生产平面线圈的装置、系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月17日提交的题为“生产平面线圈的装置、系统和方法”的美国申请第15/598044号的优先权，其全部内容通过整体限定并入本文。

本公开总体上涉及增材电子器件，并且更具体地，涉及平面线圈的生产。

背景技术：

印刷电子器件使用印刷或“增材(additive)”法在各种衬底上制造电子(和其他)设备。印刷通常在各种基材上定义图案，例如使用丝网印刷、柔性版印刷、凹版印刷、胶版印刷和喷墨。使用一种或多种这些印刷技术将电功能电子或光学油墨沉积在衬底上，从而创建有源或无源器件，例如晶体管、电容器和电阻器。

印刷电子器件可以使用无机或有机油墨。这些油墨材料可以通过溶液法、真空法或其他方法沉积。油墨层可以一层一层地涂在另一层上。印刷电子器件特征可以是或包括半导体、金属或非金属导体、纳米粒子、纳米管等。

玻璃和硅等刚性衬底可用于印刷电子器件。聚对苯二甲酸乙二酯箔(pet)是常见的衬底，部分原因是其成本低廉且具有适度的高温稳定性。聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚酰亚胺(pi)箔(pi)、聚碳酸酯(pc)和热塑性聚氨酯(tpu)是替代衬底的示例。替代衬底还包括纸和纺织品，尽管此类衬底中的高表面粗糙度和高吸收性可能会给在其上印刷电子器件带来问题。简而言之，典型的是，合适的印刷电子器件衬底优选具有最小的粗糙度、合适的润湿性和低吸收性。

印刷电子器件可提供低成本、大批量的制造。较低的成本允许在许多应用中使用，但是与“常规电子器件”相比通常具有降低的性能。此外，在各种衬底上的制造方法允许以迄今未知的方式使用电子器件，而不会显著增加成本。例如，在柔性衬底上进行印刷允许将电子器件放置在弯曲的表面上，而在这种情况下使用常规电子器件时无需花费的大量费用。

此外，常规电子器件通常在特征尺寸上比附加电子器件具有更高的限制。即，可以使用印刷电子器件来提供更高分辨率和更小结构，从而提供电路密度可变性、精度分层以及使用传统电子器件所不具有的功能。

在印刷电子器件中，厚度、孔和材料兼容性的控制是必不可少的。实际上，所用印刷方法的选择可以由与印刷层、层特性和印刷材料的性能有关的要求来确定，例如上述厚度、孔和材料类型，以及由最终印刷产品的经济和技术考虑来确定。

通常，基于薄片的喷墨和丝网印刷最适合小批量、高精度的印刷电子器件。凹版印刷、胶版印刷和柔性版印刷在大批量生产中更为常见。胶版印刷和柔性版印刷通常用于无机和有机导体以及电介质，而凹版印刷由于其提供的高层质量而非常适合于质量敏感层，例如晶体管内。

喷墨机非常通用，但是由于可能发生喷嘴堵塞，通常提供较低的通过量并且更适合于低粘度的可溶材料。丝网印刷通常用于从糊状材料生产图案化的厚层。气溶胶喷射印刷将油墨雾化，并利用气流将印刷的液滴聚集成紧密准直的束。

蒸发印刷将高精度丝网印刷与材料蒸发结合在一起。材料通过高精度模板沉积，该模板被“对准”到衬底上。也可以使用其他印刷方法，例如微接触印刷和光刻，例如纳米压印光刻。

电子器件功能性和可印刷性可以彼此抵消，要求优化以实现最佳结果。举例来说，聚合物中较高的分子量提高了电导率，但降低了溶解度。此外，在印刷时必须仔细选择粘度、表面张力和固体含量并严格控制。跨层交互以及沉积后的过程和层也会影响最终产品的特性。

印刷电子器件可以提供具有宽度在0.03-10mm或更小的范围内的特征，并且层厚度从几十纳米到大于10μm或更大的图案。一旦完成印刷和构图，可能需要对衬底进行后处理，以实现最终的电气和机械性能。特定的油墨和衬底组合可以进一步推动后处理。

在已知技术中，使用上述常规电子技术制造的一种类型的电子元件是用于各种应用的感应线圈。用于形成用于各种应用的感应线圈的常规工艺涉及高真空、高温沉积工艺，并且需要使用复杂的光刻图案化技术。因此，历史上用于生产感应线圈的这些技术通常会导致加工缺陷，例如产量低、大量加工资源需求(例如更高的制造温度)，以及因此明显更复杂和资源密集的制造过程，所有这些都会导致不必要的高产量成本和低产量。

本领域技术人员将理解，使用专用技术适当地制造感应线圈所需的专用处理资源的投入不足，并因此无法满足高处理成本，可能导致不足，从而导致对这样形成的线圈的电容器性能产生不利影响。例如，在声学实施方式中，线圈的不充分形成可能导致声学失真，这导致不良声音。

因此，需要一种通过大容量、低成本的方法来形成用于各种用途的感应线圈的装置、系统和方法。

技术实现要素：

本公开可以至少提供用于提供(例如，可以嵌入产品中的)柔性平面感应线圈的装置、系统和方法。所述装置、系统和方法可包括至少一个适形衬底和匹配功能油墨组，其被印刷到至少一个适形衬底的至少一个基本平坦的表面上。该印刷可以形成至少一层增材导电迹线，所述增材导电迹线能够接收来自至少一个电源的电流，并且围绕所述至少一个适形衬底的平面内的中心轴线分层成连续的导电迹线。

例如，连续的导电迹线在设计上可以是矩形、圆形或椭圆形。作为非限制性示例，柔性平面感应线圈可以是声学、天线或感应耦合线圈。

线圈可以包括至少一个至少部分地填充有导体的通孔。线圈可以包括至少一个第二层的第二增材导电迹线，所述第二增材导电迹线能够例如通过通孔从所述至少一层增材导电迹线接收电流，并且围绕第二中心轴线分层成连续的第二导电迹线。

作为非限制性示例，至少一个柔性衬底可以由塑料、玻璃、聚合物、纸或纺织品形成。导电迹线可以是例如丝网印刷、凹版印刷、柔性版印刷、喷墨印刷或气溶胶喷射印刷的导电迹线。

连续的导电迹线可以是高密度的。作为非限制性示例，高密度可以提供在32欧姆至250欧姆范围内的串联电阻。高密度可以提供例如在180μm至260μm范围内的线宽。举例来说，匹配油墨组的油墨中的一些油墨可以具有在3和15之间的体积系数。

因此，本公开提供了一种使用大容量、低成本的方法来形成用于各种用途的感应线圈的装置、系统和方法。

附图说明

示例性的装置、系统和方法将在下文中参照附图进行描述，附图仅作为非限制性示例给出，其中：

图1是印刷平面导电线圈的某些实施方式的示意图；

图2是印刷平面导电线圈的某些实施方式的示意图；

图3是印刷丝网的某些实施方式的示意图；

图4是示例性制造的平面感应线圈的示意图；

图5是平面导电线圈的某些实施方式的示意图；

图6是用于导电连接多个平面感应线圈的示例性通孔形成的示意图；和

图7是提供增材处理平面感应线圈的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可以被简化以示出与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，省略了可以在典型类似装置、系统和方法发现的其他方面。普通技术人员因此可以认识到，其他元件和/或操作对于实现在此描述的装置、系统和方法而言可能是期望的和/或必需的。但是因为所述元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不利于更好地理解本公开，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被视为仍然包括本领域普通技术人员已知的所描述各方面的所有这样的元件、变型和修改。

贯穿全文提供各种实施方式，以使本公开充分彻底，并将所公开实施方式的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如特定组件、装置和方法的示例，以提供对本发明实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且实施方式可以以不同的形式体现。因此，所公开的实施方式不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施方式中，可能未详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。

这里使用的术语目的只是为了描述特定实施方式，不应理解为限制性的。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”也可旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，因此指定所阐明的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须按照所讨论或示出的特定顺序来对它们各自的性能进行解释，除非被明确地标识为优选或所需的性能顺序。还应该理解的是，可以采用附加的或替代的步骤代替或结合所公开的方面。

当元件或层被称为“在...上”、“在...之上”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，除非另有明确说明，其可以直接在另一元件或层上、直接连接到或耦合到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，如果指出一部件“直接在另一元件或层上”、“直接连接到另一元件或层上”、或“直接耦合到另一元件或层上”，则表示不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

另外，虽然术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该受这些术语限制。这些术语可能仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分。除非在上下文中明确指出，否则诸如“第一”、“第二”以及其他数字术语之类的术语在本文中使用时并不意味着顺序或次序。因此，在不脱离实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。

从历史上并且如贯穿全文所讨论的，器件或小型器件的许多小方面的形成通常已经将沉积和蚀刻过程集成在一起。即，包括形成波导、通孔、连接器等器件特征的迹线(例如，导电迹线、电介质迹线、绝缘迹线等)通常通过减成法工艺(subtractiveprocesses)形成，即，产生层，随后将其蚀刻以去除那些层的一部分，以形成所需的器件的拓扑和特征。

已经开发了增材工艺，由此增材形成器件特征和方面，即，通过在期望的位置以期望的形状“印刷”期望的特征来形成器件的特征和方面。这允许先前使用减成法即“常规”工艺形成的许多器件和器件的元件改为通过加法工艺形成。这样的器件元件包括但不限于印刷晶体管、碳耐加热元件、压电元件和音频元件、光电检测器和发射器以及医疗用器件。

简而言之，这种器件和元件的印刷取决于许多因素，包括诸如油墨之类的沉积材料与用于特定应用的接收衬底的匹配。这种使用各种衬底的能力可以为刻蚀设备中以前未知的增材处理器件提供独特的性能，例如所创建器件的拉伸和弯曲能力，和/或在以前未知或恶劣环境中使用的能力。作为非限制性实例，在增塑衬底上印刷电子迹线的能力允许在印刷已经发生之后使那些衬底适形(conformed)。因此，例如，在器件制造之后而不是在器件制造期间，设备屏幕和类似的交互式设备被创建并形成到将要集成交互元件的设备。

然而，已知的增材法确实存在对先前使用减成法可获得的性能的限制。例如，典型地，与先前使用减成法形成的导电迹线相比，使用增材法形成的导电迹线具有更有限的电导率。部分原因是，目前尚无法使用现代的增材法来印刷使用减成法提供的纯铜迹线。因此，与使用常电子器件形成技术相比，一些器件和元件可进行实质性修改，以适应在增材法中使用印刷迹线获得的改良特性。

在实施方式中，在每个独特的应用中必须平衡大量因素，以便最佳地获得最接近之前仅在减成法中可用的那些特性的特性。例如，在所公开的用于创建用于各种应用的平面感应线圈的装置和方法中，必须在给定应用的衬底与该衬底的接受度、所用油墨及其导电性、所用印刷迹线的细度、印刷油墨的间距、密度和稠度、所执行的印刷类型(即丝网印刷与其他印刷类型)、印刷层的厚度、衬底和油墨的化学反应性等之间评估相容性。

此外，因为可以采用多种油墨以生产所公开的线圈元件，所以彼此使用的油墨的相容性也是实施方式的一方面。例如，对于给定油墨组内的所有油墨，必须评估油墨之间的化学反应、油墨之间的不同固化方法以及油墨之间的沉积方式。同样值得注意的是，根据本文的讨论，技术人员将理解，在沉积之后，油墨组内的不同油墨可具有可变的特性。例如，某些油墨可能会在该油墨的沉积迹线的中心遭受波谷效应，而在沉积之后，使用该油墨在迹线的外部产生峰。因此，由于使用这种油墨沉积的迹线的厚度可以减轻或增强前述效果，因此在实施方式中可以注意每种油墨在油墨组内应用的方式和一致性。

前述效果的平衡可以导致在迄今未知的环境中使用印刷电子器件，以生产所公开的用于各种应用的平面感应线圈。此外，印刷电子器件与柔性衬底和具有不均拓扑的衬底一起使用的适合性可以允许将印刷电子器件集成为产品的一部分，而不需要将电子器件机械集成到最终产品中。不用说，这可以包括将电子器件印刷到不适合使用减成法创建的电子器件的衬底上，例如织物、塑料和其他不提供“粘性”表面的衬底、有机衬底等。例如，由于增材法允许在印刷器件的每个后续印刷层内使用不同的印刷类型，因此可能发生这种情况，因此，在整个沉积过程中，各层所提供的功能(例如机械、电气、结构或其他)可以在印刷层之间变化。此外，可以与增材法一起或之后采用其他方法，例如激光选择性印刷。

可以使用增材处理来提供用于平衡前述因素的各种解决方案。例如，可以提供柔性衬底，其中在衬底的一侧或两侧上进行印刷。这种多面印刷可以允许克服增材法的某些缺点。克服增材法中出现问题的这种和其他公开方式可以允许在柔性衬底上印刷柔性平面感应线圈，例如用于声学、无线电力和天线应用，这可以至少部分克服使用常规电子器件工艺来提供这种感应线圈的缺点。

更具体地，在已知技术中，历史上已经使用减成法即常规方法制造了用于各种应用的平面感应线圈。包括槽模和c-mos工艺在内的平面电感线圈生产中涉及的此类工艺涉及高真空、高温沉积工艺，并且需要使用复杂的光刻图案化技术。因此，使用增材法来生产这些平面电感线圈提供了超过已知技术的许多有利方面，例如增加了产量，减少了处理资源的使用，降低了制造温度，并因此明显地减少了复杂性和资源密集性的制造工艺。

本领域技术人员将理解，例如，平面感应线圈中的不足会导致对性能的有害影响，如在声学应用中显而易见的那样。例如，在声学实施方式中的谐波和声学失真可能导致较差的声音。同样，发声膜片的刚度不足可能会导致声音变差，而刚度太大可能会导致不产生声音。在公开的实施方式中也解决了这些问题。

通过非限制性示例并且作为全文参考，所公开的技术可以允许在衬底的一侧或两侧上产生迹线，以形成例如多面、串联或并联的参考平面电感线圈。在这种情况下，可在衬底的侧面之间形成一个或多个通孔，从而在衬底的相对侧面上产生串联线圈或并联线圈，然后可通过衬底进行连接。

前述和其他优点源于将平面感应线圈直接印刷在各种衬底上，包括使用已知的增材印刷技术在机械柔性衬底(例如塑料、纸和纺织品)上进行印刷，从而可以增加平面感应线圈的各种用途。作为非限制性示例，这样的应用可以包括在nfc或rfid天线中使用的平面线圈(例如用于智能封装)，在声学应用中的平面扬声器膜片以及感应耦合器(例如在无线电力传输中使用)。

如图1的实施方式中所示并且根据所公开的方法，使用已知的增材制造工艺(例如丝网印刷、凹版印刷、柔性版印刷、喷墨印刷和/或气溶胶喷射印刷)在衬底106(例如玻璃、塑料、聚合物和/或织物衬底)上印刷来自油墨组104的至少一种导电油墨102，例如银、金、铝、铜和/或有机导体，以形成平面的矩形或螺旋形线圈110。值得注意的是，在油墨104沉积以及由此形成迹线110a之后，可能需要二次处理，例如干燥或固化，以实现有源导电迹线。

由此，可以创建平面感应线圈110，其可以从/向馈送/源109接收/传输，和/或可以使用导电和/或感应过程耦合到其他线圈。另外并且取决于所使用的衬底106，平面线圈110可以围绕或集成到几乎任何需要或用于这种感应线圈110的表面上。如本文所用，“平面的”可能意味着所公开的线圈的生产基本上在单个平面上，即，使用增材法在单个片状衬底上印刷一个或多个感应线圈；这可能意味着由这样的线圈提供的磁特性沿均匀的平面出现，即，实施方式提供了形成为相反磁场内的平面的膜片。

为了提供“平面”线圈，而不使用已知技术中使用的并且仍然满足要求的性能特征(例如在声学实施方式中的那些)的减成法，如上所述，在油墨组104的多个因素和所使用的印刷技术之间要保持平衡。例如，迹线应足够厚以提供足够的导电性，但是厚度增加的迹线可能会受到质量不均匀的影响。另一方面，在声学实施方式中可能特别需要细迹线，因为这允许增加磁场形成中的迹线数量，从而产生改善的声学声音。然而，增加的线密度增加了对每个特定迹线的印刷细节的需求，并且线圈内更多的线增加了系统的电阻率。即，在已知技术中，由于使用减成法产生的块状金属迹线的电导率提高，因此产生了高质量的声音；但是在所公开的实施方式中，为了提高磁场效率，必须使用增加的线密度，从而使用电导率较低但线密度较高的迹线来改善所提供的声音。但是，对于使用增材法生产的膜片而言，这种增加的线密度需要更细的线和更精细的工艺，以便更好地控制电阻率。也就是说，使用已知技术利用电导率的优来产生有竞争性声音还需要电阻率的优化，因为随着线密度的增加，电阻率会增加(产生不利影响)。

可以使用增材处理来提供用于平衡前述因素的各种解决方案。例如，可以提供薄衬底106，其中可以在衬底106的两侧106a、106b上进行印刷，从而在衬底106的两侧106a、106b上产生线圈迹线104aa，如图2所示。此后，可以在薄衬底的侧面106a、106b之间形成通孔202，即孔，从而允许例如经由通孔202的导电连接的方式在衬底的两侧产生多个彼此相邻的线圈，这些线圈可通过衬底连接。这可以允许使用增材法来提供并联或串联电路。对于本领域技术人员显而易见的是，在现有技术中可能不容易提供这种并联或串联电路。

前述特性不仅可以用于声学应用，而且如上所述，同样可以适用于任何感应耦合应用，例如天线应用。在每个这样的应用中，电感和串联电阻是性能的关键因素，并且本文中的实施方式的平面性质，与某些实施方式的串联或并联性质相结合，允许特性的平衡以至少基本上实现最佳性能。简而言之，作为非限制性示例，由实施方式提供的串联电阻可以在32欧姆至250欧姆的范围内，从而允许例如可接受的声学性能。

各种物质特性提供了所公开的性能水平。例如，在实施方式中可能需要具有较高导电率的油墨，并且因此由此产生的导电迹线104a具有更多的块状性质。但是，高电导率的油墨通常可能具有高流动性和低粘度。这样，并且因为如上所述，迹线的细度是较高密度线圈中的关键，所以本文实施方式中采用的油墨可具有足够低的导电率，以具有足够高的粘度，从而不会桥接(bridgeacross)线圈膜片的迹线110a，这将不利地在电场和磁场中形成短路。因此，作为非限制性示例，用于形成本文讨论的迹线的油墨可具有在3和15之间的体积系数。此外，可以将具有这种体积系数的油墨的标准印刷对准和技术与实施方式结合使用。而且，在某些实施方式中，可以采用诸如定心和保护、介电和/或绝缘层之类的额外的增材印刷技术来形成平面感应线圈110或其方面。

更具体地，并且作为非限制性示例，可以采用导电油墨，例如henkel479ss来形成线圈110。此外，可以采用其他增材处理材料，例如导电环氧树脂，例如ablesticabp2031s，来制造两个不同导电层之间的通孔。介电油墨可用于使导电迹线与其他导电层或任何其他层绝缘，例如化学和/或电学绝缘等。此外，这样的油墨、导电环氧树脂和其他元件可以使得某些实施方式能够应用于特别薄的衬底，例如厚度范围在10μm-10mm内，例如0.25mm的衬底。一种这样的可用示例性衬底是杜邦公司的melenexst510pet。

图3示出了丝网240，其可以提供适用于使用增材法印刷平面感应线圈110的印刷丝网。丝网240例如可以包括180μm、220μm、260μm等的线宽242和/或间隙244。而且，可以采用已知的对准技术来适当地对准丝网印刷，例如包括双面印刷对准技术。例如，已知的技术可以用于使用丝网240或其他印刷方法在线圈之间产生通孔，和/或将印刷的线圈切割成优选的设计尺寸。下表1提供了各种示例性丝网规格，例如可用于丝网240。

表1

图4示出了在示例性衬底270的顶侧266上的示例性制造的平面感应线圈260。下面的表2中示出了诸如图4的示例性实施方式的印刷线宽和间隙的平均尺寸。

表2

图5是在某些实施方式中可以产生的迹线104a的有效线密度302的放大图示。如本文所引用的，可以通过使用在衬底的两侧上的印刷，例如通过使用在顶部和底部印刷线圈之间延伸的通孔，来进一步提高由增强的线密度302提供的性能。

图6示出了示例性通孔310的形成，以导电地连接多个平面感应线圈的迹线104a。在此示例中，如步骤(a)和(b)所示，在至少一个线圈的迹线104a中切出通孔312，例如0.005-0.05英寸(或更特别是0.005英寸)范围内的通孔。然后可以分配导电油墨316以通过通孔310来连接顶侧104a和底侧线圈迹线322。该分配可以是单侧的，或者可以在两侧上进行，例如依次或同时进行。如步骤(c)所示，填充有导电油墨的连接的通孔310导电地匹配顶部104a和底部线圈迹线322。

图7是示出提供经增材法处理的平面感应线圈的示例性方法800的流程图。在步骤802，将油墨组相互匹配以用于印刷油墨组内的兼容油墨层，并将其与用于平面感应线圈的接收衬底匹配。在步骤804，将由来自油墨组的至少一种油墨形成的导电层以期望的密度附加地沉积在衬底上。

在步骤806，固化附加的沉积层。在步骤808，可以沉积第二油墨，以通过一个或多个通孔连接在步骤804打印的多个平面导电线圈。在步骤810，可以根据需要固化这些连接油墨沉积物。

此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员都能够实现或使用所公开的实施方式。对于本领域技术人员来说，对本公开的各种修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开内容不旨在受限于本文描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最宽范围相一致。