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
Разработка прототипа гибкой антенны с пассивирующим слоем для электроимпедансных сенсоров
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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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).
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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).
- 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
- 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
- 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
- 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
- 74 просмотра