CN101222840A

CN101222840A - 一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗

Info

Publication number: CN101222840A
Application number: CNA2008100639880A
Authority: CN
Inventors: 谭久彬; 陆振刚
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2028-02-04
Also published as: CN100553423C

Abstract

一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗属于光学透明件电磁屏蔽技术领域，电磁屏蔽光学窗由两层结构参数相同的方格金属网栅或金属丝网平行放置于光学窗或透明衬底两侧构成，双层方格金属网栅的方格边长大于传统单层方格金属网栅方格边长的2倍，且其两层方格金属网栅的间距为其方格边长的2～4倍，相对于传统单层方格金属网栅，采用双层方格金属网栅结构的光学窗在不降低透光率的同时，大幅度提高了微波以及毫米波的屏蔽效率，解决了已有光学窗电磁屏蔽技术中高透光率和强电磁屏蔽效率不能同时兼顾的问题，适用于航空航天装备、保密设施和医疗诊断仪器等军用、民用光学透明件的电磁屏蔽。

Description

一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗

技术领域

本发明属于医疗诊断仪器、保密设施和航空航天装备等光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗。

背景技术

随着各种电子设备的广泛应用，电磁波应用波段不断展宽和强度不断增加，空间电磁环境日益复杂，对医疗诊断仪器等领域应用的光学窗提出了越来越明确的电磁屏蔽要求，特别是要求这些光学窗同时具备高透明度和超强的宽波段电磁屏蔽性能。如医疗用核磁共振仪屏蔽室的观察窗就需要进行电磁屏蔽，以防止核磁共振仪被外界电磁场干扰影响正常工作，也防止工作人员长期暴露于核磁共振仪本身的电磁场下而损害健康。对于党政机关、军事部门、重要科研单位所在的保密建筑设施，也需要对其房屋的窗玻璃在保证采光性的同时，进行电磁屏蔽设计，以防止室内电脑等电子设备工作时重要信息以电磁辐射形式传播到窗外造成泄密。目前光学窗的电磁屏蔽主要采用透明导电薄膜、金属诱导透射型多层膜结构、带阻型频率选择表面和金属网栅等技术实现。

透明导电薄膜主要指透明金属氧化物薄膜，最常用的是氧化铟锡，能屏蔽较宽波段的微波，但对微波衰减能力不强因而屏蔽效果欠佳，且一般只用于透可见光的场合，对透光率也有一定影响。金属诱导透射型多层膜结构包含有单层或多层薄金属膜，对低频微波屏蔽能力较强，然而透光区域主要为可见光和紫外光，且透光率不高。带阻型频率选择表面通过精确设计其单元的图形和尺寸，可实现单个窄波段或多个窄波段的电磁屏蔽，但实现宽波段电磁屏蔽较为困难。对于从甚高频到微波这一应用最广泛的宽波段进行强电磁屏蔽，同时又要保证光学窗在从红外到可见光的较宽透光波段内具有高的透明度，上述各技术方案均存在明显的不足。相比而言，金属网栅的结构参数可以灵活控制，特别是当金属网栅的周期在毫米或亚毫米尺度时，由于其远大于红外光和可见光波长，可以实现高透光率，而又远小于微波波长，可以实现较强的低频宽波段电磁屏蔽，这一特性使得基于金属网栅频率滤波原理的光学窗电磁屏蔽技术获得了广泛的关注和研究，例如：

1.专利93242068.0“电磁屏蔽玻璃”在两层玻璃之间夹导电金属网，在玻璃外侧用导电透明膜使之粘合在金属窗框上以构成电磁屏蔽结构，该结构有一定的采光性；

2.专利94231862.5“无莫尔条纹电磁屏蔽观察窗”采用由两层数目不同的金属网平行放置，且它们经线或者纬线有一定的夹角，以达到克服莫尔条纹现象，实现更清晰的视野；

3.专利02157954.7“高屏效防信息泄漏玻璃”在金属丝网两侧各有一层聚碳酸脂胶片，胶片外侧各贴附一层玻璃，最后热压而成电磁屏蔽结构，该结构在透光率达到60％的情况下，具有较强的屏蔽效率；

4.专利03135313.5“一种电磁屏蔽观察窗”用单重或多重金属丝网以及类半导体量子阱结构组合成电磁屏蔽结构，可实现10GHz以内超过50dB的屏蔽效率，该结构在可见光高透射区域的透光率达到50％以上；

5.专利200610084149.8“电磁波屏蔽薄膜及其制造方法”描述了一种由光刻工艺形成的具有金属网状图案的高透明电磁屏蔽薄膜，该发明的主要目的在于减少金属耗用量和克服在金属层和薄膜基材之间使用固化胶造成的环境污染；

上述各方案由于采用金属网栅或金属丝网作为屏蔽的核心器件，可以实现较好的电磁屏蔽效果和一定的透光率。然而随着科学技术的发展，要求光学窗在具有强电磁屏蔽能力的同时，还要具有高的透光率，如在高性能医疗仪器、重大安全设施和航空航天装备领域，已经要求光学窗在20GHz以内的微波频率实现30dB以上的屏蔽效率，同时还具有95％以上的透光率。目前金属网栅最常用的结构为附图2所示的单层方格网栅结构，因其透光能力和屏蔽能力存在固有矛盾而无法满足上述性能要求。为了缓解方格金属网栅透光能力与屏蔽能力的固有矛盾，一个办法就是减小金属网栅的加工线宽，然而将网栅线宽减小意味着加工成本的显著上升和网栅的坚固耐用性下降，而且目前网栅的线宽已经达到几个微米，再大幅减小线宽将导致金属线条的导电能力降低，进而降低屏蔽能力，因此通过减小网栅线宽缓解透光能力与屏蔽能力矛盾的作用有限；另一个办法是通过将金属网栅叠加起来以增加其屏蔽效率，如前述专利94231862.5和专利200610084149.8就曾提及，但增加层数将导致透光能力显著降低；此外，还可以采用新颖的金属网栅结构，如专利200610010066.4“具有方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”提出用金属圆环构建成圆环金属网栅，有效避免了方格金属网栅高级次衍射能量集中分布的缺点，并可以缓解其透光能力与屏蔽能力的矛盾。但仅靠单层圆环金属网栅结构，也很难满足上述要求，而且有些场合对网栅高级次衍射的均匀分布特性并无明确的要求。此外新的结构意味着新的加工工艺和手段，而人们更希望利用已有的成熟加工技术，来实现更加优良的性能，比如对于传统方格金属网栅结构中最为常用的金属丝网，就可以通过拉伸得到细金属丝，然后编织而成，成本非常低廉，适合大规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的光学窗电磁屏蔽技术方案的不足，特别是针对单层方格金属网栅的高透光率和强电磁屏蔽效率不能兼顾的问题，提出一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，利用双层金属网栅间距对其透光性能和屏蔽性能的不同影响规律，来选择网栅的周期和双层间距，以实现在透光率基本不变的情况下，大幅度提高屏蔽效率。

本发明采用的技术方案是：

具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，该窗由两层方格金属网栅或金属丝网平行放置于光学窗透明基片或衬底的两侧构成，两层方格金属网栅或金属丝网具有相同的方格单元外形和结构参数，且都由互相垂直的两组平行金属栅线组成，或者由互相垂直的两组平行金属细丝编织而成，任意两根互相垂直的栅线或者细丝在交点处重合或密接，其特征在于两层方格金属网栅的方格边长大于已有单层方格金属网栅方格边长的2倍，两层方格金属网栅的间距为其方格边长的2～4倍

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的方格边长必须小于屏蔽最小波长的0.5倍。

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的方格金属网栅由导电性能良好的金属或者合金构成，如金、银、铜、铝等，且金属厚度大于200nm。

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的金属丝网由导电性能良好的金属或者合金构成，如金、银、铜、铝等，且金属细丝的直径大于1μm。

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，所述的两层方格金属网栅阵列与光学窗透明基片材料之间用铬或者钛材料构成粘接层。

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，附有双层方格金属网栅的光学窗要与窗框或其它形式的外接部分电联接。

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，在方格金属网栅的表面镀增透膜。

上述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，在方格金属网栅的表面镀保护膜。

本发明具有以下创新性和优点：

1.利用双层金属网栅的间距(衬底层厚)对透光性能影响甚微，而对屏蔽性能影响显著的特点，优化选择双层金属网栅间距为2～4倍方格边长，利用双层金属网栅在该间距的强电磁耦合作用，显著提高屏蔽效率，而此时透光性能基本不受间距调整的影响，这是双层方格金属网栅结构的创新性之一；

2.利用双层金属网栅的透光率与网栅孔隙率关系密切，而受双层网栅间距影响不大的特点，将双层方格金属网栅的边长增大为原有单层方格金属网栅边长的2倍以上以增加孔隙率，使之与原有单层方格金属网栅相比，透光性能不会降低，避免了将原有单层方格网栅简单叠加造成透光率显著降低的缺点，这是双层方格金属网栅结构的创新性之二；

3.本发明提出的双层方格金属网栅，两层网栅是平行排列的，每层网栅的方格单元都按二维正交阵列排布，可使其对入射电磁波的极化状态不敏感；

4.本发明提出的双层方格金属网栅，保持了传统单层方格网栅屏蔽波段宽、透光波段宽的优点，且制作工艺简单，成本低廉，适合大批量生产。

附图说明

附图1是本发明的一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗剖面结构示意图。

附图2是已有的单层方格金属网栅结构示意图。

附图3是本发明的双层方格金属网栅结构示意图。

附图4是本发明的双层方格金属网栅屏蔽效率随双层间距变化示意图。

附图5是本发明的双层方格金属网栅与已有单层方格金属网栅透光率比较示意图。

附图6是本发明的双层方格金属网栅与已有单层方格金属网栅屏蔽效率比较示意图。

具体实施方式

本发明的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗的实施例和附图详细说明如下：

附图1是本发明的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗的一种典型优选结构剖面示意图。图中3和7分别为单层方格金属网栅结构层，它们的结构参数相同，且平行排列；图中5为光学窗透明材料基片层，材料可为任意透明材料，只要其能够作为满足使用场合要求的透明光学窗材料，同时能够将方格金属网栅3和7按一定的工艺流程加工于其上或附着在其表面；图中4为连接光学窗基片5和方格金属网栅3的粘接层，6为连接光学窗基片5和方格金属网栅7的粘接层，粘接层的优选材料是铬、钛等材料，特殊情况下也可不用粘接层，如在基片表面直接溅射刻蚀网栅的金属层或将加工好的网栅层加载于两片基片之间时；图中2为镀在方格金属网栅3表面的保护层，8为镀在方格金属网栅7表面的保护层，保护层2和8可以是单层或者多层结构，目的是防止网栅的金属部分长期暴露于空气中造成腐蚀和氧化，降低屏蔽能力，同时也防止金属网栅3和7被划伤，但保护层依据光学窗的工作环境需求，并非必须；图中1和9为单层或者多层增透膜层，目的是增强光学窗的透光能力，增透膜层1和9依据工作环境要求，可以同时用，也可以只用一个，也可以都不用。在附图1中，3和7也可分别为单层方格金属丝网。

附图3是本发明的双层方格金属网栅结构示意图，两层网栅为结构参数相同的方格金属网栅，平行排列分布于光学窗基片两侧。方格金属网栅由互相垂直的两组平行金属栅线构成，且任意两条垂直的金属栅线在交点处重合以确保所有栅线之间都导电，这样的构成方式使网栅的基本单元为方格金属片，且在网栅平面内，方格金属片单元按二维正交排列分布。金属网栅的材料为导电性能良好的金属或者合金，如金、银、铜、铝等，为保证良好的导电性，要求方格金属片的厚度一般要大于200nm，以使该层金属的电导率接近其直流电导率。根据电磁散射理论，方格网栅周期即方格边长g_d要小于屏蔽最小微波波长的0.5倍，以使电磁波入射方格网栅后其散射场以后向散射为主，实现良好的屏蔽效率。

附图3中，双层金属网栅也可以由结构参数相同的金属丝网构成，金属丝网由互相垂直的两组金属细丝编织而成，编织时有一定的预紧力，使得任意两根垂直的金属细丝在交点处紧密接触，以确保所有细丝之间都导电，金属细丝由导电性能良好的金属或者合金构成，如金、银、铜、铝等，为保证良好的导电性，细丝直径要大于1μm。

显而易见的，当两层金属网栅简单叠加到一起时，在提高屏蔽效率的同时，会造成透光能力的降低。为了使双层金属网栅的透光能力和屏蔽能力获得最好的平衡，需要研究双层金属网栅的透光性能和屏蔽性能与网栅的结构参数(网栅周期、线宽和双层间距)的关系，进而选取出最优的网栅结构参数，以使双层网栅获得最好的屏蔽效果，同时达到高的透光能力。下面详述本发明的双层方格金属网栅的结构参数的选取，以及其相对于已有单层方格金属网栅的性能改善。

对于附图2所示的单层方格金属网栅，其透光率T_s可由其周期g_s和线宽a_s表示为：

T_{s} = {(\frac{g_{s} - {2 a}_{s}}{g_{s}})}^{2} - - - (1)

对于附图3所示的双层方格金属网栅，标量衍射理论分析表明，间距h_d对其透光率T_d影响很小，透光率T_d可仅用方格网栅的周期g_d和线宽a_d表示如下：

T_{d} = {(\frac{g_{d} - {2 a}_{d}}{g_{d}})}^{4} - - - (2)

为使双层方格金属网栅与已有单层方格金属网栅具有相同的透光率，即T_s＝T_d，可由公式(1)和(2)联合求解得到：

g_{d} = \frac{a_{d}}{a_{s}} (g_{s} + \sqrt{g_{s}^{2} - {2 a}_{s} g_{s}}) - - - (3)

公式(3)即是双层方格金属网栅与单层方格金属网栅具有相同透光率时，它们结构参数(周期和线宽)之间的关系。由于网栅线宽越细性能越好，假设双层方格网栅和已有单层方格网栅都取现有技术能加工出的最小宽度，令a_s＝a_d＝a，则公式(3)变为：

g_{d} = g_{s} + \sqrt{g_{s}^{2} - 2 a g_{s}} - - - (4)

为了实现高透光率，要求g_s＞＞a，此时由公式(4)可进一步得到：

g_d≈2g_s (5)

公式(5)即是在网栅线宽相同条件下，双层方格金属网栅与已有单层方格金属网栅具有相同透光率时它们周期之间的关系。由于网栅线宽在加工时难保证一致性，因此为确保双层方格金属网栅的透光性能不低于已有单层方格金属网栅，可以将其周期适当放大，根据实际情况选择g_d＞2g_s，即双层方格金属网栅的方格边长大于已有单层方格金属网栅方格边长的2倍。

由于双层金属网栅的间距对其透光性能影响很小，这就为双层金属网栅屏蔽性能的最优化提供了一个优化的自由变量。利用严格的电磁散射矢量理论，分析得到双层方格金属网栅屏蔽效率与网栅间距之间的关系如附图4所示，可见，双层金属网栅的屏蔽效率随间距的增大而迅速增加，且增加趋势在间距达到3倍网栅周期后开始迅速变缓，另一方面，双层金属网栅在微波波段是一种典型的法布里-珀罗结构，随着间距的增加，其首个透射共振频率将移动到低频，甚至达到人们所关心的微波屏蔽波段，并造成屏蔽性能降低。基于上述理论分析结果，为实现在20GHz乃至40GHz以内的低频微波波段良好的屏蔽效率，双层方格金属网栅的间距不宜超过2mm，以避免透射共振效应的不利影响，在此前提下，最佳间距选择为网栅周期即方格边长的2～4倍，且越接近4倍效果越好。

为了验证本发明提出的双层方格金属网栅结构参数选择的有效性，通过紫外光刻技术制备了金属网栅样件，其中双层方格金属网栅样件的周期为g_d＝320μm，线宽为a_d＝2.31μm，双层间距为h_d＝1mm，单层方格金属网栅样件的周期为g_s＝160μm，线宽为a_s＝2.97μm，衬底厚度为h_s＝1mm，两个网栅样件的衬底材料均为石英玻璃。分别对两个网栅样件的透光率、电磁屏蔽效率进行了实验测试。

附图5是双层方格金属网栅样件与单层方格金属网栅样件透光率实测结果比较示意图，实验结果表明，它们的透光率在可见光波段都达到90％以上，在520～680nm的波段可以达到95％以上，而且制作的双层方格金属网栅透光率要略高于单层方格金属网栅。

附图6是双层方格金属网栅样件与单层方格金属网栅样件屏蔽效率实测结果比较示意图，实验结果表明，整个测量频段内，双层方格金属网栅比单层方格金属网栅的屏蔽效率提高7dB以上，在人们关心的高频18GHZ处提高9dB以上，双层方格金属网栅在18GHz以内微波波段的屏蔽效率超过32dB。

以上实验结果充分说明，按上述原则选择双层方格金属网栅的结构参数后，相对于已有的单层方格金属网栅，在透光率不降低的情况下，屏蔽效率获得了大幅度的提高，可满足特定应用场合对同时实现高透光率和强电磁屏蔽效率的要求。而且，随着加工技术的进步，当双层方格金属网栅的线宽进一步减小时，其方格边长也相应减小，双层方格金属网栅可同时实现更高的透光率和更强的电磁屏蔽效率，满足未来一些应用场合的要求，如实现毫米波波段的电磁屏蔽。

当采用金属丝网构成双层金属网栅时，由于金属丝网与金属网栅的性能十分接近，故金属丝网的方格边长和双层间距的选取方法与双层金属网栅相同。

本发明的方格金属网栅可以采用如下的加工方法制作：由机械刻划或者激光束、离子束和电子束直写等方式制作掩模，对已经选好厚度(即为双层间距)的透明衬底进行清洗后，在其两侧通过溅射等方法镀金属薄膜(或者先镀铬、钛等材料作为粘接层，其上再镀金属薄膜)，然后涂覆光刻胶，利用已加工好的掩模进行光刻，最后进行干法或者湿法刻蚀，去胶后在衬底两侧均得到方格金属网栅图案。也可以省去掩模制作环节，而直接采用激光直写的办法在衬底两侧制作方格金属网栅图案，其它的微电子加工工艺流程或二元光学元件制作流程等也可以用来制作本发明的双层方格金属网栅。此外，还可以利用拉伸等方法得到细金属丝，然后编织而成金属丝网，将两层金属丝网粘附或压制在透明衬底两侧来制作双层金属丝网，这种方法成本低廉，有利于大规模生产，适合对光学窗透光性能要求不十分高的场合，如微波炉用观察窗的电磁屏蔽。

附图1作为一个优选的实施例，其中透明衬底5本身即可为需要进行电磁屏蔽的光学窗；此外，在光学窗本身厚度较大的情况下或者由于应用的限制，也可以通过选择合适厚度及材料的透明衬底，先将附图1的结构完整的制作出来，然后将其整体加载到光学窗的一侧以实现电磁屏蔽。

本发明所涉及的光学窗材料由实际应用场合决定，可以是普通玻璃、光学玻璃、石英玻璃、红外材料、透明树脂材料、柔性透明材料等，本发明的双层方格金属结构要根据光学窗材料采取合适的加工工艺流程使之完全覆盖于光学窗之上，并且能够和窗框等实现可靠的电联接以保证优良的电磁屏蔽功能。实际应用中，方格金属网栅的两侧可以镀增透膜来增加透光能力，也可以在网栅层表面镀一层保护膜以防止金属结构长期放置于空气中遭到腐蚀或氧化而降低屏蔽能力，也防止网栅层遭到划伤、磨损或其它破坏。

Claims

1.一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，该窗由两层方格金属网栅或金属丝网平行放置于光学窗透明基片或衬底的两侧构成，两层方格金属网栅或金属丝网具有相同的方格单元外形和结构参数，且都由互相垂直的两组平行金属栅线组成，或者由互相垂直的两组平行金属细丝编织而成，任意两根互相垂直的栅线或者细丝在交点处重合或密接，其特征在于两层方格金属网栅的方格边长大于已有单层方格金属网栅方格边长的2倍，两层方格金属网栅的间距为其方格边长的2～4倍。

2.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的两层方格金属网栅或金属丝网的方格边长必须小于屏蔽最小波长的0.5倍。

3.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的两层方格金属网栅由导电性能良好的金属或者合金制作，且金属厚度大于200nm。

4.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的两层金属丝网由导电性能良好的金属或者合金构成，且金属细丝的直径大于1μm。

5.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：所述的两层方格金属网栅阵列与光学窗透明基片材料之间用铬或者钛材料构成粘接层。

6.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：附有双层方格金属网栅的光学窗要与窗框或其它形式的外接部分电联接。

7.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：在方格金属网栅的表面镀增透膜。

8.根据权利要求1所述的具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗，其特征是：在方格金属网栅的表面镀保护膜。