0 引言

    隨著高速集成電路的急速發(fā)展,，無線通信系統(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),，又昭示了人們對電子器件柔性可彎曲的需求,，柔性電子蘊藏著無限潛力與機遇。

    而聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,，PDMS)是一種有機高分子聚合物材料,，具有原材料價格便宜、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，被廣泛地運用于電子,、微機械,、醫(yī)學(xué)、生物等多個領(lǐng)域,。國內(nèi)外文獻中亦報道過以PDMS為基材制作的柔性器件,。GUO H^[5]等人在PDMS基體上設(shè)計了一種可測量矢量應(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)計了一種以PDMS為基底的適用于視網(wǎng)膜檢測的多陣列電極，曹建國^[9]等人以PDMS為基材制作了一款高柔彈性電子皮膚觸覺傳感器,。以上均需在PDMS基體上設(shè)計制作金屬結(jié)構(gòu),，而一般在PDMS基體上制作金屬圖形，使用具有特定鏤空圖形的金屬掩膜版充當(dāng)圖形掩膜,，采用電子束蒸發(fā)或濺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)或濺射金屬層時，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題,，無法滿足高分辨率圖形或?qū)扔休^高要求的結(jié)構(gòu)對尺寸加工誤差的嚴苛要求。

    本文以當(dāng)前第五代移動通信網(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結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),，設(shè)計了一款可適用于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)計了圓盤狀的金屬輻射結(jié)構(gòu),，采用共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide,，CPW)進行饋電，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CPW結(jié)構(gòu)的金屬縫隙與信號導(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,。實驗中以不同光刻膠為掩模剝離出了CPW結(jié)構(gòu)饋電的天線,，分析對比了基于不同光刻膠剝離出的CPW對天線性能的影響，并對天線在自由狀態(tài),、彎曲狀態(tài)下進行了測試對比,。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本文中所設(shè)計的小型超寬帶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)簡單,、質(zhì)輕、易集成,、可柔性彎曲的特點,。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)準阻抗為50 Ω的CPW結(jié)構(gòu)進行饋電,，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,，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)位于基板的對稱中心,，其信號導(dǎo)帶與圓盤狀輻射金屬結(jié)構(gòu)相連，信號導(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,，故PDMS基體在常態(tài)下無法勻涂光刻膠,，亦限制了其廣泛的運用。文獻[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)雜的有機混合物，而水為純凈的無機化合物,，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,，需進行驗證性實驗。

    將三片PDMS基體分別經(jīng)過氧等離子處理,、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基體作對比,，觀察對比光刻膠對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表面對有機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，時間120 s),，光刻膠液滴沿PDMS表面擴展且相互附著,，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表面會恢復(fù)到原來的疏水狀態(tài),，無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于PDMS表面,，實現(xiàn)了對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)合處理的方式進行處理。

2.2 天線的制作

    在實驗中,，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)掩膜版曝光后計時顯影,，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)掩膜版曝光后計時顯影,，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,，計時顯影，濺射500 nm金屬鎳,，去膠及金屬圖形化,。

    實驗中基于上述光刻膠，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,，為便于文中說明,，按上述工藝順序，分別簡稱為天線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)分析儀對天線a1、天線a2,、天線a3分別在自由狀態(tài),、彎曲狀態(tài)下進行測試，測試結(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，分析認為是天線a1的CPW的金屬地與信號導(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無法繼續(xù)測試；如圖7（b）所示,，天線a2在自由狀態(tài)下測試頻帶約為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。測試結(jié)果證明天線a3的阻抗匹配良好,，滿足了天線對CPW縫隙與信號導(dǎo)帶加工誤差的嚴苛要求,。

    對天線a2、天線a3的輻射方向圖進行測試,，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，總體上來說天線a2,、天線a3的輻射比較穩(wěn)定,，性能均良好。綜上,，實驗中基于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進行饋電。為減小CPW結(jié)構(gòu)的尺寸加工誤差對天線性能的影響,，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,。實驗發(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)的金屬縫隙與信號導(dǎo)帶的精度最高,，剝離制作難度亦最低,，成功率高，并驗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)計及制作提供了參考。

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作者信息:

徐永慶,，張斌珍,，段俊萍，肖  紅,，林雪晨,，黃成遠

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）