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《电子技术应用》
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一款基于软光刻技术的液态金属天线
2019年电子技术应用第2期
李 峰,李晓丹
中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原030051
摘要: 提出一种新型的频率可重构的微带贴片天线,以液态金属合金和高度可拉伸的弹性体分别作为辐射贴片和介质基板。液态金属使用的是由质量比为75% 的镓和25% 的铟组成的共晶镓铟合金(EGaIn),弹性体为聚二甲基硅氧烷(PDMS),通过实验测量了PDMS在3种配比下的拉伸量,当质量比为10:1时,PDMS的粘性较低,拉伸性较好。采用软光刻技术制备天线的PDMS模型,然后进行表面处理,使其能够更好地封装,最后将EGaIn包裹在PDMS?#34892;?#25104;天线。在PDMS的拉伸极限内,通过对微带天线进行轴向拉伸,随着长度的增加,谐振频率逐渐降低,在4~6 GHz范围内实现了频率可重构。
?#22411;?#20998;类号: TN826
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182688
中文引用格式: 李峰,李晓丹. 一款基于软光刻技术的液态金属天线[J].电子技术应用,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

    天线作为无线通信?#20302;?#20013;的重要组成部分,能够实现电磁波的接收与发射,在许多集成化的小型电子设备中发挥着不可替代的作用。但是随着现代电子技术的迅猛发展,在这些高度集成的小型化?#20302;?#20013;,留给天线的物理空间相当有限[1],所以对天线性能的要求也越来越高。这就需要一个能够在多个不同频段内实现相同性能的天线,即频率可重构天线[2]。该类天线可通过改变天线的表面电流来实现频率的可重构,如加载变容二极管[3]可以改变电流的路径,加载PIN(P区-本征层(Intrinsic)-N区)二极管开关[4]、射频微机电?#20302;?Radio Frequency Micro-Electro Mechanical Systems,RF-MEMS)开关[5]、场效应管(Field Effect Transistor,FET)开关[6]等可以控制电流的通断,此外,还可以改变天线的机?#21040;?#26500;及材料特性[7-10]。本文就是通过改变机?#21040;?#26500;和材料特性两种方法实现天线的频率可重构,选用柔性材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作为天线的介质基底,液态金属镓铟合金(Eutectic Gallium-Indium,EGaIn)作为辐射元件和接地平面,可通过弯曲、拉伸?#28982;?#26800;调节来改变其工作频率。

    柔性材料PDMS和液态金属EGaIn的组合特性非常适合柔性天线的应用[11]。2009年,MICHAEL D D等人[12]发现了EGaIn在室温下呈液态并发明了液态金属天线,大幅提高了柔性天线的辐射效率。液态金属不仅能很好地接收信号,而且反复弯折也不会导致材料疲劳或开裂,具有很强的自我修复能力,因此具备了实现可重构天线的特质[13]。而常规的柔性天线虽然基底选用了柔性材料,但金属结构不是柔性的,经过反复弯曲及拉伸后容?#36164;?#25928;,金属结构开裂并且表面极易氧化,导致柔性天线?#25381;?#23454;用价值。填充液态金属的柔性天线避免了上述缺点,具?#24418;?#23450;的辐射?#36739;?#24615;,可用于仿生传?#23567;?#26234;能穿戴、电子皮肤等小型化的柔性电子器件,并?#20197;?#20891;事、生物医疗、航空航天等领域有着广阔的应用前景。

    本文设计了一种柔性微带天线,使用软光刻工艺来制作定义辐射元件和接地平面形状的两个PDMS微流体通道[9],然后将液态金属EGaIn注入PDMS的微流体通道,能够实现可逆变形和机械可调。然后对其天线性能(回波损耗及辐射?#36739;?和机械性能(弯曲度及拉伸性)进行了测试,测试结果良好,基本拟合仿真曲线。

1 天线设计

    微带天线的介质基板使用相对介电常数εr≈2.67、介电损耗角正切tanδ=0.037 5的可拉伸弹性体PDMS,辐射贴片使用镓铟质量比为3:1、熔点为15.7 ℃、电导率为3.4×106 S/m的EGaIn,其在室温下为液态,可快速充满通道,并在与氧气接触后形成一层薄的氧化层,使其保持较高的机械稳定性。

    基于PDMS的高弹性特性和EGaIn的流动性及机械稳定性,设计并制作一款在4.4 GHz~5.8 GHz范围内频率可重构的微带贴片天线。图1为天线的仿真模型,采用同轴线馈电方式,馈电位置离?#34892;?#36317;离为3.65 mm,以提供50 Ω的输入阻抗,天线底?#21487;?#35745;有半径为0.1 mm、间距为4.5 mm的微柱阵?#23567;?/p>

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    微带辐射贴片天线的?#34892;?#38271;度近似为半波长,辐射贴片长l与宽w?#28010;?#20844;式如下:

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式中,εr为介质基板的介电常数,εe是?#34892;?#20171;电常数,c是光速,f是谐振频率,h是PDMS板的厚度。

    由式(1)可知,微带贴片天线的谐振频率随着其?#34892;?#38271;度的增加而减小,利用PDMS高弹性的性质,可以通过拉伸PDMS以改变天线的谐振频率。取谐振频率f=5.7 GHz,由上述公式计算得到l=17.8 mm,w=19.35 mm。由于天线通过拉伸以改变谐振频率,建立参考地面与辐射贴片间的关系式,取参考地面长L=2l,宽W=2w。介质基板的厚度为1.6 mm。

2 仿真结果分析

    ?#33539;?#22825;线的大致尺寸后,在HFSS中进行建模仿真可知,初始值并?#25381;?#20351;天线达到5.7 GHz,且各项性能指标也?#25381;新?#36275;要求。然后使用HFSS对天线结构进行优化设计,使天线达到最佳性能。通过对天线辐射贴片的尺寸进行扫频分析,选出最优值l=14.8 mm,w=18.5 mm。

    图2、图3为通过改变w与l的?#36947;?#23454;现微带天线频率可重构的回波损耗图。从图中可知,当仅改变w的值时,天线的谐振频率变化很小,即天线的谐振频率不随辐射贴片宽度的变化而变化,当w=18.3 mm时,S11值最优;当w=18.3 mm,其他条件不变,仅改变l值时,随着l值的增加,天线的谐振频率向低频靠近,S11也随之有所波动。

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    图4是天线的辐射?#36739;?#22270;。图示结果显示,天线旁瓣较小,?#25381;?#26126;显的裂瓣产生,且最大增益为5.617 2 dB,满足实际的工作要求。

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3 天线制备

    经HFSS仿真优化?#33539;?#22825;线尺寸,设计掩膜版图。使用PDMS进行倒模获取其结构,并进行封装测试。首先利用紫外光刻工艺制作具有辐射贴片和参考地面结构的SU-8负模;其次对SU-8负模进行Parylene气相沉积(目的是防止PDMS在负模结构上难以剥离),随后利用软光刻技术制作PDMS结构,并利用等离子体机作表面处理(Plasma处理);最后在一定温度下进行封装,?#39057;肞DMS包裹体。通过微量进样器注射EGaIn,?#39057;?#24494;带贴片天线。工艺流程如图5所示。

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    在制作微带天线参考地面和辐射贴片的过程中,由于两者尺寸较大,为扁平的长方体结构,而PDMS的模量较低,所制作的通道容易发生坍塌现象,甚至导致通道顶部和底部在键合的过程中产生粘合。为避免此现象的发生,本文在通道底面设计了半径为100 μm的微柱阵列,用以支撑通道的顶部。并重新做了仿真实验,发现微柱阵列对天线性能的影响较低,可以忽略。天线实物图如图6所示。

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    将预聚物和固化剂分别按质量为5:1、10:1、15:1的比例配置,逆时针?#36739;?#20805;分搅拌5 min,常温真空脱泡1 h,去除搅拌过程中产生的空气泡;将PDMS旋涂于SU-8模具上,以1 000 r/min的低速旋转45 s,使PDMS水平均匀铺开,静置12 h;在烘台上以?#21487;?#39640;10 ℃加热5 min的梯度式升温至75 ℃加热3 h,得到厚度约0.8 mm的完全固化的PDMS。通过实验比较3种不同配比下PDMS的拉伸量,发?#31181;?#37327;比为10:1的情况下,PDMS的拉伸性较好,黏性较低,符合实验要求。

    将PDMS模具与盖片进行Plasma处理(改性时间60 s,射频功率200 W,等离子体流量150 sccm)改变其表面特性,使其由疏水性变为亲水性,然后迅速贴合并加以1 kg重物提供粘合所需压力,在75 ℃温度下加热2 h进行键合。使用微量注射器将EGaIn注入PDMS模型中,随后在注射口涂抹少许液态PDMS,并以80 ℃加热30 min,彻底密封因注射液态金属而产生的小孔[9]

    利用安捷?#36164;?#37327;网络分析仪测试了所制作天线随长度改变,其谐振频率的变化趋势和S11值。图7为天线实测值与仿真值的对比曲线,结果基本一致,并得出天线辐射贴片长度与谐振频率的线性关?#20302;肌?#22270;8是天线在5.7 GHz处的辐射?#36739;?#22270;,E面和H面的重合度较高。但由于利用软光刻工艺制作天线的过程中存在一定的精度误差,以及在测试过程中存在控制误差,包括介质层的厚度变化、天线拉伸长度、液态金属的分布等,使得实测值与仿真值有较小误差。

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4 结束语

    使用软光刻快速成型技术制作PDMS通道,能够在?#25381;?#20219;?#25991;?#25439;的情况下制备天线。液态金属合金EGaIn可在室温下快速填充PDMS通道,并形成薄的氧化层“皮肤?#20445;?#23613;管金属表面能较高,但在通道内仍可保持流体的机械稳定性。与传统的铜天线不同,液体金属微带天线在变形时(如拉伸、扭曲、弯曲等)不具有滞后现象,并且能够抵抗永久变形(即在移除施加的应力后,天线可返回初?#30002;?#24577;)。通过仿真和测试可知,以PDMS包裹EGaIn所制备的液态金属天线具备两者的特性,可通过拉伸获得4~6 GHz范围内的?#25105;?#39057;率。

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作者信息:

李  峰,李晓丹

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原030051)

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