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一种基于柔性衬底的共面波导及制作方法

阅读：227发布：2021-12-02

专利汇可以提供一种基于柔性衬底的共面波导及制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于柔性衬底的共面波导及制作方法，具体结构为层式结构，从下至上依次为柔性衬底(3)、高介电常数介质层(4)、第一、第二GND金属层(11)、(12)以及它们之间设置的传输线金属层(2)，其中，所述传输线金属层(2)包括共面波导输入端和共面波导输出端；采用一种新型的电路结构设计以及制备工艺，在柔性PET衬底上采用磁控溅射的方法涂上一层高介电常数钛酸钡介质层作为微带线介质层。通过HFSS设计优化共面波导结构参数，通过ADS仿真得到版图设计，采用磁控溅射高介电常数介质层，光刻后金属蒸发生长技术。本发明使得柔性器件在大规模集成电路中的应用提供了可能；在柔性射频集成电路的制作与智能穿戴领域具有广泛的应用前景。，下面是一种基于柔性衬底的共面波导及制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于柔性衬底的共面波导，其特征在于，该共面波导为层式结构，从下至上依次为柔性衬底(3)、高介电常数介质层(4)、第一、第二GND金属层(11)、(12)以及它们之间设置的传输线金属层(2)，其中，所述传输线金属层(2)包括共面波导输入端和共面波导输出端。
2.一种基于柔性衬底的共面波导制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
步骤一、首先利用HFSS 软件设计并调整共面波导结构参数，在ADS仿真软件中设计出共面波导的基本原理图，采用微带电路中常用的微带线作为共面波导的优化工具，完成连线与设计，初始化共面波导的基本长宽参数，设计对称的网络结构；
步骤二、计算得到共面波导的相关参数包括基板厚度设置为0.128mm、微带线的相对介电常数为97.2、微带线的电导率为5.88E+7、微带电路的封装高度为1.0e+33mm、微带线的金属层厚度为500nm、输入端口的特征阻抗为50Ω、输出端口的特征阻抗为50Ω，通过计算得到微带线的基本长宽分别为3279μm和9.13μm、与接地面之间的距离为5μm；
步骤三、对微带线电路图进行S参数为目标的仿真与优化，添加优化控件，设置1Ghz为目标工作频率区间以及S参数在此区间的数值要求，完成对共面波导单元的优化设置；
步骤四、进行仿真，得到S参数的曲线与目标进行对比，多次优化以后得到最优结果；
步骤五、生成共面波导的版图，进行版图优化后仿真，得到仿真曲线，保存版图；
步骤六、根据生成版图制备掩膜版，在柔性衬底上磁控溅射产生97.2高介电常数的介质层；
步骤七、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗柔性衬底，随后在完成磁控溅射的衬底上进行匀胶，使用1813正性光刻胶，匀胶转速为4000r/min、匀胶时间为30s、匀胶温度为115℃，并对光刻胶在90℃进行3分钟的前烘；
步骤八、根据生成的掩膜版进行对准光刻，形成共面波导的图案；
步骤九、在形成共面波导的图案上进行金属蒸发，形成500nm厚的金电极金属层，去胶以后完成制备。

说明书全文

一种基于柔性衬底的共面波导及制作方法

技术领域

[0001] 本专利属于柔性射频电路设计领域，具体涉及到一种柔性塑料PET衬底的射频共面波导及其制备工艺。

背景技术

[0002] 柔性电子是将有机、无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子科技，在信息、能源、医疗、国防等领域都具有广泛应用。如印刷RFID、电子用表面粘贴、有机发光二极管OLED、柔性电子显示器等。本发明采用一种新型工艺，通过HFSS设计优化共面波导结构参数，通过ADS仿真得到柔性共面波导的版图设计，采用磁控溅射高介电常数介质层，光刻后金属蒸发生长技术，在柔性衬底上制备高性能的柔性射频共面波导结构，将来有望在可穿戴电子，大规模柔性集成电路等方面取得广泛应用。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提出一种基于柔性PET衬底的共面波导及制作方法，采用磁控溅射的低温工艺，设计并制备较高介电常数的介质层从而实现射频共面波导的大规模集成应用。

[0004] 本发明的一种基于柔性衬底的共面波导，该共面波导为层式结构，从下至上依次为柔性衬底3、高介电常数介质层4、第一、第二GND金属层11、12以及它们之间设置的传输线金属层2，其中，所述传输线金属层2包括共面波导输入端和共面波导输出端。

[0005] 本发明的一种基于柔性衬底的共面波导制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

[0006] 步骤一、首先利用HFSS 软件设计并调整共面波导结构参数，在ADS仿真软件中设计出共面波导的基本原理图，采用微带电路中常用的微带线作为共面波导的优化工具，完成连线与设计，初始化共面波导的基本长宽参数，设计对称的网络结构；

[0007] 步骤二、计算得到共面波导的相关参数包括基板厚度设置为0.128mm、微带线的相对介电常数为97.2、微带线的电导率为5.88E+7、微带电路的封装高度为1.0e+33mm、微带线的金属层厚度为500nm、输入端口的特征阻抗为50Ω、输出端口的特征阻抗为50Ω，通过计算得到微带线的基本长宽分别为3279μm和9.13μm、与接地面之间的距离为5μm；

[0008] 步骤三、对微带线电路图进行S参数为目标的仿真与优化，添加优化控件，设置1Ghz为目标工作频率区间以及S参数在此区间的数值要求，完成对共面波导单元的优化设置；

[0009] 步骤四、进行仿真，得到S参数的曲线与目标进行对比，多次优化以后得到最优结果；

[0010] 步骤五、生成共面波导的版图，进行版图优化后仿真，得到仿真曲线，保存版图；

[0011] 步骤六、根据生成版图制备掩膜版，在柔性衬底上磁控溅射产生97.2高介电常数的介质层；

[0012] 步骤七、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗柔性衬底，随后在完成磁控溅射的衬底上进行匀胶，使用1813正性光刻胶，匀胶转速为4000r/min、匀胶时间为30s、匀胶温度为115℃，并对光刻胶在90℃进行3分钟的前烘；

[0013] 步骤八、根据生成的掩膜版进行对准光刻，形成共面波导的图案；

[0014] 步骤九、在形成共面波导的图案上进行金属蒸发，形成500nm厚的金电极金属层，去胶以后完成制备。

[0015] 与现有技术相比，本发明预期能够达到的积极技术效果如下：

[0016] (1)采用底部PET透明衬底，降低了生产成本，使得柔性器件在大规模集成电路中的应用提供了可能；

[0017] (2)相比较于传统硅衬底，能极大的改善器件的工作功能与多状态下工作的能力，提高工作频率以及响应速度，柔性射频集成电路的制作与智能穿戴领域具有广泛的应用前景。附图说明

[0018] 图1为本发明的一种基于柔性衬底的共面波导结构示意图；

[0019] 图2为本发明的一种基于柔性衬底的共面波导结构俯视图；

[0020] 图3为本发明的一种基于柔性衬底的共面波导的S参数曲线图；S参数优化结果，包括S11、S12、S21、S22,其结果显示，在预定的1GHz工作频率附近，共面波导的S11，S22均在-30dB以下，S12，S21接近于0，具有良好的传输效率，；

[0021] 附图标记：

[0022] 11、第一GND金属层，12、第二GND金属层，2、传输线金属层，3、柔性衬底，4、高介电常数介质层

[0023] 1、共面波导输入端，2、共面波导输出端，

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

[0025] 如图1和图2所示，为本发明的一种基于柔性衬底的共面波导结构示意图。该结构为层式结构，从下至上依次为柔性衬底3(采用PET柔性塑料制成)、高介电常数介质层4(作为微带线介质层)、第一、第二GND金属层11、12以及它们之间设置的传输线金属层2。

[0026] 该共面波导的主要工作原理是：共面波导输入端连接输入信号，基于微带线的基本理论，采用HFSS软件设计实现共面波导结构参数优化,以实现在1GHz工作频率附近，具有较高的传输性能，其S11、S22，即回波损耗小于-30dB，S12、S21即插入损耗接近于零，具有接近50欧姆的输入输出阻抗，通过改变共面波导结构参数，如：线宽、线高、传输线与GND面之间的间距等，设计完成在1GHz下高性能工作的共面波导传输线。首先在HFSS中设计并调整共面波导结构参数，在ADS仿真软件中设计出共面波导的基本原理图，采用微带电路中常用的微带线，作为共面波导的优化工具，完成连线与设计，初始化共面波导的基本长宽参数，设计对称的网络结构。计算共面波导的相关参数包括基板厚度设置为0.128mm、微带线的相对介电常数为97.2、微带线的电导率为5.88E+7、微带电路的封装高度为1.0e+33mm、微带线的金属层厚度为500nm、输入端口的特征阻抗为50欧、输出端口的特征阻抗为50Ω，通过计算可得微带线的基本长宽分别为3279μm和9.13μm，与接地面之间的距离为5μm。其中基板如图1中3所示，微带线如图1中2所示，接地面如图1中11与12所示。本发明首次在柔性衬底上完成共面波导的设计，共面波导具有较好的性能以及较高的工作频率，实现了在不同弯曲状态下电路的正常工作，为柔性射频电路的大规模集成提供了可能。

[0027] 如图3所示，本发明的一种基于柔性衬底的共面波导的S参数曲线图。由于本发明为对称结构，因此S11与S22相同，S12与S21相同，S11与S22为反射系数即S参数中表示从该端口输入的信号反射回该端口的比例，表示为lg(P11/P1)，其中P1为输入信号，P11为反射回的信号，单位为dB。S12与S21为插入损耗，表示从输出端输出的信号与输入端输入的信号的比值，表示为lg(P12/P1),其中P1为输入信号，P12为输出信号。运用ADS射频电路设计与仿真软件设计并生成共面波导的版图，并将仿真结果进行优化得到S参数的仿真曲线。

[0028] 对微带线电路图进行S参数为目标的仿真与优化，添加优化控件，设置1Ghz为目标工作频率区间以及S参数在此区间的数值要求，完成对共面波导单元的优化设置。

[0029] 进行仿真，得到S参数的曲线与目标进行对比，多次优化以后得到最优结果。

[0030] 生成共面波导的版图，进行版图优化后仿真，得到仿真曲线，保存版图。

[0031] 本发明的技术方案在于采用磁控溅射工艺，将以柔性衬底作为模板，首先采用磁控溅射的方式在PET上镀一层高介电常数介电层，随后采用光刻工艺将ADS仿真结果生成的版图金属图像生成到PET上，在PET衬底上镀上高介电常数的钛酸钡介质层，随后采用光刻形成图案以及金属蒸发的方式实现金属层的制备，从而完成在HFSS和ADS软件中设计的柔性共面波导的制备。具体的制作工艺如下：

[0032] 步骤一、首先利用HFSS软件设计并调整共面波导结构参数，在ADS仿真软件中设计出共面波导的基本原理图，采用微带电路中常用的微带线作为共面波导的优化工具，完成连线与设计，初始化共面波导的基本长宽参数，设计对称的网络结构；

[0033] 步骤二、计算共面波导的相关参数，基板厚度设置为0.128mm、微带线的相对介电常数为97.2、微带线的电导率为5.88E+7、微带电路的封装高度为1.0e+33mm、微带线的金属层厚度为500nm、输入端口的特征阻抗为50Ω、输出端口的特征阻抗为50Ω，通过计算得到微带线的基本长宽分别为3279μm和9.13μm，与接地面之间的距离为5μm；

[0034] 步骤三、对微带线电路图进行S参数为目标的仿真与优化，添加优化控件，设置1Ghz为目标工作频率区间以及S参数在此区间的数值要求，完成对共面波导单元的优化设置；

[0035] 步骤四、进行仿真，得到S参数的曲线与目标进行对比，多次优化以后得到最优结果；

[0036] 步骤五、生成共面波导的版图，进行版图优化后仿真，得到仿真曲线，保存版图；

[0037] 步骤六、根据生成版图制备掩膜版，在柔性衬底上磁控溅射产生97.2高介电常数的介质层；

[0038] 步骤七、使用丙酮和异丙醇在超声中清洗柔性衬底，随后在完成磁控溅射的衬底上进行匀胶，使用1813正性光刻胶，匀胶转速为4000r/min、匀胶时间为30s、匀胶温度为115℃，并对光刻胶在90℃进行3分钟的前烘；

[0039] 步骤八、根据生成的掩膜版进行对准光刻，形成共面波导的图案；

[0040] 步骤九、在形成共面波导的图案上进行金属蒸发，形成500nm厚的金电极金属层，去胶以后完成器件的制备。

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