CN103367880B - 一种频率可调控的可拉伸液态金属天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率可调控的液态金属天线，包括可拉伸基板，可拉伸基板上加工有曲线形状的液态金属微流道，液态金属微流道内填充液态金属或液态金属合金；当可拉伸基板受到横向拉伸时，曲线形状的微流道内的液态金属或液态金属合金在纵向和横向均存在变形，通过预先设定纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。本发明还提供了准备上述液态金属天线的制备方法。本发明通过预先设定天线的纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。

Description

一种频率可调控的可拉伸液态金属天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子制造领域，特别涉及一种频率可调控的可拉伸液态金属天线及其制备方法。

背景技术

液态金属天线是当前射频天线的一种重要发展趋势，在很多情形下具有独特的优势，具有优异的变形性能，天线在拉伸过程其长度可以变化并且能够保证天线还是连通的。同时液态金属天线拉伸后能够很好的复原，如果其在某次拉伸过程中出现了断点，其还能放松后，天线再次都连在一起，具有良好的自我修复能力。液态金属天线可贴在物品的表面，能够随着物品的复杂变形保持通信，将得到更广泛的应用，将逐渐渗透到人类生活、工作的各个领域，对人类的生活产生深远的影响。

在超高频天线中，射频天线的工作频率主要与其长度相关。由于液态金属天线在拉伸中共振频率是动态变化的，这一特性决定了液态金属天线在实际应用中尚未有成熟的产品。在文献中，J.H.So,J.Thelen,AQusba,G.J.Hayes,G.Lazzi和M.D.Dickey（Reversiblydeformableandmechanicallytunablefluidicantennas）介绍了一种微流道设计方法以及一种具有很好的拉伸和压缩性能的液态金属天线制备方法，但是其工作共振频率会随着天线的拉伸而减小；M.Kubo,X.F.Li,C.Kim,M.Hashimoto,B.J.Wiley,D.Ham和G.M.Whitesides(StretchableMicrofluidicRadiofrequencyAntennas)介绍一种可拉伸液态金属天线制备方法并对天线的力学及电学性能进行测试，制备得到的液态金属天线工作频率同样会随着天线基底的拉伸而减小。

实际中，越来越多的领域对RFID电子标签具有大变形能力提出了需求，例如电子产品的个性化和多样化程度的提高，RFID电子标签应用在一些复杂工况和复杂曲面上对RFID电子标签的变形能力都提出了要求和挑战。液态金属天线具有很好的拉伸性能，在研究以及实际应用中得到了广泛的关注，但是存在的最大问题是液态金属射频天线在拉伸过程中其工作频率不稳定，设计可拉伸并且共振频率可调控的液态天线是面临的主要问题。解决液态金属天线拉伸过程工作频率可调控问题将为液态金属天线产品化提供技术支持。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于提供一种频率可调控的液态金属天线，通过预先设定天线的纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种液态金属天线的制备方法，制备得到曲线形状的液态金属微流道，液态金属微流道内填充液态金属或液态金属合金；当可拉伸基板受到横向拉伸时，曲线形状的微流道内的液态金属或液态金属合金在纵向和横向均存在变形，通过预先设定纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。

一种频率可调控的液态金属天线，包括可拉伸基板，其特征在于，可拉伸基板上加工有曲线形状的液态金属微流道，液态金属微流道内填充液态金属或液态金属合金；当可拉伸基板受到横向拉伸时，曲线形状的微流道内的液态金属或液态金属合金在纵向和横向均存在变形，通过预先设定纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。

进一步地，所述液态金属微流道由多个周期的曲线段构成。

进一步地，所述曲线段为马鞍形。

一种液态金属天线的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备曲线通道模具；

（2）在曲线通道模具填充胶状有机聚合物溶液，待有机聚合物固化后取出，在有机聚合物上形成一条曲线形状的微流道；

（3）在形成微流道的有机聚合物表面再贴合一层有机聚合物薄膜，以实现微流道的密封；

（4）在机聚合物薄膜上开孔，并通过开孔向微流道内注入液态金属或液态金属合金；

（5）在开孔内安装SMA连接器；

（6）对安装天线接口后的开孔进行密封。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明将天线设计为曲线形状，当可拉伸基板受到横向拉伸时，曲线形状的微流道内的液态金属或液态金属合金在纵向和横向均存在变形，通过预先设定纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。进一步地，本发明液态金属天线采用马鞍形或近似结构，其存在较大的变形冗余，能够承受较大拉伸，具有很大的弯曲变形能力，满足复杂变形需求。该结构能够保证液态金属天线在拉伸过程中实现液态金属天线长度的控制，既可以实现天线长度保持不变，也可以使天线长度增加或者减小，这种液态金属天线具有自修复性的功能。

本发明液态金属射频天线其微流道采用金属加工成合适的形状大小，其设计加工简单易操作，便于大规模制造。

本发明液态金属射频天线，采用有机高分子聚合物进行封装，这种聚合物具有很大的弹性变形能力，同时也具有很大的弯曲变形能力，从而使其可以贴在人体皮肤、服装等可能产生复杂弹性变形的物体表面，拓展了RFID电子标签的应用范围。

综上所述，本发明液态金属天线采用曲线结构，结合柔性薄膜材料既能提供较好的拉伸和压缩性能，实现天线在拉伸过程中的共振频率保持可调控。

附图说明

图1为本发明液态金属天线结构示意图，其中，图1（a）图液态金属天线微流道设计图案；图1（b）图表示液态金属天线截面示意图。

图2为典型半正弦波形状的液态金属天线示意图。

图3为典型马鞍形曲线形状的液态金属天线示意图。

图4为几种典型正弦曲线的液态金属天线示意图，其中，图4（a）表示拉伸过程其天线总长度会减小的设计方案，图4（b）表示拉伸过程其天线总长度会增加的设计方案，图4（c）表示拉伸过程其天线总长度会保持不变的设计方案。

图5为几种典型正弦曲线的液态金属天线示意图，其中，图5(a）表示拉伸过程其天线总长度会减小的设计方案，图5（b）表示拉伸过程其天线总长度会增加的设计方案，图5（c）表示拉伸过程其天线总长度会保持不变的设计方案。

图6为马鞍形近似曲线，其中，图6(a)为分形正弦曲线，图6(b)为分形马鞍形曲线。

图7为本发明液态金属天线制备流程图，其中，图7（a）为带有分段正弦曲线或者分段马鞍形曲线凸槽的铁质金属模具；图7（b）为带有分段正弦或者分段马鞍形曲线微流道的有机薄膜局部截面图；图7（c）为带有微流道的有机弹性薄膜与同样大小的有机弹性薄膜贴合局部截面图，两者之间的使用有机粘合剂；图7（d）为在贴合的有机薄膜上开孔，并注入液态金属的局部截面图；图7（e）为加入射频天线连接器的天线示意图；图7（f）为封装后的射频天线示意图。

图8表示一个周期马鞍形曲线拉伸过程中应力建模示意图。

图9液态金属天线共振频率与应变之间的斜率关系示意图。

图中符号意义说明如下：

11-金属模具；12-分段正弦或者马鞍形微流道；13-带有微流道的顶层柔性有机弹性薄膜基板；14-底层柔性薄膜基板；15-液态金属或者液态金属合金；16-射频天线连接器；17-密封有机聚合物。

21-金属模具；22-分段正弦或者马鞍形吐槽；23-带有微流道的顶层柔性有机弹性薄膜基板；24-底层柔性薄膜基板；25-有机高分子粘合剂；26-液态金属；27-射频天线连接器；28-密封有机聚合物。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本发明频率可调控的液态金属天线的结构为：可拉伸基板上加工有曲线形状的液态金属微流道12，液态金属微流道内填充液态金属或液态金属合金15，并且安装射频天线连接器16与液态金属或者液态金属合金天线相连；当可拉伸基板13和14受到横向拉伸aa时，曲线形状的微流道内的液态金属或液态金属合金在纵向和横向均存在变形，通过预先设定纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整。天线采用这种曲线方式，能够承受很大的拉伸能力，同时能够避免应力集中，相对于直线微流道这种设计方案具有很大的优势。

液态金属由有机弹性聚合物17封装起来，液态金属天线的拉伸性能主要与液态金属微流道形状决定。微流道采用曲线结构，这样使得液态金属呈曲线形状，那么在其受到拉伸时纵向和横向均存在变形，且满足一定约束关系。从可控性考虑，优先采用周期性的曲线段，例如图2所示多个半弦波，但由于两个半正弦波相连处在天线拉伸时，其存在应力集中的缺陷，因此本发明推荐采用呈完整周期性的马鞍形曲线段，如图3所示，其存在较大的变形冗余，能够承受较大拉伸，具有很大的弯曲变形能力，满足复杂变形需求。

参见图3，给出了几种典型不同尺寸的马鞍形曲线。液态金属天线拉伸过程中，马鞍形结构的液态金属会在纵向和横向两个方向上都发生变形，并且纵向变形大小与横向变形大小成一定的比例关系，这个比例关系与具体的液态金属相关。其中图4（a）中，可以看到马鞍形结构曲线的幅值比其波长大好几倍，在横向拉伸过程中，纵向变形会压缩液态金属长度，造成液态金属的总长度值减小；图4（b）中，可以看到马鞍形结构曲线的幅值远远小于其波长值，在横向拉伸过程中会拉伸液态金属天线，造成液态金属的总长度值增长；图4（c）中，设计合适形状大小的马鞍形曲线，使得其幅值与波长成合适的比例关系，使其满足在拉伸过程中液态金属天线的总长度保持不变。

本发明液态金属天线面向的通信频率范围为1.2-2.0G这一频段，设计相应的马鞍形曲线能够控制液态金属天线的长度变化，从而实现液态金属天线通信频率的可控。

本发明所述马鞍形结构还包括其近似变形结构，最典型的一种就是正弦形。图5给出了几种典型结构的正弦曲线，设计液态金属天线的形状，同样能够实现天线拉伸过程中其天线总长度能够实现增加，减小和保持不变。以此来调控液态金属天线的工作频率。其图5（a）、5（b）、5（c）分别对应图4（a）、图4（b）、图4（c），在此不再赘述。

除此之外，参见图6，还可以是马鞍形曲线为基础，进行分形变换，为近似马鞍形曲线结构。

具体应用时，考虑到液态金属天线与SMA连接器相连，可在天线中部中加一小段直线相连，确保SMA连接器位于基底中间位置上。

本发明中的液态金属天线通信频段在1.5GHz左右，液态金属天线长度与其通信频率之间成反比关系，即可设f=c/l,则频率变化与长度变化之间的关系有:Δf=-c/l²·Δl（1）

c为一常数值，主要与光速有关。

见图8中，设马鞍形微流道一个周期的水平方向长度为L，两倍波幅为H，且L=AH（A为比例系数），拉伸过程中发生形变，设发生的应变为ε，微流道内填充液体的泊松比为λ

长度方向伸长量Δl=εL=εAH

高度方向压缩量Δh=ελ·2H=2ελH

总伸长量ΔL=Δl-Δh=εAH-2ελH=εH（A-2λ）(2)

将公式(2)代入公式(1)，得到Δf=-c/l²·εH（A-2λ）(3)

分析公式(3)，选用合适的液态金属材料，可以得到液态金属的泊松比λ，设计合适形状尺寸大小的液态金属天线可以用来调控液态金属在拉伸过程中的频率变化。

a.当ΔL=0，即A=2λ，则天线水平方向长度与垂直方向长度满足比例关系L=2λH，这种情形下，液态金属天线在拉伸过程频率保持不变；

b.当ΔL>0,即，A>2λ，则水平方向的拉伸量大于垂直方向的压缩量，代入公式(3)中，有Δf<0,这种情形下，液态金属天线在拉伸过程频率会下降，并且可以设计合适的天线结构控制液态金属天线在拉伸过程中的下降速度；

c.当ΔL<0,即，A<2λ，则水平方向的拉伸量小于垂直方向的压缩量，代入公式(3)中，有Δf>0,这种情形下，液态金属天线在拉伸过程频率会增大，并且可以设计合适的天线结构控制液态金属天线在拉伸过程中的上升速度。

一般情况下，根据曲线积分公式得到，设计正弦曲线中，其周期越小，幅值越大，其得到的分段正弦曲线具有更大的拉伸量(在基板材料允许的范围内)。针对分段马鞍形曲线，设计曲线段合适的曲率大小，可以优化天线的拉伸性能。设计合适结构的液态金属天线，能够控制液态金属天线在拉伸过程的频率变化，能够大大扩展液态金属天线的应用范围。

本发明给出液态金属天线的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备曲线通道模具。

（2）在曲线通道模具填充胶状有机聚合物溶液，待有机聚合物固化后取出，在有机聚合物上形成一条曲线形状的微流道。

有机聚合物可采用可拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜或者石化基聚酯(如Ecoflex)薄膜，待有机聚合物固化，将有机聚合物从模具中取出来，则有机高分子聚合物上存在一条带有分段正弦或者马鞍形曲线形状的微流道。

（3）在形成微流道的有机聚合物表面再贴合一层有机聚合物薄膜，以实现微流道的密封。

为保证PDMS与Ecoflex薄膜的紧密贴合，推荐使用PI粘合剂实现两层薄膜之间的紧密粘合。

（4）在机聚合物薄膜上开孔，并通过开孔向微流道内注入液态金属或液态金属合金。

本发明中，在顶层柔性薄膜基底流道上方各开一小孔以及在微流道中央小直线上同样开两小孔（保证这两个孔在基板上对称放置），并将液态金属（例如共轭镓铟合金(EGaIn)）注入其中，填满整个微流道。

（5）在开孔内安装SMA连接器。

在中央两个小孔上将天线接口（SMA连接器）插上去，使天线接口与液态金属或液态金属合金相连。

（6）对安装天线接口后的开孔进行密封。

用一种有机聚合物密封四个小孔，保证液态金属或者液态金属合金不能流出来，本发明中，这种有机聚合物密封材料选用环氧树脂。

制备方法实例：

下面结合具体实例和图7对本发明作进一步说明。

图7(a)为铜质金属模具。铁质金属空腔21(本实例中腔体内壁长度17mm，宽度4mm，厚度2mm)分为两部分，沿着宽度方向将腔体均分为两等分。

矩形金属腔体里带有正弦曲线形状的金属丝22，其中两段的直线段长度为1mm，中间连接正弦曲线段的长度为3mm，每段正弦曲线沿内壁长度方向的长度为5mm，幅值为1mm，分段正弦曲线的。厚度为0.1mm。分段正弦曲线金属丝通过螺栓固定矩形金属内腔中。其中，分段正弦曲线形状的金属丝位于腔体内壁正中央。

图7(b)为将配制好的PDMS胶装溶液倒入带有分段正弦曲线凸槽的金属模具中。然后将其放到对流烘箱中，优选在120℃下烧结，烧结时间优选为10min。

待PDMS固化后，将金属模具拆卸下来，就可以得到带有分段正弦曲线的PDMS薄膜23。其形状大小与金属模具中的分段正弦曲线金属丝的形状一致。

PDMS材料在本实例中选用Aldrich公司提供的原材料，在实验室常温环境下自己配制。

图7(c)为与带有微流道的PDMS柔性薄膜长宽相同的Ecoflex薄膜24，作为底层柔性基底，然后两者贴合在一起。胶合剂使用聚酰亚胺(PI)25，在高温条件下，实现带微流道的PDMS柔性基底膜与底层Ecoflex薄膜基底贴合紧密。

Ecoflex材料在本实例中选用Aldrich公司提供的原材料，在实验室常温环境下自己配制。

聚酰亚胺(PI)在本实例中选用Aldrich公司的产品，该产品具有很好的耐高温性能。

图7（d）中在带有微流道的PDMS膜正上方开直径为1mm的圆孔，保证孔的位置均位于微流道的直线段上，并且这些孔关于薄膜中心对称。总共在微流道上开4个孔。开孔的方法优先选取刻蚀这种加工方法。

分别向两端的小孔注射液态金属或者液态金属合金26，直到填满微流道。

本实例中使用的液态金属选用Aldrich公司的产品共轭镓铟合金(EGaIn)，其在常温条件下为液态，并且具有很高的纯度。

图7（e）为SMA连接器与PDMS薄膜上中间的两个小孔相连，实现射频同轴连接器27与液态金属天线相连。

天线接口连接器27（SMA连接器）选用实验室自主开发的产品，将其与液态金属合金共轭镓铟合金(EGaIn)连接在一起。

图7（f）为向四个小孔上导入适量的密封材料环氧树脂28，实现对液态金属合金的封装。

本实例中选用的环氧树脂无锡光明化工的产品T31环氧树脂固化剂，其能有效密封PDMS膜上的小孔。

天线拉伸长度调控实例说明：

结合图9研究天线拉伸过程中液态金属天线共振频率的斜率变化与天线拉伸过程中应力应变之间的关系。参考文献G.M.Whitesides(StretchableMicrofluidicRadiofrequencyAntennas)液态天线长度与工作频率之间的关系，得到天线应变与共振频率之间的关系，取点A（0.037,1.775），B（0.111,1.7），C（0.148,1.65），D（0.185,1.625），E（0.222,1.6），拟合曲线得到y=1.82-1.36x+1.53x²，y表示工作频率，x表示应变，得到曲线见图7，共振频率与应变之间的斜率关系为：

k=Δy/Δx=1.53x-1.36(4)

见图8中，根据总伸长量变化量公式(2),ΔL=Δl-Δh=εAH-2ελH=εH（A-2λ）来描述液态金属天线变化趋势，将详细讨论液态金属天线变化变化量与天线共振频率之间的关系：

①ΔL=0→A=2ν,即L与H满足关系L=2λH；

②ΔL≠0→A≠2ν，则应变x=ΔL/2H=ε（A-2λ）/2(5)

将（2）带入（4）式中，得到拉伸过程中共振频率的斜率变化控制方程:

k=1.53[ε（A-2λ/2]-1.36=0.765[ε（A-2λ]-1.36（6）

根据拉伸过程中共振频率的斜率变化控制方程(6)可以说明液态金属天线在给定合适的泊松比λ,可以用来设计合适的形状大小，得到合适的比例关系A值，以此来控制液态金属应变量与振频率的斜率变化之间的关系。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种频率可调控的液态金属天线，包括可拉伸基板，其特征在于，可拉伸基板上加工有曲线形状的液态金属微流道，液态金属微流道内填充液态金属或液态金属合金；当可拉伸基板受到横向拉伸时，曲线形状的微流道内的液态金属或液态金属合金在纵向和横向均存在变形，通过预先设定纵向与横向变形间的比例关系以控制液态金属天线在受到拉伸后的长度变化，从而实现液态金属天线在横向拉伸后的工作频率调整；

所述液态金属拉伸后的长度方向伸长量与高度方向压缩量的差值ΔL与工作频率满足以下关系：

a.当ΔL＝0，则液态金属天线在拉伸过程频率保持不变；

b.当ΔL>0，则水平方向的拉伸量大于垂直方向的压缩量，液态金属天线在拉伸过程频率下降；

c.当ΔL<0，则水平方向的拉伸量小于垂直方向的压缩量，液态金属天线在拉伸过程频率增大。

2.根据权利要求1所述的液态金属天线，其特征在于，所述液态金属微流道由多个周期的曲线段构成。

3.根据权利要求2所述的液态金属天线，其特征在于，所述曲线段为马鞍形。