基于掺杂有导电纳米填充物的介电聚合物的分数阶电容器的制造方法
【专利说明】基于掺杂有导电纳米填充物的介电聚合物的分数阶电容器
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张于2013年3月14日提交的美国临时专利申请第61/783，373号的权益。所提及申请的内容通过引用并入本申请中。
【背景技术】
[0003]A.发明领域
[0004]本公开一般性地涉及具有对电容器特性(包括复阻抗相位角)的改良控制的分数阶电容器。电容器具有介电纳米复合层，该介电纳米复合层含有允许对电容器特性改良控制的填充材料。
[0005]B.相关技术说明
[0006]过去，在工程中并未研发分数阶微积分，这是由于其较为复杂以及其并不具有完全可接受的几何或物理实现的事实。例如，电组件通常限于α值分别为-1、0和I的理想电感器、电阻器和电容器的特定特性。在此背景下，α可被用于经由公式-a /2来确定器件的电流与其电压之间的相位差。在转变至度(即90、0和-90)时，这些值代表复阻抗相位角。
[0007]然而，由于当在实际应用中实施时电组件并不具有确切整数值的α，故具有有意将α值控制在标准组件的特性之间某处的能力可用于各种应用中，所述应用包括执行自动控制、图案识别、系统表征、信号处理和应用与电化学、黏弹性和甚至生物及神经系统领域相关的滤波器和振荡器。
[0008]有意设计具有范围0〈 α〈I内的特定α值的电组件的先前尝试通常得到极庞大设计，这些设计在许多情形下在实际应用或电路中不可用或并不实际。例如，就基于液体电极(LEB)的类型分数电容器而言，将铜电极浸没于PMMA-氯仿溶液中，相位角根据电极的浸没深度而变化。然而，显而易见，此方法不允许容易地与印刷电路板和/或电子电路集成。另外，封装这样的装备会得到极庞大装置。
[0009]其他尝试包括分形类型(FT)分数电容器设计。这些设计通常在晶圆产生上并依赖于传输线理论。这些类型的电容器的基本操作原理涉及产生分形几何结构(例如短截线或传输线)，这些分形几何结构继而能够产生基于几何形状和技术参数的特定阻抗。FT使用一系列产生于电路上的金属迹线来产生阻抗而不是产生电容器。与集中式组件设计相反，这通常称为分布式组件设计。另外，在使用FT分数电容器时，能够获得的α的值仅在0.46到0.5。另外，考虑到微波电路的性质，恒定相特性发生于极高频范围(IMHz到1GHz)处，且相位角变化约为5°。
[0010]其他方式包括通过数字近似分数阶问题并计算近似解来模拟。数字近似必然受限于带宽、计算机资源的高度消耗，并且能够因有限精度运算而承受数值不稳定性。这些限制能够使得数字技术不实际或不能解决许多问题，例如控制涉及强反向力的快速过程或“僵硬”过程。
【发明内容】
[0011]本发明者已发现，能够使用二维纳米材料(也阐述为填充材料)的重量百分比来控制电容器的复阻抗角。具体而言，能够通过基于填充材料在聚合物基质中的组合选择该填充材料(例如石墨烯)的某一重量百分比来形成电容器的介电层。重量百分比能够被用于选择α在0〈α〈I的范围内的任一非整数值，这直接改变如上文所述的电容器的复阻抗相位角。
[0012]使用石墨烯作为二维纳米材料的独特方面之一涉及在介电层内形成微电容器。具体而言，通过在聚合物基质中加载石墨烯片材以使得形成分散的微电容器来控制分数电容。这极其类似于用于模拟的RC梯状网络并且允许调整α的值而无需复杂且庞大的电路设计。石墨烯亦具有促进电子以超高速度自由流动的独特性质。
[0013]另外，本发明的分数阶电容器的制造可扩展并且有成本效益，从而允许有效的制造和商业化。
[0014]根据本公开的一方面，分数阶电容器包括厚度为t的介电纳米复合层，并且包括第一侧和与第一侧相对的第二侧。分数阶电容器还包括耦合至介电纳米复合层的第一侧的第一电极层和耦合至介电纳米复合层的第二侧的第二电极层。分数阶电容器亦包括复阻抗相位角，其至少取决于介电纳米复合层中的填充材料的材料重量百分比。
[0015]根据本公开的另一方面，分数阶电容器的介电纳米复合层包括基质材料和导电填充材料，其中基质材料是聚合物，导电填充材料是石墨烯。石墨烯可部分地氧化或完全未氧化。此外，基于介电纳米复合层的总重量，石墨烯的材料重量百分比为约0.1%到15%。
[0016]根据本公开的又一方面，分数阶电容器的第一电极层和第二电极层包括导电材料。第一电极层包括铂，第二电极层包括铝。第一电极层和第二电极层可替代地包括PEDOT:PSS。
[0017]根据本公开的另一方面，分数阶电容器包括0°到-90°的复阻抗相位角，或包括相对于频率近似恒定的损耗角正切，或对于1kHz到2MHz的频率表现出分数特性。
[0018]根据本公开的另一方面，分数阶电容器可以被包括于印刷电路板或集成电路中并用于通信电路或感测电路或控制电路的至少一部分中。分数阶电容器亦可以被包括于电子器件中。
[0019]根据本公开的又一方面，一种制造分数阶电容器的方法包括获得第一电极层。该方法亦包括选择介电纳米复合层中的填充材料的材料重量百分比以获得指定复阻抗相位角。该方法还包括将介电纳米复合层布置于第一电极层上。该方法亦包括将第二电极层布置于介电纳米复合层上，从而将介电纳米复合层布置于第一电极层与第二电极层之间。
[0020]根据本公开的另一方面，可使用基质材料和导电填充材料来制造分数阶电容器的介电纳米复合层，其中基质材料是聚合物并且导电填充材料是石墨烯。石墨烯可部分氧化或完全未氧化。此外，基于介电纳米复合层的总重量，石墨烯的材料重量百分比为约0.1%到15%。此外，分数阶电容器包括0°到-90°的复阻抗相位角，或包括相对于频率近似恒定的损耗角正切，或对于1kHz到2MHz的频率表现出分数特性。
[0021]根据本公开的另一方面，可使用包括导电材料的第一电极层和第二电极层来制造分数阶电容器。第一电极层包括铂，第二电极层包括铝。替代地，第一电极层和第二电极层可包括 PEDOT: PSS。
[0022]根据本公开的又一方面，可通过溶液浇注、通过刮刀、或通过流延成型、或通过丝网印刷、或通过热压制将分数阶电容器的介电纳米复合层布置于第一电极层上。使用阴影掩模将第二电极层热蒸发于介电纳米复合层上。根据本公开的另一方面，分数阶电容器可以被封装于印刷电路板或集成电路中。
[0023]根据本公开的另一方面，使用本发明的分数阶电容器中任一者操作延迟电路以向电信号施加所选延迟的方法包括选择分数阶电容器的介电纳米复合层中填充材料的材料重量百分比以获得指定复阻抗相位角。该方法还包括响应于输入信号以一充电速率将所述分数阶电容器充电至第一电压。该方法还包括响应于输入信号以一放电速率将所述分数阶电容器放电至第二电压。该方法还包括产生随所述分数阶电容器的复阻抗相位角变化的延迟信号。
[0024]根据本公开的另一方面，调节滤波器(其包括本发明的分数阶电容器中任一者和电阻器)的频率响应的方法包括选择分数阶电容器的介电纳米复合层中填充材料的材料重量百分比以获得指定复阻抗相位角。该方法还包括在分数电容器和电阻器的串联组合两端供应输入电压。该方法还包括基于电阻器两端的电压供应输出电压。该方法还包括测量在特定频率下的滤波器增益。该方法还包括根据特定频率下的滤波器增益通过改变复阻抗相位角来调节分数阶电容器的电容。
[0025]根据本公开的另一方面，一种操作包括本发明的分数阶电容器中任一者的RF通信电路的方法包括选择分数阶电容器的介电纳米复合层中填充材料的材料重量百分比以获得指定复阻抗相位角。该方法还包括在共振频率下生成RF信号。该方法还包括检测RF通信电路中的其他组件的串联电阻值。该方法还包括设定分数阶电容器的负电阻值以通过改变复阻抗相位角来抵消(Offset)RF通信电路中的其他组件的至少一部分等效串联电阻值。
[0026]还公开了本发明的以下实施例1到44。实施例1是一种分数阶电容器，所述分数阶电容器包括:厚度为t的介电纳米复合层，其包括第一侧和与第一侧相对的第二侧；第一电极层，其耦合至介电纳米复合层的第一侧；第二电极层，其耦合至介电纳米复合层的第二侧；和复阻抗相位角，其至少取决于介电纳米复合层中的填充材料的材料重量百分比。实施例2是实施例1的分数阶电容器，其中介电纳米复合层包括基质材料和导电填充材料。实施例3是实施例2的分数阶电容器，其中导电填充材料是石墨烯。实施例4是实施例3的分数阶电容器，其中石墨烯部分地氧化。实施例5是实施例3的分数阶电容器，其中石墨烯完全未氧化。实施例6是实施例3到5中任一项的分数阶电容器，其中基于介电纳米复合层的总重量，石墨烯的