一种聚合物薄膜电容制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种聚合物薄膜电容的制备方法。包括以下步骤：采用液滴微喷射法制备聚合物薄膜电容底部纳米银图层薄膜，并对其烧结固化形成底部导电层；制备中间绝缘层薄膜，并对其烧结固化形成中间介电层；制备顶部纳米银图层薄膜，对其烧结固化形成顶部导电层；最终进行退火处理，即可制得聚合物薄膜电容。本发明的聚合物薄膜电容制备过程简单，成本低廉，无需特定的模板，电容的形状可以直接喷射成型，电容的几何尺寸和电学性能具有较高的可控性，性能稳定，且一致性较高。
【专利说明】
_种聚合物薄膜电容制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及电容的制备方法，具体为一种聚合物薄膜电容制备方法。
【背景技术】
[0002 ]印制电子技术是采用印制工艺，把功能化的油墨快速地印制在各种基底上，形成电子元器件和电子线路，能够非常有效地解决现有采用硅工艺制造的电子产品存在的工艺流程复杂、生产周期长、材料浪费大，环境污染严重的诸多问题，在生产管理、科学研究、交通管理及物流供应链等各领域有着广泛的应用。薄膜电容是印制电子电路中的关键电子元器件，其性能对印制电子电路的性能有着重要的影响。
[0003]目前，薄膜电容的制备方法主要有蚀刻法、电镀镀膜法及油墨印制法。其中，蚀刻法由于需要进行腐蚀工艺的操作，具有成本较高、周期长、精度较低的问题，同时腐蚀剂容易污染环境;镀膜法的主要缺点是需要大批量生产，对设备的需求较高。油墨印制法通过对具有特定功能的聚合物油墨进行印制，在印制电子领域得到了广泛的应用。其中，丝网印刷工艺具有较高的制备精度，但采用的油墨一般为高粘度油墨，墨层厚度较大，难以制备层厚较小的薄膜电容。凹版印制工艺可以获得较好的图形分辨率，印制油墨的层厚适中，但印制过程中印制压力大，容易使电容的表面发生变形，影响薄膜电容的使用性能。喷墨打印法是一种非接触式的数字化无版印制工艺，它具有如下优势:微喷嘴与基底非接触，避免了微喷嘴的损坏和导电油墨被污染，对基底表面不产生压力，提高了制备稳定性和精度;可以使用较低粘度的墨水，值得的层厚容易控制;无需制版，简化了印制过程。然而，喷墨印制法中使用的打印装置主要为商用喷墨打印机，打印机设备构造复杂、价格昂贵，打印机喷头难以拆卸、清洗与维修。
【发明内容】
[0004]鉴于以上描述的现有聚合物薄膜电容的制备方法具有制备过程复杂，设备要求高、成本大等缺点，本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、精度较高的聚合物薄膜电容制备方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:一种聚合物薄膜电容制备方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1.1，利用毛细现象将纳米银导电墨水吸入玻璃微喷嘴a;
[0007]步骤1.2，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地微喷射到洁净处理的盖玻片基底表面，形成边缘较直的纳米银涂层薄膜；
[0008]步骤1.3，将制备的纳米银涂层薄膜烧结固化，即可在盖玻片基底表面制得聚合物薄膜电容的底部导电层；
[0009]步骤1.4，将聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水吸入玻璃微喷嘴b;
[0010]步骤1.5，驱动玻璃微喷嘴b，将聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水均匀稳定地微喷射到聚合物薄膜电容的底部导电层表面，形成边缘较直的绝缘墨水涂层薄膜；
[0011]步骤1.6，将制备的绝缘墨水涂层薄膜烧结固化，即可在盖玻片基底表面制得聚合物薄膜电容的中间介电层；
[0012]步骤1.7，根据所需聚合物薄膜电容的电容值，重复步骤1.5和步骤1.6，增加聚合物薄膜电容的厚度；
[0013]步骤1.8，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到聚合物薄膜电容的中间介电层表面，形成边缘较直的纳米银涂层薄膜；
[0014]步骤1.9，将盖玻片基底进行干燥，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得聚合物薄膜电容。
[0015]优选的，玻璃微喷嘴a出口内径为50?80μπι，纳米银墨水的吸入量为微喷嘴容积的1/3?2/3;玻璃微喷嘴b出口内径为80?120μπι，聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水的吸入量为微喷嘴容积的1/2?2/3。
[0016]进一步的，驱动电压幅值和驱动电压频率实现的，驱动电压幅值设置为30?80V，驱动频率设定为5Hz;边缘较直是通过设置合适的重叠率实现的，重叠率设定为30%?70%。
[0017]进一步的，步骤1.3和步骤1.6中所述的烧结温度为80?200°C，烧结时间为5?30mino
[0018]经一步的，步骤1.9中，干燥烧结固化过程份两次进行，第一次为烧结固化，温度为80?200°C，时间为5?30min，第二次为烧结退火，温度为50°C，时间为20min
[0019]与现有技术相比，本发明具有显著优点是:
[0020](I)本发明的聚合物薄膜电容制备过程简单，成本低廉，无需特定的模板，制备薄膜电容的基底不需要进行复杂的亲疏水表面处理，制得的聚合物薄膜电容的几何尺寸和电学性能具有较高的可控性，性能稳定，一致性较高。
[0021 ] (2)由于本发明采用液滴微喷射和烧结工艺制备聚合物薄膜电容，液滴的喷射量和喷射位置精确可控，所以本发明具有性能稳定、一致性好、精度高、功耗低的性能特点，适合大批量生产制备。
【附图说明】
[0022]图1是本发明聚合物薄膜电容的液滴微喷射制备系统示意图。
[0023]图2是本发明聚合物薄膜电容的制备过程示意图。
[0024]其中，I微喷嘴调节架;2第一连接件;3压电致动器;4内构双锥形玻璃微喷嘴夹持器;5第二连接件;6内构双锥形玻璃微喷嘴；7纳米银导电墨水/聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水;8数码显微镜;9二维工作台；10盖玻片基底；11底部纳米银图层薄膜；12底部导电层；13中间绝缘层薄膜;14中间介电层;15顶部纳米银图层薄膜;16顶部导电层
【具体实施方式】
[0025]本发明的原理是:采用一种液滴微喷射技术喷射纳米银导电墨水制备聚合物薄膜电容底部导电层薄膜，并对其烧结固化形成底部导电层;喷射聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水制备中间绝缘层薄膜，并对其烧结固化形成中间介电层;喷射纳米银导电墨水制备顶部导电层薄膜，对其烧结固化形成顶部导电层;最终进行退火处理，即可制得聚合物薄膜电容。
[0026]本发明中，液滴微喷射是通过以脉冲惯性力为主动力，克服内构双锥形玻璃微喷嘴(参见博士论文《数字化液滴微喷射技术及其在印制电子中的应用研究》)内液体的粘性力实现的。所述的脉冲惯性力可用多种方式产生，由于压电器件具有电压-位移动态响应好、响应频率高等特点，可作为整体驱动器置于微喷嘴外部产生脉冲惯性力，故本发明脉冲惯性力由压电致动器提供。图1所示为液滴微喷射制备系统示意图，首先将压电致动器3和所需内构双锥形玻璃微喷嘴6由第一连接件2、第二连接件5连接到微喷嘴调节架I上，通过调节架I改变内构双锥形玻璃微喷嘴6与盖玻片基底10的距离。调节数码显微镜8的放大倍数和焦距，使得内构双锥形玻璃微喷嘴6和盖玻片基底10可以清晰的在计算机屏幕上显示出来。图2所示为聚合物薄膜电容的制备过程示意图，首先采用液滴微喷射技术在盖玻片基底10上制备出底部纳米银图层薄膜U。随后将盖玻片基底置于恒温干燥箱内进行烧结，固化成型后，即可制得底部导电层12。然后在底部导电层12上制备出中间绝缘层薄膜13，随后将盖玻片基底置于恒温干燥箱内进行烧结，固化成型后，即可制得中间介电层14。接着，在中间介电层上制备顶部纳米银图层薄膜15。随后将盖玻片基底置于恒温干燥箱内进行烧结，固化成型后，即可制得顶部导电层16。最后，将盖玻片基底置于恒温干燥箱内进行退火处理，即可制得聚合物薄膜电容。
[0027]所述的内构双锥形玻璃微喷嘴6采用玻璃冷热加工工艺制得，首先采用激光微针/微电极拉制仪(Sutter P-97/P-2000，美国Sutter)将毛坯外径为1.0mm、内径为0.6mm的硼硅酸盐玻璃毛细管拉断成微针，然后采用锻针仪(MF-900，日本Narishige)将微针在合适的尺寸位置截断并将出口锻制成内构双锥形，最后制备的出口内径可变范围为50?120μπι;内构双锥形玻璃微喷嘴具有较好的液滴微喷射能力，较平口等微喷嘴能够微喷射出更大粘度的溶液。
[0028]实施例1
[0029]聚合物薄膜电容的制备，具体步骤如下:
[0030]步骤I盖玻片基底1的洁净处理:将PET薄膜放入烧杯中，倒入适量的浓硫酸，放在加热炉上加热10分钟，然后取出冷却10分钟，再用去离子水冲洗PET薄膜表面残余的浓硫酸。用棉球擦干后放入含有丙酮的烧杯中，再将烧杯放入超声波清洗仪中震荡10分钟，取出后用去离子水冲洗干净，并用氮气将其表面水分吹干，如图2a所示。
[0031 ]步骤2内构双锥形玻璃微喷嘴6的制备:采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为50μπι的内构双锥形玻璃微喷嘴a，并利用毛细现象原理将纳米银导电墨水装入内构双锥形玻璃微喷嘴6。
[0032]步骤3纳米银图层薄膜11的制备:设置压电致动器3的驱动电压幅值为40V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9的运动参数使得液滴重叠率为60 %，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到洁净处理的盖玻片基底表面，形成边缘较直的纳米银图层薄膜11，如图2b所示；
[0033]步骤4聚合物薄膜电容底部导电层12的制备:将制备有纳米银图层薄膜的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为1400C，烧结时间为25min，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得电阻率为4.6μΩ.cm、底面边长为5mm的聚合物薄膜电容的底部导电层，如图2c所示；
[0034]步骤5:采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为80μπι的内构双锥形玻璃微喷嘴b，并利用毛细现象原理将聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水装入玻璃微喷嘴b。
[0035]步骤6设置压电致动器3的驱动电压幅值为60V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为60%，驱动玻璃微喷嘴b，将绝缘墨水微喷射到底部导电层12上，即可制得边缘较直的绝缘墨水图层薄膜15，如图2d所示。
[0036]步骤7将制备有绝缘墨水图层薄膜15的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为160°C，烧结时间为15min，烧结固化后，将基底取出，即可制得绝缘性较高的层厚为ΙΟΟμπι、底面边长为5mm的中间介电层16，如图2e所示；
[0037]步骤8设置压电致动器3的驱动电压幅值为40V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9的运动参数使得液滴重叠率为60 %，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到中间介电层表面，形成边缘较直的纳米银图层薄膜15，如图2f所示；
[0038]步骤9聚合物薄膜电容顶部导电层16的制备:将制备有纳米银图层薄膜15的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为140°C，烧结时间为25min，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得电阻率为4.6μΩ.cm、底面边长为5mm的聚合物薄膜电容的底部导电层，如图2g所示；
[0039]步骤10设定退火温度为50°C，退火处理时间为20min，即可制得电容值为20yF的聚合物薄膜电容。
[0040]实施例2
[0041 ]聚合物薄膜电容的制备，具体步骤如下:
[0042]步骤1、2与实施例1所述步骤1、2相同
[0043]步骤3纳米银图层薄膜11的制备:设置压电致动器3的驱动电压幅值为60V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9的运动参数使得液滴重叠率为60 %，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到洁净处理的盖玻片基底表面，形成边缘较直的纳米银图层薄膜11，如图2b所示；
[0044]步骤4聚合物薄膜电容底部导电层12的制备:将制备有纳米银图层薄膜的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为1400C，烧结时间为25min，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得电阻率为4.6μΩ.cm、底面边长为8mm的聚合物薄膜电容的底部导电层，如图2c所示；
[0045]步骤5与实施例1所述步骤5相同
[0046]步骤6设置压电致动器3的驱动电压幅值为70V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为60%，驱动玻璃微喷嘴b，将绝缘墨水微喷射到底部导电层12上，即可制得边缘较直的绝缘墨水图层薄膜15，如图2d所示。
[0047]步骤7将制备有绝缘墨水图层薄膜15的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为160°C，烧结时间为15min，烧结固化后，将基底取出，即可制得绝缘性较高的层厚为120μπι、底面边长为8mm的中间介电层16，如图2e所示；
[0048]步骤8设置压电致动器3的驱动电压幅值为60V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9的运动参数使得液滴重叠率为60 %，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到中间介电层表面，形成边缘较直的纳米银图层薄膜15，如图2f所示；
[0049]步骤9聚合物薄膜电容顶部导电层16的制备:将制备有纳米银图层薄膜15的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为140°C，烧结时间为25min，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得电阻率为4.6μΩ.cm、底面边长为8mm的聚合物薄膜电容的底部导电层，如图2g所示；
[0050]步骤10设定退火温度为50°C，退火处理时间为20min，即可制得电容值为325yF的聚合物薄膜电容。
[0051 ] 实施例3
[0052]聚合物薄膜电容的制备，具体步骤如下:
[0053]步骤1、2与实施例1所述步骤1、2相同
[0054]步骤3纳米银图层薄膜11的制备:设置压电致动器3的驱动电压幅值为40V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9的运动参数使得液滴重叠率为70%，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到洁净处理的盖玻片基底表面，形成边缘较直的纳米银图层薄膜11，如图2b所示；
[0055]步骤4聚合物薄膜电容底部导电层12的制备:将制备有纳米银图层薄膜的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为1400C，烧结时间为25min，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得电阻率为4.6μΩ.cm、底面边长为6.5mm的聚合物薄膜电容的底部导电层，如图2c所示；
[0056]步骤5与实施例1所述步骤5相同
[0057]步骤6设置压电致动器3的驱动电压幅值为60V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9运动参数使得液滴重叠率为70%，驱动玻璃微喷嘴b，将绝缘墨水微喷射到底部导电层12上，即可制得边缘较直的绝缘墨水图层薄膜15，如图2d所示。
[0058]步骤7将制备有绝缘墨水图层薄膜15的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为160°C，烧结时间为15min，烧结固化后，将基底取出，即可制得绝缘性较高的层厚为105μπι、底面边长为6.5臟的中间介电层16，如图20所示；
[0059]步骤8设置压电致动器3的驱动电压幅值为40V，驱动频率为5Hz，设置二维工作台9的运动参数使得液滴重叠率为70 %，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到中间介电层表面，形成边缘较直的纳米银图层薄膜15，如图2f所示；
[0060]步骤9聚合物薄膜电容顶部导电层16的制备:将制备有纳米银图层薄膜15的盖玻片基底置于恒温干燥箱内，设定烧结温度为140°C，烧结时间为25min，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得电阻率为4.6μΩ.cm、底面边长为6.5mm的聚合物薄膜电容的底部导电层，如图2g所示；
[0061 ] 步骤10设定退火温度为50°C，退火处理时间为20min，即可制得电容值为284yF的聚合物薄膜电容。
[0062]实施例4
[0063]聚合物薄膜电容的制备，具体步骤如下:
[0064]步骤1、2、3、4、5、6、7与实施例1所述步骤1、2、3、4、5、6、7相同
[0065]步骤8重复进行步骤6和步骤7，重复次数为6，即可制得绝缘性较高的层厚为500μπι的中间介电层16
[0066]步骤9、10与实施例1所述步骤8、9相同
[0067]步骤10设定退火温度为50°C，退火处理时间为20min，即可制得电容值为1203yF的聚合物薄膜电容
[0068]实施例5
[0069]聚合物薄膜电容的制备，具体步骤如下:
[0070]步骤1、2、3、4、5、6、7、8、9与实施例4所述步骤1、2、3、4、5、6、7、8、9相同
[0071]步骤10设定退火温度为50°C，退火处理时间为lOmin，即可制得电容值为765yF的聚合物薄膜电容
[0072]具体实施过程中，聚合物薄膜电容的几何尺寸可由微喷嘴内径、驱动电压、重叠率、制备层数和工作台运动图形决定，制得的电容的电容值可由电容的尺寸、烧结条件和退火条件决定。
【主权项】
1.一种聚合物薄膜电容制备方法，其特征在于，包括具体步骤如下: 步骤1.1，利用毛细现象将纳米银导电墨水吸入玻璃微喷嘴a; 步骤1.2，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地微喷射到洁净处理的盖玻片基底表面，形成边缘较直的纳米银涂层薄膜； 步骤1.3，将制备的纳米银涂层薄膜烧结固化，即可在盖玻片基底表面制得聚合物薄膜电容的底部导电层； 步骤1.4，将聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水吸入玻璃微喷嘴b; 步骤1.5，驱动玻璃微喷嘴b，将聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水均匀稳定地微喷射到聚合物薄膜电容的底部导电层表面，形成边缘较直的绝缘墨水涂层薄膜； 步骤1.6，将制备的绝缘墨水涂层薄膜烧结固化，即可在盖玻片基底表面制得聚合物薄膜电容的中间介电层； 步骤1.7，驱动玻璃微喷嘴a，将纳米银导电墨水均匀稳定地按需微喷射到聚合物薄膜电容的中间介电层表面，形成边缘较直的纳米银涂层薄膜； 步骤1.8，将盖玻片基底进行干燥，烧结固化后，将基底取出，即可在盖玻片基底表面制得聚合物薄膜电容。2.根据权利要求1所述的聚合物薄膜电容制备方法，其特征在于，所述的玻璃微喷嘴a出口内径为50?80μπι，纳米银墨水的吸入量为微喷嘴容积的1/3?2/3;玻璃微喷嘴b出口内径为80?120μπι，聚对位乙烯基苯酚绝缘墨水的吸入量为微喷嘴容积的1/2?2/3。3.根据权利要求1所述的聚合物薄膜电容制备方法，其特征在于，步骤1.2、步骤1.5和步骤1.7中所述的均匀稳定是通过设置合适的驱动电压幅值和驱动电压频率实现的，驱动电压幅值设置为30?80V，驱动频率设定为5Hz;边缘较直是通过设置合适的重叠率实现的，重叠率设定为30 %?70%o4.根据权利要求1所述的聚合物薄膜电容制备方法，其特征在于，步骤1.3和步骤1.6中所述的烧结温度为80?200°C，烧结时间为5?30min。5.根据权利要求1所述的聚合物薄膜电容制备方法，其特征在于，步骤1.8中所述的烧结分两次进行，第一次为烧结固化，温度为80?200°C，时间为5?30min，第二次为烧结退火，温度为50°C，时间为20min。
【文档编号】H01G4/33GK106024388SQ201610606671
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】杨利军, 朱丽
【申请人】南京理工大学