關于生物集成電路的可收縮天線的研究進展

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用可形成生命的物質實現，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，將導行波與電磁波相互轉化。在生物集成電路中，對天線的特性提成了一些更為嚴苛的要求。因此，為了滿足更高程度的生產生活，本文將對可收縮天線的研究進展進行綜述，以使其滿足特殊要求，幫助相關行業進行更好的應用和研究。

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體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構。目前，以集成電路為核心的電子信息產業超過了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統工業成為第一大產業成為改造和拉動傳統產業邁向數字時代的強大引擎和雄厚基石。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業的世界貿易總額約占世界GNP的3%，現代經濟發展的數據表明，每2元的集成電路產值帶動了10元左右電子工業產值的形成，進而帶動了100元GDP的增長。目前，發達國家國民經濟總產值增長部分的65%與集成電路相關美國國防預算中的電子含量已占據了半壁江山（2019年為43.6%）。預計未來10年內世界集成電路銷售額將以年平均15%的速度增長，2019年將達到6000～8000億美元。作為當今世界經濟競爭的焦點擁有自主版權的集成電路已日益成為經濟發展的命脈，社會進步的基礎、國際競爭的籌碼和國家安全的保障。生物工程是上世紀70年代興起，采取生物化學的方法，用可構成生命的物質制成的電路稱為生物集成電路。它最早是由美國生物化學家詹.馬卡利爾博士發明的。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于硅芯片的千億倍。因此，-立方的生物電子計算機可以具有一幢大樓大小的巨型計算機的存儲記憶能力。生物集成電路還具有自修復能力，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，或者進行相反的變換。在生物集成電子或生物集成光電子設備中，最有前景的一些突破機會是無線的、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的生物信號。這些最先進的生物集成電路能夠提供高質量的臨床數據，能夠在診所、醫院和實驗室等地方長時間內持續運行。相關的系統在生物學研究中也有廣泛應用，從用于標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監測神經活動的細絲狀探針。

這篇綜述通過闡述新型可收縮天線的不同機械、化學特性等，對生物集成電路進行梳理，以幫助相關行業更好的進行研究、應用。

基于彎曲的金屬結構的天線

生物集成技術平臺的發展主要依賴于能夠承受大型機械變形的超薄、超低模量器件的材料。一種廣泛應用的設計策略是將電子元件的相互連接或支撐平臺做成細絲狀彎曲結構，這些電子元件嵌入在又薄又軟的彈性薄膜中。同時，作為一種復合材料結構，將電子系統的電氣性能與彈性體聚合物的機械性能結合在一起。通過優化布局，這個生物集成電路將被允許拉伸、彎曲和扭曲變形，以實現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行。彎曲結構的設計可以精確定制以匹配各種生物組織的機械性能，包括完整的J形應力應變。

林彥輝等人設計了一種集成在金屬外殼中的天線結構，包括電子器件的金屬外殼、設置在金屬外殼中的電路基板和設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面，其中一個側面設有狹縫，天線輻射線的一端與狹縫所在的側面接觸，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接地。利用其發明，在金屬外殼的側面設置狹縫，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，滿足了產品小型化的要求。

基于3D裝配的天線

復雜、可控裝配三維微米或者納米結構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力松弛，從而在二維前體中同時觸發平面內和平面外的平移和旋轉運動，以形成相應的三維細觀結構。2D到3D的轉變過程由2D布局和前驅體的力學性能、鍵合位置以及預應變的大小決定。這種方式形成的三維螺旋結構在彈性延展性方面有相當大的增強力（約為原來的兩倍）。這些螺旋的特征是基于彈簧響應和均勻的應力分布，而蛇形主要是屈曲或剪刀狀力學。三維螺旋結構粘接在彈性基板（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性能。其中，金屬層的最大計算應力為≈130 MPa，遠低于銅的屈服應力（357 MPa）。天線可以通過控制應用于彈性基板的應變進行可逆調諧。

以北斗為例，其3D基準天線采用國際先進的3D扼流圈結構設計，具有抗多徑扼流板、防水防紫外線罩，相位中心穩定，定位精度高，低仰角接收效果好等特點。首次通過美國NGS在中國的權威試驗，在基礎加固系統CORS站工程中得到了廣泛應用。吳建峰等人設計了一款熱壓成型3D結構的FPC天線，該FPC天線與一移動終端的天線支架或機殼固定連接，該熱壓成型3D結構的FPC天線包括一具有3D結構的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結構的FPC天線通過一包括上熱壓模、下熱壓模和加熱器的熱壓設備將已經完成線路蝕刻和阻焊層的FPC在熱壓工藝下進行熱壓成型。通過熱壓成型工藝熱壓成型該具有3D結構的FPC天線，從而使具有復雜結構的FPC天線和天線支架或機殼快速組裝，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。

基于液態金屬的天線

鎵基液態金屬具有吸引人的機械、電磁和化學特性，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備和射頻通信平臺。

美國北卡羅來納州立大學（NCSU）的研究人員開發出了僅通過電壓控制液態金屬形狀的技術。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營商，無線頻率也會不同，將來可利用這項技術實現支持不同無線頻率的天線。相關論文已發表在《應用物理雜志》（Journal of Applied Physics）上。在室溫下呈液態的代表性金屬是汞（Hg，俗稱水銀）。但汞的蒸氣壓高，并且毒性強。最近，在液態金屬材料方面，開始采用鎵合金來代替汞。由于鎵合金是液體 且導熱性高，因此一直作為散熱材料和導熱材料使用。還有人嘗試采用液態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化學與生物分子工程系教授Michael Dickey等帶領的研究小組成功實現了僅用電壓來控制液態金屬形狀的技術。具體方法是，在由鎵銦（GaIn）構成的液態金屬中插入特定材料的電極，加載正電壓，這時液態金屬進入毛細管中。相反，加載負電壓時，液態金屬流出毛細管。據研究人員介紹，加載的電壓不論是正電壓還是負電壓，都非常低。研究小組利用電化學效應解釋了這一現象。其原理是，加載正電壓時，氧化物浮出液態金屬表面，表面張力降低;加載負電壓時，氧化物被從液態金屬表面去除，表面張力恢復。因此，液態金屬的動態發生變化。

參考文獻

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