基于3D打印微带贴片天线的近红外烧结研究.pdf

第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 ()收稿日期:作者简介:曹彤()男硕士研究生助理工程师 研究方向为雷达伺服控制技术基于 打印微带贴片天线的近红外烧结研究曹 彤 黄 进 茅德旺(西安电子工程研究所 西安 西安电子科技大学 西安)摘 要:本文针对三维打印微带贴片天线中近红外烧结机理不够明确烧结可控性较差最终难以保证纳米银层电性能等问题首先采用多尺度方法将近红外烧结温度场传热模型、纳米银层表面形貌和分子动力学模型相结合系统地揭示了近红外烧结机理 之后通过参数反馈调控方法实现纳米银墨水的控性烧结 最后采用参数反馈调控方法实现了微带贴片天线的一体化成形验证了近红外烧结参数反馈调控方法的有效性关键词:微带贴片天线近红外烧结纳米银墨水烧结机理参数反馈调控中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:曹彤黄进茅德旺 基于 打印微带贴片天线的近红外烧结研究 火控雷达技术():/():引言导电图形是由纳米金属墨水在基板上形成的具有电磁功能的图案广泛应用于微带贴片天线、(射频识别)标签和电路等 近红外()烧结是通过近红外线的光热效应来实现对纳米金属墨水的烧结 近红外灯组由于色温高、加热速度快、烧结效率高等特点而得到广泛应用 在使用近红外烧结时普通纸和、等塑料基材由于基本不吸收近红外波段的光线而保持在低温状态在保证纳米银层具有良好导电性的同时也具有良好的附着力 近红外的这一特点也使其成为了在此类基材上烧结纳米金属墨水的一种理想烧结工艺纳米银墨水是纳米金属墨水中的一种典型应用材料本文采用多尺度分析的方法研究近红外烧结过程中纳米银颗粒烧结颈和致密层形成特性从而系统地揭示近红外烧结机理 基于多尺度模型提出近红外烧结参数反馈调控方法从而实现近红外对纳米银墨水的控性烧结火 控 雷 达 技 术第 卷 特征分析在近红外烧结过程中纳米银墨水通过光热机制快速加热在银纳米颗粒之间界面处实现原子扩散和颈部形成 图 显示了两个银纳米颗粒在 烧结时的构型演变图 颗粒在 烧结时构型演变 从图 中可以看出纳米颗粒间烧结颈的生长和形成在纳秒内完成在初始阶段之后由于原子扩散变得稳定位错产生逐渐停止颈宽增长变得相当缓慢 为确定烧结颈与电导率的关系对两个 颗粒间烧结颈进行计算分析 烧结后纳米银电阻率由颈宽和纳米颗粒尺寸共同决定可使用 方程预测纳米银烧结后的电阻率其表达式为 (/)()其中:表示纳米银烧结后的电阻率表示大块银材料的电阻率(大块银的电导率为/)是的颈宽 是银纳米颗粒的半径如图 中的插入图所示图 颈宽随烧结时间的变化图 显示了近红外烧结过程中颈宽的定量变化烧结颈在 时形成然后开始快速增长约 后颈尺寸趋于稳定 颈宽几乎保持不变直到烧结停止在 并且从图 可以看出纳米颗粒烧结界面处电阻率 随着近红外烧结的开始电阻率急剧降低当颈宽不变时电阻率趋于稳定 烧结后纳米银的电阻率约为大块银电阻率的 倍 也就是说烧结纳米银墨水的最终电导率约为 /模拟计算的电导率可与之后的实验结果对照参考图 近红外烧结过程中纳米银电阻率的变化 多尺度分析 近红外烧结传热模型分析由于近红外烧结纳米银墨水属于变温度场烧结所以需建立近红外烧结温度场传热模型从而对烧结状态在宏观尺度上进行分析近红外烧结传热模型需要描述两方面内容:一是模型与外部环境的换热方式与换热强度包括辐射、热传导和热对流二是纳米银墨水由于溶剂蒸发、溶质熔化导致的成第 期曹 彤等:基于 打印微带贴片天线的近红外烧结研究分改变和相变热的处理图 所示为不同功率下烧结纳米银墨水温度变化趋势可以看出在烧结时间为 时随着近红外烧结功率的增大纳米银墨水烧结温度逐渐升高图 所示为近红外烧结过程中不同烧结时间与纳米银墨水温度变化趋势的关系 可以看出在近红外烧结功率为 时随着烧结时间的增加纳米银墨水烧结温度逐渐升高图 不同烧结功率下温度变化趋势图 不同烧结时间下温度变化趋势 近红外烧结纳米银层形貌表征纳米银层表面形貌是近红外烧结结果的直观反映表面形貌的好坏直接影响到纳米银层的电性能因此需要在介观尺度上分析烧结过程中纳米金属颗粒的烧结颈和致密层形成特性进一步研究烧结成形薄膜形貌和电性能的关系并对近红外烧结状态进行分析图 不同烧结参数下纳米银层 观测图火 控 雷 达 技 术第 卷 使用 图像分析软件对纳米银层 图像做抠图处理计算空隙面积占 全图的比例据此测量纳米银层孔隙率 如图 所示为不同烧结参数下纳米银层 观测图 对纳米银层的孔洞尺寸和孔隙率进行统计结果见表 所示表 不同参数烧结纳米银层孔洞个数、面积、直径、周长和最大直径表样品编号孔洞个数平均面积()平均周长()平均直径()孔洞最大直径()孔隙率()近红外烧结纳米银墨水样品编号对应 观测图号其中每个样品打印十层纳米银墨水每层都进行近红外表干打印完后进行近红外烧结 样品 为欠烧结样品样品 为初步烧结样品样品 为正常烧结样品样品 为过烧结样品由表 可以看出随着烧结功率及时间的增加孔洞数量逐渐减小单位面积上孔隙率降低孔洞的平均面积也随之降低 整体上孔洞的平均尺寸(直径、周长以及最大直径)都随着烧结功率及时间的增加而降低对应了烧结组织致密度的提高 近红外烧结成型机理分析纳米银颗粒的表面能是近红外烧结的主要驱动力在近红外烧结时其表面能降低同时释放热量 当近红外烧结温度升高至纳米银墨水溶剂的蒸发温度时由于溶剂去除从而引起纳米银墨水失重同时伴随着吸热过程发生 在吸热过程中微观尺度上纳米银颗粒间互相融合形成烧结颈纳米银层从而具有电性能介观尺度上纳米银层表面孔隙率降低致密度增加纳米银层从而具有电性能宏观尺度上烧结温度升高至纳米银墨水熔点以上有机溶剂和无机溶剂挥发纳米银颗粒熔化结合并具有电性能图 近红外烧结参数反馈调控系统框图 由图 近红外烧结多尺度耦合关系可知烧结温度由近红外烧结时间和烧结功率决定并且烧结温度是纳米银颗粒扩散程度和电性能的决定性因素 微结构变化由纳米银层孔隙率和致密度决定微结构变化是纳米银颗粒扩散情况和纳米银层表面形貌的直观反映同时也影响着纳米银层电性能 纳米银颗粒扩散程度决定了烧结颈的变化而通过烧结颈可以预测出纳米银层电性能多尺度间相互影响共同作用决定纳米银墨水烧结情况 通过多尺度方法对近红外烧结颗粒阶段进行研究从而系统地揭示了近红外烧结机理同时为纳米银层成形过程中烧结参数设置提供工艺参考和理论支撑 参数反馈调控方法通过温度测量系统对纳米银层进行表面温度非接触式测量获得温度分布图实现对纳米银层烧结程度分析 通过视觉测量系统捕获纳米银层扫描光斑灰度变化值对纳米银层形貌进行高精度数据提取获得纳米银层表面形貌实现对纳米银层平整度评估近红外烧结参数调控主要实现近红外灯组通断控制、近红外烧结功率 选择以及近红外烧结时间调节三个功能因此近红外灯组控制模式设置为 控制近红外烧结参数反馈调控系统框图如图 所示第 期曹 彤等:基于 打印微带贴片天线的近红外烧结研究图 近红外烧结参数反馈调控系统框图 在多传感器检测系统判断纳米银层烧结状态大于期望误差后通过烧结控制电路实现近红外参数反馈调控 上位机得到烧结指令后给下位机发送 参数调节信号烧结控制电路将 转换为模拟电压从而实现近红外灯组烧结参数的调控控制信号通过串行端口协议发送到控制器 该电路采用 芯片实现 到模拟电压转换输入烧结功率变化通过模拟电压输入控制 占空比 对应模拟电压 对应 烧结功率大小变化输出烧结时间变化通过模拟电压输入时间控制 锁存时间即为模拟电压输入时间 实验验证根据功能要求对微滴喷射近红外烧结一体化成形实验平台进行分模块化设计之后将实验平台进行整体组装和调试微滴喷射近红外烧结一体化成形实验平台总装图如图 所示图 微滴喷射近红外烧结一体化成形实验平台总装图 设计以环氧树脂为基板的微带贴片天线环氧树脂背面覆铜作为地板 矩形贴片天线中心频率为采用微带线馈电方式介质基板厚度为基板介质损耗角正切值为基板介电常数为打印两个微带贴片天线样件样件 使用参数反馈调控方法对微带贴片天线烧结进行调控样件 烧结后不对烧结参数进行调控 使用表面粗糙度仪测量未调控烧结样件 值比调控烧结样件 值大一倍多结构差异明显 并用四探针测量仪分别对样件电导率进行测量经过参数反馈调控方法烧结的样件电导率为 /该实验结果达到了电导率预测结果的 而未经过参数反馈调控方法烧结的样件电导率仅为 /经过参数调控后烧结电导率提高了一个量级 如图()、图()所示分别为近红外调控参数烧结微带贴片天线(样件)和未调控参数烧结微带贴片天线(样件)图 为调控参数烧结样件、未调控参数烧结样件以及天线模型仿真回波损耗对比图火 控 雷 达 技 术第 卷图 近红外烧结后微带贴片天线图图 微带贴片天线烧结样件实测和模型仿真回波损耗对比图 对设计后的微带贴片天线进行仿真得到其回波损耗的峰值为 中心频率为 带宽为 使用矢量网络分析仪对经过参数反馈调控方法近红外烧结的微带贴片天线进行测试其回波损耗为 中心频率为 带宽为而未经过参数反馈调控方法近红外烧结的微带贴片天线回波损耗为 中心频率为 带宽为 经过参数反馈调控方法近红外烧结的微带贴片天线与仿真结果相比中心频率相差性能满足要求实测结果与仿真存在误差原因可能是打印微带线边缘精度不够导致馈电网络的损耗较小并且焊接 头时存在误差 未经过参数反馈调控方法近红外烧结的微带贴片天线与仿真结果相比中心频率相差并且带宽仅为仿真结果的一半误差较大不符合实际使用需求该对比结果说明了近红外烧结机理及参数反馈调控方法的有效性 结束语本文采用多尺度方法将近红外烧结温度场传热模型、纳米银层表面形貌和分子动力学模型相结合系统地揭示了近红外烧结机理 采用参数反馈调控方法实现了微带天线的一体化成形制造出了中心频率为 的微带天线并测试其性能电导率为 /中 心 频 率 处 的 回 波 损 耗 为 带宽为 实测结果与仿真结果接近验证了近红外烧结参数反馈调控方法的有效性参考文献:.():.薛倩李艳.印刷导电图案的近红外烧结试验.包装工程():.():.:.:.