通过微模制来制造电气设备的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年6月8日提交的标题为“Small-Footprint AntennaStructure with High-Aspect-Ratio Conductors”的美国临时专利申请No.63/036,357和于2020年10月1日提交的标题为“Micro-Molded Gas Sensor”的美国临时专利申请No.63/086,367的优先权权益。美国临时专利申请No.63/036,357和63/086,367的公开内容出于所有目的通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般而言涉及通过微模制来制造电气设备的方法和系统；并且更具体地涉及使用微模制工艺制造具有高分辨率特征的电气设备的方法和系统。

背景技术

微模制是一种可以生产具有微米级公差的小型高精度零件和部件的制造工艺。该工艺可以从创建具有期望零件的形状的腔体的模具开始。热塑性塑料或树脂可以被快速注入腔体，从而以高速创建零件或部件。诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、碳填充液晶聚合物(LCP)或玻璃填充尼龙之类的材料可以用在微模制工艺中。也可以应用软硬度或弹性树脂。

发明内容

根据本发明的各种实施例的系统和方法使得能够使用微模制工艺来设计和制造电气设备，包括(但不限于)气体传感器、天线和电感器。许多实施例提供了在微模制工艺中使用的微模制机器的设计和结构。根据几个实施例的微模制机器可以制造具有高纵横比的高分辨率电导体。许多实施例利用高纵横比部件来生产各种配置的紧凑、高性能电气设备。几个实施例以低成本提供高分辨率和/或高纵横比部件的制造方法。一些实施例规定微模制工艺提供一致的、可重复的和简化的制造工艺。

根据几个实施例的用微模制工艺制造的气体传感器和/或气体传感器元件具有更低的功耗、增加的灵敏度、改进的选择性、增加的一致性和可控性以及减少的占地面积。许多实施例提供小占地面积天线的微模制来制造，包括(但不限于)近场天线或远场天线。几个实施例提供对于给定的天线占地面积和导体长度具有高电感和低串联电阻的紧凑天线线圈结构。根据某些实施例，天线结构的高电感和低串联电阻可以通过用高导电材料并用紧密间隔和高纵横比的电导体(迹线)制造天线线圈来实现。几个实施例规定电气设备的导电部件可以由包括(但不限于)金属纳米颗粒的纳米颗粒制成。

本发明的一个实施例包括一种微模制气体传感器，其包括至少一个气体传感器元件，其中至少一个气体传感器元件包括纳米多孔电导体，其中纳米多孔电导体包括熔融的纳米颗粒；至少一个第一电极，电连接到至少一个气体传感器元件的第一端；至少一个第二电极，电性连接到至少一个气体传感器元件的第二端；其中至少一个气体传感器元件具有对应的第一电极和第二电极对，并且由至少一个第一电极和至少一个第二电极测得的至少一个气体传感器元件的电气特点响应于与纳米多孔电导体接触的环境气体而改变。

在另一个实施例中，微模制气体传感器还包括第一气体传感器元件和第二气体传感器元件，其中第一气体传感器元件包括第一纳米颗粒组合物，并且第二气体传感器元件包括与第一纳米颗粒组成不同的第二纳米颗粒组成。

在进一步的实施例中，微模制气体传感器还包括第一气体传感器元件和第二气体传感器元件，其中第一气体传感器元件具有第一形状因子，并且第二气体传感器元件具有与第一形状因子不同的第二形状因子。

在又一个实施例中，微模制气体传感器还包括微型加热器以加热至少一个气体传感器元件。

在又一个实施例中，微型加热器包括多个微型加热器片段，这些微型加热器片段可单独控制以同时在多个微型加热器片段中的每一个中提供不同的温度。

在又一个实施例中，微模制气体传感器还包括电连接到至少一个第一电极和电连接到至少一个第二电极的传感器控制器，其中传感器控制器可操作以向至少一个气体传感器元件提供电流并测量其电阻率。

在又一个实施例中，微模制气体传感器还包括基板；部署在基板上的微型加热器；以及部署在微型加热器上的电绝缘层，其中至少一个第一电极和至少一个第二电极部署在电绝缘层上并且至少一个气体传感器元件部署在对应的第一电极和第二电极对上。

同样在又一个实施例中，至少一个气体传感器元件不延伸超过微型加热器。

在又一个实施例中，基板包括至少一个膜，其中膜具有小于大约1微米的厚度。

在另一个附加的实施例中，纳米颗粒选自金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒和掺杂的金属氧化物纳米颗粒。

同样在另一个实施例中，金属氧化物纳米颗粒是以下中的一种或多种：SnO

在又一个实施例中，金属氧化物纳米颗粒掺杂有Al、Pt、Pd、Au、Ag、Ti、Cu、Fe、Sb、Mo、Ce、Mn、Rh

在又一个实施例中，至少一个气体传感器元件具有在大约1μm至大约20μm的范围内的高度，以及在大约1μm至大约50μm的范围内的宽度。

在又一个实施例中，至少一个气体传感器元件具有小于大约100nm RMS的表面粗糙度。

再次在另一个实施例中，至少一个气体传感器元件的元件高度与至少一个气体传感器元件的元件宽度之间的比率不小于2。

在又一个实施例中，至少一个气体传感器元件的元件高度与至少一个气体传感器元件的元件宽度之间的比率不大于0.5。

在又一个实施例中，至少两个相邻的气体传感器元件之间的间距与至少一个气体传感器元件的元件宽度之间的比率不大于4。

在又一个附加实施例中，微模制气体传感器还包括至少一个将电流或电压注入至少一个气体传感器元件的力电极，以及至少一个测量电气特点的改变的感测电极。

又一附加实施例包括微模制机器，包括印模，该印模具有部署在印模的表面上的第一通道和部署在印模的表面上的第二通道；连接到第一通道的第一入口端口和连接到第二通道的与第一入口端口分开的第二入口端口；用于将第一纳米颗粒墨水供应到第一入口端口的第一纳米颗粒墨水供应器和与第一纳米颗粒墨水供应器分开的用于将第二纳米颗粒墨水供应到第二入口端口的第二纳米颗粒墨水供应器，其中第一纳米颗粒墨水包括第一纳米颗粒组成并且第二纳米颗粒墨水包括与第一纳米颗粒组成不同的第二纳米颗粒组成；泵或分配器，用于通过第一入口端口和第一通道泵送或分配第一纳米颗粒墨水并且用于通过第二入口端口和第二通道泵送或分配第二纳米颗粒墨水；以及用于使印模的表面与基板接触的接触机构。

在另一个附加实施例中，第一通道具有第一形状因子并且第二通道具有与第一形状因子不同的第二形状因子。

又一个实施例再次包括连接到第一通道或第二通道的出口端口，其中泵或分配器可操作以向出口端口提供小于大气压的压力。

另一个进一步的实施例再次包括一种微模制气体传感器元件的方法，包括：

·提供具有基板表面的基板；

·提供印模，其包括具有支撑侧和通道侧的模具层以及部署成与支撑侧接触的支撑层，其中模具层包括(i)部署在通道侧上的具有第一形状因子的第一通道、连接到第一通道的第一入口端口和连接到第一通道的第一出口端口；以及(ii)部署在通道侧上的具有第二形状因子的第二通道、连接到第二通道的第二入口和连接到第二通道的第二出口；

·提供包括第一纳米颗粒组成的第一纳米颗粒墨水和包括第二纳米颗粒组成的第二纳米颗粒墨水；

·部署与基板表面接触的模具层；

·通过第一入口端口泵送或分配第一纳米颗粒墨水并进入第一通道，以及通过第二入口端口泵送或分配第二纳米颗粒墨水并进入第二通道；

·固化第一通道中的第一纳米颗粒墨水以形成第一纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体，其电导率响应于与第一纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体接触的第一环境气体而改变；

·固化第二通道中的第二纳米颗粒墨水以形成第二纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体，其电导率响应于与第二纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体接触的第二环境气体而改变；以及

·移除印模以在基板表面形成独立的气体传感器元件。

在又一个实施例中，第一纳米颗粒组成与第二纳米颗粒组成不同，并且第一形状因子与第二形状因子相同。

在又一个进一步的实施例中，第一纳米颗粒组成与第二纳米颗粒组成相同，并且第一形状因子与第二形状因子不同。

在另一个另外的附加实施例中，第一纳米颗粒组成与第二纳米颗粒组成不同，并且第一形状因子与第二形状因子不同。

在又一个实施例中，支撑层比模具层更坚硬。

在又一个附加实施例中，通道在从通道侧进入模具层的方向上具有高度，并且该高度大于通道侧上的通道的宽度。

又一个实施例再次包括加热纳米颗粒墨水或将纳米颗粒墨水暴露于电磁辐射以加速固化步骤。

又一个实施例包括通过加热纳米颗粒或通过将纳米颗粒暴露于电磁辐射来烧结纳米颗粒。

又一附加实施例包括在泵送或分配步骤期间向入口端口提供入口压力并向出口端口提供出口压力，其中入口压力大于出口压力。

在又一个实施例中，泵送或分配纳米颗粒墨水的步骤使得纳米颗粒墨水流过通道，其中纳米颗粒墨水的流至少部分地由通道中的毛细管压力驱动。

再次在另一个实施例中，泵送或分配纳米颗粒墨水的步骤使得纳米颗粒墨水流过通道，其中纳米颗粒墨水的流通过向入口端口施加压力或向出口端口施加真空来驱动。

在又一个进一步的实施例中，印模包括选自聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚氨酯的材料。

在另一个另外的附加实施例中，至少一个墨水储存器结合到印模中。

在又一个实施例中，模具层通过结合纳米颗粒或通过包括纤维网来加强，该纤维网包括选自玻璃、钢、碳和尼龙的材料。

附加的实施例和特征部分地在随后的描述中阐述，并且部分地在检查说明书后对于本领域技术人员将变得显而易见或者可以通过本公开的实践获知。通过参考构成本公开的一部分的说明书的其余部分和附图，可以实现对本公开的性质和优点的进一步理解。

附图说明

参考以下附图将更充分地理解描述，这些附图作为本发明的示例性实施例呈现并且不应当被解释为对本发明的范围的完整叙述。

图1图示了根据本发明的实施例的气体传感器元件的平面图。

图2图示了根据本发明的实施例的气体传感器元件的横截面图。

图3图示了根据本发明的实施例的不同气体传感器元件的平面图。

图4图示了根据本发明的实施例的不同气体传感器元件的横截面图。

图5图示了根据本发明的实施例的结合在气体传感器中的微型加热器片段的平面图。

图6图示了根据本发明的实施例的气体传感器元件的详细插图的透视图和横截面。

图7图示了根据本发明的实施例的具有不同基板厚度的气体传感器。

图8图示了根据本发明的实施例的结合多个气体传感器元件的气体传感器的平面图。

图9A-9D图示了根据本发明的实施例的微模制机器的平面图和横截面。

图10图示了根据本发明的实施例的微模制来制造工艺的过程。

图11A-11D图示了根据本发明的实施例的在制造气体传感器的微模制工艺期间顺序结构的相继横截面。

图12A图示了根据本发明的实施例的高纵横比天线的平面图。

图12B图示了根据本发明的实施例的高纵横比天线的横截面图。

图13A图示了根据本发明的实施例的线圈天线的平面图。

图13B图示了根据本发明的实施例的线圈天线的横截面图。

图14A图示了根据本发明的实施例的具有天线长度L的天线的平面图。

图14B图示了根据本发明的实施例的具有天线长度L的天线的横截面图。

图15图示了根据本发明的实施例的结合热应变消除装置(relief)的线圈天线的平面图。

图16A图示了根据本发明的实施例的微模制印模的平面图。

图16B-16C图示了根据本发明的实施例的微模制印模的横截面图。

图17A-17D图示了根据本发明的实施例的在制造高纵横比天线的微模制工艺期间顺序结构的相继横截面图。

图18图示了根据本发明的实施例的天线系统的横截面图。

图19图示了根据本发明的实施例的多层高纵横比天线的分解透视图。

当结合附图时从下面阐述的详细描述，本公开的特征和优点将变得更加明显，在附图中，相似的附图标记始终识别对应的元件。在附图中，相似的附图标记一般指示完全相同的、功能相似的和/或结构相似的元件。附图未按比例绘制，因为附图中各种元件的尺寸变化太大以至于不允许按比例绘制。

具体实施方式

现在转向附图，描述用于使用微模制工艺制造电气设备的系统和方法。许多实施例提供了在微模制工艺中使用的微模制机器的设计和结构。根据几个实施例的微模制机器可以制造具有高纵横比的高分辨率电导体。电导体可以集成在包括(但不限于)气体传感器、电感器、天线的电气设备中。许多实施例规定微模制机器至少包括印模。在微模制工艺期间，可以向印模供应至少一个墨水供应器。根据几个实施例的多个墨水供应器可以向微模制印模供应相同和/或不同的墨水。在几个实施例中，微模制机器具有相同和/或不同形状因子的通道。

许多实施例提供制作高纵横比电气部件和/或设备的微模制工艺。根据几个实施例的用微模制工艺制造的气体传感器和/或气体传感器元件具有更低的功耗、增加的灵敏度、改进的选择性、增加的一致性和可控性以及减少的占地面积。一些实施例规定微模制工艺提供一致的、可重复的和简化的制造工艺。在某些实施例中，气体传感器可以包括至少一个气体传感器元件。许多实施例规定多个气体传感器元件可以包括相同或不同的材料，和/或具有相同或不同的形状因子。在一些实施例中，气体传感器元件可以部署在至少一个微型加热器之上的感测电极上。几个实施例规定气体传感器元件可以暴露于环境气体。在某些实施例中，微型加热器可以加热气体传感器元件。多个实施例规定感测电极可以测量气体传感器元件的电气特点。气体传感器元件可以是由(但不限于)熔融的纳米颗粒制成的纳米多孔电导体。根据许多实施例的气体传感器元件的电气特点可以响应于与纳米多孔电导体接触的环境气体而改变。电气特点可以包括(但不限于)电阻率、电容、电感、相位及其任何组合。

在许多实施例中，微型加热器可以向气体传感器元件提供热量以控制气体传感器元件的温度。热量可以降低气体传感器元件的电阻率并增强目标气体分子与感测材料的交互，因此可以增加传感器元件对目标气体的灵敏度。在许多实施例中，气体传感器的微型加热器可以包括单独可控的微型加热器片段。根据几个实施例的单独可控的微型加热器片段可以是单独可控的以同时在每个微型加热器片段中提供不同的温度，从而使得每个感测元件对其目标气体具有更好的选择性。一些实施例规定每个微型加热器片段可以与不同的气体传感器元件相关联和/或热接触。在此类实施例中，多个微型加热器片段可以同时将对应的气体传感器元件加热到不同的温度。根据许多实施例，加热到不同温度的气体传感器元件可以被用于通过单独且分开的微型加热器电极来检测不同气体和/或不同浓度的气体。通过提供不同可控且不同的气体传感器元件，气体传感器可以同时测量不同的气体和/或不同的气体浓度并且可以被用作包括(但不限于)电子鼻的感测设备。

根据许多实施例，减少气体传感器元件的占地面积可以减少微型加热器的总面积，而不损害气体传感器元件的温度均匀性。微型加热器功率汲取可以随着面积增加而增加，因此微型加热器总面积的减少可以导致气体传感器功率消耗的减少，从而促进根据几个实施例的气体传感器在电池供电的电子设备中的使用。

许多实施例规定气体传感器的气体传感器元件可以具有几何形状，包括(但不限于)线性和直线、曲线或螺旋形。气体传感器元件可以具有不同的横截面，包括(但不限于)正方形、矩形、立方体、圆形或圆柱形。在几个实施例中，气体传感器元件高度H可以大于元件宽度W。在某些实施例中，气体传感器元件高度H可以小于元件宽度W。

根据许多实施例的多个不同的气体传感器元件可以包括由相同或不同纳米颗粒制成的电导体。根据某些实施例的多个不同气体传感器元件的不同纳米颗粒组成可以对不同气体和/或气体浓度敏感。根据几个实施例的不同纳米颗粒可以包括(但不限于)不同的纳米颗粒材料、不同的纳米颗粒掺杂、不同的纳米颗粒尺寸及其任何组合。根据一些实施例的不同气体传感器元件的纳米多孔电导体可以具有不同的纳米孔隙率，包括(但不限于)纳米孔尺寸和纳米多孔电导体中的纳米孔的数量。某些实施例规定气体传感器元件的纳米颗粒可以具有范围从大约1nm至大约1微米的直径。

许多实施例规定气体传感器的纳米颗粒可以包括(但不限于)金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒或掺杂的金属氧化物纳米颗粒。根据某些实施例的金属氧化物纳米颗粒可以包括(但不限于)SnO

许多实施例规定气体传感器的基板可以包括(但不限于)玻璃、聚合物、半导体、陶瓷、石英、金属、纸和/或蓝宝石。在几个实施例中，用于气体传感器的基板可以是印刷电路板(PCB)基板或液晶聚合物(LCP)材料。一些实施例规定基板可以是刚性的、柔性的和/或基本上平面的。在多个实施例中，基板可以在显示器、集成电路、电子设备组件或电路板行业中找到。在一些实施例中，基板可以包含CMOS和/或MEMS设备、集成电路、微处理器、微型控制器、角度测量电路系统、RF电路和收发器。

许多实施例提供高纵横比天线，包括(但不限于)使用微模制工艺制造的电感器。许多实施例规定高纵横比天线包括感应线圈。根据一些实施例的感应线圈具有导电电气材料的螺旋和/或盘旋布置。在几个实施例中，电导体具有高纵横比。在许多实施例中，对于给定的导体宽度，具有高纵横比导体的天线增加了导体的横截面积，从而降低了天线的电阻。几个实施例规定可以大大减少天线占地面积。

在许多实施例中，高纵横比电导体以各种配置布置以用于高性能电感器和包括(但不限于)近场天线的天线。某些实施例规定电线和/或迹线可以以包括(但不限于)平面矩形、圆形和/或六边形螺旋的配置布置在基板上以形成线圈。根据许多实施例的天线可以具有包括(但不限于)矩形、三角形、四边形或具有曲面的横截面。在一些实施例中，线圈可以延伸到相对于基板的法线方向，使得导体具有增加的纵横比。天线可以电连接到操作天线或对天线做出响应的电路。许多实施例提供可以集成到包括(但不限于)经调谐的天线系统的电子电路中的高纵横比天线。在几个实施例中，包括(但不限于)电路、集成电路(IC)、电阻器和电容器的部件可以结合到天线系统中。根据一些实施例的附加部件可以放置在线圈内部和/或外部。在某些实施例中，部件可以放置在不同的电路平面内。

在一些实施例中，几个线圈可以堆叠以增加线圈的电感。在许多实施例中，高纵横比天线可以是多层天线。根据一些实施例的每个天线层可以通过绝缘体与相邻的层分开并且通过电通孔连接。在一些实施例中，与单层线圈相比，多层线圈结构的电感可以得到改善。根据一些实施例的线圈可以位于同一平面和/或基板上。在几个实施例中，线圈可以沿着同一轴放置在后续平面和/或基板上。根据某些实施例，线圈的设计可以是对称的和/或不对称的。

在许多实施例中，具有高纵横比的天线线圈具有小占地面积并且表现出高电感和低串联电阻。几个实施例提规定天线结构的高电感和低串联电阻可以通过用高导电材料制造天线线圈来实现，并且具有紧密间隔开和高纵横比的迹线。几个实施例规定高纵横比天线的导电迹线可以由包括(但不限于)导电颗粒、金属纳米颗粒、非导电(介电)颗粒和半导电颗粒的颗粒制成。在一些实施例中，颗粒包括由不同导电和/或非导电材料制成的纳米颗粒。在几个实施例中，纳米颗粒可以各向同性和/或各向异性地分布在天线中。金属纳米颗粒的示例包括(但不限于)：银、铜、金、镍及其任何组合。半导电颗粒的示例包括(但不限于)金属氧化物颗粒。许多实施例规定颗粒可以作为液体溶剂中的悬浮液提供。根据几个实施例的纳米颗粒可以具有在大约1nm至大约5μm范围内的直径。

许多实施例规定高纵横比天线结构可以包括多个天线，包括(但不限于)部署在基板上的线圈天线。几个实施例提供了可以使用微模制印模构造的高纵横比天线。在许多实施例中，高纵横比导体可以由固化在通道中的纳米颗粒墨水构成，该通道部署在施加到基板表面上的微模制印模中。这个过程使天线和电感器的维度适合小型和便携式电子设备。几个实施例规定天线和导体具有在从大约1μm至大约100μm范围内的维度。在某些实施例中，天线具有大于1的纵横比(导体高度与导体宽度的比率)。

许多实施例提供微模制工艺来制造高纵横比天线。几个实施例在制造天线时结合了包括微模制印模的微模制机器。在某些实施例中，微模制印模可以在基板上印刷包括纳米颗粒的高纵横比导体以形成高纵横比天线。许多实施例规定微模制印模的良好受控的表面粗糙度和纳米颗粒墨水的小尺寸使得高纵横比的均方根表面粗糙度比导体的趋肤深度小得多。在几个实施例中，天线中产生的信号在高频(1MHz和1THz之间)下具有降低的信号衰减。在高频(频率大于1MHz)下，趋肤效应会变得显著。例如，在UHF频带中，趋肤深度包括几微米，并且绝大多数电流可以在导体表面趋肤深度的大约5倍的距离内流动。导体的表面粗糙度因此会导致可测量的电阻变化，这进而导致信号衰减的增加。一般而言，均方根表面粗糙度应当远小于导体中电场的趋肤深度，以避免信号的附加衰减。一些实施例规定微模制印模具有良好受控的表面粗糙度并且纳米颗粒具有小尺寸。与包括(但不限于)丝网印刷和喷墨印刷的常规制造方法相比，根据许多实施例的高纵横比天线的印刷电导体具有大大降低的均方根表面粗糙度。几个实施例规定天线的表面粗糙度可以远低于导体的趋肤深度，并且天线中产生的信号在高频(频率在大约1MHz和大约1THz之间)具有降低的信号衰减。

许多实施例提供了以合理的成本制造高纵横比天线和/或线圈的微模制方法。在几个实施例中，具有高纵横比导体的天线可以被制造为形成或沉积在基板上的独立结构。一些实施例规定基板可以是印刷电路板(PCB)基板。根据某些实施例，可以在显示器、集成电路、电子设备组件或电路板行业中找到基板。在一些实施例中，基板可以包含CMOS和/或MEMS设备、集成电路、微处理器、微型控制器、角度测量电路系统、RF电路和收发器。

在一些实施例中，高纵横比天线可以沉积在介电基板上。根据某些实施例，大部分电流可以沿着介电基板和天线之间的界面流动。在此类实施例中，基板/天线界面的小表面粗糙度使得天线中的电阻对应地低。根据几个实施例的制造高纵横比天线的方法提供具有小表面粗糙度的光滑界面而无需电镀。电镀会降低基板上形成的结构的分辨率。在一些实施例中，在一个电镀步骤中部署的薄电镀层可以被用于在导体表面上提供导电涂层。根据一些实施例的导电涂层可以足够薄以免遮盖导体的颗粒结构。因此导体表面可以具有凹凸不平的非平面颗粒定义，其共形地遵循下面的纳米颗粒结构的轮廓并暴露导体的纳米颗粒结构。某些实施例规定薄导电层可以改善电导体的皮肤传导，同时限制电导体空间分辨率的损失。

根据许多实施例的高纵横比天线结构启用改进信号响应的更长且响应更快的天线。在几个实施例中，天线绕组可以更紧密地形成在一起。一些实施例规定天线绕组可以形成得比电镀结构更近。

在许多实施例中，高纵横比天线结构在具有较小占地面积的较小区域中针对天线的给定纵横比提供具有减小的导体线间距的相同电感。与具有相同占地面积但低纵横比的天线相比，根据几个实施例的高纵横比天线提供增加的电感和信号灵敏度，同时减小的导线间距和对于天线的给定纵横比的更多匝。在多个实施例中，导体的高纵横比提供与纵横比成比例的电容增加。

许多实施例规定具有高导电率的高纵横比线圈结构可以应用于高频电子电路设计中的高Q值、低损耗空芯电感器的设计和制造。在几个实施例中，线圈结构可以在包括(但不限于)以下领域中用作电感器：开关模式电源、射频(RF)带通、高通和低通滤波器、低损耗变压器、电感式角度和位置传感器、LC或RLC谐振器。根据一些实施例的印刷电感器和/或线圈可以被集成为分立部件、作为更大的分布式元件网络的一部分和/或包含多个无源部件的微带。一些实施例规定印刷电感器和/或线圈的高准确性可以提供包括(但不限于)以下的益处：谐振频率的更准确调谐、更小的占地面积、亚四分之一波长滤波和更高的功率耦合效率。

已经描述了实施例的某些实施方式，现在对于本领域技术人员来说显而易见的是可以使用结合本公开的概念的其它实施方式。因此，本公开不应当限于某些实施方式，而是应当仅受所附权利要求的精神和范围限制。

在整个描述中，在装置和系统被描述为具有、包含或包括特定部件的情况下，或者在过程和方法被描述为具有、包含或包括特定步骤的情况下，预期附加地存在所公开技术的装置和系统，其基本上由所列举的部件组成或由其组成，并且存在根据所公开技术的工艺和方法，其基本上由所列举的处理步骤组成或由其组成。

应当理解的是，步骤的次序或执行特定动作的次序并不重要，只要所公开的技术保持可操作即可。而且，在一些情形下可以同时进行两个或更多个步骤或动作。已经具体参考其某些实施例详细描述了本发明，但是应该理解的是，可以在本发明的精神和范围内进行变化和修改。

气体传感器

气体传感器可以被用于检测环境气体并测量大气中存在的气体浓度。感兴趣的气体可以包括有毒、易爆或环境气体。气体传感器可以被用在多种应用中，包括工业制造、化学过程控制、自然保护、个人健康监视、智能城市监视、室内/室外空气质量控制和国防。

气体传感器可以依赖暴露于对应气体传感器元件对其敏感的目标气体的气体传感器元件的属性改变。气体传感器包括将感测到的气体转换成电化学、光学、声学、测温或重力信号的各种不同的感测体系架构。其中，电转换的气体传感器是被广泛研究的传感器之一并且是常见的传感器之一。电气气体传感器可以包括两个主要部件：包括气体传感器元件的感测材料和换能器。气体传感器元件中的感测材料可以暴露于周围大气，并且如果检测到目标气体，那么其物理特性中的一个或多个发生改变，诸如材料的电导率、功函数或介电常数。在感测材料与目标气体交互之后，换能器将改变的物理特性转换成感测材料的电气特点(诸如电容(C)、电感(L)或电阻(R))的改变。然后，电路测量电流(I)或电压(V)的量值、频率(F)或相位

电转换的气体传感器可以分为至少四种不同的设备体系架构：电阻式、电容式、电感式和基于场效应的气体传感器体系架构。电子气体感测材料一般是导体或半导体，并且当暴露于目标气体时发生电气特性改变。典型的气体感测材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、碳纳米管和二维材料。大多数商用气体传感器基于金属氧化物半导体感测层，例如NiO、SnO

金属氧化物气体传感器可以是感测层厚度范围为1μm至100μm的厚膜设备或感测层厚度范围为几nm至1μm的薄膜设备。名义上相同材料的薄膜和厚膜金属氧化物气体传感器的气体感测特性在不同温度范围内对各种气体表现出截然不同的响应。

目前使用不同的技术来沉积薄膜和厚膜层金属氧化物感测膜。薄膜沉积的沉积方法包括真空沉积技术，诸如物理气相沉积、原子层沉积、分子气相沉积、热化学气相沉积或火焰喷涂热解。厚膜沉积技术包括丝网印刷、喷墨印刷、滴铸和电流体动力印刷。先进有效的金属氧化物气体传感器可以包括沉积在换能器电极上的厚多孔膜的纳米结构材料。

大多数商用气体传感器可能需要加热器来使气体传感器元件对气体敏感。由于大多数气体传感器旨在用于便携式应用，因此气体传感器的功率使用和气体传感器的物理尺寸可以是重要的性能属性。

在之前的工作中，Graf等人讨论了气体敏感金属氧化物材料，包括宽带隙半导体氧化物，诸如氧化锡、氧化镓、氧化铟或氧化锌。(参见例如M.Graf等人，Journal ofNanoparticle Research，2006，8，823-839；其公开内容通过引用整体并入本文。)一般而言，气态电子供体或受体吸附在金属氧化物上并形成表面状态，其可以与半导体金属氧化物交换电子。受体分子可以从金属氧化物半导体中提取电子并因此降低其导电性。相反的情况适用于供给电子的分子。由此可以形成空间电荷层。通过改变供体/受体的表面浓度，可以调制空间电荷区域的电导率，从而使金属氧化物半导体材料的电导率响应于分析物气体浓度的改变而改变。然后可以借助于简单的用于电导率测量的电极结构将这些化学引起的改变转换成电信号。

气体传感器元件可以包括由蒸发形成的薄膜或者包括由滴铸或丝网印刷金属氧化物气体传感器元件或通过在微型加热器上用喷墨打印机在溶液中沉积金属氧化物纳米颗粒而形成的厚膜。可以使用毛细管微模制(MIMIC)方法构造气体传感器元件。(参见例如M.Heule等人，Adv.Mater.，2001，13，23，1790-1793；以及M.Heule等人，Sensors andActuators B，2003，93，1-3，100-106；其公开内容通过引用整体并入本文。)但是，此类气体传感器具有广泛变化且不一致的性能并且可以使用比期望更多的功率。而且，可以同时感测多种气体的气体传感器，例如在电子鼻中，可能是有用的。

许多实施例提供了用微模制工艺制造的气体传感器。根据几个实施例的气体传感器具有更小的尺寸并且表现出降低的功率使用。几个实施例规定气体传感器在性能上更一致。在一些实施例中，气体传感器包括更多种类的气体传感器元件。根据几个实施例的微模制来制造工艺是简单且可重复的制造工艺。下面进一步讨论根据本发明的各种实施例的具有高分辨率气体传感器元件的系统气体传感器，该系统气体传感器是用微模制工艺制造的。

微模制气体传感器

许多实施例提供了用于制作气体传感器的结构和方法。根据几个实施例的气体传感器具有更低的功耗、增加的灵敏度、改进的选择性、增加的一致性和可控性、减少的占地面积以及简化的制造过程。气体传感器的占地面积是气体传感器在其上部署有气体传感器的基板之上的面积。至少一个气体传感器元件可以使用根据一些实施例的微模制工艺构造到表面上。许多实施例规定气体传感器元件可以包括不同的材料和/或具有不同的形状因子。在一些实施例中，气体传感器元件可以部署在至少一个微型加热器之上的感测电极上。感测电极上的气体传感器元件可以专门且直接位于至少一个微型加热器之上。几个实施例规定气体传感器元件可以暴露于环境气体。在某些实施例中，微型加热器可以加热气体传感器元件。多个实施例规定感测电极可以测量气体传感器元件的电气特点。

许多实施例提供了用微模制工艺制作的气体传感器的结构。在几个实施例中，气体传感器的至少一个元件可以用微模制工艺制成。微模制气体传感器可以包括至少一个气体传感器元件。气体传感器元件可以是由(但不限于)熔融的纳米颗粒制成的纳米多孔电导体。根据一些实施例的熔融的纳米颗粒可以是烧结或焊接的纳米颗粒。在一些实施例中，微模制气体传感器包括多个气体传感器元件。气体传感器元件可以具有元件长度L、元件高度H和元件宽度W。在几个实施例中，气体传感器元件高度H可以大于元件宽度W。在某些实施例中，电极可以电连接到气体传感器元件。一些实施例将电极称为气体传感器电极。在多个实施例中，可以结合附加的电流和/或电压注入力电极。根据几个实施例的力电极可以连接到气体传感器元件以提供4点探针测量配置。此类实施例可以通过降低或消除感测元件之间的接触电阻对测量的影响来提高气体传感器的长期稳定性。根据许多实施例的气体传感器元件的电气特点可以响应于与纳米多孔电导体接触的环境气体而改变。电气特点可以包括(但不限于)电阻率、电容、电感、相位及其任何组合。在几个实施例中，气体传感器可以包括电连接到电极的传感器控制器。在一些实施例中，传感器控制器可以可操作以通过电极和/或与气体传感器元件的其它电连接向气体传感器元件提供电流并测量其电阻率。

在一些实施例中，气体传感器可以包括多个气体传感器元件，这些元件可以基本上完全相同(例如，在制造容限内)。根据几个实施例的多个基本上完全相同的气体传感器元件可以提供冗余测量，这些冗余测量可以被组合以减少气体传感器测量的可变性并改进一致性和准确性。某些实施例规定每个气体传感器元件可以通过分开的第一电极和分开的第二电极连接到传感器控制器。多个实施例规定气体传感器元件可以电连接到共用的第一电极和/或共用的第二电极。

许多实施例规定气体传感器可以部署在基板上的至少一个微型加热器上。在几个实施例中，微型加热器可以是电微型加热器。在一些实施例中，电微型加热器可以包括至少一个微型加热器电极，包括(但不限于)电阻性导电体或电阻丝。某些实施例规定至少一个电绝缘层，包括(但不限于)介电层或SiO

在许多实施例中，微型加热器可以向气体传感器元件提供热量以控制气体传感器元件的温度。热量可以降低气体传感器元件的电阻率并增强目标气体分子与感测材料的交互，因此可以增加传感器元件对目标气体的灵敏度。在几个实施例中，气体传感器元件可以在升高的温度下更有效地操作，包括(但不限于)高于环境和/或室温的温度，诸如在大约150℃和大约350℃之间。根据实施例的微型加热器可以电连接到传感器控制器并由传感器控制器控制。

图1中图示了根据本发明的实施例的气体传感器的平面图。微模制气体传感器99包括至少一个气体传感器元件10。气体传感器元件10可以包括包含熔融的纳米颗粒的纳米多孔电导体。气体传感器元件10可以具有元件长度L、元件高度H和元件宽度W。至少第一电极30A可以电连接到气体传感器元件10，例如在气体传感器元件10的第一端处。至少第二电极30B可以电连接到气体传感器元件10，例如在气体传感器元件10的与第一端相对的第二端处。第一电极30A和第二电极30B被统称为气体传感器电极30。气体传感器元件10的电气特点响应于与纳米多孔电导体接触的环境气体而改变。在一些实施例中，气体传感器99可以包括电连接到第一电极30A和电连接到第二电极30B的传感器控制器74。传感器控制器74可以可操作以向气体传感器元件10提供电流并测量其电阻率，例如通过第一电极30A和第二电极30B或与气体传感器元件10的其它电连接。

在图1中，气体传感器99可以包括基板20和部署在基板20上的微型加热器90。电微型加热器90可以包括部署在基板20上的至少一个微型加热器电极92(诸如电阻式电导体或电阻丝)。微型加热器90可以电连接到传感器控制器74并由传感器控制器74控制。

图2中图示了根据本发明的实施例的沿着图1的横截面线A截取的气体传感器的横截面图。微模制气体传感器99包括至少一个气体传感器元件10。气体传感器元件10可以包括包含熔融的纳米颗粒的纳米多孔电导体12。熔融的纳米颗粒12可以是烧结或焊接的纳米颗粒12。气体传感器元件10可以具有元件长度L，元件高度H和元件宽度W。元件高度FI可以大于元件宽度W。

在图2中，气体传感器99可以包括基板20。可以在基板20上部署包括微型加热器电极92(诸如电阻式导体或电阻丝)的微型加热器90。电绝缘层96(例如，诸如SiO

许多实施例规定用微模制工艺制成的气体传感器可以包括彼此不同的气体传感器元件。几个实施例规定气体传感器中的多个不同气体传感器元件可以在单个气体传感器中提供不同气体和/或气体浓度的测量。一些实施例在电子鼻中实现气体传感器。根据许多实施例的多个不同气体传感器元件可以包括由不同纳米颗粒制成的电导体。根据某些实施例的多个不同气体传感器元件的不同纳米颗粒组成可以对不同气体和/或气体浓度敏感。在几个实施例中，气体传感器元件的选择性可以通过存在目标气体时的输出信号改变与存在不同气体时的输出信号改变的比率来表征。

在许多实施例中，气体传感器的多个不同气体传感器元件可以由不同的纳米颗粒制成。根据几个实施例的不同纳米颗粒可以包括(但不限于)不同的纳米颗粒材料、不同的纳米颗粒掺杂、不同的纳米颗粒尺寸及其任何组合。根据一些实施例的不同气体传感器元件的纳米多孔电导体可以具有不同的纳米孔隙率，包括(但不限于)纳米多孔电导体中的纳米孔尺寸和纳米孔的数量。

在一些实施例中，气体传感器的气体传感器元件可以具有与同一气体传感器的其它气体传感器元件相同/或不同的形状因子。形状因子的示例包括(但不限于)气体传感器元件的长度、气体传感器元件的高度、气体传感器元件的宽度和元件形状。

许多实施例规定气体传感器元件可以具有大于元件宽度W的元件高度H。在一些实施例中，元件高度H与元件宽度W之间的比率可以达到以及大于2。在几个实施例中，元件高度H与元件宽度W之间的比率可以达到以及大于4，可以达到以及大于8，可以达到以及大于16。在某些实施例中，元件高度H与元件宽度W之间的比率可以小于0.5，可以小于0.25。根据许多实施例，具有相对于元件宽度W增加的元件高度H(例如，增加的纵横比)的气体传感器元件可以具有增加的气体传感器元件表面积。几个实施例规定具有增加的表面积的气体传感器元件可以在基板之上减少的面积中更靠近地部署在一起，从而减少气体传感器的占地面积。在一些实施例中，元件宽度与元件之间的间距之间的比率可以小于4。在一些实施例中，气体传感器元件的电气特点响应可以至少部分地取决于气体传感器元件表面积，包括(但不限于)纳米多孔电导体的表面积。在多个实施例中，纳米多孔电导体可以增加感测材料和气体之间的界面面积，使得可以增加气体传感器元件对对应气体的响应。几个实施例规定包括高纵横比纳米多孔气体传感器元件的气体传感器具有增加的灵敏度和减少的占地面积。

图3中图示了根据本发明的实施例的具有不同气体传感器元件的气体传感器的平面图。气体传感器99包括彼此不同的多个气体传感器元件10A、10B、10C。气体传感器99中的多个气体传感器元件10A-C可以在单个气体传感器99中提供不同气体和/或气体浓度的测量。例如，第一气体传感器元件10A可以包括与第二气体传感器元件10B中的纳米颗粒不同的纳米颗粒。纳米颗粒可以对不同的气体和/或气体浓度敏感。

图4中图示了根据实施例的沿着图3的横截面线A截取的具有不同气体传感器元件的气体传感器的横截面图。气体传感器99包括彼此不同多个的气体传感器元件10A、10B、10C。多个气体传感器元件10A-C可以在单个气体传感器99中提供不同气体和/或气体浓度的测量。第一气体传感器元件10A可以包括第一纳米颗粒12A并且第二气体传感器元件10B可以包括与第一纳米颗粒12A不同并且对不同气体或气体浓度敏感的第二纳米颗粒12B。第一和第二纳米颗粒12A、12B被统称为纳米颗粒12。第三气体传感器元件10C也可以包括不同的纳米颗粒12(未示出)。气体传感器元件10C可以具有与第一气体传感器元件10A不同的形状因子。不同的形状因子可以是：不同的长度L(如图3中所示，第一电极30A和第二电极30B与气体传感器元件10的电连接之间的长度)、不同的横截面(例如，不同的元件高度H、不同的元件宽度W，或不同的元件形状)。

在图4中，相对于元件宽度W具有增加的元件高度H(例如，增加的纵横比)的气体传感器元件10A和10B可以具有增加的气体传感器元件表面15面积并且可以在气体传感器元件10部署在其上的基板20之上减小的区域中更靠近地部署在一起，从而减少气体传感器99的占地面积。气体传感器元件10的电气特点响应可以至少部分地取决于气体传感器元件表面15面积，例如纳米多孔电导体的表面积。气体传感器元件的纳米多孔导电体可以提高感测材料与气体之间的界面面积并增加气体传感器元件对对应气体的响应。虽然图3和图4图示了特定的气体传感器结构方案和多种不同的气体传感器元件组成，但可以根据给定应用的特定要求适当地使用任何配置和设计。

在许多实施例中，气体传感器的微型加热器可以包括单独可控的微型加热器片段。根据几个实施例的单独可控的微型加热器片段可以通过包括(但不限于)传感器控制器以同时在每个微型加热器片段中提供不同的温度来单独可控。一些实施例规定每个微型加热器片段可以与不同的气体传感器元件相关联和/或热接触。在此类实施例中，多个微型加热器片段可以同时将对应的气体传感器元件加热到不同的温度。根据许多实施例，加热到不同温度的气体传感器元件可以用于通过单独且分开的微型加热器电极来检测不同的气体和/或气体浓度。几个实施例规定基板和/或绝缘层可以具有相对高的热阻，以便在不同的微型加热器片段中实现不同的温度。通过提供不同的可控和不同的气体传感器元件，气体传感器可以同时测量不同的气体和/或不同的气体浓度并且可以包括电子鼻。

根据许多实施例，通过减少气体传感器元件的占地面积，可以减少微型加热器的总面积，而不损害气体传感器元件的温度均匀性。微型加热器功率汲取可以随着面积而增加。微型加热器总面积的减少可以导致气体传感器功耗的减少，从而促进根据几个实施例的气体传感器在电池供电的电子设备中的使用。

图5中图示了根据本发明的实施例的气体传感器中的单独可控微型加热器片段的平面图。微型加热器90包括单独可控的微型加热器片段91，他们是单独可控的(例如，通过如图1中所示的传感器控制器74)以同时在每个微型加热器片段91中提供不同的温度。每个微型加热器片段91可以与不同的气体传感器元件10相关联或热接触，并且多个微型加热器片段91可以同时将对应的气体传感器元件10加热到不同的温度，例如以通过单独且分开的微型加热器电极92(例如，第一微型加热器电极92A、第二微型加热器电极92B、第三微型加热器电极92C，统称为微型加热器电极92)检测不同的气体或气体浓度。基板20、绝缘层96或两者可以具有相对高的热阻，以便在不同的微型加热器片段91中启用不同的温度。通过提供不同的可控且不同的气体传感器元件10，气体传感器99可以同时测量不同的气体或不同的气体浓度，并且可以包括电子鼻。减小气体传感器元件10的占地面积可以减小微型加热器90的总面积而不损害气体传感器元件10的温度均匀性。由于微型加热器90功率汲取随面积而增加，因此这导致气体传感器99功率消耗的降低，从而促进这种气体传感器99在电池供电的电子设备中的使用。虽然图5图示了气体传感器方案中的特定微型加热器结合，但可以根据给定应用的特定要求适当地使用任何配置和设计。

在许多实施例中，气体传感器可以是具有尺寸在从纳米、微米到几十微米的范围内的元件的微型传感器。在一些实施例中，气体传感器元件可以具有范围从大约1微米至大约50微米的元件宽度W。在某些实施例中，气体传感器元件可以具有范围从大约5微米至大约20微米的元件宽度W。在多个实施例中，气体传感器元件的宽度W可以是大约10微米。几个实施例规定气体传感器元件可以具有范围从大约100纳米至大约20微米的元件高度H。在一些实施例中，气体传感器元件可以具有范围从大约1微米至约10微米的高度H。在某些实施例中，气体传感器元件的高度H可以是大约5微米。在许多实施例中，气体传感器元件可以在基板上分开范围从大约1微米至大约50微米的距离。几个实施例规定气体传感器元件可以在基板上分开范围从大约5微米至大约20微米的距离。在一些实施例中，气体传感器元件可以在基板上分开大约15微米的距离。许多实施例规定气体传感器电极可以具有范围从大约10nm至大约5微米的厚度。在几个实施例中，气体传感器电极可以具有大约100nm的厚度。在一些实施例中，每个气体传感器元件可以具有范围从大约1微米至大约20微米的高度H、范围从大约1微米至大约50微米的宽度。

根据几个实施例的气体传感器元件和气体传感器电极的尺寸和分离可以不使用喷墨、滴铸和/或丝网印刷技术来构造。此外，薄膜结构可以具有减小的表面积，从而降低灵敏度。许多实施例使气体传感器能够具有增加的灵敏度和减少的占地面积。几个实施例规定气体传感器元件可以被更可重复地构造并且更好地控制感测材料的量和结构，包括(但不限于)电极之间熔融的纳米颗粒，使得电气特点测量可以更一致和可重复。根据几个实施例的改进的制造保真度和再现性可以导致更好地控制气体传感器元件的表面特性，从而降低制造的气体传感器的电响应的可变性并减轻制造之后气体传感器的校准需要。

许多实施例规定气体传感器的气体传感器元件可以具有几何形状，包括(但不限于)线性和直线、曲线或螺旋形。根据几个实施例的具有单个第一电极和单个第二电极的单个气体传感器元件可以具有多个部分，每个部分与不同的纳米多孔电导体对应。在一些实施例中，多个气体传感器元件可以相互交叉和/或不同的气体传感器元件可以具有不同的相互交叉的纳米多孔电导体。气体传感器元件可以具有不同的形状和/或横截面，包括(但不限于)正方形、矩形、立方体、圆形或圆柱形。在几个实施例中，具有线性形状因子(包括(但不限于)高纵横比形状因子和远大于元件宽度W或元件高度H的元件长度L)的气体传感器元件可以在减小的表面区域中具有更大的气体传感器表面积。与使用滴铸、丝网印刷或喷墨印刷提供的气体传感器材料相比，根据某些实施例的气体传感器元件具有更大的气体传感器元件表面积。根据多个实施例的具有更大气体传感器元件表面积的气体传感器元件可以增加气体传感器元件的灵敏度并减小气体传感器的尺寸，特别是对于电子鼻中包括多个气体传感器元件的气体传感器。

许多实施例规定气体传感器元件的纳米颗粒可以具有范围从大约1nm至大约1微米的直径。在一些实施例中，纳米颗粒可以具有范围从大约10nm至大约500nm的直径。在几个实施例中，纳米颗粒可以具有大约100nm或小于大约100nm的直径。在某些实施例中，纳米颗粒具有范围从大约1nm至大约5微米的直径。

在许多实施例中，气体传感器元件的纳米多孔电导体中的纳米颗粒的组件可以不完全相同并且可以具有尺寸的分布。根据几个实施例的纳米颗粒尺寸的分布可以包括(但不限于)以标称直径为中心的直径的分布。因此，根据实施例被称为具有大约100nm直径的纳米颗粒实际上可以是具有基本上平均大约100nm(例如，在制造容限内)的直径分布的纳米颗粒的集合或组件。几个实施例规定气体传感器元件可以具有小于大约1微米RMS的表面粗糙度。在某些实施例中，气体传感器元件可以具有小于大约150nm RMS、小于大约100nmRMS和/或小于大约50nm RMS的表面粗糙度。

许多实施例规定气体传感器的纳米颗粒可以包括(但不限于)金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒或掺杂的金属氧化物纳米颗粒。根据某些实施例的金属氧化物纳米颗粒可以包括(但不限于)SnO

许多实施例规定气体传感器的基板可以包括(但不限于)玻璃、聚合物、半导体、陶瓷、石英、金属、纸和/或蓝宝石。包括基板的聚合物的示例可以包括(但不限于)Kapton(聚酰亚胺)、PET、μmMA、特氟隆(PTFE)和ETFE。半导体的示例可以包括(但不限于)Si、SiO

图6中图示了根据本发明的实施例的具有各种尺寸的气体传感器元件的气体传感器。气体传感器99可以是具有尺寸为纳米、微米或几十微米范围的元件的微型传感器。例如，气体传感器元件10可以具有范围从大约1微米至大约50微米或范围从大约5微米至大约20微米的元件宽度W。在图6中，一个气体传感器元件10的宽度W大约为10微米。气体传感器元件10可以具有范围从大约100纳米至大约20微米或范围从大约1微米至大约10微米的元件高度H。在图6中，一个气体传感器元件10的高度H是大约5微米。气体传感器元件10可以在基板20上分开范围从大约1微米至大约50微米或范围从大约5微米至大约20微米的距离。在图6中，气体传感器元件之间的距离分离是大约15微米。气体传感器电极30可以具有范围从大约10nm至大约5微米的厚度。在图6中，气体传感器电极的厚度是大约100nm。气体传感器元件10可以用纳米颗粒94制成。纳米颗粒94可以具有一定范围的直径D，例如范围从大约1nm至大约1微米，或范围从大约10nm至大约500nm。在图6中，纳米颗粒94具有大约100nm或小于大约100nm的直径，例如大约1nm至大约5微米。虽然图6图示了特定的气体传感器结构维度和气体传感器元件组成，但是可以根据给定应用的特定要求适当地使用任何配置和设计。

在许多实施例中，气体传感器可以具有带有不同厚度的区段的基板。根据一些实施例的具有较薄区段的基板可以响应于微型加热器而为气体传感器元件提供更快的温度改变和更好的热控制和温度分布。图7中图示了根据实施例的具有带有不同厚度的区段的基板的气体传感器。基板20可以在基板20的中心处具有比在基板20的边缘处更薄的基板21。这种变薄的基板21可以例如通过减少通过基板20的热损失来为气体传感器元件10提供响应于微型加热器90的更快的温度变化和更好的热控制和温度分布。在一些实施例中，更薄的基板21可以包括SiO

许多实施例规定气体传感器可以使用微模制机器(下面进一步讨论)来构造。图8中图示了根据本发明的实施例的部署在基板上或之上的气体传感器的平面图。在图8中，气体传感器99包括多个气体传感器元件10(例如，第一和第二气体传感器元件10A、10B)。每个气体传感器元件具有部署在基板20上的微型加热器电极92之上的第一和第二电极30A、30B(绝缘层96未示出)。第一和第二电极30A、30B提供对应气体传感器元件10的电导率感测并通过每个气体传感器元件10的纳米多孔电导体传导电流。

如图8中所示，可以结合附加的电流或电压注入力电极31A、31B。力电极31A、31B可以连接到气体传感器元件10以提供4点探针测量配置。这可以通过降低或消除感测元件(例如，第一和第二电极30A、30B)之间的接触电阻对测量的影响来改进的长期稳定性。虽然图7和图8图示了特定的气体传感器结构和组成，但可以根据给定应用的特定要求适当地使用任何配置和设计。

在下面进一步讨论根据本发明的各种实施例可以在微模制工艺中使用的微模制机器系统。

微模制机器

许多实施例提供可以被用于微模制工艺的微模制机器。根据几个实施例的微模制机器可以制造具有高纵横比的高分辨率电导体。电导体可以集成在包括(但不限于)气体传感器、电感器、天线的电气设备中。许多实施例规定微模制机器具有嵌入在微模制机器的至少一个表面中的各种特征。在一些实施例中，微模制机器可以充当印模以将嵌入的特征压印到基板上。在几个实施例中，微模制机器具有至少一个墨水供应器以在微模制工艺期间供应墨水。

许多实施例规定微模制机器包括至少印模。根据一些实施例，印模可以具有部署在印模的表面上的第一通道和部署在印模的表面上的第二通道。在一些实施例中，第一入口端口可以连接到第一通道，并且与第一入口端口分开的第二入口端口可以连接到第二通道。某些实施例提供第一墨水，包括(但不限于)用于将第一墨水供应到第一入口端口的纳米颗粒墨水供应器，以及提供第二墨水，包括(但不限于)与第一墨水供应器分开的用于将第二墨水供应到第二入口端口的纳米颗粒墨水供应器。在一些实施例中，微模制机器包括泵和/或分配器，用于通过第一入口端口和第一通道泵送和/或分配第一墨水，以及用于通过第二入口端口和第二通道泵送和/或分配第二墨水。根据许多实施例的微模制机器可以具有用于使印模的表面接触基板的接触机构。在一些实施例中，印模内的通道可以相对于基板上的特征定位以确保特征部署在基板上的特定位置处，在指定的位置容限内，包括(但不限于)1微米或10微米。在某些实施例中，可以使用印模和基板上的参考标记相对于基板上的特征光学地定位印模内的通道。在多个实施例中，印模内的通道可以通过机械触点相对于基板上的特征定位。

在几个实施例中，第一墨水可以是包括纳米颗粒的墨水并且第二墨水可以是包括纳米颗粒的墨水，并且第一墨水中的纳米颗粒组成可以与第二墨水中的纳米颗粒组成相同或不同。一些实施例规定第一通道可以具有第一形状因子并且第二通道可以具有与第一形状因子相同或不同的第二形状因子。在许多实施例中，微模制机器可以包括连接到第一通道或第二通道的出口端口。根据几个实施例的泵和/或分配器可以向出口端口提供小于大气压的负气压或真空。

几个实施例规定可以使用微模制机器构造气体传感器。图9A中图示了根据本发明的实施例的微模制机器的平面图在。图9B中图示了沿着图9A的横截面线A截取的微模制机器的横截面图。图9C中图示了沿着图9A的横截面线B截取的微模制印模的横截面图。图9D中图示了根据本发明的实施例的具有分离的墨水储存器的微模制机器的平面图。

微模制机器98可以包括微模制印模40，微模制印模40包括具有支撑侧46和通道侧48的模具层44。支撑层42被部署成与支撑侧46接触。支撑层42可以比模具层44更坚硬以向模具层44提供维度稳定性并且使得能够提高由微模制印模40形成的结构的分辨率。模具层44可以包括部署在模层44中的通道侧48上的至少一个通道50(例如，微通道或多个通道50，如图所示)。入口端口52连接到通道50，并且出口端口54连接到通道50。通道50在远离通道侧48朝着支撑侧46进入模具层44的方向上具有高度(与气体传感器元件高度H对应)。通道高度可以大于通道侧48上的通道50的宽度(与气体传感器元件宽度W对应)。在一些实施例中，入口和出口端口52和/或54可以延伸到模具层44的通道侧48表面。入口端口52为纳米颗粒墨水56提供进入通道50的路径，并且出口端口54为纳米颗粒墨水提供被吸进或吸出通道50的路径。模具层44可以包括弹性体材料，包括(但不限于)聚二甲基硅氧烷聚氨酯、室温硫化硅橡胶，或浇注并固化在既定母版上的光固化橡胶，例如微机加工成硅晶片的主结构，或制造在诸如硅晶片之类的基板上的聚合物结构(例如借助于光刻法)。支撑层42可以包括比模具层44更坚硬的材料，例如玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或石英，并且可以比模具层44更薄。在一些实施例中，模具层44可以通过将纳米颗粒结合到弹性材料中，或通过包括由包括(但不限于)玻璃、钢、碳或尼龙组成的纤维网来加强。支撑层42可以包括比模具层44更坚硬的材料，包括(但不限于)玻璃，并且可以比模具层44更薄。

在图9A-9D中，微模制机器98包括微模制印模40，其具有部署在微模制印模40的表面上的第一通道50A和部署在微模制印模40的表面上的第二通道50B。(第一通道50A和第二通道50B统称为通道50。)在一些实施例中，通道50具有共用的、基本上完全相同的形状因子(如图9A、9D中所示)。在一些实施例中，第一通道50A具有第一形状因子并且第二通道50B具有不同于第一形状因子的第二形状因子(如图9B中所示)。第一入口端口52A连接到第一通道50A并且第二入口端口52B连接到第二通道50B。

在一些实施例中，每个通道50具有分开且单独的入口端口52(例如，第一入口端口52A和第二入口端口52B)和分开且单独的出口端口54(例如，第一出口端口54A和第二出口端口54B)。在一些实施例中，到每个通道50的单独入口和出口端口52、54可以定位在印模中，使得任何一对端口之间的最小间距大于范围从大约100微米至大约1mm的预定距离。在一些实施例中，多个通道50共享入口端口52、出口端口54或两者。当连接到共用的入口端口52的通道50共享共用的纳米颗粒12材料时，共用的入口端口52提供结构简单性和可制造性。共用的出口端口54为从连接到共用出口端口54的通道50汲取纳米颗粒12材料提供了结构简单性和可制造性。在一些实施例中，连接到共用的入口端口52和出口端口54的通道被用于沉积用于气体传感器元件的纳米颗粒墨水，气体传感器元件是多个分开的气体传感器的一部分，这些气体传感器使用单个微模制印模40构造在共用基板20上。

在图9A中，第一入口端口52A从纳米颗粒墨水(未示出)供应器(墨水储存器58)供应并且第二入口端口52B从同一个纳米颗粒墨水供应器(墨水储存器58)供应，使得相同的纳米颗粒可以供应到第一入口端口52A和第二入口端口52B两者并且供应到第一通道50A和第二通道50B两者。

在图9D中，第一入口端口52A从纳米颗粒墨水供应器(第一墨水储存器58A)供应并且第二入口端口52B从不同的纳米颗粒墨水供应器(第二墨水储存器58B)供应，使得不同的纳米颗粒(例如，第一纳米颗粒12A和第二纳米颗粒12B，未示出)可以分别供应到第一入口端口52A和第二入口端口52B并且分别供应到第一通道50A和第二通道50B。(第一墨水储存器58A和第二墨水储存器58B统称为墨水储存器58。入口端口52和出口端口54可以包括墨水储存器58。)

在图9C中，泵70或分配器泵送和/或分配第一纳米颗粒墨水通过第一入口端口52A和第一通道50A并且泵送和/或分配第二纳米颗粒墨水通过第二入口端口52B和第二通道50B。在一些实施例中，第一和第二纳米颗粒墨水可以是相同的纳米颗粒墨水或不同的纳米颗粒墨水。泵或分配器70可以提供压力以比单独应用毛细管作用更快且成本更低地在通道50中填充纳米颗粒墨水。接触机构(例如，光机电运动控制平台62，图9B中所示，采用机械位置微型控制器和位置传感器，例如光学传感器)可以接触表面22(例如，基板20或基板20上的层，诸如绝缘层)上的微模制印模40的表面(例如，通道侧48)。因此，微模制机器98可以向基本完全相同的通道50提供不同的纳米颗粒墨水，向不同的通道50(例如，具有不同形状因子的通道50)提供基本完全相同的纳米颗粒墨水，或者向不同的通道50提供不同的纳米颗粒墨水。

入口端口52可以从纳米颗粒墨水56供应器馈送。泵和/或分配器70泵送或分配纳米颗粒墨水56通过入口端口52和通道50。泵或分配器70可以提供压力以比仅使用毛细管作用可能的更快的速度和更低的成本将纳米颗粒墨水填充到通道50中。在图11A-11D中，泵或分配器70可以在压力和真空(或部分真空或减压)下将纳米颗粒墨水56(例如，包括分散剂或溶剂57中的纳米颗粒12)从泵储存器72和墨水储存器58提供到微模制印模40的入口端口52再到出口端口54以将纳米颗粒墨水56吸入并通过通道50。微模制印模40可以包括纳米颗粒墨水56储存器58，用于控制纳米颗粒墨水56的体积和流速。入口端口52和出口端口54也可以用作集成的墨水储存器58。在一些实施例中，驱动纳米颗粒墨水56通过通道50的压力可以是由纳米颗粒墨水56和与纳米颗粒墨水56接触的微通道50的表面区域之间的力引起的毛细管压力。

虽然图9A-9D图示了具体的微模制机器结构方案和组成，但是可以根据给定应用的具体要求适当地使用任何配置和设计。下面进一步讨论根据本发明的各种实施例的可以用于制作电气设备的微模制来制造工艺的系统和方法。

使用微模制工艺制造气体传感器

许多实施例提供电子部件和/或设备的微模制工艺。电子部件和/或设备的示例包括(但不限于)气体传感器元件、天线、电感器。根据几个实施例的微模制来制造工艺实现微模制机器。许多实施例规定微模制来制造工艺可以包括(但不限于)以下步骤：

·提供具有基板表面的基板；

·提供印模，其具有带有支撑侧和通道侧的模具层以及部署成与支撑侧接触的支撑层；

·提供包括(但不限于)纳米颗粒墨水的第一墨水和包括(但不限于)纳米颗粒墨水的第二墨水；

·部署与基板表面接触的模具层；

·通过第一入口端口泵送或分配第一纳米颗粒墨水并进入第一通道；

·通过第二入口端口泵送或分配第二纳米颗粒墨水并进入第二通道；

·固化第一通道中的第一纳米颗粒墨水；

·固化第二通道中的第二纳米颗粒墨水；

·移除印模以在基板表面上形成独立部件。

在几个实施例中，模具层可以包括部署在通道侧上的具有第一形状因子的第一通道、连接到第一通道的第一入口端口和连接到第一通道的第一出口端口。在一些实施例中，模具层可以包括部署在通道侧上的具有第二形状因子的第二通道、连接到第二通道的第二入口端口和连接到第二通道的第二出口端口。根据某些实施例的模具印模可以由包括(但不限于)聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚氨酯的材料制成。多个实施例规定第一通道的第一形状因子和第二通道的第二形状因子可以具有相同或不同的形状因子。在许多实施例中，支撑层可以比模具层更坚硬。几个实施例规定通道在从通道侧进入模具层的方向上的高度可以大于通道侧上通道的宽度，或两者。在一些实施例中，印模内的特征可以相对于基板上的特征定位，以确保微模制的特征部署在基板上的特定位置，在指定的位置容限内，包括(但不限于)1微米，或10微米。在某些实施例中，可以使用印模和基板上的视觉参考标记相对于基板上的特征定位印模内的特征，

某些实施例规定第一纳米颗粒墨水和第二纳米颗粒墨水可以是相同或不同的纳米颗粒墨水。在一些实施例中，固化纳米颗粒墨水可以形成纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体。根据几个实施例的纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体可以具有响应于与纳米多孔熔融的纳米颗粒电导体接触的环境气体而改变的电导率。根据几个实施例的固化纳米颗粒墨水的步骤可以通过加热纳米颗粒墨水和/或通过将纳米颗粒墨水暴露于电磁辐射来加速。在一些实施例中，可以通过加热纳米颗粒和/或通过将纳米颗粒暴露于电磁辐射来烧结纳米颗粒。

许多实施例规定，如果入口压力大于出口压力，那么向入口端口提供入口压力并向出口端口提供出口压力可以将纳米颗粒墨水泵送通过入口端口并进入通道。在几个实施例中，泵送和/或分配纳米颗粒墨水可以使纳米颗粒墨水流过通道并且纳米颗粒墨水的流动可以至少部分地由通道中的毛细管压力驱动。在某些实施例中，泵送和/或分配纳米颗粒墨水可以使纳米颗粒墨水流过通道并且可以通过向入口端口施加压力和/或向出口端口施加真空来驱动纳米颗粒墨水的流动。

图10中图示了根据本发明的实施例的使用微模制工艺制造部件的过程。制造工艺开始于为部件提供基板100。微模制印模可以被用于部署部件105。微模制印模的模具层可以部署成与基板的基板表面接触(例如，共形接触)115。可以提供在液态或气态溶剂或分散剂中包含纳米颗粒的纳米颗粒墨水110。包括纳米颗粒的纳米颗粒墨水可以通过入口端口泵入通道120。当纳米颗粒移动通过通道时，纳米颗粒墨水中的溶剂可以扩散到模具层中，使得纳米颗粒变得紧密堆积在通道中。墨水完全润湿通道对于实现期望的形状和促进溶剂的快速提取可以是重要的，这可以通过仔细调谐所用溶剂和印模的表面能量来实现。该过程可以通过固化125来加速。根据一些实施例的固化过程包括(但不限于)将纳米颗粒墨水暴露于热和/或电磁辐射。电磁辐射的示例包括(但不限于)氙气闪光灯、红外线辐射、紫外线辐射或激光辐射。在固化过程期间，纳米颗粒墨水的溶剂可以从纳米颗粒墨水和/或模具层中驱除。在一些实施例中，被驱除的溶剂可以(至少部分地)被微模制印模的模具层吸收。可以移除130微模制印模以在基板的基板表面上形成独立的气体传感器元件。独立的气体传感器元件可以不在基板内形成或具有支撑结构和/或壁。在几个实施例中，纳米颗粒可以被烧结和/或熔融以形成气体传感器元件135。根据某些实施例的烧结和/或熔融的纳米颗粒可以通过将纳米颗粒暴露于热、UV辐射、激光辐射或电磁辐射来实现。在多个实施例中，烧结过程可以在包括(但不限于)氮气、氦气、氩气、氢气、二氧化碳的保护气氛中执行。许多实施例规定气体传感器可以在单层中和在单个步骤系列中构造，即使当多个气体传感器元件具有不同的形状因子和/或包括不同的纳米颗粒时也是如此。虽然图10图示了微模制来制造过程的具体步骤，但可以根据给定应用的具体要求酌情使用任何步骤和方法。

图11A-11D中图示了根据实施例的制造过程期间高纵横比气体传感器的相继的横截面图。在图11A-11D中，气体传感器元件10可以通过提供基板20、微模制印模40和纳米颗粒墨水56来构造，纳米颗粒墨水56包括在所提供的液态或气态溶剂或分散剂57中的纳米颗粒12。如图11A中所示，微模制印模40的模具层44被部署成与表面22(例如，基板20或绝缘层96的表面)接触(例如，共形接触)。如图11A中所示。如图11B中所示，包括纳米颗粒12的纳米颗粒墨水56可以通过入口端口52被泵送到通道50中，例如通过泵70从泵储存器72泵送。可以至少部分地通过提供(一个或多个)入口端口52与(一个或多个)出口端口54之间的压力差来提供泵送。当纳米颗粒12移动通过通道50时，纳米颗粒墨水56中的溶剂57扩散到模具层44中，从入口和出口储存器58吸入更多墨水，使得纳米颗粒12变得紧密堆积在通道50中。这个过程一直持续到结构内的平均孔尺寸与墨水中纳米颗粒12的孔尺寸相当并且所有溶剂都被提取出去，最终导致通道形状的完全模制。墨水完全润湿通道对于实现期望的形状和促进溶剂的快速提取可以是重要的，这可以通过仔细调谐所用溶剂和印模的表面能量来实现。

在图11C中，可以通过例如将纳米颗粒墨水56和/或模具层44暴露于热和/或电磁辐射60(包括(但不限于)氙灯、紫外线辐射或激光辐射)、驱除可以至少部分地被微模制印模40的模具层44吸收的溶剂57来加速和/或实现固化过程。然后移除微模制印模40以在表面22上形成气体传感器元件10(可选地具有高纵横比)。然后可以通过将纳米颗粒12暴露于热、UV辐射或激光辐射来烧结或熔融的纳米颗粒12以形成气体传感器元件10。烧结过程可以在包括(但不限于)氮气、氦气、氩气、氢气、二氧化碳的保护气氛中执行。气体传感器元件10可以是独立的，例如不在基板内形成或具有支撑结构或壁(除底层的表面22之外)。虽然图11A-11D图示了制造气体传感器的微模制工艺的具体步骤，但是可以根据给定应用的具体要求适当地使用任何步骤和方法。

下面进一步讨论根据本发明的各种实施例的可以在天线的设计中使用的具有高纵横比导体的高纵横比天线的系统。

天线

天线将电压和电流耦合到电磁场，以实现空间分离的电子设备之间的通信或电力传送。各种各样的天线可以被用于不同的应用，例如收音机、电视、WiFi、雷达和无线电力传送(WPT)。天线可以包括不同的尺寸和配置，以各种频率操作(例如从3kHz到300GHz)。电磁频谱的不同频带被保留用于不同的应用，例如收音机、电视和蜂窝电话(智能电话)。完整的天线系统通过经由电磁场或电感耦合将电导体的一个集合(“发射器”)中流动的电压和电流的电能无线耦合到电导体的另一个集合(“接收器”)中感应出的电压和电流来操作。

远场(辐射)天线系统即使在距发射器很远的地方也倾向于产生传播的电磁波，而不管接收天线是否存在。相比之下，近场(非辐射)天线系统在发射器附近产生强烈的渐逝场，适于感应耦合到附近的接收器，但不会将功率辐射到传播的自由空间电磁模式。对于在远场(辐射)范围内高效操作的天线，(一个或多个)天线的物理范围通常与正在传输的信号的波长的数量级相当，或者对于定向天线(诸如碟形天线)甚至更大。远场天线的范围从几微米到几百米不等，具体取决于频率和天线类型。近场天线可以比该波长小得多，但倾向于只能在与天线尺寸相同数量级的距离上有效操作，并且还倾向于要求低损耗导体、仔细的谐振调谐以及发射器和接收器之间的精确对准。许多不同的天线设计在使用中，例如环形天线、偶极天线、微带天线、单极天线、阵列天线和锥形天线。

各种各样的近场天线用于不同的应用，例如电子设备(诸如智能电话、射频识别(RFID)标签和阅读器)之间的近场通信(NFC)、无线电力传送、堆叠式IC中的数据传送，并且包括在各种频率下操作的许多不同尺寸和配置，例如从大约1kHz至大约1THz。近场天线可以被配置为接收和/或发送数据或电力，并且近场设备可以由诸如电池之类的外部电源供电，或者直接由从近场捕获的电力供电(诸如在RFID的情况下)。

电磁频谱的不同频带被保留用于不同的应用，例如收音机、电视和蜂窝电话(智能电话)。近场RFID系统通常在低频范围(LF，125KHz-134KHz)或高频范围(HF，3MHz-30MHz)频带中操作，诸如13.56MHz RFID系统。但是，近场RFID在超高频范围(UHF，300MHz-3GHz)频带中的操作也是可能的。

近场线圈天线

天线系统可以包括单个发射天线和单个接收天线。现代天线系统可以包含多个发射器和接收器，每个发射器和接收器至少使用一个单独的天线。在此类系统中，一些天线可以同时用作发射器和接收器。近场天线系统可以依赖于两个天线之间的电感耦合，诸如线圈型天线，以传输电信号和/或电力。当电信号通过一个线圈时，会在其近场区域中创建电磁场，这会在另一个线圈内感应出与两个线圈之间的互感成比例的电压或电流。当线圈同心定向并尽可能靠近时，以及当每个线圈本身具有最大电感时(例如，通过最大化其占地面积内的绕组数量)，互感可以被最大化。绕内部空间的每一匝迹线都被称为绕组。为了进一步提高近场天线可以在其上操作的距离，调谐每个线圈以在操作频率处进行谐振操作并最小化电阻损耗以启用高质量因数(高Q)操作可以是有用的，这可能要求对线圈的维度的精确控制。

近场天线不依赖于将电磁能辐射到远场中，使得它们可以以非常低的传输损耗被操作并且原则上受其自身电阻损耗的限制。这使得近场天线有利于诸如RFID、短距离通信和无线电力传送之类的应用。或者更一般地，对于不可能或不期望在设备之间建立直接电连接以进行数据或电力传输的任何应用，诸如堆叠的集成电路(IC)。

便携式电子设备优选的小而轻。因此，此类便携式电子设备中的线圈天线和电感器应当非常小，但具有紧密间隔的低电阻导体以维持性能。对于微电子学中的许多应用，可能期望生产具有尽可能高的电感(尽可能多的绕组)和对于任何给定的天线占地面积和导体长度尽可能低的串联电阻的紧凑型天线线圈。用于在诸如印刷电路板和集成电路之类的基板中或基板上制作小电导体的技术包括减法技术和加法技术。减法技术可以包括光化学加工、蚀刻、激光切割和机加工。添加法技术可以包括掩蔽的物理沉积(例如，真空沉积)、电镀、3D打印、喷墨印刷和导电墨水或浆料的丝网印刷。但是，喷墨印刷和丝网印刷在亚毫米尺度上的分辨率和再现性有限，且横截面形状控制不佳。如用于PCB制造时，由蚀刻掩模的构图和随后的化学蚀刻组成的光化学加工会导致被掩蔽的导体边缘的各向同性底切。底切会限制导体的可实现形式以及分隔它们的间隙，从而降低导体分辨率。在构图的金属种子层上电镀可以提高迹线的导电性，但也遭受降低的导体分辨率，因为金属沉积以名义上各向同性的方式进行，再次限制了导体迹线之间的最小间隙。最后，作为金属的替代品的导电聚合物的导电性会受到限制，例如比铜或银低几个数量级。

在以前的著作中，Ko等人描述了一种通过用纳米颗粒溶液涂覆基板并用结构化的聚二甲基硅氧烷模具压印涂层来构图电导体的方法。(参见例如Ko等人，Nano Leters，2007，第7卷，第7期，第1869-1877页；其公开内容通过引用整体并入本文。)Makihata和Pisano描述了用银纳米颗粒墨水印刷。(参见例如Makihata等人，The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology，2019，103，1709-1719；其公开内容通过引用整体并入本文。)

许多实施例提供了紧凑、高Q天线结构和/或电感器线圈的设计和制造方法以提高各种电路和无线设备的性能。几个实施例通过制造具有紧密间隔、高纵横比迹线的高导电材料的线圈来提供具有高电感和低串联电阻的紧凑天线线圈。

根据许多实施例的高纵横比线圈可以应用于高Q、低损耗空心电感器的制造中。高Q值低损耗空心电感器在高频电子电路设计中起着重要作用。许多实施例将高纵横比线圈结构实现为包括(但不限于)以下的领域中的电感器：开关电源、射频(RF)带通、高通和低通滤波器、低损耗变压器、电感式角度和位置传感器，以及LC或RLC谐振器。根据几个实施例的印刷电感器和/或线圈可以被集成为分立部件，作为包含多个无源部件的更大的分布式元件网络或微带的一部分。在此类实施例中，印刷电感器/线圈的高准确性可以提供包括(但不限于)以下的益处：谐振频率的更准确调谐、更小的占地面积、亚四分之一波长滤波、更高的功率耦合效率。

下面进一步讨论根据本发明的各种实施例的可以用于天线的设计的具有高纵横比导体的高纵横比天线的系统。

高纵横比天线

常见类型的近场天线是电感线圈，所述电感线圈包括导电电气材料的螺旋形或螺线形布置。此类电导体可以是具有各种横截面剖面的线，例如圆柱形线、矩形线或平面电导体。许多实施例将高纵横比的电导体实现为电导体。根据实施例的这些导线和/或迹线可以以包括(但不限于)平面矩形、圆形或六边形螺旋的配置布置在基板上以形成线圈。线圈可以具有介于大约1x1μm

两个近场天线之间的信号传输的质量和带宽取决于它们的互感、通过发射天线的电流的量值以及线圈被驱动的频率。互感可以由两个天线之间的物理分离和朝向以及它们各自的自感来确定。天线的半径应当被调谐到预期接收信号的距离。例如，一对外部维度为大约10mm的线圈天线在间隔距离为大约12mm时传输效果最好。互感随着每个线圈中的匝数而增加。天线应当具有低电阻。较高的电阻会导致场和信号强度的衰减，以及设备中不期望的功率耗散和发热。

许多实施例提供以各种配置布置的高纵横比电导体，用于高性能电感器和天线，包括(但不限于)近场天线。在一些实施例中，具有高纵横比导体的天线可以被制造为形成或沉积在基板上的独立结构。根据一些实施例的高纵横比导体可以由在施加到基板表面上的印模中部署的通道中固化的纳米颗粒墨水构成。几个实施例规定这些过程使得天线和电感器能够被制造成具有适合于小型和便携式电子设备的维度。在某些实施例中，天线和导体具有在大约1μm至大约100μm的范围内的维度。

许多实施例规定高纵横比天线的基板可以是任何合适的基板，包括(但不限于)玻璃、聚合物、Kapton(聚酰亚胺)、PET、PMMA、特氟龙(PTFE)、ETFE、陶瓷、低温共烧陶瓷(LTCC)、半导体、Si、SiO

在许多实施例中，高纵横比天线可以用颗粒制成，包括(但不限于)导电颗粒、金属纳米颗粒、非导电(介电)颗粒或半导体颗粒。纳米颗粒的示例包括(但不限于)银、铜、金、镍纳米颗粒或其任何组合。在一些实施例中，纳米颗粒可以被烧结。在某些实施例中，纳米颗粒可以被导体覆盖。在多个实施例中，纳米颗粒可以通过电镀被薄金属涂层覆盖。电镀可以在表面之上提供金属涂层，但也可以将涂层材料沉积在基板表面上，这会降低在基板表面上形成的结构的空间分辨率。在几个实施例中，纳米颗粒未被电镀。半导体颗粒的示例包括(但不限于)金属氧化物。在几个实施例中，颗粒可以作为在包括(但不限于)水性分散剂、有机溶剂、异丙醇、乙醇、甲苯、乙二醇、丙二醇、二甘醇、三甘醇、二甘醇单甲醚或三乙二醇单甲醚的液体溶剂中的悬浮液提供。根据某些实施例的纳米颗粒可以具有在大约1nm至大约5μm范围内的直径。一些实施例规定合适的墨水可以具有从大约0.3厘泊至大约3000厘泊的范围内的粘度。在一些实施例中，纳米颗粒可以包括由不同导电和/或非导电材料制成的不同纳米颗粒。在几个实施例中，纳米颗粒可以各向同性或各向异性地分布在天线中。

许多实施例提供高纵横比天线结构。在几个实施例中，天线可以在基板上形成线圈。在图12A中图示了根据本发明的实施例的高纵横比天线的平面图。高纵横比天线结构10包括具有基板表面22的基板20。天线30部署在基板表面22上。天线30可以在基板表面22上呈平面矩形、圆形或六角螺旋形以形成线圈。

在图12B中图示了根据本发明的实施例的沿着图12A的横截面线A截取的高纵横比天线的横截面图。高纵横比天线结构10包括具有基板表面22的基板20。天线30部署在基板表面22上。天线30可以具有矩形横截面，或任何其它期望的横截面，包括(但不限于)三角形、四边形或曲面。天线30可以电连接到操作天线30或对天线30做出响应的电路(未示出)。天线30可以由熔融的纳米颗粒12制成。天线30的电导体具有基座32，该基座32具有与基板表面22接触的导体宽度W和在远离基板表面22延伸的方向上的导体高度H。除了来自基板20上的基座32的支撑以外，天线30可以在基板表面22上独立而无需支撑。导体高度H可以大于导体宽度W。在一些实施例中，天线30可以在沿着导体的至少一个点上具有熔融的纳米颗粒12的暴露的导体表面35。在几个实施例中，导体表面35可以涂有部署在熔融的纳米颗粒12上的导电材料。暴露的导体表面35可以是天线30的外边缘或表面，可选地不包括基座32。在各种实施例中，在基板20上的电导体的长度上，天线30的电导体的尺寸、高度、宽度、纵横比、成分和密度可以变化。

在许多实施例中，部署在基板表面上的天线的基部可以具有小于50微米的导体宽度W。几个实施例提供小于25微米、小于10微米、小于5微米或小于2微米的导体宽度W。根据一些实施例，远离基板表面延伸的天线的导体高度H可以大于5微米。在某些实施例中，导体高度H可以大于10微米、大于20微米、大于50微米或大于100微米。在许多实施例中，天线具有大于1的纵横比(导体高度H与导体宽度W的比率)。在一些实施例中，天线的纵横比可以大于2.8、大于5、大于10或大于20。某些实施例规定纵横比大于2.8的天线可以具有大约2.5微米的导体宽度W和大约7微米的导体高度。

许多实施例提供结合高纵横比电导体的线圈天线。在几个实施例中，线圈天线具有从线圈天线的一端延伸到线圈天线的另一端的导体长度L。根据一些实施例的线圈天线在天线绕组之间具有分隔距离D。在许多实施例中，高纵横比天线结构可以在减小的面积和/或体积中提供更多数量的天线绕组N，从而能够提高对一定频率范围内的电磁辐射的灵敏度。频率范围的示例包括(但不限于)小于867MHz的频率。这种灵敏度对于便携式电子设备的小形状因子可以是有用的。在图13A中图示了根据本发明的实施例的线圈天线的平面图。在图13A中，高纵横比线圈天线10包括部署在基板20的基板表面22上的线圈天线30。天线30具有基板20上的第一部分36，该第一部分36与基板20上的第二部分38相邻。第一部分36和第二部分38在基板表面22之上以距离D间隔开。

在图13A中，天线30的导体长度L从天线第一端30A延伸到天线第二端30B，在天线30的绕组(与天线30的第一和第二部分36、38对应)之间具有小的间隔距离D。因此，高纵横比天线结构10可以在减小的面积或体积中在基板20之上提供更多数量的天线30绕组N，从而使得能够提高对期望频率范围内的电磁辐射的灵敏度。

在图13B中图示了根据本发明的实施例的沿着图13A的横截面线A截取的高纵横比线圈天线的横截面图。线圈天线30部署在基板20的基板表面22上。第一部分36和第二部分38在基板表面22上以距离D间隔开。距离D可以不大于导体高度H。在一些在实施例中，第一部分36与第二部分38分开小于50微米的距离D。在一些实施例中，第一部分36和第二部分38之间的距离D小于25微米、小于20微米、小于15微米、小于10微米和小于5微米。许多实施例规定天线30的绕组紧密地间隔在一起，从而使得在基板20之上的小区域中实现天线30的大导体长度L。在一些实施例中，天线30(例如，线圈)具有单匝。在几个实施例中，线圈具有包括一个或多个相邻的第一部分36和第二部分38的多匝，如图13A中所示。在某些实施例中，天线30具有在不连续拐角处接合在一起的直线段。在多个实施例中，天线30中电导体的拐角是正交(90度)角。在一些实施例中，拐角不是正交的。非正交角度的示例包括(但不限于)：60度、120度或150度。几个实施例规定天线30具有直线段。根据一些实施例，天线30具有弯曲片段或完全弯曲。

在图14A中图示了根据本发明的实施例的具有天线长度L的天线的平面图。天线30具有从天线的第一端到天线的第二端的天线长度L，天线部署在基板20的基板表面22上。在图14B中图示了根据本发明的实施例的沿着图14A的横截面线A截取的天线的横截面图。天线30具有天线基座32、天线宽度W及天线高度H。

几个实施例规定线圈天线可以具有结合热应变消除装置的片段，以防止片段在(快速)温度改变期间屈曲。在天线的烧结或操作期间会发生快速的温度改变。根据一些实施例的热应变消除装置可以将这些片段分成多个更短的片段以防止屈曲。图15中图示了根据本发明的实施例的结合热应变消除装置的线圈天线。热应变消除装置37被结合在线圈天线的片段中以通过将这些片段划分成多个较短的片段来防止在(快速)温度改变期间这些片段的屈曲。虽然图12-15图示了具体的高纵横比天线结构方案和组成，但是可以根据给定应用的具体要求适当地使用任何配置和设计。

下面进一步讨论根据本发明的各种实施例的可以用在天线的设计和/制造中的用于使用微模制工艺制作具有高纵横比导体的高纵横比天线的系统和方法。

使用微模制工艺制造高纵横比天线

许多实施例规定高纵横比微带天线可以用于高频(频率高于大约100MHz)应用，包括(但不限于)毫米电波天线和微波天线。通常，微带天线是通过使用光刻法创建蚀刻掩模并随后蚀刻金属来制造的。这是一个多步骤的过程，会限制可以在其上处理此类电路的基板的选择。通常，金属蚀刻步骤必须在生产过程的早期进行，以避免损坏或降解复杂的结构或设备(诸如存在于基板上的IC)。金属蚀刻还会限制天线导体的可行的纵横比，因为导体厚度必须小于特征间距。而且，常见的金属蚀刻技术会受到蚀刻工艺的各向同性性质的限制，这会限制高纵横比结构可以实现的形式准确性。另一方面，在真空中将金属蒸发到被掩蔽的基板上、然后通过剥离步骤移除掩模以形成高纵横比结构会浪费大部分无法回收的材料，而蒸发金属薄膜、然后进行金属的电化学沉积会限制特征间距和保真度。

许多实施例规定高纵横比天线结构可以包括多个天线，包括(但不限于)部署在基板上的线圈天线。根据几个实施例的多个天线可以形成相控阵天线。

几个实施例规定可以使用微模制印模构造的高纵横比天线。在图16A中图示了根据本发明的实施例的微模制印模的平面图。在图16B中图示了沿着图16A的横截面线A截取的微模制印模的横截面图。在图16C中图示了沿着图16A的横截面线B截取的微模制印模的横截面图。微模制印模40可以包括具有支撑侧46和通道侧48的模具层44。支撑层42被部署成与支撑侧46接触。支撑层42可以比模具层44更坚硬以对模具层44提供维度稳定性并且使得能够改进由微模制印模40形成的结构的分辨率。模具层44可以包括至少一个通道50，所述至少一个通道50部署在模具层44中的通道侧48上。入口端口52连接到通道50，并且出口端口54连接到通道50。通道50在远离通道侧48朝着支撑侧46进入模具层44的方向上的高度(与导体高度H对应)大于通道侧48上通道50的宽度(与导体宽度W对应)。在一些实施例中，入口和出口端口52和/或54可以延伸到模具层44的通道侧48表面。入口端口52为纳米颗粒墨水56提供进入通道50的路径，而出口端口54为纳米颗粒墨水提供被吸入或吸出通道50的路径。模具层44可以包括弹性体材料，包括(但不限于)聚二甲基硅氧烷，其浇注并固化在光刻定义的母版上，包括(但不限于)硅母版、石英母版、或玻璃母版。在几个实施例中，模具层44可以通过将纳米颗粒结合到弹性体材料中或者通过包括由包括(但不限于)玻璃、钢、碳或尼龙构成的纤维网来加强。支撑层42可以包括比模具层44更坚硬的材料，包括(但不限于)玻璃，并且可以比模具层44更薄。

在图16C中，泵和/或分配器70可以在压力和真空(或部分真空或减小的压力)下将纳米颗粒墨水从泵储存器72提供到微模制印模40的入口端口52再到出口端口54以将纳米颗粒墨水56吸入通道50并通过通道50。微模制印模40可以包括纳米颗粒墨水储存器58，用于控制纳米颗粒墨水56的体积和流速。入口端口52和出口端口54也可以用作集成的墨水储存器58。在一些实施例中，驱动墨水通过通道的压力可以是由纳米颗粒墨水56和与墨水接触的微通道50的表面区域之间的力引起的毛细管压力。

在图10中图示了根据本发明的实施例的制造高纵横比天线的过程。制造过程开始于提供用于高纵横比天线100的基板。微模制印模可以被用于部署天线105。微模制印模的模具层可以被部署成与基板115的基板表面接触(例如，共形接触)。可以提供包括在液态或气态溶剂或分散剂中的纳米颗粒的纳米颗粒墨水110。包括纳米颗粒的纳米颗粒墨水可以通过入口泵入通道120。当纳米颗粒移动通过通道时，纳米颗粒墨水中的溶剂可以扩散到模具层中，使得纳米颗粒变得紧密堆积在通道中。该过程可以通过固化125来加速。根据一些实施例的固化过程包括(但不限于)将纳米颗粒墨水暴露于热和/或电磁辐射。电磁辐射的示例包括(但不限于)氙气闪光灯、红外线辐射、紫外线辐射或激光辐射。在固化过程期间，纳米颗粒墨水的溶剂可以从纳米颗粒墨水和/或模具层中被驱除。在一些实施例中，被驱除的溶剂可以(至少部分地)被微模制印模的模具层吸收。在某些实施例中，被驱除的溶剂可以通过模具层扩散到印模周围的环境中。印模周围环境的示例包括(但不限于)空气、真空或惰性气体，包括(但不限于)氮气和氩气。可以移除130微模制印模以在基板的基板表面上形成具有高纵横比导体的独立天线。然后可以通过将纳米颗粒暴露于热、UV辐射或激光辐射来烧结135独立天线。许多实施例规定天线可以在单层中并且在单个步骤系列中构造。根据几个实施例的天线的制造过程避免了重复的沉积和构图步骤。

在图17A-17D中图示了根据实施例的制造过程期间高纵横比天线的相继的横截面图。根据一些实施例的高纵横比天线结构可以通过提供基板20、微模制印模40来构造，如图17A中所示。如图17A中所示，微模制印模40的模具层44被部署成与基板20的基板表面22接触(例如，共形接触)。包括在液态或气态溶剂或分散剂57中的纳米颗粒12的纳米颗粒墨水56可以通过入口端口52被泵送到通道50中，例如通过泵，如图17B中所示。随着纳米颗粒12移动通过通道50，纳米颗粒墨水56中的溶剂扩散到模具层44中，使得纳米颗粒12变得紧密堆积在通道50中。在图17C中，可以通过纳米颗粒墨水56和/或模具层44暴露于热和/的电磁辐射60(例如，氙闪光、红外辐射、紫外线辐射或激光辐射)来加速和/或启用这个过程。该过程可以驱除溶剂57，溶剂57可以至少部分地被微模制印模40的模具层44吸收，或者可以通过模具层扩散到印模周围的环境中。然后可以移除微模制印模40以在图17D中的基板20的基板表面22上形成具有高纵横比导体30的独立天线。然后可以通过将纳米颗粒12暴露于热、UV辐射或激光辐射来烧结独立天线30。天线30可以在单层中和单个步骤系列中构造。

虽然图16A-16C和图17A-17D图示了高纵横比天线的微模制来制造过程的具体步骤，但是可以根据给定应用的具体要求适当地使用任何步骤和方法。下面进一步讨论根据本发明的各种实施例的用于将高纵横比天线与电路部件集成的系统和方法。

高纵横比天线的集成

许多实施例规定高纵横比的天线可以集成到包括(但不限于)经调谐的天线系统的电子电路中。在几个实施例中，包括(但不限于)电路、集成电路(IC)、电阻器和电容器的部件可以结合到天线系统中。根据一些实施例的附加部件可以被放置在线圈内部和/或外部。在某些实施例中，部件可以放置在不同的电路平面内。

为了从线圈天线接收信号，螺旋导体迹线的两端可能需要电连接到外部电路，从而要求平面外电路连接到天线螺旋的一端或两端。许多实施例提供天线系统设计以启用来自线圈天线的激励和/或接收信号。几个实施例结合在线圈上方或下方制造的导电迹线。根据某些实施例的导电迹线可以将最里面的线圈连接到线圈外部的共面区域。在多个实施例中，导电迹线可以将最外面的线圈连接到线圈内的共面区域。许多实施例规定可以在形成线圈的迹线或电线上方或下方进行电连接。在几个实施例中，电连接可以通过引线键合或通过在线圈顶部或下方沉积单独的导体来实现。在一些实施例中，电连接可以与电绝缘(介电)层一起进行以避免高纵横比天线的线圈环之间的短路。许多实施例规定具有高纵横比导体的天线可以部署在包括(但不限于)电导体、电介质、其它结构、其它高纵横比结构、层、MEMS设备、CMOS设备或结构化层的至少一个部件上。几个实施例规定天线可以电连接到电路，包括(但不限于)集成电路控制器、响应于通过高纵横比天线提供的信号的电路。

在许多实施例中，高纵横比的天线可以包括部署在结构上的天线部分和部署在不同结构上的天线部分。在几个实施例中，高纵横比天线的两端连接到天线的两个不同部分。在一些实施例中，天线的一个部分可以部署在电导体之上，而天线的另一个部分可以部署在电绝缘的电介质之上。此类结构可以使电导体能够电连接到天线的一端而不是另一端。可以对天线的不同端进行根据几个实施例的独立电连接。在一些实施例中，可以在天线和电路(诸如在线圈天线的内部或外部的集成电路)之间进行独立的电连接。根据某些实施例的独立电连接可以避免与天线的其它部分的不期望的电连接。

在一些实施例中，高纵横比天线可以涂有材料，包括(但不限于)：密封剂、介电密封剂或金属涂层。密封剂的示例可以包括(但不限于)聚合物，包括(但不限于)可固化聚合物、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、低温共烧陶瓷(LTCC)片。根据某些实施例的涂层可以保护天线免受环境污染物的影响。在一些实施例中，密封剂涂层层可以形成机械上更稳健的天线结构。在几个实施例中，密封剂层可以增强天线的电磁特性，诸如通过改进其导电性。根据实施例的密封剂层可以平面化天线或在天线之上形成共形涂层。

在图18中图示了根据本发明的实施例的天线系统。在一些实施例中，高纵横比天线30可以放置在基板20的基板表面22上。在几个实施例中，具有高纵横比导体的天线30可以部署在基板20上的结构26之上。在某些实施例中，天线30可以部署在导电基板触件24上，该导电基板触件24提供与天线30的电连接。基板触件24可以在基板20之上延伸，或仅覆盖选择的区域。天线30的第一部分36和第二部分38可以部署在基板20上的不同结构(例如电导体24和电绝缘电介质26)之上。此类结构可以使电导体电连接天线30的第一部分36但不连接到天线30的第二部分38，从而可以对线圈天线30的第一端30A(图13A中所示)和线圈天线30的第二端30B(图13A中所示)进行独立的电连接，或连接到线圈天线30内部或线圈天线30外部的电路28，而没有与天线30的其它部分的不期望的电连接。因此，高纵横比天线30可以包括部署在第一结构(例如，基板触点24)上的第一天线部分36和部署在与第一结构不同的第二结构(例如，电介质26)上的第二天线部分38。天线30可以涂覆有密封剂80以进行保护。

在许多实施例中，高纵横比天线可以是多层天线。根据一些实施例，每个天线层可以通过绝缘体与相邻层分开并且通过电通孔连接。几个实施例规定线圈天线的外部区域和内部区域之间的导电通路可以由具有相反手性的第二线圈制成。根据某些实施例，具有相反手性的第二线圈可以与第一线圈同心地放置在第一线圈上方或下方。一些实施例规定，除了在线圈的最内或最外延伸处的连接点之外，第一和第二线圈天线可以通过绝缘体彼此电隔离。在几个实施例中，通孔可以将一个天线层中的电导体与另一个天线层中的电导体电连接。在此类实施例中，与单层线圈相比，多层线圈结构的电感可以大大提高，同时提供将线圈连接到外部电路的共面点。

根据本发明的实施例的多层高纵横比天线在图19的分解透视图中示出。线圈的外部区域和内部区域之间的导电通路可以由第二线圈制成，该第二线圈与第一线圈具有相反手性、同心、放置在第一线圈上方(如图19中所示)或下方并通过绝缘体21在除了线圈最内部或最外部的单个连接点之外的所有区域与其电隔离。在图19中由虚线指示的通孔可以将一个天线层中的电导体与另一个天线层中的电导体电连接。以这种方式，与单层线圈相比，多层线圈结构的电感可以大大提高，同时提供将线圈连接到外部电路的共面点。虽然图18和图19图示了将特定元件和部件实现到高纵横比天线中，但是可以根据给定应用的特定要求适当地使用任何配置和设计。

等价原则

如从以上讨论可以推断的，上面提到的概念可以根据本发明的实施例以多种布置来实现。因而，虽然已经在某些特定方面描述了本发明，但是对于本领域的技术人员来说许多附加的修改和变化将是显而易见的。因此应该理解的是，可以以不同于具体描述的方式实践本发明。因此，本发明的实施例在所有方面都应当被认为是说明性而不是限制性的。