Forscher nutzen Flüssigmetall und Laserablation, um dehnbare Miniaturantennen herzustellen

Forscher haben eine neue Methode zur Herstellung winziger dehnbarer Antennen aus einem Hydrogel und flüssigem Metall entwickelt. Die Antennen könnten in tragbaren und flexiblen drahtlosen elektronischen Geräten verwendet werden, um eine Verbindung zwischen dem Gerät und externen Systemen für die Stromversorgung, Datenverarbeitung und Kommunikation herzustellen.

„Mit unserem neuen Herstellungsansatz haben wir gezeigt, dass die Länge einer Flüssigmetallantenne halbiert werden kann“, sagte Tao Chen von der Xi’an Jiaotong University in China. „Dies kann dazu beitragen, tragbare Geräte zur Gesundheitsüberwachung, Überwachung menschlicher Aktivitäten, Wearable Computing und anderen Anwendungen zu verkleinern und sie kompakter und komfortabler zu machen.“

Im Tagebuch Optik-Expressbeschreiben die Forscher ihre neue Technik, bei der eutektisches Gallium-Indium – eine Metalllegierung, die bei Raumtemperatur flüssig ist – in einen Mikrokanal injiziert wird, der mit einem einstufigen Femtosekundenlaser-Ablationsprozess erstellt wurde. Mit dieser Methode erstellten sie eine Antenne mit den Maßen 24 mm × 0,6 mm × 0,2 mm, eingebettet in eine 70 mm × 12 mm × 7 mm große Hydrogelplatte.

„Dehnbare und flexible Antennen könnten für tragbare medizinische Geräte nützlich sein, die beispielsweise Temperatur, Blutdruck und Blutsauerstoff überwachen“, sagte Chen. „Separate mobile Geräte könnten über die flexiblen Antennen eine Verbindung zu einer größeren Steuereinheit herstellen, die Daten und andere Kommunikation übertragen würde, und so ein drahtloses Netzwerk im Körperbereich bilden. Da die Resonanzfrequenzen der flexiblen Antennen je nach ausgeübter Belastung variieren, könnte dies möglicherweise auch der Fall sein.“ Wird als tragbarer Bewegungssensor verwendet.

Ein flexibleres Metall

Die Arbeit entstand aus früheren Forschungsarbeiten, die in Zusammenarbeit mit Jian Hu von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien durchgeführt wurden und bei denen die Forscher eine Möglichkeit entwickelten, in Hydrogel eingebettete 3D-Silberstrukturen für die Dehnungsmessung mithilfe von Femtosekunden-Laserablation herzustellen (kooperiert). mit Prof. Jian Hu).

„Die Silberstrukturen zeigten eine schlechte Dehnbarkeit, weil sie sehr zerbrechlich waren“, sagte Chen. „Die Verwendung von flüssigem Metall anstelle einer festen Metallstruktur erleichtert nicht nur das Füllen des Hydrogel-Mikrokanals durch das Metall, sondern erhöht auch seine Dehnfähigkeit.“

Um eine Flüssigmetall-Dipolantenne herzustellen – den einfachsten und am weitesten verbreiteten Antennentyp – scannten die Forscher einen Femtosekundenlaser, um ein Paar symmetrischer Mikrokanäle in einem Hydrogel zu bilden, ohne die Oberfläche zu beschädigen. Die kurze Pulsdauer des Lasers erzeugt eine hohe Spitzenleistung, die die Ablation von transparentem Material über nichtlineare optische Effekte wie Multiphotonenabsorption ermöglicht, wodurch sichergestellt wird, dass die Ablation nur am genauen Brennpunkt des Lasers stattfindet.

Anschließend injizierten sie das flüssige Metall in die Mikrokanäle und bildeten so einen in Hydrogel eingebetteten Draht, der als Antenne verwendet werden kann.

Sie wählten Hydrogel als Substrat, weil es im Vergleich zu Polydimethylsiloxan (PDMS) und anderen herkömmlichen Polymersubstraten günstigere dielektrische Eigenschaften aufweist, wodurch die Länge der Antenne um die Hälfte reduziert werden konnte. Auch auf Hydrogel basierende Geräte können auf fast das Doppelte ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden.

Flüssigmetallgeräte auf Hydrogelbasis werden jedoch typischerweise mithilfe eines Lasers hergestellt, um Rillen in die Oberseite zu gravieren, diese mit flüssigem Metall zu füllen und dann das gemusterte Substrat mit einem nicht gravierten Substrat zu verbinden.

„Mit unserer Methode kann der Mikrokanal in einem einzigen Herstellungsschritt in Hydrogel eingebettet werden, ohne dass eine Schichtbindung erforderlich ist“, sagte Chen. „Darüber hinaus können durch 3D-Scannen des Femtosekundenlasers problemlos 3D-Mikrokanäle sowie Flüssigmetallstrukturen gebildet werden, was die Herstellung flexibler 2D- oder 3D-Antennen mit komplizierten Strukturen zur Leistungs- und Funktionsverbesserung ermöglicht.“

Herstellung einer dehnbaren Antenne

Um den neuen Herstellungsansatz zu demonstrieren, stellten die Forscher dehnbare Dipolantennen her und maßen deren Reflexionskoeffizienten bei verschiedenen Frequenzen. Diese Experimente zeigten, dass das reine Hydrogel fast die gesamte einfallende elektromagnetische Wellenenergie reflektiert, während die in das Hydrogel eingebettete Flüssigmetall-Dipolantenne den größten Teil der einfallenden elektromagnetischen Welle effektiv in den freien Raum abstrahlt, wobei weniger als 10 % bei der Resonanzfrequenz reflektiert werden.

Sie zeigten auch, dass durch Variation der angelegten Spannung von 0 bis 48 % die Resonanzfrequenz der Antenne von 770,3 MHz auf 927,0 MHz abgestimmt werden kann.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Dichtungstechnik der laserinduzierten Mikrokanäle zu verbessern, um die Festigkeit der flexiblen, dehnbaren Antenne und die Grenzbelastung beim Austreten von flüssigem Metall zu erhöhen. Sie planen außerdem zu untersuchen, wie dieser neue Ansatz zur Entwicklung vollständig flexibler mehrdimensionaler Dehnungs- und Drucksensoren mit komplizierten 2D- oder 3D-Strukturen angewendet werden könnte.