一種基于石墨烯的電子電路的制作設備及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于石墨烯的電子電路的制作設備及其制作方法。包括有精密注射器、微納米纖維收集板、控制系統(tǒng)、高壓直流電源、靜電紡絲噴頭、微納米纖維、石墨烯層、基板、X-Y平臺、石墨烯氧化環(huán)境裝置?；逵糜诒Ｗo電路，石墨烯層沉積在基板上，用于電路的制作材料；近場電紡絲直寫工藝用于電路的圖案軌跡形成；石墨烯氧化過程用于電路的析出。本發(fā)明利用石墨烯帶不同帶寬而顯現(xiàn)的導電性或者半導體性質(zhì)，可以在石墨烯層上形成導體或者晶體管，把石墨烯作為靜電紡絲的接收板，利用近場電紡絲直接工藝可以在石墨烯上進行微納米纖維圖案可控沉積，制作電路軌跡，利用氧化石墨烯的不導電性，可以將沒有被微納米纖維保護的石墨烯氧化掉，從而析出電路。
【專利說明】 一種基于石墨烯的電子電路的制作設備及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種基于石墨烯的電子電路的制作設備及其制作方法，屬于基于石墨烯的電子電路的制作設備及其制作方法的創(chuàng)新技術。
【背景技術】
[0002]電紡絲技術電紡絲技術最早由Formhzls在1934年提出[I],隨后Taylor等人于1964年對靜電紡絲過程中帶電聚合物的變形提出了泰勒錐這一概念[2]，直到上個世紀90年代人們開始廣泛關注電紡絲技術。但靜電紡絲生產(chǎn)出來的納米纖維很難有序收集，也很難做到有序排布。2006年，孫道恒等人提出近場電紡直寫技術[3]，基于近場靜電紡的電紡直寫技利用電紡過程中直線穩(wěn)定射流的優(yōu)點，實現(xiàn)了單根米纖維的有序沉積，為電紡絲納米纖維的產(chǎn)業(yè)化應開拓了一種新的方法。
[0003]石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，從此，學術界開展了對石墨烯的一種研究熱潮。
[0004]石墨烯具備作為優(yōu)秀的集成電路電子器件的理想性質(zhì)。石墨烯具有高的載流子遷移率(carrier mobility),以及低噪聲,允許它被用作在場效應晶體管的通道。問題是單層的石墨烯制造困難，更難作出適當?shù)幕濉?011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造了第一個石墨烯為基礎的集成電路-寬帶無線混頻器。電路處理頻率高達10GHz，其性能在高達127°C的溫度下不受影響。
[0005]通過對石墨烯進行氧化及化工處理后得到的石墨烯氧化物(graphene oxide)的拉伸模數(shù)被測量到具有32GPa，具有很好的熱導電性和機械性能[6]
石墨烯材料的各種優(yōu)異性能，使得其被寄予很多運用，包括代替銅形成導電，以及在石墨烯上直接生產(chǎn)晶體管，還有柔性電子產(chǎn)品電路的運用，MEMS/NEMS電路等等，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是利用光刻原理，但這種工藝受到尺寸的很大限制。而將電紡工藝用于電子電路的軌跡生成，可以大大提高生產(chǎn)效率。Choi，W.M.等人在2013提出利用靜電紡絲工藝來制作石墨烯帶的方法，并得到較好的效果
目前，通過近場電紡直寫技術已經(jīng)實現(xiàn)了直徑由幾納米到數(shù)百納米范圍內(nèi)近百種不同聚合物納米纖維、各種類型聚合物、無機物復合納米纖維及無機納米纖維的制備。由高壓靜電紡絲技術所制備的納米纖維材料已經(jīng)在光電子、傳感器和生物科學領域表現(xiàn)出極大的應用潛力。但由于大部分聚合物不到導電，因此利用電紡制作器件需要在聚合物里面加上一些導電納米顆粒，而將靜電紡絲的工藝與石墨烯材料的結(jié)合，可以生產(chǎn)出性能優(yōu)異的微納電子電路及其設備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種基于石墨烯的電子電路的制作設備及其制作方法。本發(fā)明針對當前電子電路生產(chǎn)工藝中，大部分采用光刻和腐蝕的工藝，這種工藝受尺寸限制大，而且無法生產(chǎn)當前熱門的柔性電子電路。因此，本發(fā)明利用宏微復合原理，利用靜電紡絲工藝，設計了一種基于石墨烯的電子電路的制作設備。本發(fā)明設計合理，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種方便實用的基于石墨烯的電子電路的制作方法。
[0008]本發(fā)明的技術方案是:本發(fā)明的基于石墨烯的電子電路的制作設備，包括有精密注射器、微納米纖維收集板、控制系統(tǒng)、高壓直流電源、靜電紡絲噴頭、微納米纖維、石墨烯層、基板、X-Y平臺、石墨烯氧化環(huán)境裝置，其中精密注射器包括有用于給注射器提供動力的注射器推桿、注射器儲液器，其中注射器推桿安裝在注射器儲液器上，注射器儲液器用于靜電紡絲溶液的供給；用于形成微納米纖維的靜電紡絲噴頭安裝在注射器儲液器上，高壓直流電源的高電壓端通過導線與靜電紡絲噴頭連接，為靜電紡絲提供紡絲電壓；控制高壓直流電源的控制系統(tǒng)通過導線與高壓直流電源連接，高壓直流電源的低電壓端通過導線與石墨烯層相連，使得在靜電紡絲過程中靜電紡絲噴頭與石墨烯層之間形成紡絲電場，石墨烯層單層沉積在基板上作為靜電紡絲收集板；基板安裝在X-Y平臺上，X-Y平臺用于靜電紡絲器件為收集器提供X-Y方向的運動速度和方向，使得微納米纖維得到可控圖案化沉積；控制系統(tǒng)通過信號線控制X-Y平臺運動，在石墨烯層上沉積了納米纖維圖案之后，將基板連同石墨烯層送至石墨烯氧化環(huán)境裝置處進行氧化，在石墨烯氧化環(huán)境裝置的作用下有微納米纖維圖案保護的石墨烯層將不被氧化，而其他部分將被氧化成氧化石墨烯保護留下的石墨烯帶，控制系統(tǒng)通過信號線控制石墨烯氧化環(huán)境裝置。
[0009]本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法，包括如下步驟:
16)路基板的制備；
17)電路設計；
18)形成電路軌跡；
19)析出電路；
20)封裝。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:
I)本發(fā)明制作的電子電路采用石墨烯作為導電介質(zhì)，具有很高的導電率。
[0011]2)本發(fā)明采用的石墨烯具有高導熱性，可以較快把電子電路在工作中所產(chǎn)生的熱量傳導出去，保護電路。
[0012]3)本發(fā)明采用的石墨烯具有柔性，本發(fā)明可以用于柔性電子產(chǎn)品的制造。
[0013]4)本發(fā)明采用的石墨烯被氧化后得到的氧化石墨烯不導電，且具有很好的熱學和力學性能，對所得到的電子電路具有保護作用。
[0014]5)本發(fā)明采用的石墨烯帶的尺寸和形狀不同表現(xiàn)出來的半導體性質(zhì)或者高導電率性質(zhì)，可以直接在石墨烯上形成電子元件或者電路。
[0015]6)本發(fā)明采用靜電紡絲工藝繪制電路，可以進行微納米尺寸的電路繪制，同時，可加工元件的尺寸比目前的加工工藝大，可不受加工尺寸限制。
[0016]7 )本發(fā)明采用氧化技術將電子電路從石墨烯上生成，不容易出現(xiàn)短路或者斷路現(xiàn)象，而且所產(chǎn)生的不導電氧化石墨烯對有用的電子電路部分有保護作用。
[0017]本發(fā)明是一種設計巧妙，性能優(yōu)良，方便實用的基于石墨烯的電子電路的制作設 備及其制作方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作設備的原理圖；
圖2為本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作設備的正視圖；
圖3為本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作設備的左視圖；
圖4為本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例:
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、2、3、4所示，本發(fā)明的基于石墨烯的電子電路的制作設備，包括有用于靜電紡絲溶液的進給、實現(xiàn)連續(xù)紡絲的精密注射器，由石墨烯層沉積在基板上做成的微納米纖維收集板，石墨烯層作為收集板的導電層；用于提供靜電紡絲電場、形成紡絲環(huán)境的高壓直流電源，用于形成靜電紡絲的泰勒錐的靜電紡絲噴頭10，為微納米纖維的可控圖案化沉積提供速度和方向的X-Y平臺14，用來進行電路設計、數(shù)控加工以及整個生產(chǎn)工藝控制的控制系統(tǒng)3，用于氧化沒有被微納米纖維保護的石墨烯部分，使石墨烯帶析出的石墨烯氧化環(huán)境15，精密注射器包括有用于給注射器提供動力的注射器推桿1、注射器儲液器2，其中注射器推桿I安裝在注射器儲液器2上，注射器儲液器2用于靜電紡絲溶液的供給；用于形成微納米纖維11的靜電紡絲噴頭10安裝在注射器儲液器2上，高壓直流電源7的高電壓端通過導線9與靜電紡絲噴頭10連接，為靜電紡絲提供紡絲電壓；控制高壓直流電源7的控制系統(tǒng)3通過導線5與高壓直流電源7連接，高壓直流電源7的低電壓端通過導線8與石墨烯層12相連，使得在靜電紡絲過程中靜電紡絲噴頭10與石墨烯層12之間形成紡絲電場，石墨烯層12單層沉積在基板13上作為靜電紡絲收集板；基板13安裝在X-Y平臺14上，X-Y平臺14用于靜電紡絲器件為收集器提供X-Y方向的運動速度和方向，使得微納米纖維得到可控圖案化沉積；控制系統(tǒng)3通過信號線6控制X-Y平臺14運動，在石墨烯層12上沉積了納米纖維11圖案之后，將基板13連同石墨烯層12送至石墨烯氧化環(huán)境裝置15處進行氧化，在石墨烯氧化環(huán)境裝置15的作用下有微納米纖維11圖案保護的石墨烯層12將不被氧化，而其他部分將被氧化成氧化石墨烯保護留下的石墨烯帶，控制系統(tǒng)3通過信號線4控制石墨烯氧化環(huán)境裝置15。
[0020]本實施例中，上述電子電路的材料是由石墨烯制備；電子元件和電路直接在石墨烯上生成；
本實施例中，上述石墨烯電子電路基板是柔性的。
[0021]本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法，包括如下步驟:
16)路基板的制備；
17)電路設計；
18)形成電路軌跡；
19)析出電路；
20)封裝。
[0022]上述步驟16)中電路基板的制備是將單層石墨烯12沉積到基板13上；上述步驟17)中電路設計是在控制系統(tǒng)3上完成，步驟18)形成電路軌跡是通過靜電紡絲工藝在石墨烯12表面上沉積微納米纖維10。
[0023]上述靜電紡絲工藝流程為:
1)靜電紡絲溶液在注射器推桿I的作用下，從注射器儲液器2里面擠出，在靜電紡絲噴頭10上形成泰勒錐；
2)高壓直流電源7在控制系統(tǒng)3的控制下，高壓直流電源7通過導線9將高壓電傳導給靜電紡絲噴頭10，使得靜電紡絲噴頭10與石墨烯層12之間形成紡絲高壓電場；
3)當開始紡絲后，控制系統(tǒng)3通過導線6控制X-Y運動平臺14做數(shù)控插補運動，使得微納米纖維11在石墨烯層12的表面進行可控圖案化沉積；
4)靜電紡絲工藝石墨烯12表面沉積了微納米纖維11電路圖案后，將包括基板13的石墨烯層12送到石墨烯氧化環(huán)境裝置15里面氧化，沒有被微納米纖維11保護的石墨烯將被氧化成氧化石墨烯，剩下的石墨烯即為石墨烯電路。
[0024]本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法能用來生產(chǎn)MEMS或者NEMS器件；能用于制作柔性電子電路。
[0025]本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法，靜電紡絲工藝是近場靜電紡絲，微納米纖維能進行精確沉積，靜電紡絲溶液所形成的微納米纖維能保護石墨烯不被氧化，被氧化的石墨烯依然能做為電路的保護材料。
[0026]本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法，靜電紡絲工藝生產(chǎn)的微納米纖維能控制其直徑的沉積大小。
[0027]本發(fā)明基于石墨烯的電子電路的制作方法，不會把微納米纖維所覆蓋的石墨烯氧化掉。
[0028]本發(fā)明單層石墨烯沉積在電路基板上，用于靜電紡絲的收集器；本發(fā)明制作的電路的導電介質(zhì)為石墨烯，根據(jù)石墨烯的切割形狀和大小不同而表現(xiàn)的半導體性質(zhì)或者是高導電率性質(zhì)，因此可以直接在石墨烯上形成晶體管或者電路；本發(fā)明制作的電子電路的圖案繪制是由靜電紡絲工藝完成的，近場靜電紡絲工藝可以進行可控微納米纖維高精度圖案化沉積，利用石墨烯具有導電性做收集器，在石墨烯上進行微納米纖維高精度可控沉積，形成微納米電子電路。本發(fā)明石墨烯上的電子元件或者電路是在靜電紡絲工藝之后，利用氧化技術，把石墨烯上沒有被靜電紡絲產(chǎn)生的纖維覆蓋的部分氧化成不導電但力學、熱學性能很好的氧化石墨烯，這樣既可以把導電電路和電子元件留下來，還可以利用氧化石墨烯的性能，對這些功能部件進行有效的保護。
[0029]本發(fā)明的工作原理如下:近場靜電紡絲工藝可以在導電基板上進行微納米可控圖案化沉積，而單層石墨烯具有很好的導電性，而石墨烯被氧化后，不具有導電性，但氧化石墨烯的機械性能和熱學性能依然存在。因此在石墨烯上沉積電子電路微納米纖維圖案之后，把石墨烯放到氧化環(huán)境下氧化，由于電路圖案部分由微納米纖維的保護，所以不會被氧化，依然保留石墨烯的性質(zhì)存在，因此可以制作電子電路。
【權利要求】
1.一種基于石墨烯的電子電路的制作設備，其特征在于包括有精密注射器、微納米纖維收集板、控制系統(tǒng)(3)、高壓直流電源(7)、靜電紡絲噴頭(10)、微納米纖維(11)、石墨烯層(12)、基板(13)、X-Y平臺(14)、石墨烯氧化環(huán)境裝置(15)，其中精密注射器包括有用于給注射器提供動力的注射器推桿(I )、注射器儲液器(2)，其中注射器推桿(I)安裝在注射器儲液器(2)上，注射器儲液器(2)用于靜電紡絲溶液的供給；用于形成微納米纖維(11)的靜電紡絲噴頭(10)安裝在注射器儲液器(2)上，高壓直流電源(7)的高電壓端通過導線(9)與靜電紡絲噴頭(10)連接，為靜電紡絲提供紡絲電壓；控制高壓直流電源(7)的控制系統(tǒng)(3 )通過導線(5 )與高壓直流電源(7 )連接，高壓直流電源(7 )的低電壓端通過導線(8 )與石墨烯層(12)相連，使得在靜電紡絲過程中靜電紡絲噴頭(10)與石墨烯層(12)之間形成紡絲電場，石墨烯層(12)單層沉積在基板(13)上作為靜電紡絲收集板；基板(13)安裝在X-Y平臺(14)上，X-Y平臺(14)用于靜電紡絲器件為收集器提供X-Y方向的運動速度和方向，使得微納米纖維得到可控圖案化沉積；控制系統(tǒng)(3)通過信號線(6)控制X-Y平臺(14)運動，在石墨烯層(12)上沉積了納米纖維(11)圖案之后，將基板(13)連同石墨烯層(12)送至石墨烯氧化環(huán)境裝置(15)處進行氧化，在石墨烯氧化環(huán)境裝置(15)的作用下有微納米纖維(11)圖案保護的石墨烯層(12)將不被氧化，而其他部分將被氧化成氧化石墨烯保護留下的石墨烯帶，控制系統(tǒng)(3)通過信號線(4)控制石墨烯氧化環(huán)境裝置(15)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯的電子電路的制作設備，其特征在于上述電子電路的材料是由石墨稀制備；電子兀件和電路直接在石墨稀上生成。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于石墨烯的電子電路的制作設備，其特征在于上述石墨烯電子電路的基板(13 )是柔性的。
4.一種基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于包括如下步驟: 16)路基板的制備； 17)電路設計； 18)形成電路軌跡； 19)析出電路； 20)封裝。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于上述步驟16)中電路基板的制備是將單層石墨烯(12)沉積到基板(13)上；上述步驟17)中電路設計是在控制系統(tǒng)(3)上完成，步驟18)形成電路軌跡是通過靜電紡絲工藝在石墨烯層(12)表面上沉積微納米纖維(10)。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于上述靜電紡絲工藝流程為: .1)靜電紡絲溶液在注射器推桿(I)的作用下，從注射器儲液器(2)里面擠出，在靜電紡絲噴頭(10)上形成泰勒錐； 。 2 )高壓直流電源(7 )在控制系統(tǒng)(3 )的控制下，高壓直流電源(7 )通過導線(9 )將高壓電傳導給靜電紡絲噴頭(10)，使得靜電紡絲噴頭(10)與石墨烯層(12)之間形成紡絲高壓電場； 。3)當開始紡絲后，控制系統(tǒng)(3)通過導線(6)控制X-Y運動平臺(14)做數(shù)控插補運動，使得微納米纖維(11)在石墨烯層(12)表面進行可控圖案化沉積；4)靜電紡絲工藝石墨烯(12)表面沉積了微納米纖維(11)電路圖案后，將包括基板(13)的石墨烯層(12)送到石墨烯氧化環(huán)境裝置(15)里面氧化，沒有被微納米纖維(11)保護的石墨烯將被氧化成氧化石墨烯，剩下的石墨烯即為石墨烯電路。
7.根據(jù)權利要求5所述的基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于能用來生產(chǎn)MEMS或者NEMS器件；能用于制作柔性電子電路。
8.根據(jù)權利要求5所述的基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于靜電紡絲工藝是近場靜電紡絲，微納米纖維能進行精確沉積，靜電紡絲溶液所形成的微納米纖維能保護石墨烯不被氧化，被氧化的石墨烯依然能做為電路的保護材料。
9.根據(jù)權利要求5所述的基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于靜電紡絲工藝生產(chǎn)的微納米纖維能控制其直徑的沉積大小。
10.根據(jù)權利要求5所述的基于石墨烯的電子電路的制作方法，其特征在于是不會把微納米纖維所覆蓋的石墨烯氧化掉。
【文檔編號】D01D5/00GK103906365SQ201410080048
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月6日 優(yōu)先權日:2014年3月6日
【發(fā)明者】朱自明, 陳新度, 王晗, 陳新, 李炯杰, 李敏浩, 唐立虎, 曾俊, 蔡維琳 申請人:廣東工業(yè)大學