一种用于可调谐频率选择面的液态金属可重构电容器∗

张 崇，杨雪茹，唐文君，李光勇，2∗，杜建科，2

(1.宁波大学机械工程与力学学院智能材料与先进结构实验室，浙江宁波315211；2.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江宁波315211)

Galinstan是一种镓-铟-锡液态金属合金，其质量百分比分别为68.5%，21.5%和10%，在室温下为液态。与水银相比，具有高电导率(3.46×106S/m)、高沸点(1 300℃)、高热导率(16.5 W/mK)和低蒸气压(在500℃时，其蒸气压小于10-6Pa)。这种基于镓的液态金属可以代替有毒的水银应用于各种器件中，例如温度计[1]，冷却系统[2]，能量采集器[3]，可延展和柔性电子器件[4-8]，可调谐电子器件[9-14]。对于可调谐电子器件，其可调谐性主要取决于液态金属的位置和形状的变化。

Bayindir M团队提出了一种电磁超材料[15]。其传输特性可以通过改变液态金属液滴的位置而发生变化。Lee J B等人提出一种基于液态金属的可调谐天线[16]。通过控制微流体管道中液态金属的形状来改变天线的谐振频率。在Behdad N团队的研究中，基于液态金属的频率选择面谐振频率可以从8.0 GHz变化到 12.0 GHz，几乎覆盖整个 X波段[17]。可以用电容-电感等效电路来描述这种基于液态金属的可调谐频率选择面的工作原理。电容的变化在很大程度上取决于液态金属的形状和位置。通过改变金属贴片间液态金属液滴的位置来改变频率选择面的谐振频率。因此，在可调谐电子器件的工作中，熟练的控制液态金属的运动变得至关重要。

然而，镓-铟-锡液态金属的主要成分为镓，在空气环境中极易氧化。由于镓的氧化，在液态金属的表面形成一层氧化层，使其表现得更像凝胶而不像真正的液体。这种氧化的液态金属粘附在固体表面而不易流动。因此克服其粘附性，是开发可调谐电子器件的关键。在我们之前的研究中[7]，液态金属的氧化层可以通过盐酸去除，去除氧化层的液态金属呈现真正的流体特性。

在本项研究中，基于还原技术，利用MEMS制造工艺开发了一种新颖的液态金属的可重构电容器件，并对其电容特性进行分析。这种液态金属电容器件的电容可以通过改变液态金属液滴在其内部的管道中的位置而改变。液态金属液滴在其内部管道中可以自由的移动。最后将这种液态金属电容器件应用于可调谐频率选择面，实现其调谐性。

图1 基于液态金属的可重构电容器的制备过程

1 可重构电容器机理和制备

如图1所示，基于液态金属的可重构电容器由一对金属贴片和微流体管道组成。微流体管道包含PDMS材料制成的主管道和与其共面的子管道。由于PDMS具有良好的渗透性，在子管道中的盐酸蒸气可以通过管道壁渗透进主管道。由于液态金属液滴表面氧化层的主要成分为氧化镓，盐酸可以溶解氧化镓生成氯化镓，从而克服其粘附缺点。因此液态金属上的表面氧化层可以与进入主通道的盐酸反应，使之呈现真正的流体特性。

可重构电容器制备过程如图1所示，首先利用MEMS工艺制备微流体管道模型。其管道模型的材料为SU-8光刻胶如图1(a)所示。首先在硅片上旋涂SU-850光刻胶，旋涂速度为3 000 rad/min，时间为30 s，胶层厚度为100 μm，以65℃加热10 min和95℃加热30 min后覆盖掩膜板曝光，然后以65℃加热1 min和95℃加热10 min后显影并清洗获得微流体管道模型。管道模型包含主管道模型和子管道模型(管道横截面积:500 μm宽×100 μm高)，还包含5个端口(直径:2.4 mm)。然后将PDMS液体旋涂于管道模型上，加热固化。加热的温度和时间分别为80℃和2 h。固化后，将顶部的PDMS材质的微流体管道层从管道模型上轻轻剥离。PDMS管道层(厚度:3 mm)具有主管道和子管道(管道横截面积:500 μm 宽×100 μm 高)，还包含 5个端口(直径:2.4 mm)，用于注入液态金属和盐酸溶液，通过气压改变液态金属液滴的位置。主管道与子管道之间壁厚为 200 μm。金属贴片的制备过程如图1(b)所示。利用电子束蒸镀技术在玻璃晶片上获得100 nm厚的铬(Cr)金属层。然后，利用光刻技术获得一对金属贴片。铬金属贴片的尺寸为5 mm×2 mm。金属贴片之间的距离为1 mm。然后将PDMS液体旋涂在金属贴片之上，其厚度为30 μm厚度。然后将样品置于80℃的加热板上加热90 min。由于PDMS是一种多孔材料，为了防止盐酸蒸气通过PDMS材料中微孔与金属铬接触发生腐蚀现象，使用化学气相沉积技术在PDMS表面上涂覆Parlyene(PPX)。其厚度为1 μm。然后对金属贴片层和微流体管道层的表面进行氧等离子体处理，并使之粘结形成完整的微流体管道如图1(c)所示。最后再在电容器件的表面沉积1 μm厚的PPX，防止盐酸蒸气泄漏到空气中。可重构电容器的横截面和尺寸如图1(d)所示。

图2 液态金属液滴在可重构电容器内管道中的运动

2 可重构电容器特性分析

如前文所述，可重构电容器的电容变化主要取决于管道中液态金属的位置和形状。为了观测液态金属液滴在微流体管道中的运动特性，利用注射器泵-LabVIEW系统分别向子管道和主管道中注入37 wt%的盐酸溶液和Galinstan，通过气体入口注入气体控制液态金属液滴的位置，并利用CCD相机实时监测。如图2所示，液态金属可以很容易的通入微流体管道中，可以随意控制液态金属的长度和位置。液态金属液滴(长:2 mm)在管道中可以自由的移动。且在管道的内壁上没有残余的氧化镓。

图3 可重构电容器的电容与液态金属液滴的偏移量以及尺寸之间的关系

为了进一步分析液态金属可重构电容器的特性，对其电容变化特性进行了分析。其初始电容值为～0.467 pF。当子管道中注满37 wt%盐酸溶液时，其电容变为～0.854 pF，如图2(b)所示。电容的变化是由于盐酸容液，盐酸溶液是一种电解质溶液并具有良好的导电性。在主管道中注入8 mm长的液态金属液滴，并将其放置在主管道的中心位置(偏移量:0 mm)，如图2(c)所示，其电容为～1.182 pF。如图2(d)所示，在主管道中注入2 mm长的液态金属液滴，其偏移量可以通过注射器泵-LabVIEW控制。液态金属液滴偏移量在-3.5 mm和3.5 mm之间变化。其电容随着液态金属液滴位置改变而改变，如图3所示。当液态金属液滴的偏移量为0 mm时，其电容最大。这是因为放置在金属片中间位置的液态金属液滴和金属贴片形成了并联电容。与1 mm，2 mm和3 mm长液态金属液滴相比，当注入4 mm长液态金属液滴时，改变其偏移量能获得最大的电容变化，为～0.122 pF。其变化范围从～0.977 pF到～1.099 pF。

此外，利用注射器泵-LabVIEW系统可以控制液态金属液滴在微流体管道中做往复运动，其偏移量也随之发生变化。图4(a)描述了2 mm长的液态金属液滴在微流体管道中的往复运动，其偏移量发生周期性变化，变化周期为T1(4.2 s)。在T1/2时间内，以4.8 mL/L的空气流速控制液态金属液滴，其偏移量从～-4.7 mm增加到～4.7 mm，直到运动方向改变为止。这里，通过改变空气流速方向来改变液态金属运动方向，液滴运动方向的改变比气流方向的改变延迟T1/4。这是由于液态金属液滴改变方向之前需要减速。在T1/2～T1时间内，液态金属液滴偏移量从～4.7 mm减小到～-4.7 mm，直到其运动方向再次改变。当液态金属液滴在微流体管道中做往复运动，相应地，可重构电容器的电容也做周期性变化，电容变化周期为T2(2.1 s)，如图4(b)所示。在T2/2时间内，液态金属液滴的偏移量从～-4.7 mm增加到～0 mm，电容从～0.893 pF增加到～0.957 pF。在T2/2-T2时间内，随着偏移量的增加(～0 mm-～4.7 mm)，电容减小(～0.957 pF-～0.893 pF)。

图4 液态金属可重构电容器的动态特性分析

3 可调谐频率选择面应用

可调谐频率选择面的机理可以用电容-电感等效电路来描述。其调谐性取决于电容或电感的变化。在这里电容的变化在很大程度上取决于液态金属的形状和位置。因此这种基于液态金属的可重构电容器可以应用于可调谐频率选择面。如图5所示，可调谐频率选择面装置具有三层，其中一层布置了周期阵列式金属贴片，与之相对应的另一层布置了周期阵列金属导线，中间层为介质层且包含了微流体管道和液态金属液滴。可调谐液态金属频率选择面的阵列单元和尺寸如图5(a)和(b)所示。通过HFSS软件对这种可调谐式频率选择面进行仿真，当2 mm长的液态金属液滴偏移量从0 mm变化至0.5 mm时，其谐振频率从8.75 GHz增加到11.31 GHz，几乎覆盖整个X波段。

图5 可调谐频率选择面应用

4 结论

本文提出了一种新型的基于液态金属的可重构电容器，可用于开发可调谐式频率选择面。可重构电容器由一对金属贴片(作为共面电容器部件)，微流体管道以及液态金属液滴组成。通过CCD可以观测去除氧化层的液态金属液滴在微流体管道中的运动，其运动由注射器泵-LabVIEW系统自由的控制。其电容变化取决于主管道中液态金属液滴的位置和形状的变化。基于可调谐式频率选择面的工作原理，我们将这种基于液态金属的可重构电容器应用于频率选择面，其调谐性取决于液态金属液滴的位置。实验结和仿真结果表明该技术可以拓宽液态金属在可调谐式电子器件中应用。