基于喷墨打印技术的柔性RC滤波器直接制备技术

景晓燕， 刘 禹， 唐昶宇， 梅 军

(1. 中物院成都科学技术发展中心， 四川 成都 610200； 2. 江南大学 机械工程学院， 江苏 无锡 214122)

0 引 言

印刷电子技术具有产品轻薄、 可挠曲、 可大面积制备、 生产成本低、 生产速度快和环境友好等优点[1]， 得到人们广泛关注[2]. 其应用领域包括射频识别标签[3-6]、 柔性晶体管[7-9]、 传感器[10-12]、 柔性显示器[13-14]和太阳能电池[15-16]等. 喷墨打印技术是印刷电子技术中较为常用的一种数字化制备工艺， 将导电墨水喷射到打印介质上来形成文字或图像， 是一种非接触式的打印方式， 不会限制基底材料的选择， 既可以在平面上打印， 也可以在非平面上进行图案化打印[17]. 与光刻技术相比， 喷墨打印不需要制作掩膜板， 工艺步骤简单， 既避免了材料的浪费， 又节约了制作掩膜板的成本和时间， 在个性化设计方面具有很大的优势. 因此， 喷墨打印为柔性滤波器的设计提供了一种新的快速成型方法.

正确的滤波器设计可以有效抑制无用频率信号， 可以分为无源滤波器和有源滤波器. 无源滤波器仅由电阻、 电感、 电容等无源器件组成， 而RC滤波器是常见的无源滤波器之一. 传统的滤波器是在刚性电路板上构建出滤波电路， 随着人们对电路要求的提高， 为满足小型化设计要求， 出现了集成滤波器. 近年来， 人们对柔性传感器的研究日益重视， 传统的硬质极板滤波器已无法满足需求， 使得柔性滤波器的研究受到关注. 已有文献报道， 通过喷墨打印技术制备柔性RC滤波器[18-20]. B. Chen等人首次使用全喷墨打印技术制备出全聚合物的柔性RC滤波器[19]， 该滤波器采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)作为电极材料， 电容选取平行板电容结构， 实验结果表明PEDOT/PSS作为电极材料， 性质比聚苯胺(PANI)更为稳定； G. Knopf等人[21]用石墨烯-纤维素合成墨水作为电极材料， 在聚酰亚胺基底上制备出了平面叉指结构的无源RC低通滤波器； C. Gerardo等人[22]使用导电光刻胶在聚酰亚胺基底上制备出了RC滤波器阵列， 银纳米粒子在不同区域分散的密度差异小于3.5%， 为无源器件的制备提供了一种新方法.

本文基于团队开发的银离子导电墨水来设计实验， 采用喷墨打印技术在经过表面处理的的聚酰亚胺基材上直接打印RC滤波器结构， 最后通过镀铜工艺获得柔性RC滤波器. 该滤波器的导电材料与基底之间附着力良好， 性能优异， 为后续柔性电子设备开发提供了新的工艺方法.

1 实 验

1.1 聚酰亚胺的预处理

实验采用厚度为125 μm的聚酰亚胺作为基底， 放于2 mol/L的NaOH溶液中处理15 min后取出， 再用去离子水将其清洗干净后晾干待用[23]. 使用接触角测量仪对聚酰亚胺在处理前后的接触角进行测量， 如图 1， 图 2 所示. 未经NaOH溶液处理的聚酰亚胺的接触角约为65°， 经过NaOH溶液处理 15 min 的聚酰亚胺的接触角约为41°， 结果表明NaOH溶液处理后聚酰亚胺的亲水性增强.

图 1 未经处理的聚酰亚胺的接触角Fig.1 Contact angle of untreated polyimide

图 2 NaOH溶液处理15 min的聚酰亚胺的接触角Fig.2 Contact angle of polyimide treated by NaOH solution for 15 min

1.2 墨水合成及打印参数的调节

称取适量的AgNO3放入去离子水中， 搅拌至AgNO3充分溶解后再加入一定量的无水乙醇得到使用的导电墨水. 实验中喷墨打印设备采用富士公司生产的FUJIFILM Dimatix Materials Printer DMP-2800打印机. 该打印机适用于不同材料的打印， 是实验室用得较多的一款材料打印机. 该打印机可以通过调节驱动脉冲的波形、 电压、 温度、 墨滴间距等参数来改变打印图案的精确度， 选取合适的打印参数有利于获得好的打印效果.

墨滴间距对打印图案的精确度有很大影响， 不同墨滴间距下的打印效果如图3所示. 可见， 当墨滴间距太大时墨滴间相互分离， 无法制备电子器件. 而当墨滴间距太小时， 导线中会有结晶， 在后期镀铜时有结晶的地方易形成气泡从而导致该位置的铜脱落. 从图 3 中可以看出， 墨滴间距为25 μm时导线平滑， 墨滴与墨滴之间既没有空隙也没有结晶， 打印效果好.

图 3 不同墨滴间距下的打印效果Fig.3 The printing effect of different drop spacing

1.3 RC滤波器的制备

图 4 RC低通滤波器原理图Fig.4 The schematic of RC low pass filter

RC低通滤波器的原理如图 4 所示， 其中， 电阻采用蛇形结构， 电容采用平行板结构， 电阻和电容的结构通过打印机自带软件进行绘制. 用一次性注射器吸取适量离心处理后的墨水， 将过滤后的墨水注入墨盒. 将墨盒安装在打印机上后， 把聚酰亚胺固定在基板上， 选择绘制好的打印图案和已调节好的与墨水相匹配的打印参数， 通过观察墨滴的形状和运行状态， 以此来设定打印用的喷头编号， 然后进行打印.

实验采用的镀铜液由化学镀铜水-A剂、 化学镀铜水-B剂和去离子水按一定比例配制而成. 将打印好的样品放在镀铜液中反应， 反应过程中缓慢地晃动样品， 尽量避免气泡的产生. 最后将镀铜后的滤波器用去离子水清洗干净后在室温下晾干. 制得的滤波器实物如图 5 所示. 用万用表测得滤波器的电阻为243 Ω， 电容为100 pF. 为了避免铜层被氧化， 需要在滤波器表面涂一层保护层. 取聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于无水乙醇， 搅拌均匀后用刮膜器在滤波器表面刮出一层薄膜作为滤波器的保护层.

图 5 RC滤波器实物图Fig.5 The sample of RC filter

2 结果和讨论

2.1 附着力测试

导电薄膜在聚酰亚胺表面的附着力采用百格刀作为工具进行测试. 具体做法是： 用百格刀在样品表面分别沿横向和纵向划出刻痕形成小网格， 再使用3M胶带将小网格粘住， 然后快速将胶纸撕下来. 本试验是根据ASTM D 3359测试标准判断， 用百格刀测试判定附着力， 并根据剥落程度判别其级数[24]. 测试发现金属薄膜没有被粘在胶带上而脱离聚酰亚胺基底， 该结果表明在聚酰亚胺基底上打印AgNO3墨水后再镀铜形成的金属薄膜的附着力可达到5B级.

2.2 滤波器性能测试

以普源DG1062Z型号的信号发生器产生的方波作为输入信号， 用汉泰DSO1202BV手持示波器采集输入输出波形的数据. 实验测得不同频率下的输入输出波形如图 6 所示， 结果显示低频信号无衰减地完全通过， 而高频信号被衰减， 与RC低通滤波器的特性相符合.

图 6 不同频率下滤波器的输入输出波形图(1为输入波形， 2为输出波形)Fig.6 The input and output waveform of filter under different frequency f

3 结 论

本实验基于喷墨打印技术， 利用配置的AgNO3导电墨水制备出的柔性RC低通滤波器的附着力很好， 有利于保障柔性RC滤波器在使用过程中的稳定性. 实验中所用的AgNO3导电墨水均匀且稳定， 适用于喷墨打印， 其成本远低于传统的银墨水和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS). 由于聚酰亚胺薄膜的厚度对电容值影响很大， 所以在实际应用中要减小滤波器的面积， 还需选取更薄的聚酰亚胺薄膜作为基底. 柔性传感器和可穿戴设备的发展将为柔性滤波器提供广泛的应用空间， 低成本、 小型化和个性化设计将成为柔性滤波器未来的发展趋势.

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