薄膜天线结构及其制备方法、天线系统与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种薄膜天线结构及其制备方法、天线系统。

背景技术：

随着移动数据设备例如智能手机、平板电脑等的普及，人们更加迫切需要在任何地方都能进行联网，在移动数据设备中天线是接触网络的唯一部件，这就要求移动数据设备具有不同的制式和不同的无线频段相对接的天线。天线尺寸由工作带宽、工作频率和辐射效率决定。更大尺寸的天线能够提供更大的带宽和更高的效率，天线尺寸越大还能够保持辐射效率不变。

然而，现有的移动数据设备更加轻薄化，这给天线的预留空间越来越少，这极大限制了天线的带宽和频率，这也给网络和移动数据设备带来巨大挑战。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种薄膜天线结构及制备方法、天线系统，从而实现天线的薄膜化，多频化和使用灵活性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种薄膜天线结构，其包括：

底层透明柔性层；

至少一层石墨烯天线层，位于底层透明柔性层上表面；石墨烯天线层中具有至少一个石墨烯天线图案；

顶层透明柔性层，位于石墨烯天线层上表面，顶层透明柔性层、底层透明柔性层、石墨烯天线图案侧壁之间形成真空空腔。

优选地，所述石墨烯天线层中具有多个不同的石墨烯天线图案；每个石墨烯天线图案具有根部，多个不同的石墨烯天线图案的根部连接于一连接端；连接端用于与外界的馈线端连接。

优选地，多个不同的石墨烯天线图案一体形成。

优选地，多个不同的石墨烯天线图案的长度延伸方向相同。

优选地，在底层透明柔性层和顶层透明柔性层之间具有多层堆叠的石墨烯天线层，在每层石墨烯天线层之间设置有层间透明柔性层；顶层透明柔性层、与顶层透明柔性层相距最近的层间透明柔性层、与顶层透明柔性层相邻的石墨烯天线图案侧壁之间构成真空空腔；底层透明柔性层、与底层透明柔性层相距最近的层间透明柔性层、与底层透明柔性层相邻的石墨烯天线图案侧壁之间构成真空空腔；相邻的层间透明柔性层与其之间的石墨烯天线图案侧壁之间构成真空空腔。

优选地，针对多层石墨烯天线层，至少一层石墨烯天线层中的石墨烯天线图案是以该层石墨烯天线层中的一个石墨烯天线图案为基准，经沿一个或多个方向缩放得到，或者沿一个或多个方向缩放得到的图案再重复排列并循环此过程得到。

优选地，针对多层石墨烯天线层，至少一层石墨烯天线层中的石墨烯天线图案是以一个相同的半圆作为基础单元进行缩放回旋重复排列得到的连续图案。

优选地，所述层间透明柔性层采用透明的单层氧化石墨烯薄膜制成。

优选地，每层所述石墨烯天线层由透明的单原子层石墨烯薄膜制成。

优选地，所述底层透明柔性层采用透明的单层氧化石墨烯薄膜制成。

优选地，所述顶层透明柔性层采用透明的单层氧化石墨烯薄膜制成。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种天线系统，其特征在于，包括：处理器、信号识别器、信号转送器、馈线和上述的薄膜天线结构；其中，

薄膜天线结构的每层石墨烯天线层与馈线相连接，通过馈线将信号传输给信号识别器，或者通过馈线接收来自信号转送器的信号；

信号识别器，接收馈线传输的信号，并且根据所设定的信号种类，对该信号进行识别并标记，然后发送至信号转送器中；或者接收信号转送器发送的信号，根据所设定的信号种类，进行识别并标记，然后经馈线传输给石墨烯天线层；

信号转送器，接收信号识别器发送的标记的信号并发送给处理器；或者信号转送器接收处理器发送的信号并且发送给信号识别器。

优选地，所述石墨烯天线层中具有多个不同的石墨烯天线图案；每个石墨烯天线图案具有根部，多个不同的石墨烯天线图案的根部连接于一连接端；连接端用于与外界的馈线端连接。

优选地，多个不同的石墨烯天线图案一体形成。

优选地，多个不同的石墨烯天线图案的长度延伸方向相同。

优选地，在底层透明柔性层和顶层透明柔性层之间具有多层堆叠的石墨烯天线层，在每层石墨烯天线层之间设置有层间透明柔性层。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种薄膜天线结构的制备方法，其包括：

步骤01：提供一底层透明柔性层；

步骤02：将石墨烯薄膜转移至底层透明柔性层上；

步骤03：图形化石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜中刻蚀出至少一个石墨烯天线图案，形成石墨烯天线层；

步骤04：真空下在石墨烯天线层上覆盖顶层透明柔性层；顶层透明柔性层、底层透明柔性层、石墨烯天线图案侧壁之间的空隙构成空腔。

优选地，所述步骤01包括：首先，提供一衬底；其次，采用外延工艺在衬底上形成底层透明柔性层。

优选地，所述步骤02之后且在所述步骤03之间，还包括：对完成步骤02的结构进行低温键合工艺，使得石墨烯薄膜的边缘与对应的底层透明柔性层的边缘相键合。

优选地，所述步骤03包括：

步骤031：设计石墨烯天线层的掩膜版目标图案；目标图案中具有至少一个石墨烯天线图案；

步骤032：将目标图案中每个石墨烯天线图案拆分出来，构成多个掩膜版图案；

步骤033：利用每个石墨烯天线图案掩膜版对石墨烯薄膜进行多次图案化工艺，从而将每个石墨烯天线图案刻蚀到石墨烯薄膜中。

优选地，针对多层石墨烯天线层，至少一层石墨烯天线层中的石墨烯天线图案是以该层石墨烯天线层中的一个石墨烯天线图案为基准，经沿一个或多个方向缩放得到，或者沿一个或多个方向缩放得到的图案再重复排列并循环此过程得到；

采用相移掩膜或多重图形化方法来形成该层的每个石墨烯天线图案的掩膜版图案的制备。

优选地，针对多层石墨烯天线层，至少一层石墨烯天线层中的石墨烯天线图案是以一个相同的半圆作为基础单元进行缩放回旋重复排列得到的连续图案；

采用相移掩膜或多重图形化方法来形成该层的每个石墨烯天线图案的掩膜版图案的制备。

优选地，所述所述石墨烯天线层中具有多个不同的石墨烯天线图案；每个石墨烯天线图案具有根部，多个不同的石墨烯天线图案的根部连接于一连接端；连接端用于与外界的馈线端连接；

所述步骤032中还包括：将多个石墨烯天线图案的根部和所述连接端构成一个掩膜版图案；所述步骤033中还包括：利用多个石墨烯天线图案的根部构成的掩膜版图案，对石墨烯薄膜进行图案化，在石墨烯薄膜中形成多个石墨烯天线图案的根部和所述连接端。

优选地，所述步骤04之后，还包括：对顶层透明柔性层的边缘进行真空低温键合工艺，使顶层透明柔性层的边缘与对应的石墨烯天线层的边缘相键合。

优选地，所述步骤03之后且在所述步骤04之前，还包括：真空环境下，制备过程堆叠的石墨烯天线层和层间透明柔性层的过程；层间透明柔性层设置于每层石墨烯天线层之间。

本发明的薄膜天线结构，采用底层透明柔性层、至少一层石墨烯天线层和顶层透明柔性层，实现了天线结构的薄膜化、透明化和灵活性，薄膜化的天线结构，可以集成更多的频段，实现多频段收发，有利于薄膜天线结构和器件应用于5g网络。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的薄膜天线结构的截面结构示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的第一层石墨烯天线层的俯视示意图

图3为本发明的一个较佳实施例的第二层石墨烯天线层的俯视示意图

图4为本发明的一个较佳实施例的薄膜天线系统的方块图

图5为本发明的一个较佳实施例的薄膜天线结构的制备方法的流程示意图

图6～10为本发明的一个较佳实施例的薄膜天线结构的制备方法的各步骤示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的薄膜天线结构，主要包括底层透明柔性层、顶层透明柔性层和夹设于底层透明柔性层和顶层透明柔性层之间的石墨烯天线层，石墨烯天线层可以为一层，也可以为多层，多层的石墨烯天线层之间夹设有层间透明柔性层。顶层透明柔性层、底层透明柔性层、石墨烯天线图案侧壁之间构成真空空腔。这里，利用真空空腔作为石墨烯天线层之间的隔离介质结构，还能够避免减弱信号。

以下结合附图1～10和具体实施例的具有两层石墨烯天线层的薄膜天线结构为例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例的薄膜天线结构，包括：底层透明柔性层01，第一层石墨烯天线层t1，层间透明柔性层02，第二层石墨烯天线层t2，顶层透明柔性层03。

本实施例中，第一层石墨烯天线层t1位于底层透明柔性层01上表面；请参阅图2并结合图1，第一层石墨烯天线层t1中具有至少一个石墨烯天线图案；本实施例中，第一层石墨烯天线层t1中具有三个不同的第一层石墨烯天线图案：第一个第一层石墨烯天线图案t11，第二个第一层石墨烯天线图案t12，第三个第一层石墨烯天线图案t13；这三个不同的第一层石墨烯天线图案分别具有根部11、12、13，三个不同的第一层石墨烯天线图案的根部11、12、13均连接于第一连接端10；第一连接端10用于与外界的馈线端连接；此外，本实施例的第一层石墨烯天线层t1中的多个不同的第一层石墨烯天线图案t11、t12、t13是一体形成的，也即是每一个第一层石墨烯天线图案t11、t12、t13包括对应的根部11、12、13都是连续的、且是一体的。本实施例中，多个不同的第一层石墨烯天线图案t11、t12、t13的长度延伸方向可以相同，如图2所示，三个第一层石墨烯天线图案t11、t12、t13的长度延伸方向为水平方向。当然，不用的石墨烯天线图案t11、t12、t13的具体形状是不同的。

三个不同的第一层石墨烯天线图案中，第一个第一层石墨烯天线图案t11呈连续曲折状且沿长度方向延伸，第二个第一层石墨烯天线图案t12以第一个第一层石墨烯天线图案t11沿竖直方向缩放得到；第三个第一层石墨烯天线图案t13以第一个第一层石墨烯天线图案t11沿竖直方向和沿水平方向缩放得到的图案再沿水平方向重复连续排列设置，最终第一个第一层石墨烯天线图案t11和第二个第一层石墨烯天线图案t12、第三个第一层石墨烯天线图案t13沿水平方向的长度相同。因此，本实施例的第一层石墨天线层t1中的第一层石墨烯天线图案，均可以认为是以其中的一个第一层石墨烯天线图案为基准例如第一个第一层石墨烯天线图案t11，沿一个或多个方向缩放得到的图案例如第二个第一层石墨烯天线图案t12，或者沿一个或多个方向缩放得到的图案再经重复排列并循环此过程得到的例如第三个第一层石墨烯天线图案t13，这里的一个或多个方向可以例如水平方向和/或竖直方向。这样，本实施例的第一层石墨烯天线层t1中可以实现多个不同频段的天线的集成。

层间透明柔性层02，位于第一层石墨烯天线层t1上表面；底层透明柔性层01、层间透明柔性层02和第一层石墨烯天线层t1侧壁之间的空隙构成多个第一真空空腔；

第二层石墨烯天线层t2，位于第一层间透明柔性层01上表面；本实施例中，请参阅图3，第二层石墨烯天线层t2中具有两个不同的第二层石墨烯天线图案：第一个第二层石墨烯天线图案t21、第二个第二层石墨烯天线图案t22，这两个不同的第二层石墨烯天线图案t21、t22分别具有根部21、22，两个不同的第二层石墨烯天线图案t21、t22的根部21、22均连接于第二连接端20；第二连接端20用于与外界的馈线端连接；此外，本实施例的第二层石墨烯天线层t02中的多个不同的第二层石墨烯天线图案t21、t22是一体形成的，也即是每一个第二层石墨烯天线图案t21、t22包括根部21、22都是连续的、且是一体的。本实施例中，多个不同的第二层石墨烯天线图案t21、t22的长度延伸方向可以相同，如图3所示，两个第二层石墨烯天线图案t21、t22的长度延伸方向为竖直方向和水平方向同时延伸。当然，不同的石墨烯天线图案t21、t22的具体形状是不同的。请参阅图3，第一个第二层石墨烯天线图案t21呈多个半圆依次缩放回旋重复排列构成一个连续的图案，第二个第二层石墨烯天线图案t22以第一个第二层石墨天线图案t21为基础，继续以半圆为单位进行缩放回旋重复排列构成一个连续的图案，也即是第一个第二层石墨烯天线图案t21以最芯部的半圆为单位进行缩放回旋重复排列得到连续图案，第二个第二层石墨烯天线图案t22也以最芯部的半圆为单位进行缩放回旋重复排列得到连续图案，且第二个第二层石墨烯天线图案t22的半圆之间的等距排布，第一个第二层石墨烯天线图案t21的半圆之间等距排布，且第一个第二层石墨烯天线图案t21的半圆之间的间距与第二个第二层石墨烯天线图案t22的半圆之间的间距相同。当然，在其它实施例中，第一个第二层石墨烯天线图案的半圆之间也可以不是等距排布，同理第二个第二层石墨烯天线图案的半圆之间也可以不是等距排布。因此，本实施例的第二层石墨烯天线层t2中的各个第二层石墨烯天线图案中，均可以认为是以一个相同的半圆作为基础单元进行缩放回旋重复排列得到的不同尺寸的连续图案。这样，本实施例的第二层石墨烯天线层t2中可以实现多个不同频段的天线的集成且区别于第一层石墨烯天线层t1的天线的频段。

顶层透明柔性层03，位于第二层石墨烯天线层t2上表面。这里，顶层透明柔性层03、层间透明柔性层02、第二层石墨烯天线图案t2侧壁之间的空隙构成多个第二真空空腔。

本实施例中，第一层石墨烯天线层t1、第二层石墨烯天线层t2均可以由透明的单原子层石墨烯薄膜制成，底层透明柔性层01、顶层透明柔性层03以及层间透明柔性层02均可以采用透明的单层氧化石墨烯薄膜制成，这样，单原子层石墨烯薄膜和单层氧化石墨烯薄膜制备的天线结构具有极薄的厚度、良好的透明度，并且能够获得较高的信号强度，在单位高度上能够制备更多层的石墨烯天线层而不会影响体积的显著增加，因此，本实施例的薄膜天线结构具有较高的集成度，有利于天线结构的薄膜化、微型化，并且薄膜天线结构具有良好的透明度，使得其可以应用于窗口材料等场合，扩展了薄膜天线结构的应用领域。

此外，本实施例中还提供了一种天线系统，请参阅图4，其包括：处理器、信号识别器、信号转送器、馈线和本实施例上述的薄膜天线结构。

本实施例中，薄膜天线结构的第一层石墨烯天线层、第二层石墨烯天线层分别与馈线相连接，具体的，这里有两根馈线，通过第一连接端和第二连接端与两根馈线一一对应相连接。

当薄膜天线结构接收信号时，通过馈线将信号传输给信号识别器；

信号识别器，接收馈线传输的信号，并且根据所设定的信号种类，对该信号进行识别并标记，然后发送至信号转送器中；

信号转送器，接收信号识别器发送的标记的信号并发送给处理器；

处理器对接收到的带有标记的信号进行处理，包括解码、转码等过程。

当薄膜天线结构发射信号时，信号转送器接收处理器发送的信号并且发送给信号识别器；信号识别器接收信号转送器发送的信号，根据所设定的信号种类，进行识别并标记，然后经馈线传输给石墨烯天线层；石墨烯天线层通过馈线接收来自信号转送器的信号后，将信号发射到外界。

此外，请参阅图5，本实施例还提供了一种本实施例上述的薄膜天线结构的制备方法，包括：

步骤01：请参阅图6，提供一底层透明柔性层01；

具体的，可以首先，提供一衬底；然后采用外延工艺在衬底上形成底层透明柔性层。

步骤02：请参阅图7，将石墨烯薄膜g1转移至底层透明柔性层01上；

具体的，这里的石墨烯薄膜为单原子层石墨烯薄膜，石墨烯薄膜的制备可以但不限于采用化学气相沉积法等来制备，这是本领域技术人员可以知晓的，这里不再赘述。

本实施例中，步骤02之后且在步骤03之间，还包括：对完成步骤02的结构进行低温键合工艺，使得石墨烯薄膜g1的边缘与对应的底层透明柔性层01的边缘相键合。

步骤03：请参阅图8并结合图7，图形化石墨烯薄膜g1，在石墨烯薄膜g1中刻蚀出至少一个石墨烯天线图案，形成第一层石墨烯天线层t1；

具体的，采用光刻和刻蚀工艺，在石墨烯薄膜中刻蚀出至少一个石墨烯天线图案。具体包括如下步骤：

步骤031：设计石墨烯天线层的掩膜版目标图案；目标图案中具有至少一个石墨烯天线图案；

步骤032：将目标图案中每个石墨烯天线图案拆分出来，构成多个掩膜版图案；所述所述石墨烯天线层中具有多个不同的石墨烯天线图案；每个石墨烯天线图案具有根部，多个不同的石墨烯天线图案的根部连接于一连接端；连接端用于与外界的馈线端连接；

具体的，本实施例中，可以将多个石墨烯天线图案的根部和连接端构成一个掩膜版图案；并且，针对具有多个石墨烯天线图案的目标图案，每个图案拆分出来构成单独的掩膜版图案。或者也可以采用相移掩膜或多重图形化方法来形成第一层石墨烯天线层的掩膜版图案的制备。

步骤033：利用每个石墨烯天线图案掩膜版对石墨烯薄膜进行多次图案化工艺，从而将每个石墨烯天线图案刻蚀到石墨烯薄膜中。

具体的，步骤033具体包括：在石墨烯薄膜上涂覆掩膜层，利用每个石墨烯天线图案掩膜版图案化石墨烯薄膜上的掩膜层，并利用图案化的掩膜层对石墨烯薄膜进行刻蚀；重复上述过程，完成多个石墨烯天线图案的制备。本实施例中，步骤033中还包括：利用多个石墨烯天线图案的根部构成的掩膜版图案，对石墨烯薄膜进行图案化，在石墨烯薄膜中形成多个石墨烯天线图案的根部和所述连接端。

例如，针对本实施例的上述第一层石墨烯天线层t1，第一层石墨烯天线层t1具有三个第一层石墨烯天线图案t11、t12、t13，在制备掩膜版时，第二个第一层石墨烯天线图案t12的掩膜版图案以第一个石墨烯天线图案t11的掩膜版图案为基础进行竖直方向缩放即可得到；第三个第一层石墨烯天线图案t13的掩膜版图案的制备时，将第一个石墨烯天线图案t11为基础沿竖直和水平方向缩放后的图案，再沿水平方向重复连续排列设置而成。同时，还可以采用相移掩膜或多重图形化方法来形成每个第一层石墨烯天线图案的掩膜版图案的制备。当然，也可以采用相移掩膜或多重图形化方法来形成第一层石墨烯天线层的目标图案的制备。

步骤03之后且在所述步骤04之前，还包括：真空环境下，制备堆叠的石墨烯天线层和层间透明柔性层的过程；请参阅图9，层间透明柔性层02设置于每层石墨烯天线层t1、t2之间。这里，本实施例中，针对上述的第二层石墨烯天线层t2，第二层石墨烯天线层t2的掩膜版图案具有两个第二层石墨烯天线图案t21、t22，可以以基础单元也即是相同的半圆进行缩放回旋重复排列得到。同时，还可以采用多重图形化方法来实现每个第二层石墨烯天线图案t21、t22的掩膜版图案的制备。当然，也可以采用相移掩膜或多重图形化方法来形成第二层石墨烯天线层的目标图案的制备。

步骤04：请参阅图10，真空下在第二层石墨烯天线层t2上覆盖顶层透明柔性层03；顶层透明柔性层03、底层透明柔性层01、石墨烯天线图案侧壁之间的空隙构成空腔。

具体的，本实施例中，由于具有两层石墨烯天线层，因此，底层透明柔性层01、层间透明柔性层02和第一层石墨烯天线层t1侧壁之间的空隙构成多个第一真空空腔；顶层透明柔性层03、层间透明柔性层02、第二层石墨烯天线图案t2侧壁之间的空隙构成多个第二真空空腔。

步骤04之后，还包括：对顶层透明柔性层03的边缘进行真空低温键合工艺，使顶层透明柔性层03的边缘与对应的第二层石墨烯天线层t2的边缘相键合。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。