關(guān)于生物集成電路的可收縮天線的研究進(jìn)展

宋國偉　劉杰

摘? 要：集成電路是一種微型電子器件或部件，生物集成電路通過構(gòu)用可形成生命的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)，其集成度比普通集成電路高許多倍。而天線是生物集成過程中很重要的一環(huán)，將導(dǎo)行波與電磁波相互轉(zhuǎn)化。在生物集成電路中，對天線的特性提成了一些更為嚴(yán)苛的要求。因此，為了滿足更高程度的生產(chǎn)生活，本文將對可收縮天線的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以使其滿足特殊要求，幫助相關(guān)行業(yè)進(jìn)行更好的應(yīng)用和研究。

引言

集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊坐導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。目前，以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)超過了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產(chǎn)業(yè)成為改造和拉動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向數(shù)字時代的強(qiáng)大引擎和雄厚基石。2019年全球集成電路的銷售額為1250億美元，而以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)的世界貿(mào)易總額約占世界GNP的3%，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每2元的集成電路產(chǎn)值帶動了10元左右電子工業(yè)產(chǎn)值的形成，進(jìn)而帶動了100元GDP的增長。目前，發(fā)達(dá)國家國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長部分的65%與集成電路相關(guān)美國國防預(yù)算中的電子含量已占據(jù)了半壁江山（2019年為43.6%）。預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)世界集成電路銷售額將以年平均15%的速度增長，2019年將達(dá)到6000～8000億美元。作為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競爭的焦點(diǎn)擁有自主版權(quán)的集成電路已日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，社會進(jìn)步的基礎(chǔ)、國際競爭的籌碼和國家安全的保障。生物工程是上世紀(jì)70年代興起，采取生物化學(xué)的方法，用可構(gòu)成生命的物質(zhì)制成的電路稱為生物集成電路。它最早是由美國生物化學(xué)家詹.馬卡利爾博士發(fā)明的。生物集成電路的集成度可比普通集成電路高許多倍。一枚芯片上承載的信號相當(dāng)于硅芯片的千億倍。因此，-立方的生物電子計(jì)算機(jī)可以具有一幢大樓大小的巨型計(jì)算機(jī)的存儲記憶能力。生物集成電路還具有自修復(fù)能力，使它具有一種永久不壞的特性。另外，這種電路功耗低、省電、不發(fā)熱，是-種很有前途的集成電路。

天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。在生物集成電子或生物集成光電子設(shè)備中，最有前景的一些突破機(jī)會是無線的、可以在皮膚上安裝的工具，以用于精確收集和傳輸與生理健康狀況有關(guān)的生物信號。這些最先進(jìn)的生物集成電路能夠提供高質(zhì)量的臨床數(shù)據(jù)，能夠在診所、醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室等地方長時間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行。相關(guān)的系統(tǒng)在生物學(xué)研究中也有廣泛應(yīng)用，從用于標(biāo)記大腦和心臟電生理過程的共形電子薄片到控制用于光生物過程和光學(xué)監(jiān)測神經(jīng)活動的細(xì)絲狀探針。

這篇綜述通過闡述新型可收縮天線的不同機(jī)械、化學(xué)特性等，對生物集成電路進(jìn)行梳理，以幫助相關(guān)行業(yè)更好的進(jìn)行研究、應(yīng)用。

基于彎曲的金屬結(jié)構(gòu)的天線

生物集成技術(shù)平臺的發(fā)展主要依賴于能夠承受大型機(jī)械變形的超薄、超低模量器件的材料。一種廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)策略是將電子元件的相互連接或支撐平臺做成細(xì)絲狀彎曲結(jié)構(gòu)，這些電子元件嵌入在又薄又軟的彈性薄膜中。同時，作為一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將電子系統(tǒng)的電氣性能與彈性體聚合物的機(jī)械性能結(jié)合在一起。通過優(yōu)化布局，這個生物集成電路將被允許拉伸、彎曲和扭曲變形，以實(shí)現(xiàn)能夠完美契合柔軟的生物組織的曲線表面上，同時還能夠高性能運(yùn)行。彎曲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以精確定制以匹配各種生物組織的機(jī)械性能，包括完整的J形應(yīng)力應(yīng)變。

林彥輝等人設(shè)計(jì)了一種集成在金屬外殼中的天線結(jié)構(gòu)，包括電子器件的金屬外殼、設(shè)置在金屬外殼中的電路基板和設(shè)置在電路基板上的由一定形狀的金屬長條彎曲形成的天線輻射路徑。金屬外殼包括多個側(cè)面，其中一個側(cè)面設(shè)有狹縫，天線輻射線的一端與狹縫所在的側(cè)面接觸，并且接近狹縫的一端，與天線輻射線不接觸，靠近狹縫另一端的一側(cè)接地。利用其發(fā)明，在金屬外殼的側(cè)面設(shè)置狹縫，狹縫的一端與天線輻射電路接觸，另一端接地，使外殼的狹縫成為天線輻射電路的一部分，從而解決了傳統(tǒng)天線必須避開金屬外殼的問題，使天線具有更好的特性，滿足了產(chǎn)品小型化的要求。

基于3D裝配的天線

復(fù)雜、可控裝配三維微米或者納米結(jié)構(gòu)提供了獲得高級可伸縮天線的途徑。這一過程包括彈性基體中的應(yīng)力松弛，從而在二維前體中同時觸發(fā)平面內(nèi)和平面外的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以形成相應(yīng)的三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)。2D到3D的轉(zhuǎn)變過程由2D布局和前驅(qū)體的力學(xué)性能、鍵合位置以及預(yù)應(yīng)變的大小決定。這種方式形成的三維螺旋結(jié)構(gòu)在彈性延展性方面有相當(dāng)大的增強(qiáng)力（約為原來的兩倍）。這些螺旋的特征是基于彈簧響應(yīng)和均勻的應(yīng)力分布，而蛇形主要是屈曲或剪刀狀力學(xué)。三維螺旋結(jié)構(gòu)粘接在彈性基板（E = 20 kPa）上，并用超低模量彈性體（E = 3 kPa）封裝，可以提供高拉伸力學(xué)性能。其中，金屬層的最大計(jì)算應(yīng)力為≈130 MPa，遠(yuǎn)低于銅的屈服應(yīng)力（357 MPa）。天線可以通過控制應(yīng)用于彈性基板的應(yīng)變進(jìn)行可逆調(diào)諧。

以北斗為例，其3D基準(zhǔn)天線采用國際先進(jìn)的3D扼流圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有抗多徑扼流板、防水防紫外線罩，相位中心穩(wěn)定，定位精度高，低仰角接收效果好等特點(diǎn)。首次通過美國NGS在中國的權(quán)威試驗(yàn)，在基礎(chǔ)加固系統(tǒng)CORS站工程中得到了廣泛應(yīng)用。吳建峰等人設(shè)計(jì)了一款熱壓成型3D結(jié)構(gòu)的FPC天線，該FPC天線與一移動終端的天線支架或機(jī)殼固定連接，該熱壓成型3D結(jié)構(gòu)的FPC天線包括一具有3D結(jié)構(gòu)的FPC天線本體，所述FPC天線本體為完成線路蝕刻和阻焊層的FPC;所述FPC天線本體包括基材和銅箔，在具體過程中，該熱壓成型3D結(jié)構(gòu)的FPC天線通過一包括上熱壓模、下熱壓模和加熱器的熱壓設(shè)備將已經(jīng)完成線路蝕刻和阻焊層的FPC在熱壓工藝下進(jìn)行熱壓成型。通過熱壓成型工藝熱壓成型該具有3D結(jié)構(gòu)的FPC天線，從而使具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的FPC天線和天線支架或機(jī)殼快速組裝，不僅有效提升FPC天線的裝配速度，而且有效提高了FPC天線的天線性能。

基于液態(tài)金屬的天線

鎵基液態(tài)金屬具有吸引人的機(jī)械、電磁和化學(xué)特性，這使它們在操作上安全可靠，并且可用于柔性和可拉伸的電子設(shè)備和射頻通信平臺。

美國北卡羅來納州立大學(xué)（NCSU）的研究人員開發(fā)出了僅通過電壓控制液態(tài)金屬形狀的技術(shù)。在小型便攜終端及傳感器終端中，對于不同用途及不同的通信運(yùn)營商，無線頻率也會不同，將來可利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)支持不同無線頻率的天線。相關(guān)論文已發(fā)表在《應(yīng)用物理雜志》（Journal of Applied Physics）上。在室溫下呈液態(tài)的代表性金屬是汞（Hg，俗稱水銀）。但汞的蒸氣壓高，并且毒性強(qiáng)。最近，在液態(tài)金屬材料方面，開始采用鎵合金來代替汞。由于鎵合金是液體 且導(dǎo)熱性高，因此一直作為散熱材料和導(dǎo)熱材料使用。還有人嘗試采用液態(tài)金屬來改變天線的尺寸和形狀。但面臨的一大瓶頸是，要使用難以集成的泵。此次，NCSU化學(xué)與生物分子工程系教授Michael Dickey等帶領(lǐng)的研究小組成功實(shí)現(xiàn)了僅用電壓來控制液態(tài)金屬形狀的技術(shù)。具體方法是，在由鎵銦（GaIn）構(gòu)成的液態(tài)金屬中插入特定材料的電極，加載正電壓，這時液態(tài)金屬進(jìn)入毛細(xì)管中。相反，加載負(fù)電壓時，液態(tài)金屬流出毛細(xì)管。據(jù)研究人員介紹，加載的電壓不論是正電壓還是負(fù)電壓，都非常低。研究小組利用電化學(xué)效應(yīng)解釋了這一現(xiàn)象。其原理是，加載正電壓時，氧化物浮出液態(tài)金屬表面，表面張力降低;加載負(fù)電壓時，氧化物被從液態(tài)金屬表面去除，表面張力恢復(fù)。因此，液態(tài)金屬的動態(tài)發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)

[1]? Xie，Z.，Avila，R.，Huang，Y.，& Rogers，J. A.（2019）. Flexible and Stretchable Antennas for Biointegrated Electronics. Advanced Materials，1902767.

[2]? Das，Nirod K . The Electrical Engineering Handbook || Antennas and Radiation[J]. 2005：569-583.

[3]? ?lker，Sad?k. Antennas and propagation course in education[J]. International Journal of Electrical Engineering Education，2018.

[4]? Negar Reiskarimian，Aravind Nagulu，Tolga Dinc，et al.Integrated Conductivity Modulation Based RF Magnetic-Free Nonreciprocal Components：Recent Results and Benchmarking[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2018.