Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Сердобинцев А. А., Кожевников И. О., Рябов Е. А., Гуслякова О. И., Прихожденко Е. С. Разработка прототипа гибкой антенны с пассивирующим слоем для электроимпедансных сенсоров // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 4. С. 414-424. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-4-414-424, EDN: IKBCSO

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
28.11.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 7)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.311.6:621.793
EDN: 
IKBCSO

Разработка прототипа гибкой антенны с пассивирующим слоем для электроимпедансных сенсоров

Авторы: 
Сердобинцев Алексей Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Кожевников Илья Олегович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Рябов Евгений Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Гуслякова Ольга Игоревна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Прихожденко Екатерина Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Потребность в гибкой электронике для нужд мониторинга параметров жизнедеятельности человека с помощью носимых устройств дала толчок развитию гибких антенн. Материалы, используемые для создания антенн разнообразны, однако остается потребность в определении оптимальной конструкции, обеспечивающей как долговечность, так и высокую эффективность. В настоящей работе приведены результаты исследований по обоснованию конструкции и технологии изготовления прототипов гибких петлевых рамочных антенн на полиимидной подложке с помощью магнетронного напыления и лазерной абляции. Установлено, что абляция медного слоя затруднена, что приводит к неполной деметаллизации полиимидной подложки и короткому замыканию формируемых антенн. Кроме того, медь подвержена окислению, что приводит к ухудшению параметров гибких антенн со временем. Это послужило причиной добавления дополнительного пассивирующего металлического слоя из никеля или титана поверх слоя меди. Влияние пассивирующего слоя на качество лазерной деметаллизации (абляции) медного тонкопленочного покрытия гибких подложек из полиимида было оценено экспериментально. Пассивирующий слой никеля значительно улучшил качество деметаллизации, в то время как при использовании титана для пассивации наблюдается большое количество остаточного металла в виде застывших микрокапель в деметаллизированных областях. На основе металлизированного полиимида с никелевым пассивирующим слоем изготовлены прототипы петлевых рамочных антенн с частотой резонанса 3.75 ГГц. Результаты экспериментов с готовыми антеннами продемонстрировали значительную чувствительность частоты резонанса к изгибу в диапазоне углов от −60º до +60º, что открывает возможности для использования таких антенн в качестве датчиков микроперемещений. При этом разработанные и реализованные прототипы антенн имеют коэффициент отражения не выше −17 дБ в диапазоне углов изгиба от −100º до +100º, что позволяет использовать их в качестве основы электроимпедансных сенсоров.

Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10270, https://rscf.ru/project/22-79-10270/).
Список источников: 
  1. Zhan Y., Mei Y., Zheng L. Materials capability and device performance in flexible electronics for the Internet of Things. J. Mater. Chem. C, 2014, vol. 2, iss. 7, pp. 1220–1232. https://doi.org/10.1039/C3TC31765J
  2. Kirtania S. G., Elger A. W., Hasan M. R., Wisniewska A., Sekhar K., Karacolak T., Sekhar P. K. Flexible antennas: A review. Micromachines, 2020, vol. 11, iss. 9, art. 847. https://doi.org/10.3390/mi11090847
  3. Sethi P., Sarangi S. R. Internet of things: Architectures, protocols and applications. J. Electr. Comput. Eng., 2017, vol. 2017, art. 9324035. https://doi.org/10.1155/2017/9324035
  4. Gao W., Zhu Y., Wang Y., Yuan G., Liu J. M. A review of flexible perovskite oxide ferroelectric films and their application. J. Materiomics, 2020, vol. 6, iss. 1, pp. 1–16. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.11.001
  5. Huang S., Liu Y., Zhao Y., Ren Z., Guo C. F. Flexible electronics: Stretchable electrodes and their future. Adv. Funct. Mater., 2019, vol. 29, iss. 6, art. 1805924. https://doi.org/10.1002/adfm.201805924
  6. Park J., Park S., Yang W., Kam D. G. Folded aperture coupled patch antenna fabricated on FPC with vertically polarised end-fire radiation for fifth-generation millimetre-wave massive MIMO systems. IET Microwaves, Antennas Propag., 2019, vol. 13, iss. 10, pp. 1660–1663. https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5952
  7. Thielens A., Deckman I., Aminzadeh R., Arias A. C., Rabaey J. M. Fabrication and characterization of flexible spray-coated antennas. IEEE Access., 2018, vol. 6, pp. 62050–62061. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2876286
  8. Khaleel H. R., Al-Rizzo H. M., Rucker D. G., Mohan S. A Compact Polyimide-Based UWB Antenna for Flexible Electronics. IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., 2012, vol. 11, pp. 564–567. https://doi.org/10.1109/LAWP. 2012.2199956
  9. Mo L., Guo Z., Wang Z., Yang L., Fang Y., Xin Z., Li X., Chen Y., Cao M., Zhang Q., Li L. Nano-silver ink of high conductivity and low sintering temperature for paper electronics. Nanoscale Res. Lett., 2019, vol. 14, art. 197. https://doi.org/10.1186/s11671-019-3011-1
  10. Sharma P. K., Chung J.-Y. Poly-flex-antennas: Application of polymer substrates in flexible antennas. Express Polym. Lett., 2024, vol. 18, iss. 4, pp. 371–390. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2024.28
  11. Lee J. S., Kim M., Oh J., Kim J., Cho S., Jun J., Jang J. Platinum-decorated carbon nanoparticle/polyaniline hybrid paste for flexible wideband dipole tag-antenna application. J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, iss. 13, pp. 7029–7035. https://doi.org/10.1039/C4TA07064J
  12. Ali Khan M. U., Raad R., Tubbal F., Theoharis P. I., Liu S., Foroughi J. Bending analysis of polymer-based flexible antennas for wearable, general IoT applications: A Review. Polymers, 2021, vol. 13, iss. 3, art. 357. https://doi.org/10.3390/polym13030357
  13. Guerchouche K., Herth E., Calvet L. E., Roland N., Loyez C. Conductive polymer based antenna for wireless green sensors applications. Microelectron. Eng., 2017, vol. 182, pp. 46–52. https://doi.org/10.1016/j.mee.2017.08.007
  14. Zhou Y., Bayram Y., Du F., Dai L., Volakis J. L. Polymer-Carbon Nanotube Sheets for Conformal Load Bearing Antennas. IEEE Trans. Antennas Propag., 2010, vol. 58, iss. 7, pp. 2169–2175. https://doi.org/10.1109/TAP.2010.2048852
  15. Zhang J., Song R., Zhao X., Fang R., Zhang B., Qian W., Zhang J., Liu C., He D. Flexible graphene-assembled film-based antenna for wireless wearable sensor with miniaturized size and high sensitivity. ACS Omega, 2020, vol. 5, iss. 22, pp. 12937–12943. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c00263
  16. RF Patent No. RU 2778215 C1. IPC H01L 21/56, H01L 51/50, B82Y 30/00. Technologies for producing flexible and transparent electronic components based on grapheme-like structures in polymer for electronics and microelectronics. Declared November 8, 2021, published August 15, 2022. Shiversky A. V., Abaimov S. G., Akhatov I. Sh. Patent Holder: Skolkovo Institute of Science and Technology. Available at: https://patents.google.com/patent/RU2778215C1/ru (accessed September 21, 2025) (in Russian).
  17. Gharode D., Nella A., Rajagopal M. State-of-art design aspects of wearable, mobile, and flexible antennas for modern communication wireless systems. Int. J. Commun. Syst., 2021, vol. 34, iss. 15, art. e4934. https://doi.org/10.1002/dac.4934
  18. Locher I., Klemm M., Kirstein T., Troster G. Design and characterization of purely textile patch antennas. IEEE Trans. Adv. Packag., 2006, vol. 29, iss. 4, pp. 777–788. https://doi.org/10.1109/TADVP.2006.884780
  19. AbuTarboush H., Farooqui M., Shamim A. Inkjet-printed wideband antenna on resin-coated paper substrate for curved wireless devices. IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., 2015, vol. 15, pp. 20–23. https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2425797
  20. Arsenov P. V., Sobolev A. S., Efimov A. A., Ivanov V. V. Double slot aerosol jet printed antenna for X-band applications. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 2086, art. 012047. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2086/1/012047
  21. Roshni S. B., Jayakrishnan M. P., Mohanan P., Surendran K. P. Design and fabrication of an E-shaped wearable textile antenna on PVB-coated hydrophobic polyester fabric. Smart Mater. Struct., 2017, vol. 26, iss. 10, art. 105011. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa7c40
  22. El Gharbi M., Fernández-García R., Ahyoud S., Gil I. A Review of flexible wearable antenna sensors: Design, fabrication methods and applications. Materials, 2020, vol. 13, iss. 17, art. 3781. https://doi.org/10.3390/ma13173781
  23. Agasieva S. V., Sedankin M. K., Leushin V. Y., Gudkov A. G., Zhuravleva K. V., Porokhov I. O., Gudkov G. A., Vesnin S. G. Conformal medical antenna based on a flexible subsrtate. Biomedical Engineerig, 2022, vol. 6, iss. 6 (336), pp. 1–4 (in Russian). EDN: CWNGEN
  24. Artemova T. K., Artemov K. S. An analysis of deformed flexible wearable patch antenna parameters. Rodionov A., ed. 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), Novosibirsk, Stptember 18–22, 2017. IEEE, 2017, pp. 382–385. https://doi.org/10.1109/SIBIRCON.2017.8109911
  25. Starodubov A. V., Galushka V. V., Serdobintsev A. A., Pavlov A. M., Korshunova G. A., Ryabukho P. V., Gorodkov S. Y. A novel approach for fabrication of flexible antennas for biomedical applications. 2018 18th Mediterranean Microwave Symposium (MMS), Istanbul, Turkey, 1 October – 02 November 2018. IEEE, 2018, pp. 303–306. https://doi.org/10.1109/MMS.2018.8612092
  26. Starodubov A. V., Serdobintsev A. A., Galushka V. V., Ryabukho P. V., Kozhevnikov I. O., Pavlov A. M. Study of flexible monopole antenna with coplanar feeding structure fabricated by magnetron sputtering and laser ablation technologies. Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC), 2019, St. Petersburg Russia, 16–18 October 2019. IEEE, 2019, pp. 138–140. https://doi.org/10.1109/ADMInC47948.2019.8969323
  27. Ozhogin I. S., Serdobintsev A. A., Kozhevnikov I. O., Chistyakov I. A., Galushka V. V., Pavlov A. M., Starodubov A. V. On the optimal operational mode of a CNC-controlled laser machine for ablation of thin metal layers on flexible dielectric substrates. Proc. SPIE, 2020, vol. 11846, art. 1184607. https://doi.org/10.1117/12.2591939
  28. Liu L., Li L., Zhang S., Xu W., Wang Q. Polyimide-based dielectric materials for high-temperature capacitive energy storage. Electron. Mater., 2024, vol. 5, pp. 303–320. https://doi.org/10.3390/electronicmat5040019
  29. Serdobintsev A. A., Venig S. B., Kozlowsky A. V., Volkovoynova L. D. Influence of bending on the structural properties of crystallized silicon films on flexible substrates. Izv. Saratov Univ. Physics, 2024, vol. 24, iss. 3, pp. 290–296. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-3-290-296 (in Russian).
  30. Chikova O. A., Tkachuk G. A., V’yukhin V. V. Viscosity of Cu–Ni melts. Russ. J. Phys. Chem., 2019, vol. 93, pp. 198–203. https://doi.org/10.1134/S0036024419020067
  31. McPeak K. M., Jayanti S. V., Kress S. J. P., Meyer S., Iotti S., Rossinelli A., Norris D. J. Plasmonic films can easily be better: Rules and recipes. ACS Photonics, 2015, vol. 2, iss. 3, pp. 326–333. https://doi.org/10.1021/ph5004237
  32. Werner W. S. M., Glantschnig K., Ambrosch-Draxl C. Optical constants and inelastic electron-scattering data for 17 elemental metals. J. Phys. Chem. Ref. Data, 2009, vol. 38, iss. 4, pp. 1013–1092. https://doi.org/10.1063/1.3243762
  33. Palm K. J., Murray J. B., Narayan T. C., Munday J. N. Dynamic optical properties of metal hydrides. ACS Photonics, 2018, vol. 5, iss. 11, pp. 4677–4686. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01243
Поступила в редакцию: 
06.05.2025
Принята к публикации: 
10.07.2025
Опубликована: 
28.11.2025