Development of a prototype of flexible antennas with a passivation layer for electrical impedance sensors

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background and Objectives: The need for flexible electronics for biomedical and communications applications has completely transformed the field of antenna design and has given rise to the development of flexible antennas. The materials used to create antennas are diverse, but there remains a need to define a design that provides both durability and high performance. Materials and Methods: The test samples were flexible polyimide substrates 500 μm thick, on which layers of Cu and Ti or Ni were formed by vacuum magnetron sputtering. A Robvac VSM300 vacuum setup equipped with three magnetron sources with 50 mm diameter disk targets was used for this purpose. The Cu layer thickness on all samples was 1 μm. The thickness of the Ti and Ni layers was 100 nm. Demetallization was performed using a pulsed laser of a Minimarker 2 setup. The main characteristics of the laser: the wavelength of laser radiation is 1064 μm, the maximum laser pulse energy is 1 mJ, the software and hardware resolutions are 2.5 μm, the scanning device is a 2-axis galvanoscanner. The parameters of the laser demetallization mode were as follows: power 2.6 W, beam speed 1000 mm/s, pulse frequency 99 kHz, pulse duration 8 ns. The demetallization template, which is a flexible loop antenna with the geometry optimized for resonance in the 3.75 GHz range. Two versions of the antenna were manufactured with the conductor line width d equal to 1 mm and 3 mm. Results: It has been found that an additional layer of metal on the surface of the Cu thin-film coating of flexible polyimide substrates improves the quality of demetallization. Without it, areas with defects in the form of an unremoved Cu film short-circuiting individual antenna elements are observed. On samples with an additional passivation metal layer, demetallization occurs exactly according to the template without defects. It has also been found that significantly fewer drops of molten metal remain on samples with a passivation Ni layer. The results of experiments with ready-made antennas have demonstrated a significant sensitivity of the resonance frequency to bending in the range of angles from −60º to +60º, which opens up the possibility of using such antennas as microdisplacement sensors. At the same time, the developed antenna prototypes have a reflection coefficient less than −17 dB in the bending angle range from −100º to +100º. Conclusion: The work has assessed the influence of an additional layer of passivating metal on the quality of laser demetallization (ablation) of a Cu thin-film coating of flexible polyimide substrates. The experimental results obtained allow us to count on the applicability of the developed antennas as micro-displacement sensors. At the same time, the low reflection coefficient of flexible antennas in a wide range of bending angles allows them to be used as the basis of electroimpedance sensors. 

作者简介

Alexey Serdobintsev

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-3281-8352
SPIN 代码: 4810-8099
Scopus 作者 ID: 7801334782
Researcher ID: D-9413-2013
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Ilya Kozhevnikov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-8911-3084
SPIN 代码: 5442-5056
Scopus 作者 ID: 56637928700
Researcher ID: ADC-2567-2022
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Evgenii Ryabov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-4777-7346
SPIN 代码: 9110-4151
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Olga Gusliakova

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-8387-0711
SPIN 代码: 2642-9014
Scopus 作者 ID: 57202360091
Researcher ID: T-5616-2018
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Ekaterina Prikhozhdenko

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-2700-168X
SPIN 代码: 3258-1666
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

参考

  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

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».