設(shè)計(jì)：小型超寬帶共面波導(dǎo)（CPW）饋電的MEMS單極子柔性天線

摘要： 設(shè)計(jì)了一種小型超寬帶共面波導(dǎo)（CPW）饋電的MEMS單極子柔性天線，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，在柔性基板一側(cè)設(shè)計(jì)了圓盤狀的金屬輻射結(jié)構(gòu)，采用了CPW結(jié)構(gòu)與天線集成于基板同一側(cè)。實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了氧等離子刻蝕與SDS聯(lián)合處理的方式能有效改善光刻膠與PDMS表面的粘附效果，并分別基于AZ6130膠、RZJ304膠、AZ5214E膠在PDMS柔性基底上利用金屬剝離工藝制作了該CPW饋電的MEMS單極子柔性天線，對(duì)比了基于不同光刻膠制作的天線性能及剝離制作難度。該天線的頻帶為 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)，亦為柔性天線的研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：柔性天線單極子天線共面波導(dǎo)PDMS剝離工藝

中圖分類號(hào)： TN823+.15

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180765

中文引用格式： 徐永慶，張斌珍，段俊萍，等。 基于PDMS的MEMS柔性天線的設(shè)計(jì)及制作［J］。電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（11）：5-8，12.

英文引用格式： Xu Yongqing，Zhang Binzhen，Duan Junping，et al. A design and manufacture of the MEMS flexible antenna based on PDMS［J］。 Application of Electronic Technique，2018，44（11）：5-8，12.

A design and manufacture of the MEMS flexible antenna based on PDMS

Xu Yongqing，Zhang Binzhen，Duan Junping，Xiao Hong，Lin Xuechen，Huang Chengyuan

Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China

Abstract： A compact ultra-wideband and flexible MEMS monopole antenna fed by coplanar waveguide（CPW） was proposed， which has the characteristics of simple structure， light quality， ease of integration and flexible bending. The antenna used a PDMS material with outstanding flexibility and great self-recovery as its substrate. The disc shaped metal radiation structure was designed on the side of the flexible substrate， and the CPW structure was integrated with the antenna on the same side of the substrate. In the experiment， it is proved that the combined treatment of oxygen plasma and SDS can effectively improve the adhesion effect of photoresist and PDMS surface. The MEMS monopole flexible antennas fed by CPW were separately fabricated on the PDMS flexible substrate by metal lift-off process based on AZ6130，RZJ304 and AZ5214E photoresist， and the performances and the lift-off difficulty of the antennas fabricated based on different photoresists were compared. The frequency band of the antenna is 3.3 GHz to 5 GHz， of which the impedance matching is perfect and the radiation directivity is stable. It can be applied to 5G communication system， and also provides a reference for the research of flexible antenna.

Key words ： flexible antenna；monopole antenna；CPW；PDMS；lift-off process

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）。基于以上3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。

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