襯底表面沉積的石墨烯薄膜轉移到絕緣介質基片表面的方法為:將沉積有單層石墨烯薄膜的過渡襯底和清洗后的絕緣介質基片放入去離子水中，使單層石墨烯薄膜脫離過渡襯底并漂浮附著在絕緣介質基片的表面。其中:所述過渡襯底為金屬箔襯底，優(yōu)選為金箔或者銅箔。
[0030]本發(fā)明的石墨烯微帶天線制備方法中，采用過渡襯底作為載體制備單層石墨烯薄膜，然后在去離子水中使制備的石墨烯薄膜脫離過渡襯底，漂浮至絕緣介質基片的表面，從而使石墨烯薄膜轉移并附著在絕緣介質基片表，通過重復單層石墨烯的制備和轉移步驟，可在絕緣介質基片的兩面分別轉移一層石墨烯薄膜，而且通過重復制備和轉移步驟，在絕緣介質基片兩面都可以轉移多層石墨烯薄膜，從而控制薄膜接地片或者薄膜貼片的厚度。
[0031]所述在相對薄膜接地片一面的石墨烯薄膜上刻蝕掉多余的石墨烯薄膜的方法為依次采用光刻工藝和干法刻蝕工藝。所述在相對薄膜接地片一面的石墨烯薄膜上刻蝕掉多余的石墨烯薄膜的方法包括以下步驟:對絕緣介質基片相對薄膜接地片一面光刻出受到保護的天線圖形，所述天線圖形涵蓋最終石墨烯微帶天線中薄膜貼片和饋線的形狀；受到保護指的是天線圖形區(qū)域在光刻后被附上了一層光刻膠進行保護，便于在后續(xù)的干法刻蝕工藝中天線圖形區(qū)域受到保護；然后采用干法刻蝕工藝除去天線圖形以外的所有石墨烯薄膜，形成薄膜貼片和與薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線。其中干法刻蝕工藝優(yōu)選的工藝參數(shù)為:在20?40°C下通入10?30sccm的氧氣，在0.3?L OPa壓力下用100?200W功率刻蝕30?100秒。
[0032]作為進一步的改進，所述饋線的輸出端電連接有連接電極。所述連接電極選取與石墨烯薄膜具有良好歐姆接觸的鉻/金或鉻/鋁金屬材料。
[0033]所述連接電極的制備方法為:在所述絕緣介質基片相對薄膜接地片一面光刻出不受保護的連接電極圖形，所述部分的或全部的連接電極圖形覆蓋該面的石墨烯薄膜，不受保護指的是連接電極圖形以外的區(qū)域在光刻后被附上了一層光刻膠，而連接電極圖形區(qū)域不受光刻膠的保護；然后在光刻面上沉積一層連接電極膜層，此時連接電極膜層與石墨烯薄膜在連接電極圖形區(qū)域發(fā)生接觸，連接電極圖形以外的區(qū)域受到光刻膠的影響，連接電極膜層被附著在光刻膠上，采用剝離工藝將連接電極圖形以外的光刻膠隨其上附著的連接電極膜層一同除去，最終在連接電極圖形區(qū)域附著了連接電極膜層；其中連接電極膜層優(yōu)選為鉻/金復合膜層或者鉻/鋁復合膜層；其中連接電極膜層的沉積優(yōu)選真空熱蒸發(fā)法。
[0034]實施例1
[0035]本實施例的石墨烯微帶天線，采用石英玻璃(二氧化硅)作為絕緣介質基片，厚度為0.3毫米；選擇四元陣列薄膜貼片，頻率工作在微波波段。具體結構如圖1、2所示，包括絕緣介質基片1，絕緣介質基片I的一面設有薄膜接地片3，另一面設有四元陣列的薄膜貼片2和與所有薄膜貼片2歐姆接觸的饋線4，薄膜接地片3、薄膜貼片2和饋線4均為三層石墨烯薄膜疊置而成。絕緣介質基片I的材料為石英玻璃(二氧化硅)，所述饋線4的輸出端電連接有連接電極5，所述連接電極5為鉻/金復合膜層。
[0036]本實施例的石墨烯微帶天線采用以下方法制備:
[0037]I)選擇石英玻璃(二氧化硅)作為絕緣介質基片，厚度為0.3毫米，將石英玻璃先用丙酮清洗，再依次用甲醇及去離子水沖洗干凈，備用；
[0038]2)制備石墨烯薄膜:用化學氣相沉積設備(PECVD)在銅箔襯底(過渡襯底)上沉積單層石墨烯薄膜；
[0039]3)轉移石墨烯薄膜:將表面清洗干凈的石英玻璃放置到盛有去離子水的水槽中，再將沉積到銅箔襯底的石墨烯薄膜一同放置到盛有去離子水的水槽中，使石墨烯薄膜脫離銅箔襯底，漂浮至石英玻璃表面上；
[0040]4)重復六次制備和轉移工藝，分別將三層石墨烯薄膜轉移到石英玻璃的兩面上；
[0041]5)將其中的一面(A面)作為接地片保護起來，對另一面(B面)進行光刻工藝，采用連接電極圖形光刻版進行光刻、顯影、后烘等光刻工藝制備出不受保護的連接電極圖形，其中連接電極圖形光刻版如圖3所示，然后利用真空熱蒸發(fā)方法，將石英玻璃裝入高真空鍍膜機，將鉻粒與金絲放入不同蒸發(fā)舟內，蒸發(fā)鉻(Cr)時，當真空度小于1.0E-3Pa時，開始蒸發(fā)，在石英玻璃的B面蒸發(fā)50nm厚度的鉻膜層，蒸發(fā)金(Au)時，當真空度小于1.0E_3Pa時，開始蒸發(fā)，再在石英玻璃的B面蒸發(fā)生長一層厚度約2微米金膜層形成鉻/金復合膜層，從而與石英玻璃上的石墨烯薄膜形成歐姆接觸，利用剝離工藝，去除連接電極圖形以外區(qū)域的鉻/金膜；
[0042]6)采用天線圖形光刻版對石英玻璃的B面進行光刻、顯影、后烘等光刻工藝制備出天線圖形，天線圖形如圖4所示，與最終微帶天線的薄膜貼片、饋線、連接電極相匹配，通過干法刻蝕去掉天線圖形以外的所有石墨烯薄膜，所述干法刻蝕為等離子化學反應刻蝕方法，在20°C溫度向反應室通入30sccm的氧氣(O2)，在0.7Pa的壓力下用150W的功率刻蝕100秒，取出后，用丙酮去除光刻膠即得石墨烯微帶天線。最后通過晶片切割、測試篩選、弓丨線焊接、封裝形成透可見光與紫外輻射的微帶天線產品。
[0043]實施例2
[0044]本實施例的石墨烯微帶天線，采用藍寶石作為絕緣介質基片，厚度為0.26毫米；選擇四元陣列薄膜貼片，頻率工作在毫米波波段。具體結構包括絕緣介質基片，絕緣介質基片的一面設有薄膜接地片，另一面設有四元陣列的薄膜貼片和與所有薄膜貼片歐姆接觸的饋線，薄膜接地片、薄膜貼片和饋線均為三層石墨烯薄膜疊置而成。絕緣介質基片的材料為藍寶石，所述饋線的輸出端電連接有連接電極，所述連接電極為鉻/金復合膜層。
[0045]本實施例的石墨烯微帶天線采用以下方法制備:
[0046]I)選擇藍寶石作為絕緣介質基片，厚度為0.26毫米，將藍寶石先用丙酮清洗，再依次用甲醇及去離子水沖洗干凈，備用；
[0047]2)制備石墨烯薄膜:用化學氣相沉積設備(PECVD)在銅箔襯底(過渡襯底)上沉積單層石墨烯薄膜；
[0048]3)轉移石墨烯薄膜:將表面清洗干凈的藍寶石放置到盛有去離子水的水槽中，再將沉積到銅箔襯底的石墨烯薄膜一同放置到盛有去離子水的水槽中，使石墨烯薄膜脫離銅箔襯底，漂浮至藍寶石表面上；
[0049]4)重復六次制備和轉移工藝，分別將三層石墨烯薄膜轉移到藍寶石的兩面上；
[0050]5)將其中的一面(A面)作為接地片保護起來，對另一面(B面)進行光刻工藝，采用連接電極圖形光刻版進行光刻、顯影、后烘等光刻工藝制備出不受保護的連接電極圖形，其中連接電極圖形光刻版如圖3所示，然后利用真空熱蒸發(fā)方法，將藍寶石裝入高真空鍍膜機，將鉻粒與金絲放入不同蒸發(fā)舟內，蒸發(fā)鉻(Cr)時，當真空度小于1.0E-3Pa時,開始蒸發(fā)，在藍寶石的B面蒸發(fā)50nm厚度的鉻膜層，蒸發(fā)金(Au)時，當真空度小于1.0E_3Pa時，開始蒸發(fā)，再在藍寶石的B面蒸發(fā)生長一層厚度約2微米金膜層形成鉻/金復合膜層，從而與藍寶石上的石墨烯薄膜形成歐姆接觸，利用剝離工藝，去除連接電極圖形以外區(qū)域的鉻/金膜；
[0051]6)采用天線圖形光刻版對藍寶石的B面進行光刻、顯影、后烘等光刻工藝制備出天線圖形，天線圖形如圖4所示，與最終微帶天線的薄膜貼片、饋線、連接電極相匹配，通過干法刻蝕去掉天線圖形以外的所有石墨烯薄膜，所述干法刻蝕為等離子化學反應刻蝕方法，在30°C溫度向反應室通入1sccm的氧氣(O2)，在1.0Pa的壓力下用100W的功率刻蝕65秒，取出后，用丙酮去除光刻膠即得石墨烯微帶天線。最后通過晶片切割、測試篩選、引線焊接、封裝形成透可見光與紅外輻射的微帶天線產品。
[0052]實施例3
[0053]本實施例的石墨烯微帶天線，采用硫化鋅作為絕緣介質基片，厚度為0.35毫米；選擇四元陣列薄膜貼片，頻率工作在毫米波波段。具體結構包括絕緣介質基片，絕緣介質基片的一面設有薄膜接地片，另一面設有四元陣列的薄膜貼片和與所有薄膜貼片歐姆接觸的饋線，薄膜接地片為三層石墨烯薄膜疊置而成，薄膜貼片和饋線為四層石墨烯薄膜疊置而成。絕緣介質基片的材料為硫化鋅，所述饋線的輸出端電連接有連接電極，所述連接電極為鉻/鋁復合膜層。
[0054]本實施例的石墨烯微帶天線采用以下方法制備:
[0055]I)選擇硫化鋅作為絕緣介質基片，厚度為0.35毫米，將硫化鋅先用丙酮清洗，再依次用甲醇及去離子水沖洗干凈，備用；
[0056]2)制備石墨烯薄膜:用化學氣相沉積設備(PECVD)在銅箔襯底(過渡襯底)上沉積單層石墨烯薄膜；
[0057]3)轉移石墨烯薄膜:將表面清洗干凈的硫化鋅放置到盛有去離子水的水槽中，再將沉積到銅箔襯底的石墨烯薄膜一同放置盛有去離子水的水槽中，使石墨烯薄膜脫離銅箔襯底，漂浮至硫化鋅表面上；
[0058]4)重復七次制備和轉移工藝，將三層石墨烯薄膜轉移到硫化鋅的一面，將四層石墨烯薄膜轉移到硫化鋅的另一面；
[0059]5)將其中的具有三層石墨烯薄膜的一面(A面)作為接地片保護起來，對另一面(B面)進行光刻工藝，采用連接電極圖形光刻版進行光刻、顯影、后烘等光刻工藝制備出不受保護的連接電極圖形，其中連接電極圖形光刻版如圖3所示，然后利用真空熱蒸發(fā)方法，將硫化鋅裝入高真空鍍膜機，將鉻粒與鋁絲放入不同蒸發(fā)舟內，蒸發(fā)鉻(Cr)時，當真空度小于1.0E-3Pa時，開始蒸發(fā)，在硫化鋅的B面蒸發(fā)10nm厚度的鉻膜層，蒸發(fā)鋁時，當真空度小于1.0E-3Pa時，開始蒸發(fā)，再在硫化鋅的B面蒸發(fā)生長一層厚度約1.5微米鋁膜層形成鉻/鋁復合膜層，從而與硫化鋅上的石墨烯薄膜形成歐姆接觸，利用剝離工藝，去除連接電極圖形以外區(qū)域的鉻/鋁膜；
[0060]6)采用天線圖形光刻版對硫化鋅的B面進行光刻、顯影、后烘等光刻工藝制備出天線圖形，天線圖形如圖4所示，與最終微帶天線的薄膜貼片、饋線、連接電極相匹配，通過干法刻蝕去掉天線圖形以外的所有石墨烯薄膜，所述干法刻蝕為等離子化學反應刻蝕方法，在40°C溫度向反應室通入20sccm的氧氣(O2)，在0.3Pa的壓力下用200W的功率刻蝕30秒，取出后，用丙酮去除光刻膠即得石墨烯微帶天線。最后通過晶片切割、測試篩選、引線焊接、封裝形成透8-12微米紅外福射的微帶天線產品。
[0061]本發(fā)明的石墨烯微帶天線，天線的形狀及貼片數(shù)量、布局，可以根據(jù)需要進行設計。
【權利要求】
1.一種石墨烯微帶天線,其特征在于:由絕緣介質基片1、薄膜貼片2、薄膜接地片3和與薄膜貼片良好歐姆接觸的饋線4組成，透光的薄膜貼片2、薄膜接地片3及饋線4集成到絕緣介質基片I的兩面；所述的薄膜貼片2、薄膜接地片3是由石墨烯材料構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的石墨烯微帶天線，其特征在于:所述薄膜貼片2、薄膜接地片3是將制備在過渡襯底上的單層或多層石墨烯薄膜轉移至絕緣介質基片I的兩個表面上制成的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的石墨烯微帶天線，其特征在于:所述絕緣介質基片I是采用氮化硼、二氧化硅、藍寶石、氟化鎂、尖晶石、氮氧化鋁、硫化鋅或硒化鋅。
4.根據(jù)權利要求1所述的石墨烯微帶天線，其特征在于:所述饋線4的輸出端電連接有連接電極5 ;所述連接電極5選取與石墨烯薄膜具有良好歐姆接觸的鉻/金或鉻/鋁金屬材料。
5.一種如權利要求1所述的石墨烯微帶天線的制備方法，其特征在于:包括下列步驟: 1)將過渡襯底表面制備好的石墨烯薄膜轉移到絕緣介質基片兩個表面； 2)重復步驟1)，在絕緣介質基片的兩面分別附著至少一層石墨烯薄膜； 3)將絕緣介質基片一面的石墨烯薄膜作為薄膜接地片進行保護，利用已設計好的天線圖形模板光刻、等離子刻蝕，在所形成的石墨烯圖片圖形的適當位置與饋線建立良好的歐姆接觸。
【文檔編號】H01Q9/04GK104134870SQ201310166778
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權日:2013年5月8日
【發(fā)明者】孫維國, 王錚, 張亮, 朱旭波, 魯正雄, 楊暉, 陳洪許, 張聞濤, 趙亮, 李墨, 韓德寬 申請人:中國空空導彈研究院