0 引言

    隨著高速集成電路的急速發展，無線通信系統的廣泛應用，電子設備朝著小型化、集成化的方向發展。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，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、化學穩定性良好、耐用性好、生物相容性佳^[1-4]等優點，被廣泛地運用于電子、微機械、醫學、生物等多個領域。國內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基體上設計了一種可測量矢量應力/應變的柔性正交光柵結構，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]等人設計了一款以PDMS為基板的適用于可穿戴設備的柔性天線，BISWAS S^[8]等人設計了一種以PDMS為基底的適用于視網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基體上設計制作金屬結構，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圖形掩膜，采用電子束蒸發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對精度有較高要求的結構對尺寸加工誤差的嚴苛要求。

    本文以當前第五代移動通信網絡（5G）的推廣潮流為背景，將柔性可彎曲材料PDMS與5G通信技術相結合，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構的角度出發，設計了一款可適用于5G通信系統的小型(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材料為柔性介質基板，在介質基板一側設計了圓盤狀的金屬輻射結構，采用共面波導(Coplanar Waveguide，CPW)進行饋電，使天線的結構更加緊湊。而CPW饋電天線的阻抗匹配帶寬對CPW結構的金屬縫隙與信號導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結構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結構饋電的天線，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、彎曲狀態下進行了測試對比。

1 天線的結構設計

    本文中所設計的小型超寬帶CPW結構饋電的MEMS單極子柔性天線的結構如圖1所示，其具有結構簡單、質輕、易集成、可柔性彎曲的特點。該天線以柔性材料PDMS為介質基板，其尺寸L×W×H為35 000 μm×35 000 μm×600 μm，相對介電常數ε為2.68。

    該天線是在PDMS柔性介質基板的一側，設計了半徑為r的圓盤狀輻射金屬結構，其圓心位于天線介質基板的中心，距離CPW結構的金屬地為間隙g₁。該天線采用了標準阻抗為50 Ω的CPW結構進行饋電，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]等優點，又可與天線的圓盤狀輻射金屬結構集成于基板同一側，使天線的結構更加緊湊，更易于與電子設備集成互連。CPW結構位于基板的對稱中心，其信號導帶與圓盤狀輻射金屬結構相連，信號導帶寬度為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，PDMS表面會恢復到原來的疏水狀態，無法永久保持親水狀態；圖2（d）中將PDMS經氧等離子刻蝕后，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，常規掩膜版曝光后105 ℃反轉烘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，剝離出結構完整、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，并讓其恢復至自由狀態，發現金屬鎳與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型矢量網絡分析儀對天線a1、天線a2、天線a3分別在自由狀態、彎曲狀態下進行測試，測試結果如圖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在自由狀態和彎曲狀態下S11均大于-1 dB，損耗極大，與仿真結果不符，分析認為是天線a1的CPW的金屬地與信號導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無法繼續測試；如圖7（b）所示，天線a2在自由狀態下測試頻帶約為3.3~4.9 GHz，S11最小為-22.6 dB，彎曲狀態下天線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，彎曲狀態下諧振頻率亦有所降低，其與仿真結果基本一致。測試結果證明天線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，結果如圖8所示。天線a2、天線a3的輻射方向圖與仿真結果基本一致，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的輻射比較穩定，性能均良好。綜上，實驗中基于AZ5214E膠的圖形反轉工藝制作的天線a3的性能最好，可知其CPW結構的金屬縫隙與信號導帶的精度最高，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結構的縫隙難以完全剝離干凈。

4 結論

    本文提出了一種小型超寬帶共面波導結構饋電的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性的PDMS材料為介質基板，在PDMS柔性基板一側單面覆鎳，并采用了可與天線的圓盤狀輻射金屬結構集成于柔性基板同一側的CPW進行饋電。為減小CPW結構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構的方法，分別采用AZ6130膠、RZJ304膠、AZ5214E膠制作了CPW結構饋電的柔性天線。實驗發現基于AZ5214E膠的圖形反轉工藝制作的CPW饋電的柔性天線性能最好，可知其CPW結構的金屬縫隙與信號導帶的精度最高，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，輻射方向性穩定，可適用于5G通信系統，亦為柔性天線的設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 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）