《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一款基于軟光刻技術(shù)的液態(tài)金屬天線(xiàn)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
李 峰,，李曉丹
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
摘要： 提出一種新型的頻率可重構(gòu)的微帶貼片天線(xiàn),，以液態(tài)金屬合金和高度可拉伸的彈性體分別作為輻射貼片和介質(zhì)基板,。液態(tài)金屬使用的是由質(zhì)量比為75% 的鎵和25% 的銦組成的共晶鎵銦合金（EGaIn），彈性體為聚二甲基硅氧烷（PDMS）,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了PDMS在3種配比下的拉伸量,，當(dāng)質(zhì)量比為10:1時(shí)，PDMS的粘性較低,，拉伸性較好,。采用軟光刻技術(shù)制備天線(xiàn)的PDMS模型，然后進(jìn)行表面處理,，使其能夠更好地封裝,，最后將EGaIn包裹在PDMS中形成天線(xiàn)。在PDMS的拉伸極限內(nèi),，通過(guò)對(duì)微帶天線(xiàn)進(jìn)行軸向拉伸,，隨著長(zhǎng)度的增加，諧振頻率逐漸降低,，在4~6 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了頻率可重構(gòu)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN826
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182688
中文引用格式： 李峰,，李曉丹. 一款基于軟光刻技術(shù)的液態(tài)金屬天線(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019，45(2)：67-70.
英文引用格式： Li Feng,，Li Xiaodan. A liquid metal alloy antenna based on soft lithography[J]. Application of Electronic Technique,，2019，45(2)：67-70.
A liquid metal alloy antenna based on soft lithography
Li Feng,，Li Xiaodan
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,，Ministry of Education， North University of China,，Taiyuan 030051,，China
Abstract： A novel frequency reconfigurable microstrip patch antenna is proposed, which uses liquid metal alloy and highly extensible elastomer as a radiant patch and a dielectric substrate, respectively. The liquid metal used is eutectic gallium-indium alloy(EGaIn), consisting of 75% gallium and 25% indium. The elastomer used is polymethylsiloxane(PDMS), and the tensile quantity of PDMS under three ratios is measured by experiment. When the mass ratio is 10:1, PDMS has lower viscosity and better stretchability. The PDMS model of the antenna is made by soft lithography, and then the surface is processed so that it can be encapsulated better. Finally, the EGaIn is wrapped in the PDMS to form an antenna. In the tensile limit of PDMS, by axially stretching the microstrip antenna, the resonant frequency gradually decreases as the length increases, and the frequency can be reconfigurable in the range of 4~6 GHz.
Key words : flexible microstrip antenna；frequency reconfigurable,；liquid metal alloy,；polydimethylsiloxane(PDMS),；soft lithography

0 引言

    天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波的接收與發(fā)射,，在許多集成化的小型電子設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的作用,。但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在這些高度集成的小型化系統(tǒng)中,，留給天線(xiàn)的物理空間相當(dāng)有限[1],，所以對(duì)天線(xiàn)性能的要求也越來(lái)越高。這就需要一個(gè)能夠在多個(gè)不同頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同性能的天線(xiàn),，即頻率可重構(gòu)天線(xiàn)[2],。該類(lèi)天線(xiàn)可通過(guò)改變天線(xiàn)的表面電流來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu)，如加載變?nèi)荻O管[3]可以改變電流的路徑,，加載PIN(P區(qū)-本征層(Intrinsic)-N區(qū))二極管開(kāi)關(guān)[4],、射頻微機(jī)電系統(tǒng)(Radio Frequency Micro-Electro Mechanical Systems，RF-MEMS)開(kāi)關(guān)[5],、場(chǎng)效應(yīng)管(Field Effect Transistor,，F(xiàn)ET)開(kāi)關(guān)[6]等可以控制電流的通斷，此外,，還可以改變天線(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及材料特性[7-10],。本文就是通過(guò)改變機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料特性?xún)煞N方法實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的頻率可重構(gòu)，選用柔性材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,，PDMS)作為天線(xiàn)的介質(zhì)基底,，液態(tài)金屬鎵銦合金(Eutectic Gallium-Indium，EGaIn)作為輻射元件和接地平面,，可通過(guò)彎曲,、拉伸等機(jī)械調(diào)節(jié)來(lái)改變其工作頻率。

    柔性材料PDMS和液態(tài)金屬EGaIn的組合特性非常適合柔性天線(xiàn)的應(yīng)用[11],。2009年,，MICHAEL D D等人[12]發(fā)現(xiàn)了EGaIn在室溫下呈液態(tài)并發(fā)明了液態(tài)金屬天線(xiàn)，大幅提高了柔性天線(xiàn)的輻射效率,。液態(tài)金屬不僅能很好地接收信號(hào),，而且反復(fù)彎折也不會(huì)導(dǎo)致材料疲勞或開(kāi)裂，具有很強(qiáng)的自我修復(fù)能力,，因此具備了實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)天線(xiàn)的特質(zhì)[13],。而常規(guī)的柔性天線(xiàn)雖然基底選用了柔性材料，但金屬結(jié)構(gòu)不是柔性的,，經(jīng)過(guò)反復(fù)彎曲及拉伸后容易失效,，金屬結(jié)構(gòu)開(kāi)裂并且表面極易氧化，導(dǎo)致柔性天線(xiàn)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值,。填充液態(tài)金屬的柔性天線(xiàn)避免了上述缺點(diǎn),，具有穩(wěn)定的輻射方向性,，可用于仿生傳感、智能穿戴,、電子皮膚等小型化的柔性電子器件,，并且在軍事、生物醫(yī)療,、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,。

    本文設(shè)計(jì)了一種柔性微帶天線(xiàn)，使用軟光刻工藝來(lái)制作定義輻射元件和接地平面形狀的兩個(gè)PDMS微流體通道[9],，然后將液態(tài)金屬EGaIn注入PDMS的微流體通道,，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆變形和機(jī)械可調(diào)。然后對(duì)其天線(xiàn)性能(回波損耗及輻射方向)和機(jī)械性能(彎曲度及拉伸性)進(jìn)行了測(cè)試,，測(cè)試結(jié)果良好,，基本擬合仿真曲線(xiàn)。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

    微帶天線(xiàn)的介質(zhì)基板使用相對(duì)介電常數(shù)εr≈2.67,、介電損耗角正切tanδ=0.037 5的可拉伸彈性體PDMS,，輻射貼片使用鎵銦質(zhì)量比為3:1、熔點(diǎn)為15.7 ℃,、電導(dǎo)率為3.4×106 S/m的EGaIn,，其在室溫下為液態(tài)，可快速充滿(mǎn)通道,，并在與氧氣接觸后形成一層薄的氧化層,，使其保持較高的機(jī)械穩(wěn)定性。

    基于PDMS的高彈性特性和EGaIn的流動(dòng)性及機(jī)械穩(wěn)定性,，設(shè)計(jì)并制作一款在4.4 GHz~5.8 GHz范圍內(nèi)頻率可重構(gòu)的微帶貼片天線(xiàn),。圖1為天線(xiàn)的仿真模型，采用同軸線(xiàn)饋電方式,，饋電位置離中心距離為3.65 mm,，以提供50 Ω的輸入阻抗，天線(xiàn)底部設(shè)計(jì)有半徑為0.1 mm,、間距為4.5 mm的微柱陣列。

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    微帶輻射貼片天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度近似為半波長(zhǎng),，輻射貼片長(zhǎng)l與寬w估算公式如下：

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式中,，εr為介質(zhì)基板的介電常數(shù)，εe是有效介電常數(shù),，c是光速,，f是諧振頻率，h是PDMS板的厚度,。

    由式(1)可知,，微帶貼片天線(xiàn)的諧振頻率隨著其有效長(zhǎng)度的增加而減小,，利用PDMS高彈性的性質(zhì)，可以通過(guò)拉伸PDMS以改變天線(xiàn)的諧振頻率,。取諧振頻率f=5.7 GHz,，由上述公式計(jì)算得到l=17.8 mm，w=19.35 mm,。由于天線(xiàn)通過(guò)拉伸以改變諧振頻率,，建立參考地面與輻射貼片間的關(guān)系式，取參考地面長(zhǎng)L=2l,，寬W=2w,。介質(zhì)基板的厚度為1.6 mm。

2 仿真結(jié)果分析

    確定天線(xiàn)的大致尺寸后,，在HFSS中進(jìn)行建模仿真可知,，初始值并沒(méi)有使天線(xiàn)達(dá)到5.7 GHz，且各項(xiàng)性能指標(biāo)也沒(méi)有滿(mǎn)足要求,。然后使用HFSS對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),，使天線(xiàn)達(dá)到最佳性能。通過(guò)對(duì)天線(xiàn)輻射貼片的尺寸進(jìn)行掃頻分析,，選出最優(yōu)值l=14.8 mm,，w=18.5 mm。

    圖2,、圖3為通過(guò)改變w與l的值來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)頻率可重構(gòu)的回波損耗圖,。從圖中可知，當(dāng)僅改變w的值時(shí),，天線(xiàn)的諧振頻率變化很小,，即天線(xiàn)的諧振頻率不隨輻射貼片寬度的變化而變化，當(dāng)w=18.3 mm時(shí),，S11值最優(yōu),；當(dāng)w=18.3 mm，其他條件不變,，僅改變l值時(shí),，隨著l值的增加，天線(xiàn)的諧振頻率向低頻靠近,，S11也隨之有所波動(dòng),。

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    圖4是天線(xiàn)的輻射方向圖。圖示結(jié)果顯示,，天線(xiàn)旁瓣較小,，沒(méi)有明顯的裂瓣產(chǎn)生，且最大增益為5.617 2 dB,，滿(mǎn)足實(shí)際的工作要求,。

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3 天線(xiàn)制備

    經(jīng)HFSS仿真優(yōu)化確定天線(xiàn)尺寸,，設(shè)計(jì)掩膜版圖。使用PDMS進(jìn)行倒模獲取其結(jié)構(gòu),，并進(jìn)行封裝測(cè)試,。首先利用紫外光刻工藝制作具有輻射貼片和參考地面結(jié)構(gòu)的SU-8負(fù)模；其次對(duì)SU-8負(fù)模進(jìn)行Parylene氣相沉積（目的是防止PDMS在負(fù)模結(jié)構(gòu)上難以剝離）,，隨后利用軟光刻技術(shù)制作PDMS結(jié)構(gòu),，并利用等離子體機(jī)作表面處理（Plasma處理）；最后在一定溫度下進(jìn)行封裝,，制得PDMS包裹體,。通過(guò)微量進(jìn)樣器注射EGaIn，制得微帶貼片天線(xiàn),。工藝流程如圖5所示,。

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    在制作微帶天線(xiàn)參考地面和輻射貼片的過(guò)程中，由于兩者尺寸較大,，為扁平的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),，而PDMS的模量較低，所制作的通道容易發(fā)生坍塌現(xiàn)象,，甚至導(dǎo)致通道頂部和底部在鍵合的過(guò)程中產(chǎn)生粘合,。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，本文在通道底面設(shè)計(jì)了半徑為100 μm的微柱陣列,，用以支撐通道的頂部,。并重新做了仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微柱陣列對(duì)天線(xiàn)性能的影響較低,，可以忽略,。天線(xiàn)實(shí)物圖如圖6所示。

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    將預(yù)聚物和固化劑分別按質(zhì)量為5:1,、10:1,、15:1的比例配置，逆時(shí)針?lè)较虺浞謹(jǐn)嚢? min,，常溫真空脫泡1 h,，去除攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的空氣泡；將PDMS旋涂于SU-8模具上,，以1 000 r/min的低速旋轉(zhuǎn)45 s,，使PDMS水平均勻鋪開(kāi)，靜置12 h,；在烘臺(tái)上以每升高10 ℃加熱5 min的梯度式升溫至75 ℃加熱3 h，得到厚度約0.8 mm的完全固化的PDMS,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較3種不同配比下PDMS的拉伸量,，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比為10:1的情況下,，PDMS的拉伸性較好，黏性較低,，符合實(shí)驗(yàn)要求,。

    將PDMS模具與蓋片進(jìn)行Plasma處理(改性時(shí)間60 s，射頻功率200 W,，等離子體流量150 sccm)改變其表面特性,，使其由疏水性變?yōu)橛H水性，然后迅速貼合并加以1 kg重物提供粘合所需壓力,，在75 ℃溫度下加熱2 h進(jìn)行鍵合,。使用微量注射器將EGaIn注入PDMS模型中，隨后在注射口涂抹少許液態(tài)PDMS,，并以80 ℃加熱30 min,，徹底密封因注射液態(tài)金屬而產(chǎn)生的小孔[9]。

    利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了所制作天線(xiàn)隨長(zhǎng)度改變,，其諧振頻率的變化趨勢(shì)和S11值,。圖7為天線(xiàn)實(shí)測(cè)值與仿真值的對(duì)比曲線(xiàn)，結(jié)果基本一致,，并得出天線(xiàn)輻射貼片長(zhǎng)度與諧振頻率的線(xiàn)性關(guān)系圖,。圖8是天線(xiàn)在5.7 GHz處的輻射方向圖，E面和H面的重合度較高,。但由于利用軟光刻工藝制作天線(xiàn)的過(guò)程中存在一定的精度誤差,，以及在測(cè)試過(guò)程中存在控制誤差，包括介質(zhì)層的厚度變化,、天線(xiàn)拉伸長(zhǎng)度,、液態(tài)金屬的分布等，使得實(shí)測(cè)值與仿真值有較小誤差,。

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4 結(jié)束語(yǔ)

    使用軟光刻快速成型技術(shù)制作PDMS通道,，能夠在沒(méi)有任何磨損的情況下制備天線(xiàn)。液態(tài)金屬合金EGaIn可在室溫下快速填充PDMS通道,，并形成薄的氧化層“皮膚”,，盡管金屬表面能較高，但在通道內(nèi)仍可保持流體的機(jī)械穩(wěn)定性,。與傳統(tǒng)的銅天線(xiàn)不同,，液體金屬微帶天線(xiàn)在變形時(shí)(如拉伸、扭曲,、彎曲等)不具有滯后現(xiàn)象,，并且能夠抵抗永久變形(即在移除施加的應(yīng)力后，天線(xiàn)可返回初始狀態(tài))。通過(guò)仿真和測(cè)試可知,，以PDMS包裹EGaIn所制備的液態(tài)金屬天線(xiàn)具備兩者的特性,，可通過(guò)拉伸獲得4~6 GHz范圍內(nèi)的任意頻率。

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作者信息:

李  峰，李曉丹

(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)

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