基于摻雜有導電納米填充物的介電聚合物的分數階電容器的制造方法
【專利說明】基于摻雜有導電納米填充物的介電聚合物的分數階電容器
[0001]對相關申請的交叉引用
[0002]本申請主張于2013年3月14日提交的美國臨時專利申請第61/783，373號的權益。所提及申請的內容通過引用并入本申請中。
【背景技術】
[0003]A.發明領域
[0004]本公開一般性地涉及具有對電容器特性(包括復阻抗相位角)的改良控制的分數階電容器。電容器具有介電納米復合層，該介電納米復合層含有允許對電容器特性改良控制的填充材料。
[0005]B.相關技術說明
[0006]過去，在工程中并未研發分數階微積分，這是由于其較為復雜以及其并不具有完全可接受的幾何或物理實現的事實。例如，電組件通常限于α值分別為-1、0和I的理想電感器、電阻器和電容器的特定特性。在此背景下，α可被用于經由公式-a /2來確定器件的電流與其電壓之間的相位差。在轉變至度(即90、0和-90)時，這些值代表復阻抗相位角。
[0007]然而，由于當在實際應用中實施時電組件并不具有確切整數值的α，故具有有意將α值控制在標準組件的特性之間某處的能力可用于各種應用中，所述應用包括執行自動控制、圖案識別、系統表征、信號處理和應用與電化學、黏彈性和甚至生物及神經系統領域相關的濾波器和振蕩器。
[0008]有意設計具有范圍0〈 α〈I內的特定α值的電組件的先前嘗試通常得到極龐大設計，這些設計在許多情形下在實際應用或電路中不可用或并不實際。例如，就基于液體電極(LEB)的類型分數電容器而言，將銅電極浸沒于PMMA-氯仿溶液中，相位角根據電極的浸沒深度而變化。然而，顯而易見，此方法不允許容易地與印刷電路板和/或電子電路集成。另外，封裝這樣的裝備會得到極龐大裝置。
[0009]其他嘗試包括分形類型(FT)分數電容器設計。這些設計通常在晶圓產生上并依賴于傳輸線理論。這些類型的電容器的基本操作原理涉及產生分形幾何結構(例如短截線或傳輸線)，這些分形幾何結構繼而能夠產生基于幾何形狀和技術參數的特定阻抗。FT使用一系列產生于電路上的金屬跡線來產生阻抗而不是產生電容器。與集中式組件設計相反，這通常稱為分布式組件設計。另外，在使用FT分數電容器時，能夠獲得的α的值僅在0.46到0.5。另外，考慮到微波電路的性質，恒定相特性發生于極高頻范圍(IMHz到1GHz)處，且相位角變化約為5°。
[0010]其他方式包括通過數字近似分數階問題并計算近似解來模擬。數字近似必然受限于帶寬、計算機資源的高度消耗，并且能夠因有限精度運算而承受數值不穩定性。這些限制能夠使得數字技術不實際或不能解決許多問題，例如控制涉及強反向力的快速過程或“僵硬”過程。
【發明內容】
[0011]本發明者已發現，能夠使用二維納米材料(也闡述為填充材料)的重量百分比來控制電容器的復阻抗角。具體而言，能夠通過基于填充材料在聚合物基質中的組合選擇該填充材料(例如石墨烯)的某一重量百分比來形成電容器的介電層。重量百分比能夠被用于選擇α在0〈α〈I的范圍內的任一非整數值，這直接改變如上文所述的電容器的復阻抗相位角。
[0012]使用石墨烯作為二維納米材料的獨特方面之一涉及在介電層內形成微電容器。具體而言，通過在聚合物基質中加載石墨烯片材以使得形成分散的微電容器來控制分數電容。這極其類似于用于模擬的RC梯狀網絡并且允許調整α的值而無需復雜且龐大的電路設計。石墨烯亦具有促進電子以超高速度自由流動的獨特性質。
[0013]另外，本發明的分數階電容器的制造可擴展并且有成本效益，從而允許有效的制造和商業化。
[0014]根據本公開的一方面，分數階電容器包括厚度為t的介電納米復合層，并且包括第一側和與第一側相對的第二側。分數階電容器還包括耦合至介電納米復合層的第一側的第一電極層和耦合至介電納米復合層的第二側的第二電極層。分數階電容器亦包括復阻抗相位角，其至少取決于介電納米復合層中的填充材料的材料重量百分比。
[0015]根據本公開的另一方面，分數階電容器的介電納米復合層包括基質材料和導電填充材料，其中基質材料是聚合物，導電填充材料是石墨烯。石墨烯可部分地氧化或完全未氧化。此外，基于介電納米復合層的總重量，石墨烯的材料重量百分比為約0.1%到15%。
[0016]根據本公開的又一方面，分數階電容器的第一電極層和第二電極層包括導電材料。第一電極層包括鉑，第二電極層包括鋁。第一電極層和第二電極層可替代地包括PEDOT:PSS。
[0017]根據本公開的另一方面，分數階電容器包括0°到-90°的復阻抗相位角，或包括相對于頻率近似恒定的損耗角正切，或對于1kHz到2MHz的頻率表現出分數特性。
[0018]根據本公開的另一方面，分數階電容器可以被包括于印刷電路板或集成電路中并用于通信電路或感測電路或控制電路的至少一部分中。分數階電容器亦可以被包括于電子器件中。
[0019]根據本公開的又一方面，一種制造分數階電容器的方法包括獲得第一電極層。該方法亦包括選擇介電納米復合層中的填充材料的材料重量百分比以獲得指定復阻抗相位角。該方法還包括將介電納米復合層布置于第一電極層上。該方法亦包括將第二電極層布置于介電納米復合層上，從而將介電納米復合層布置于第一電極層與第二電極層之間。
[0020]根據本公開的另一方面，可使用基質材料和導電填充材料來制造分數階電容器的介電納米復合層，其中基質材料是聚合物并且導電填充材料是石墨烯。石墨烯可部分氧化或完全未氧化。此外，基于介電納米復合層的總重量，石墨烯的材料重量百分比為約0.1%到15%。此外，分數階電容器包括0°到-90°的復阻抗相位角，或包括相對于頻率近似恒定的損耗角正切，或對于1kHz到2MHz的頻率表現出分數特性。
[0021]根據本公開的另一方面，可使用包括導電材料的第一電極層和第二電極層來制造分數階電容器。第一電極層包括鉑，第二電極層包括鋁。替代地，第一電極層和第二電極層可包括 PEDOT: PSS。
[0022]根據本公開的又一方面，可通過溶液澆注、通過刮刀、或通過流延成型、或通過絲網印刷、或通過熱壓制將分數階電容器的介電納米復合層布置于第一電極層上。使用陰影掩模將第二電極層熱蒸發于介電納米復合層上。根據本公開的另一方面，分數階電容器可以被封裝于印刷電路板或集成電路中。
[0023]根據本公開的另一方面，使用本發明的分數階電容器中任一者操作延遲電路以向電信號施加所選延遲的方法包括選擇分數階電容器的介電納米復合層中填充材料的材料重量百分比以獲得指定復阻抗相位角。該方法還包括響應于輸入信號以一充電速率將所述分數階電容器充電至第一電壓。該方法還包括響應于輸入信號以一放電速率將所述分數階電容器放電至第二電壓。該方法還包括產生隨所述分數階電容器的復阻抗相位角變化的延遲信號。
[0024]根據本公開的另一方面，調節濾波器(其包括本發明的分數階電容器中任一者和電阻器)的頻率響應的方法包括選擇分數階電容器的介電納米復合層中填充材料的材料重量百分比以獲得指定復阻抗相位角。該方法還包括在分數電容器和電阻器的串聯組合兩端供應輸入電壓。該方法還包括基于電阻器兩端的電壓供應輸出電壓。該方法還包括測量在特定頻率下的濾波器增益。該方法還包括根據特定頻率下的濾波器增益通過改變復阻抗相位角來調節分數階電容器的電容。
[0025]根據本公開的另一方面，一種操作包括本發明的分數階電容器中任一者的RF通信電路的方法包括選擇分數階電容器的介電納米復合層中填充材料的材料重量百分比以獲得指定復阻抗相位角。該方法還包括在共振頻率下生成RF信號。該方法還包括檢測RF通信電路中的其他組件的串聯電阻值。該方法還包括設定分數階電容器的負電阻值以通過改變復阻抗相位角來抵消(Offset)RF通信電路中的其他組件的至少一部分等效串聯電阻值。
[0026]還公開了本發明的以下實施例1到44。實施例1是一種分數階電容器，所述分數階電容器包括:厚度為t的介電納米復合層，其包括第一側和與第一側相對的第二側；第一電極層，其耦合至介電納米復合層的第一側；第二電極層，其耦合至介電納米復合層的第二側；和復阻抗相位角，其至少取決于介電納米復合層中的填充材料的材料重量百分比。實施例2是實施例1的分數階電容器，其中介電納米復合層包括基質材料和導電填充材料。實施例3是實施例2的分數階電容器，其中導電填充材料是石墨烯。實施例4是實施例3的分數階電容器，其中石墨烯部分地氧化。實施例5是實施例3的分數階電容器，其中石墨烯完全未氧化。實施例6是實施例3到5中任一項的分數階電容器，其中基于介電納米復合層的總重量，石墨烯的