一款适用5G通信系统的小型超宽频带的MEMS单极子柔性天线设计

0 引言

随着高速集成电路的急速发展，无线通信系统的广泛应用，电子设备朝着小型化、集成化的方向发展。而柔性电子皮肤、柔性压力传感器、柔性电极等柔性电子的出现，又昭示了人们对电子器件柔性可弯曲的需求，柔性电子蕴藏着无限潜力与机遇。

而聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）是一种有机高分子聚合物材料，具有原材料价格便宜、化学稳定性良好、耐用性好、生物相容性佳［1-4］等优点，被广泛地运用于电子、微机械、医学、生物等多个领域。国内外文献中亦报道过以PDMS为基材制作的柔性器件。GUO H［5］等人在PDMS基体上设计了一种可测量矢量应力/应变的柔性正交光栅结构，CUI J L［6］等人以PDMS为基底制作出了一种具有高灵敏度的柔性电容式压力传感器，RAHMAN H A［7］等人设计了一款以PDMS为基板的适用于可穿戴设备的柔性天线，BISWAS S［8］等人设计了一种以PDMS为基底的适用于视网膜检测的多阵列电极，曹建国［9］等人以PDMS为基材制作了一款高柔弹性电子皮肤触觉传感器。以上均需在PDMS基体上设计制作金属结构，而一般在PDMS基体上制作金属图形，使用具有特定镂空图形的金属掩膜版充当图形掩膜，采用电子束蒸发或溅射的方式沉积金属层。故金属图形的精度直接取决于金属掩模版的精度，但是受到传统机械加工方法的限制，金属掩膜版的精度较低，成本较高，在电子束蒸发或溅射金属层时，不能保证金属掩膜版与PDMS基体的紧密贴附，亦易造成金属图形畸变等问题，无法满足高分辨率图形或对精度有较高要求的结构对尺寸加工误差的严苛要求。

本文以当前第五代移动通信网络（5G）的推广潮流为背景，将柔性可弯曲材料PDMS与5G通信技术相结合，从探究基于PDMS柔性基体上，比较利用不同光刻胶剥离制作微精细结构的角度出发，设计了一款可适用于5G通信系统的小型（35 000 μm×35 000 μm）超宽频带（3.3 GHz～5.0 GHz）的MEMS单极子柔性天线。该天线以PDMS材料为柔性介质基板，在介质基板一侧设计了圆盘状的金属辐射结构，采用共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）进行馈电，使天线的结构更加紧凑。而CPW馈电天线的阻抗匹配带宽对CPW结构的金属缝隙与信号导带的尺寸加工误差非常敏感，其尺寸的微小变化都将会引起阻抗匹配带宽的很大变化，故以金属掩模版作沉积掩模的方式难以满足其高精度要求。为减小因CPW结构的尺寸加工误差对天线性能的影响，满足其高精度要求，在PDMS柔性基体上以光刻胶为掩模采用金属剥离工艺制作出了厚500 nm的金属镍波导馈电的MEMS柔性天线。实验中以不同光刻胶为掩模剥离出了CPW结构馈电的天线，分析对比了基于不同光刻胶剥离出的CPW对天线性能的影响，并对天线在自由状态、弯曲状态下进行了测试对比。

1 天线的结构设计

本文中所设计的小型超宽带CPW结构馈电的MEMS单极子柔性天线的结构如图1所示，其具有结构简单、质轻、易集成、可柔性弯曲的特点。该天线以柔性材料PDMS为介质基板，其尺寸L×W×H为35 000 μm×35 000 μm×600 μm，相对介电常数ε为2.68。

该天线是在PDMS柔性介质基板的一侧，设计了半径为r的圆盘状辐射金属结构，其圆心位于天线介质基板的中心，距离CPW结构的金属地为间隙g1。该天线采用了标准阻抗为50 Ω的CPW结构进行馈电，CPW不仅具有寄生参量小、良好的色散特性、辐射损耗小、易于集成［10-11］等优点，又可与天线的圆盘状辐射金属结构集成于基板同一侧，使天线的结构更加紧凑，更易于与电子设备集成互连。CPW结构位于基板的对称中心，其信号导带与圆盘状辐射金属结构相连，信号导带宽度为w1，其与CPW两边的金属地的间隙均为g2。天线的具体参数如表1所示。

2 天线的制备

2.1 PDMS的表面处理

本文探究基于PDMS基体上采用不同光刻胶利用金属剥离工艺制作CPW馈电的MEMS单极子柔性天线，需在PDMS上匀涂光刻胶，但未处理的PDMS表面具有高疏水性、自洁性的特点，故PDMS基体在常态下无法匀涂光刻胶，亦限制了其广泛的运用。文献［12］提出一种永久改变PDMS表面疏水性的方法，以水滴与PDMS表面的接触角大小证明了PDMS表面功能化为亲水性。但光刻胶为复杂的有机混合物，而水为纯净的无机化合物，其改性方法是否依然适用于改善光刻胶与PDMS表面的粘附性，需进行验证性实验。

将三片PDMS基体分别经过氧等离子处理、表面活化剂（十二烷基硫酸钠，SDS溶液）处理、氧等离子处理后立即用SDS联合处理，与一片未处理的PDMS基体作对比，观察对比光刻胶对PDMS表面的粘附效果。使用微量移液器将约20 μL光刻胶分别滴在四片样片上，PDMS与光刻胶的附着性如图2所示。图2（a）中光刻胶液滴在未处理的PDMS表面上聚而不散，证明PDMS表面对有机混合物光刻胶仍呈高疏水性；图2（b）中PDMS经表面活化剂SDS处理，但光刻胶液滴在PDMS表面仍呈水滴状，证明改性效果不佳；图2（c）中PDMS经氧等离子刻蚀（功率220 W，氧气流量150 SCCM，时间120 s），光刻胶液滴沿PDMS表面扩展且相互附着，表明PDMS表面被有效地改性为亲水性表面，但大约30 min之内，PDMS表面会恢复到原来的疏水状态，无法永久保持亲水状态；图2（d）中将PDMS经氧等离子刻蚀后，立即用SDS处理，观察到光刻胶液滴可均匀浸润于PDMS表面，实现了对PDMS表面的永久亲水改性，证明了此方法可适用于改善光刻胶与PDMS的粘附效果。综上，下文中的PDMS基体均采用氧等离子刻蚀后与SDS联合处理的方式进行处理。

2.2 天线的制作

在实验中，以4英寸硅片为载体，以PDMS为基体，在其上旋涂不同的光刻胶，并光刻显影出掩膜图形，然后溅射500 nm的金属镍，最后去胶及金属图形化。以此方式，制备出CPW馈电的MEMS柔性单极子天线。在金属剥离工艺中，分别采用基于AZ6130光刻胶的正胶剥离工艺、基于RZJ304光刻胶的正胶剥离工艺、基于AZ5214E光刻胶的图形反转工艺制备CPW馈电的MEMS柔性天线作对比：

（1）AZ6130光刻胶，胶膜厚约2.5 μm，100 ℃前烘60 s，常规掩膜版曝光后计时显影，溅射500 nm金属镍，去胶及金属图形化；

（2）RZJ304光刻胶，胶膜厚约2.4 μm，95 ℃前烘180 s，常规掩膜版曝光后计时显影，溅射500 nm金属镍，去胶及金属图形化；

（3）AZ5214E光刻胶，胶膜厚约1.4 μm，95 ℃前烘90 s，常规掩膜版曝光后105 ℃反转烘120 s，再泛曝光，计时显影，溅射500 nm金属镍，去胶及金属图形化。

实验中基于上述光刻胶，剥离出结构完整、表面净洁的柔性天线的难易度为：AZ6130》RZJ304》AZ5214E（由难到易）。基于以上3种不同的光刻胶，采用金属剥离工艺制作的天线如图3、图4、图5所示，为便于文中说明，按上述工艺顺序，分别简称为天线a1、天线a2、天线a3。多次弯曲天线a1、天线a2、天线a3，并让其恢复至自由状态，发现金属镍与PDMS柔性基板粘附紧密，且PDMS基板具有高柔弹性和良好的自我恢复性。

3 天线的测试与分析

如图6（a）、图6（b）所示，用Agilent N5224A型矢量网络分析仪对天线a1、天线a2、天线a3分别在自由状态、弯曲状态下进行测试，测试结果如图7所示。天线的回波损耗S11小于-10 dB的仿真频带为3.3 GHz~5.0 GHz，如图7（a）所示，天线a1在自由状态和弯曲状态下S11均大于-1 dB，损耗极大，与仿真结果不符，分析认为是天线a1的CPW的金属地与信号导带在缝隙处有部分金属相连，缝隙剥离不干净，造成了短路，故天线a1无法继续测试；如图7（b）所示，天线a2在自由状态下测试频带约为3.3~4.9 GHz，S11最小为-22.6 dB，弯曲状态下天线a2的谐振频率稍微降低；如图7（c）所示，天线a3在自由状态下的测试频带约为3.2~5.0 GHz， S11最小约为-29.5 dB，弯曲状态下谐振频率亦有所降低，其与仿真结果基本一致。测试结果证明天线a3的阻抗匹配良好，满足了天线对CPW缝隙与信号导带加工误差的严苛要求。

对天线a2、天线a3的辐射方向图进行测试，结果如图8所示。天线a2、天线a3的辐射方向图与仿真结果基本一致，图8（a）中显示了天线在E面具有双向辐射特性，图8（b）中显示了天线在H面具有良好的全向辐射特性，总体上来说天线a2、天线a3的辐射比较稳定，性能均良好。综上，实验中基于AZ5214E胶的图形反转工艺制作的天线a3的性能最好，可知其CPW结构的金属缝隙与信号导带的精度最高，加工剥离难度最小，成功率高；基于RZJ304胶制作的天线a2的性能较好，CPW缝隙与信号导带的精度较高，加工剥离难度较高，成功率较低；而基于AZ6130胶难以剥离制作出满足要求的CPW天线，其CPW结构的缝隙难以完全剥离干净。

4 结论

本文提出了一种小型超宽带共面波导结构馈电的MEMS单极子柔性天线，其采用了具有高柔弹性和良好的自我恢复性的PDMS材料为介质基板，在PDMS柔性基板一侧单面覆镍，并采用了可与天线的圆盘状辐射金属结构集成于柔性基板同一侧的CPW进行馈电。为减小CPW结构的尺寸加工误差对天线性能的影响，探究了基于PDMS柔性基底上的金属剥离工艺制作精细结构的方法，分别采用AZ6130胶、RZJ304胶、AZ5214E胶制作了CPW结构馈电的柔性天线。实验发现基于AZ5214E胶的图形反转工艺制作的CPW馈电的柔性天线性能最好，可知其CPW结构的金属缝隙与信号导带的精度最高，剥离制作难度亦最低，成功率高，并验证了氧等离子刻蚀与SDS联合处理PDMS的方式能有效改善光刻胶与PDMS表面的粘附效果。天线的频带为3.3 GHz～5.0 GHz，阻抗匹配良好，辐射方向性稳定，可适用于5G通信系统，亦为柔性天线的设计及制作提供了参考。