0 引言

    隨著高速集成電路的急速發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,，電子設(shè)備朝著小型化,、集成化的方向發(fā)展。而柔性電子皮膚,、柔性壓力傳感器,、柔性電極等柔性電子的出現(xiàn)，又昭示了人們對(duì)電子器件柔性可彎曲的需求,，柔性電子蘊(yùn)藏著無(wú)限潛力與機(jī)遇,。

    而聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)是一種有機(jī)高分子聚合物材料,，具有原材料價(jià)格便宜,、化學(xué)穩(wěn)定性良好、耐用性好,、生物相容性佳^[1-4]等優(yōu)點(diǎn),，被廣泛地運(yùn)用于電子、微機(jī)械,、醫(yī)學(xué),、生物等多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中亦報(bào)道過(guò)以PDMS為基材制作的柔性器件,。GUO H^[5]等人在PDMS基體上設(shè)計(jì)了一種可測(cè)量矢量應(yīng)力/應(yīng)變的柔性正交光柵結(jié)構(gòu),，CUI J L^[6]等人以PDMS為基底制作出了一種具有高靈敏度的柔性電容式壓力傳感器，RAHMAN H A^[7]等人設(shè)計(jì)了一款以PDMS為基板的適用于可穿戴設(shè)備的柔性天線，BISWAS S^[8]等人設(shè)計(jì)了一種以PDMS為基底的適用于視網(wǎng)膜檢測(cè)的多陣列電極,，曹建國(guó)^[9]等人以PDMS為基材制作了一款高柔彈性電子皮膚觸覺(jué)傳感器,。以上均需在PDMS基體上設(shè)計(jì)制作金屬結(jié)構(gòu)，而一般在PDMS基體上制作金屬圖形,，使用具有特定鏤空?qǐng)D形的金屬掩膜版充當(dāng)圖形掩膜,，采用電子束蒸發(fā)或?yàn)R射的方式沉積金屬層。故金屬圖形的精度直接取決于金屬掩模版的精度,，但是受到傳統(tǒng)機(jī)械加工方法的限制,，金屬掩膜版的精度較低，成本較高,，在電子束蒸發(fā)或?yàn)R射金屬層時(shí),，不能保證金屬掩膜版與PDMS基體的緊密貼附，亦易造成金屬圖形畸變等問(wèn)題,，無(wú)法滿足高分辨率圖形或?qū)扔休^高要求的結(jié)構(gòu)對(duì)尺寸加工誤差的嚴(yán)苛要求,。

    本文以當(dāng)前第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）的推廣潮流為背景，將柔性可彎曲材料PDMS與5G通信技術(shù)相結(jié)合,，從探究基于PDMS柔性基體上,，比較利用不同光刻膠剝離制作微精細(xì)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款可適用于5G通信系統(tǒng)的小型(35 000 μm×35 000 μm)超寬頻帶(3.3 GHz～5.0 GHz)的MEMS單極子柔性天線,。該天線以PDMS材料為柔性介質(zhì)基板,，在介質(zhì)基板一側(cè)設(shè)計(jì)了圓盤(pán)狀的金屬輻射結(jié)構(gòu)，采用共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide,，CPW)進(jìn)行饋電,，使天線的結(jié)構(gòu)更加緊湊。而CPW饋電天線的阻抗匹配帶寬對(duì)CPW結(jié)構(gòu)的金屬縫隙與信號(hào)導(dǎo)帶的尺寸加工誤差非常敏感,，其尺寸的微小變化都將會(huì)引起阻抗匹配帶寬的很大變化,，故以金屬掩模版作沉積掩模的方式難以滿足其高精度要求。為減小因CPW結(jié)構(gòu)的尺寸加工誤差對(duì)天線性能的影響,，滿足其高精度要求,，在PDMS柔性基體上以光刻膠為掩模采用金屬剝離工藝制作出了厚500 nm的金屬鎳波導(dǎo)饋電的MEMS柔性天線。實(shí)驗(yàn)中以不同光刻膠為掩模剝離出了CPW結(jié)構(gòu)饋電的天線,，分析對(duì)比了基于不同光刻膠剝離出的CPW對(duì)天線性能的影響,，并對(duì)天線在自由狀態(tài)、彎曲狀態(tài)下進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比,。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本文中所設(shè)計(jì)的小型超寬帶CPW結(jié)構(gòu)饋電的MEMS單極子柔性天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)輕,、易集成,、可柔性彎曲的特點(diǎn),。該天線以柔性材料PDMS為介質(zhì)基板，其尺寸L×W×H為35 000 μm×35 000 μm×600 μm,，相對(duì)介電常數(shù)ε為2.68,。

    該天線是在PDMS柔性介質(zhì)基板的一側(cè),，設(shè)計(jì)了半徑為r的圓盤(pán)狀輻射金屬結(jié)構(gòu),，其圓心位于天線介質(zhì)基板的中心，距離CPW結(jié)構(gòu)的金屬地為間隙g₁,。該天線采用了標(biāo)準(zhǔn)阻抗為50 Ω的CPW結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電,，CPW不僅具有寄生參量小、良好的色散特性,、輻射損耗小,、易于集成^[10-11]等優(yōu)點(diǎn)，又可與天線的圓盤(pán)狀輻射金屬結(jié)構(gòu)集成于基板同一側(cè),，使天線的結(jié)構(gòu)更加緊湊,，更易于與電子設(shè)備集成互連。CPW結(jié)構(gòu)位于基板的對(duì)稱中心,，其信號(hào)導(dǎo)帶與圓盤(pán)狀輻射金屬結(jié)構(gòu)相連,，信號(hào)導(dǎo)帶寬度為w₁，其與CPW兩邊的金屬地的間隙均為g₂,。天線的具體參數(shù)如表1所示,。

2 天線的制備

2.1 PDMS的表面處理

    本文探究基于PDMS基體上采用不同光刻膠利用金屬剝離工藝制作CPW饋電的MEMS單極子柔性天線，需在PDMS上勻涂光刻膠,，但未處理的PDMS表面具有高疏水性,、自潔性的特點(diǎn)，故PDMS基體在常態(tài)下無(wú)法勻涂光刻膠,，亦限制了其廣泛的運(yùn)用,。文獻(xiàn)[12]提出一種永久改變PDMS表面疏水性的方法，以水滴與PDMS表面的接觸角大小證明了PDMS表面功能化為親水性,。但光刻膠為復(fù)雜的有機(jī)混合物,，而水為純凈的無(wú)機(jī)化合物，其改性方法是否依然適用于改善光刻膠與PDMS表面的粘附性,，需進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),。

    將三片PDMS基體分別經(jīng)過(guò)氧等離子處理、表面活化劑（十二烷基硫酸鈉,，SDS溶液）處理,、氧等離子處理后立即用SDS聯(lián)合處理，與一片未處理的PDMS基體作對(duì)比,，觀察對(duì)比光刻膠對(duì)PDMS表面的粘附效果,。使用微量移液器將約20 μL光刻膠分別滴在四片樣片上，PDMS與光刻膠的附著性如圖2所示。圖2（a）中光刻膠液滴在未處理的PDMS表面上聚而不散,，證明PDMS表面對(duì)有機(jī)混合物光刻膠仍呈高疏水性,；圖2（b）中PDMS經(jīng)表面活化劑SDS處理，但光刻膠液滴在PDMS表面仍呈水滴狀,，證明改性效果不佳,；圖2（c）中PDMS經(jīng)氧等離子刻蝕(功率220 W，氧氣流量150 SCCM,，時(shí)間120 s),，光刻膠液滴沿PDMS表面擴(kuò)展且相互附著，表明PDMS表面被有效地改性為親水性表面,，但大約30 min之內(nèi),，PDMS表面會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的疏水狀態(tài)，無(wú)法永久保持親水狀態(tài),；圖2（d）中將PDMS經(jīng)氧等離子刻蝕后,，立即用SDS處理，觀察到光刻膠液滴可均勻浸潤(rùn)于PDMS表面,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PDMS表面的永久親水改性,，證明了此方法可適用于改善光刻膠與PDMS的粘附效果。綜上,，下文中的PDMS基體均采用氧等離子刻蝕后與SDS聯(lián)合處理的方式進(jìn)行處理,。

2.2 天線的制作

    在實(shí)驗(yàn)中，以4英寸硅片為載體,，以PDMS為基體,，在其上旋涂不同的光刻膠，并光刻顯影出掩膜圖形,，然后濺射500 nm的金屬鎳,，最后去膠及金屬圖形化。以此方式,，制備出CPW饋電的MEMS柔性單極子天線,。在金屬剝離工藝中，分別采用基于AZ6130光刻膠的正膠剝離工藝,、基于RZJ304光刻膠的正膠剝離工藝,、基于AZ5214E光刻膠的圖形反轉(zhuǎn)工藝制備CPW饋電的MEMS柔性天線作對(duì)比：

    (1)AZ6130光刻膠，膠膜厚約2.5 μm,，100 ℃前烘60 s,，常規(guī)掩膜版曝光后計(jì)時(shí)顯影，濺射500 nm金屬鎳,，去膠及金屬圖形化,；

    (2)RZJ304光刻膠,，膠膜厚約2.4 μm，95 ℃前烘180 s,，常規(guī)掩膜版曝光后計(jì)時(shí)顯影,，濺射500 nm金屬鎳，去膠及金屬圖形化,；

    (3)AZ5214E光刻膠,，膠膜厚約1.4 μm，95 ℃前烘90 s,，常規(guī)掩膜版曝光后105 ℃反轉(zhuǎn)烘120 s,，再泛曝光，計(jì)時(shí)顯影,，濺射500 nm金屬鎳，去膠及金屬圖形化,。

    實(shí)驗(yàn)中基于上述光刻膠,，剝離出結(jié)構(gòu)完整、表面凈潔的柔性天線的難易度為：AZ6130>RZJ304>AZ5214E（由難到易）,?；谝陨?種不同的光刻膠，采用金屬剝離工藝制作的天線如圖3,、圖4,、圖5所示，為便于文中說(shuō)明,，按上述工藝順序,，分別簡(jiǎn)稱為天線a1、天線a2,、天線a3,。多次彎曲天線a1、天線a2,、天線a3,，并讓其恢復(fù)至自由狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)金屬鎳與PDMS柔性基板粘附緊密,，且PDMS基板具有高柔彈性和良好的自我恢復(fù)性,。

3 天線的測(cè)試與分析

    如圖6（a）、圖6（b）所示,，用Agilent N5224A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線a1,、天線a2、天線a3分別在自由狀態(tài),、彎曲狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試結(jié)果如圖7所示,。天線的回波損耗S11小于-10 dB的仿真頻帶為3.3 GHz~5.0 GHz，如圖7（a）所示,，天線a1在自由狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下S11均大于-1 dB,，損耗極大，與仿真結(jié)果不符,，分析認(rèn)為是天線a1的CPW的金屬地與信號(hào)導(dǎo)帶在縫隙處有部分金屬相連,，縫隙剝離不干凈，造成了短路,，故天線a1無(wú)法繼續(xù)測(cè)試,；如圖7（b）所示，天線a2在自由狀態(tài)下測(cè)試頻帶約為3.3~4.9 GHz,，S11最小為-22.6 dB,，彎曲狀態(tài)下天線a2的諧振頻率稍微降低；如圖7（c）所示,，天線a3在自由狀態(tài)下的測(cè)試頻帶約為3.2~5.0 GHz,， S11最小約為-29.5 dB，彎曲狀態(tài)下諧振頻率亦有所降低,，其與仿真結(jié)果基本一致,。測(cè)試結(jié)果證明天線a3的阻抗匹配良好，滿足了天線對(duì)CPW縫隙與信號(hào)導(dǎo)帶加工誤差的嚴(yán)苛要求,。

    對(duì)天線a2,、天線a3的輻射方向圖進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖8所示,。天線a2,、天線a3的輻射方向圖與仿真結(jié)果基本一致，圖8（a）中顯示了天線在E面具有雙向輻射特性,，圖8（b）中顯示了天線在H面具有良好的全向輻射特性,，總體上來(lái)說(shuō)天線a2、天線a3的輻射比較穩(wěn)定,，性能均良好,。綜上，實(shí)驗(yàn)中基于AZ5214E膠的圖形反轉(zhuǎn)工藝制作的天線a3的性能最好,，可知其CPW結(jié)構(gòu)的金屬縫隙與信號(hào)導(dǎo)帶的精度最高,，加工剝離難度最小，成功率高,；基于RZJ304膠制作的天線a2的性能較好,，CPW縫隙與信號(hào)導(dǎo)帶的精度較高，加工剝離難度較高,，成功率較低,；而基于AZ6130膠難以剝離制作出滿足要求的CPW天線,，其CPW結(jié)構(gòu)的縫隙難以完全剝離干凈。

4 結(jié)論

    本文提出了一種小型超寬帶共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)饋電的MEMS單極子柔性天線,，其采用了具有高柔彈性和良好的自我恢復(fù)性的PDMS材料為介質(zhì)基板,，在PDMS柔性基板一側(cè)單面覆鎳，并采用了可與天線的圓盤(pán)狀輻射金屬結(jié)構(gòu)集成于柔性基板同一側(cè)的CPW進(jìn)行饋電,。為減小CPW結(jié)構(gòu)的尺寸加工誤差對(duì)天線性能的影響,，探究了基于PDMS柔性基底上的金屬剝離工藝制作精細(xì)結(jié)構(gòu)的方法，分別采用AZ6130膠,、RZJ304膠,、AZ5214E膠制作了CPW結(jié)構(gòu)饋電的柔性天線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于AZ5214E膠的圖形反轉(zhuǎn)工藝制作的CPW饋電的柔性天線性能最好,，可知其CPW結(jié)構(gòu)的金屬縫隙與信號(hào)導(dǎo)帶的精度最高,，剝離制作難度亦最低，成功率高,，并驗(yàn)證了氧等離子刻蝕與SDS聯(lián)合處理PDMS的方式能有效改善光刻膠與PDMS表面的粘附效果,。天線的頻帶為3.3 GHz～5.0 GHz，阻抗匹配良好,，輻射方向性穩(wěn)定，可適用于5G通信系統(tǒng),，亦為柔性天線的設(shè)計(jì)及制作提供了參考,。

參考文獻(xiàn)

[1] FENG D，ZHANG H,，XU S Y,，et al.Fabrication of plasmonic nanoparticles on a wave shape PDMS substrate[J].Plasmonics，2017,，12(5)：1627-1631.

[2] HWANG Y,，CANDLER R N.Non-planar PDMS microfluidic channels and actuators: a review[J].Lab on a Chip，2017,，17(23)：3948-3959.

[3] LIU H,，HUANG J Y，CHEN Z,，et al.Robust translucent superhydrophobic PDMS/PMMA film by facile one-step spray for self-cleaning and efficient emulsion separation[J].Chemical Engineering Journal,，2017，330：26–35.

[4] HAOUAS W,，DAHMOUCHE R,，AGNUS J，et al.New integrated silicon-PDMS process for compliant micro-mechanisms[J].Journal of Micromechanics & Microengineering,，2017,，92(2)：292–297.

[5] GUO H,，TANG J，QIAN K,，et al.Vectorial strain gauge method using single flexible orthogonal polydimethylsiloxane gratings[J].Scientific Reports,，2016，6：23606.

[6] CUI J L,，ZHANG B Z,，DUAN J P，et al.Flexible pressure sensor with Ag wrinkled electrodes based on PDMS sub-strate[J].Sensors,，2016,，16（12）：2131.

[7] RAHMAN H A，RAHIM S K A.Dual band PDMS based flexible antenna for wearable application[C].IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications.Taipei,，Taiwan,，2015：193-194.

[8] BISWAS S，SIKDAR D,，DAS D,，et al.PDMS based multielectrode arrays for superior in-vitro retinal stimulation and recording[J].Biomedical Microdevices，2017,，19（4）：75.

[9] 曹建國(guó),，周建輝，繆存孝,，等.電子皮膚觸覺(jué)傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),，2017，49(1)：1-13.

[10] SINGHAL S,，SINGH A K.Asymmetrically CPW-fed ladder-shaped fractal antenna for UWB applications[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing,，2017，92(1)：91-101.

[11] 張厚.共面波導(dǎo)饋電平面天線[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,，2014.

[12] TANG J,，GUO H，ZHAO M M,，et al.Highly stretchable electrodes on wrinkled polydimethylsiloxane substrates[J].Scientific Reports,，2015，5：16527.

[13] 葛年明,，殷彩萍,，邵文學(xué).基于STM32的室內(nèi)有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015,，34(23)：20-22,，26.

作者信息:

徐永慶，張斌珍,，段俊萍,，肖  紅,，林雪晨，黃成遠(yuǎn)

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，山西 太原030051）