一款適用5G通信系統(tǒng)的小型超寬頻帶的MEMS單極子柔性天線設(shè)計(jì)

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。