張 崇，楊雪茹，唐文君，李光勇，2?，杜建科，2

(1.寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院智能材料與先進(jìn)結(jié)構(gòu)實驗室，浙江寧波315211；2.寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點實驗室，浙江寧波315211)

Galinstan是一種鎵-銦-錫液態(tài)金屬合金，其質(zhì)量百分比分別為68.5%，21.5%和10%，在室溫下為液態(tài)。與水銀相比，具有高電導(dǎo)率(3.46×106S/m)、高沸點(1 300℃)、高熱導(dǎo)率(16.5 W/mK)和低蒸氣壓(在500℃時，其蒸氣壓小于10-6Pa)。這種基于鎵的液態(tài)金屬可以代替有毒的水銀應(yīng)用于各種器件中，例如溫度計[1]，冷卻系統(tǒng)[2]，能量采集器[3]，可延展和柔性電子器件[4-8]，可調(diào)諧電子器件[9-14]。對于可調(diào)諧電子器件，其可調(diào)諧性主要取決于液態(tài)金屬的位置和形狀的變化。

Bayindir M團(tuán)隊提出了一種電磁超材料[15]。其傳輸特性可以通過改變液態(tài)金屬液滴的位置而發(fā)生變化。Lee J B等人提出一種基于液態(tài)金屬的可調(diào)諧天線[16]。通過控制微流體管道中液態(tài)金屬的形狀來改變天線的諧振頻率。在Behdad N團(tuán)隊的研究中，基于液態(tài)金屬的頻率選擇面諧振頻率可以從8.0 GHz變化到 12.0 GHz，幾乎覆蓋整個 X波段[17]。可以用電容-電感等效電路來描述這種基于液態(tài)金屬的可調(diào)諧頻率選擇面的工作原理。電容的變化在很大程度上取決于液態(tài)金屬的形狀和位置。通過改變金屬貼片間液態(tài)金屬液滴的位置來改變頻率選擇面的諧振頻率。因此，在可調(diào)諧電子器件的工作中，熟練的控制液態(tài)金屬的運動變得至關(guān)重要。

然而，鎵-銦-錫液態(tài)金屬的主要成分為鎵，在空氣環(huán)境中極易氧化。由于鎵的氧化，在液態(tài)金屬的表面形成一層氧化層，使其表現(xiàn)得更像凝膠而不像真正的液體。這種氧化的液態(tài)金屬粘附在固體表面而不易流動。因此克服其粘附性，是開發(fā)可調(diào)諧電子器件的關(guān)鍵。在我們之前的研究中[7]，液態(tài)金屬的氧化層可以通過鹽酸去除，去除氧化層的液態(tài)金屬呈現(xiàn)真正的流體特性。

在本項研究中，基于還原技術(shù)，利用MEMS制造工藝開發(fā)了一種新穎的液態(tài)金屬的可重構(gòu)電容器件，并對其電容特性進(jìn)行分析。這種液態(tài)金屬電容器件的電容可以通過改變液態(tài)金屬液滴在其內(nèi)部的管道中的位置而改變。液態(tài)金屬液滴在其內(nèi)部管道中可以自由的移動。最后將這種液態(tài)金屬電容器件應(yīng)用于可調(diào)諧頻率選擇面，實現(xiàn)其調(diào)諧性。

圖1 基于液態(tài)金屬的可重構(gòu)電容器的制備過程

1 可重構(gòu)電容器機理和制備

如圖1所示，基于液態(tài)金屬的可重構(gòu)電容器由一對金屬貼片和微流體管道組成。微流體管道包含PDMS材料制成的主管道和與其共面的子管道。由于PDMS具有良好的滲透性，在子管道中的鹽酸蒸氣可以通過管道壁滲透進(jìn)主管道。由于液態(tài)金屬液滴表面氧化層的主要成分為氧化鎵，鹽酸可以溶解氧化鎵生成氯化鎵，從而克服其粘附缺點。因此液態(tài)金屬上的表面氧化層可以與進(jìn)入主通道的鹽酸反應(yīng)，使之呈現(xiàn)真正的流體特性。

可重構(gòu)電容器制備過程如圖1所示，首先利用MEMS工藝制備微流體管道模型。其管道模型的材料為SU-8光刻膠如圖1(a)所示。首先在硅片上旋涂SU-850光刻膠，旋涂速度為3 000 rad/min，時間為30 s，膠層厚度為100 μm，以65℃加熱10 min和95℃加熱30 min后覆蓋掩膜板曝光，然后以65℃加熱1 min和95℃加熱10 min后顯影并清洗獲得微流體管道模型。管道模型包含主管道模型和子管道模型(管道橫截面積:500 μm寬×100 μm高)，還包含5個端口(直徑:2.4 mm)。然后將PDMS液體旋涂于管道模型上，加熱固化。加熱的溫度和時間分別為80℃和2 h。固化后，將頂部的PDMS材質(zhì)的微流體管道層從管道模型上輕輕剝離。PDMS管道層(厚度:3 mm)具有主管道和子管道(管道橫截面積:500 μm 寬×100 μm 高)，還包含 5個端口(直徑:2.4 mm)，用于注入液態(tài)金屬和鹽酸溶液，通過氣壓改變液態(tài)金屬液滴的位置。主管道與子管道之間壁厚為 200 μm。金屬貼片的制備過程如圖1(b)所示。利用電子束蒸鍍技術(shù)在玻璃晶片上獲得100 nm厚的鉻(Cr)金屬層。然后，利用光刻技術(shù)獲得一對金屬貼片。鉻金屬貼片的尺寸為5 mm×2 mm。金屬貼片之間的距離為1 mm。然后將PDMS液體旋涂在金屬貼片之上，其厚度為30 μm厚度。然后將樣品置于80℃的加熱板上加熱90 min。由于PDMS是一種多孔材料，為了防止鹽酸蒸氣通過PDMS材料中微孔與金屬鉻接觸發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在PDMS表面上涂覆Parlyene(PPX)。其厚度為1 μm。然后對金屬貼片層和微流體管道層的表面進(jìn)行氧等離子體處理，并使之粘結(jié)形成完整的微流體管道如圖1(c)所示。最后再在電容器件的表面沉積1 μm厚的PPX，防止鹽酸蒸氣泄漏到空氣中?？芍貥?gòu)電容器的橫截面和尺寸如圖1(d)所示。

圖2 液態(tài)金屬液滴在可重構(gòu)電容器內(nèi)管道中的運動

2 可重構(gòu)電容器特性分析

如前文所述，可重構(gòu)電容器的電容變化主要取決于管道中液態(tài)金屬的位置和形狀。為了觀測液態(tài)金屬液滴在微流體管道中的運動特性，利用注射器泵-LabVIEW系統(tǒng)分別向子管道和主管道中注入37 wt%的鹽酸溶液和Galinstan，通過氣體入口注入氣體控制液態(tài)金屬液滴的位置，并利用CCD相機實時監(jiān)測。如圖2所示，液態(tài)金屬可以很容易的通入微流體管道中，可以隨意控制液態(tài)金屬的長度和位置。液態(tài)金屬液滴(長:2 mm)在管道中可以自由的移動。且在管道的內(nèi)壁上沒有殘余的氧化鎵。

圖3 可重構(gòu)電容器的電容與液態(tài)金屬液滴的偏移量以及尺寸之間的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析液態(tài)金屬可重構(gòu)電容器的特性，對其電容變化特性進(jìn)行了分析。其初始電容值為～0.467 pF。當(dāng)子管道中注滿37 wt%鹽酸溶液時，其電容變?yōu)椤?.854 pF，如圖2(b)所示。電容的變化是由于鹽酸容液，鹽酸溶液是一種電解質(zhì)溶液并具有良好的導(dǎo)電性。在主管道中注入8 mm長的液態(tài)金屬液滴，并將其放置在主管道的中心位置(偏移量:0 mm)，如圖2(c)所示，其電容為～1.182 pF。如圖2(d)所示，在主管道中注入2 mm長的液態(tài)金屬液滴，其偏移量可以通過注射器泵-LabVIEW控制。液態(tài)金屬液滴偏移量在-3.5 mm和3.5 mm之間變化。其電容隨著液態(tài)金屬液滴位置改變而改變，如圖3所示。當(dāng)液態(tài)金屬液滴的偏移量為0 mm時，其電容最大。這是因為放置在金屬片中間位置的液態(tài)金屬液滴和金屬貼片形成了并聯(lián)電容。與1 mm，2 mm和3 mm長液態(tài)金屬液滴相比，當(dāng)注入4 mm長液態(tài)金屬液滴時，改變其偏移量能獲得最大的電容變化，為～0.122 pF。其變化范圍從～0.977 pF到～1.099 pF。

此外，利用注射器泵-LabVIEW系統(tǒng)可以控制液態(tài)金屬液滴在微流體管道中做往復(fù)運動，其偏移量也隨之發(fā)生變化。圖4(a)描述了2 mm長的液態(tài)金屬液滴在微流體管道中的往復(fù)運動，其偏移量發(fā)生周期性變化，變化周期為T1(4.2 s)。在T1/2時間內(nèi)，以4.8 mL/L的空氣流速控制液態(tài)金屬液滴，其偏移量從～-4.7 mm增加到～4.7 mm，直到運動方向改變?yōu)橹?。這里，通過改變空氣流速方向來改變液態(tài)金屬運動方向，液滴運動方向的改變比氣流方向的改變延遲T1/4。這是由于液態(tài)金屬液滴改變方向之前需要減速。在T1/2～T1時間內(nèi)，液態(tài)金屬液滴偏移量從～4.7 mm減小到～-4.7 mm，直到其運動方向再次改變。當(dāng)液態(tài)金屬液滴在微流體管道中做往復(fù)運動，相應(yīng)地，可重構(gòu)電容器的電容也做周期性變化，電容變化周期為T2(2.1 s)，如圖4(b)所示。在T2/2時間內(nèi)，液態(tài)金屬液滴的偏移量從～-4.7 mm增加到～0 mm，電容從～0.893 pF增加到～0.957 pF。在T2/2-T2時間內(nèi)，隨著偏移量的增加(～0 mm-～4.7 mm)，電容減小(～0.957 pF-～0.893 pF)。

圖4 液態(tài)金屬可重構(gòu)電容器的動態(tài)特性分析

3 可調(diào)諧頻率選擇面應(yīng)用

可調(diào)諧頻率選擇面的機理可以用電容-電感等效電路來描述。其調(diào)諧性取決于電容或電感的變化。在這里電容的變化在很大程度上取決于液態(tài)金屬的形狀和位置。因此這種基于液態(tài)金屬的可重構(gòu)電容器可以應(yīng)用于可調(diào)諧頻率選擇面。如圖5所示，可調(diào)諧頻率選擇面裝置具有三層，其中一層布置了周期陣列式金屬貼片，與之相對應(yīng)的另一層布置了周期陣列金屬導(dǎo)線，中間層為介質(zhì)層且包含了微流體管道和液態(tài)金屬液滴?？烧{(diào)諧液態(tài)金屬頻率選擇面的陣列單元和尺寸如圖5(a)和(b)所示。通過HFSS軟件對這種可調(diào)諧式頻率選擇面進(jìn)行仿真，當(dāng)2 mm長的液態(tài)金屬液滴偏移量從0 mm變化至0.5 mm時，其諧振頻率從8.75 GHz增加到11.31 GHz，幾乎覆蓋整個X波段。

圖5 可調(diào)諧頻率選擇面應(yīng)用

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的基于液態(tài)金屬的可重構(gòu)電容器，可用于開發(fā)可調(diào)諧式頻率選擇面?？芍貥?gòu)電容器由一對金屬貼片(作為共面電容器部件)，微流體管道以及液態(tài)金屬液滴組成。通過CCD可以觀測去除氧化層的液態(tài)金屬液滴在微流體管道中的運動，其運動由注射器泵-LabVIEW系統(tǒng)自由的控制。其電容變化取決于主管道中液態(tài)金屬液滴的位置和形狀的變化。基于可調(diào)諧式頻率選擇面的工作原理，我們將這種基于液態(tài)金屬的可重構(gòu)電容器應(yīng)用于頻率選擇面，其調(diào)諧性取決于液態(tài)金屬液滴的位置。實驗結(jié)和仿真結(jié)果表明該技術(shù)可以拓寬液態(tài)金屬在可調(diào)諧式電子器件中應(yīng)用。