CN104834040B - 一种金属网栅频率选择表面结构及制作方法 - Google Patents

一种金属网栅频率选择表面结构及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种金属网栅频率选择表面结构及制作方法属于光学窗技术领域；所述频率选择表面结构包括衬底，分布在衬底上的表面具有周期开孔阵列的透明网栅膜；制作方法首先在衬底上表面制作频率选择表面谐振单元掩模结构；并采用旋涂法涂覆含有水性丙烯酸树脂的裂纹甲油，形成掩模层薄膜；然后在特定条件下，将掩模液自然干燥形成裂纹模板；再在裂纹模板的表面沉积导电金属层；最后依次溶解裂纹模板、去除频率选择表面谐振单元掩模结构，得到金属网栅频率选择表面结构；本发明不仅避免因金属线宽增加而降低光学窗透光性能的问题，而且避免传统机械摩擦方式同时降低光学窗的透光性能和电磁屏蔽性能，还给出了解决高级次衍射能量分布不均匀问题的具体加工条件。

Description

一种金属网栅频率选择表面结构及制作方法
技术领域
一种金属网栅频率选择表面结构及制作方法属于光学窗技术领域。
背景技术
光学窗在遥测遥感、医疗诊断、保密通讯、航空航天装备等领域均具有广泛应用。传统的光学窗为单纯的电磁波透过窗口。然而，用电设备的不断增长，不仅会使电磁波的强度大幅增加，而且会使电磁波的波段不断拓宽，造成空间电磁环境日趋恶化，由于传统光学窗对电磁波具有通透性，因此电磁环境的恶化会对电磁敏感的设备产生不利影响。为了降低电磁干扰，需要在光学窗上增加电磁屏蔽功能。现有技术中，通常采用在光学窗表面增加制作金属网栅结构来实现这一功能。
随着多谱段探测技术的迅速发展，多模精确探测仪器对光学窗的电磁屏蔽性能提出了更高的要求：在可见光和红外下呈现透明状态，对特定微波波段也呈现透明状态，而对于其他波段的微波和无线电波实现内外电磁波的隔离，即防止外部的电磁干扰和内部的电磁泄漏。因为金属网栅是一种宽频段低通滤波器，屏蔽干扰电磁波的同时，也衰减了用于探测的毫米波，简单的金属网栅结构很难同时满足毫米波、可见/红外光复合模式探测光学窗电磁屏蔽的高要求。
名称为“雷达/红外双波段频率选择表面(申请号：201310385579.3)”，“一种毫米波带通金属网栅结构(申请号：201010239333.1)”，以及“高性能雷达/红外双波段频率选择表面(申请号：201310385578.9)”等发明专利和学术论文，均公开了一类表面分布有金属网栅频率选择表面(金属网栅FSS)结构的光学窗。这类光学窗在可见光和红外下呈现透明状态，对微波波段与孔径FSS单元尺寸一致时，也呈现透明状态，而对于其他波段的微波和无线电波而言，其相当于进行了金属化处理，实现了内外电磁波的隔离，解决了多模探测仪器光学窗的电磁屏蔽难题。
现有技术中，金属网栅FSS只是在方格、圆形或六边形等规则周期阵列金属网栅上设计FSS单元，但这些金属网栅FSS受限于金属网栅的光学衍射，高级次衍射能量分布不均匀造成杂散光的集中分布，影响光学系统成像，容易造成虚假探测目标，掩盖真实探测目标。
申请号为201310122824.1的发明专利“一种基于龟裂模板法制备多孔金属薄膜透明导电电极的方法”，公开了一种电极制备方法，该方法利用二氧化钛溶液龟裂成的非周期龟裂模板，制作出非周期金属网状图案。如将其用于制作金属网栅频率选择表面结构，具有解决高级次衍射能量分布不均匀问题的潜在能力。
然而，将该专利用于制作金属网栅频率选择表面结构，会存在以下缺点和不足：
第一、该方法采用二氧化钛溶液作为龟裂液，由于二氧化钛溶胶在空气中水解后转变成多晶薄膜，而多晶薄膜在干燥的过程中体积严重收缩，造成裂缝严重翘曲，因此会增加裂缝宽度，进而增加金属线宽，影响金属网栅频率选择表面结构的透光性能。
第二、该方法采用二氧化钛溶液作为龟裂液，在去除龟裂模板的时候，由于二氧化钛物理化学性能稳定，因此由其制作的龟裂模板只能采用机械摩擦的方式去除，不仅去除工艺复杂，而且机械摩擦还会磨损衬底和金属电极，分别影响金属网栅频率选择表面结构的透光性能和电磁屏蔽性能。
第三、按照该发明的方法制作金属网栅频率选择表面结构，虽然突破了周期限制，但是否能够解决高级次衍射能量分布不均匀的问题，或在什么具体条件下才能解决问题，没有进行讨论。
发明内容
针对上述缺点和不足，本发明公开了一种金属网栅频率选择表面结构及制作方法，该方法不仅回避使用二氧化钛溶液，避免因金属线宽增加而降低金属网栅频率选择表面结构透光性能的问题，而且无需采用机械摩擦的方式去除模板，避免传统机械摩擦方式同时降低金属网栅频率选择表面结构的透光性能和电磁屏蔽性能，还给出能够解决高级次衍射能量分布不均匀问题的具体加工条件，使本发明方法制作出的金属网栅频率选择表面结构，不仅具有良好的电磁屏蔽性能，而且在解决高级次衍射能量分布不均匀问题时，达到了不发生明显衍射的效果，具有良好的透光性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种金属网栅频率选择表面结构，
包括衬底，分布在衬底上的透明网栅膜，所述的透明网栅膜表面具有周期开孔阵列；
所述的透明网栅膜的形状为20～25℃温度和50～80％RH湿度条件下，含有丙烯酸树脂的裂纹甲油自然干燥形成的图形；
所述的周期开孔阵列内部，具有以下两种结构中的一种：
结构一、不含有透明网栅膜；
结构二、含有透明网栅膜，孔内的透明网栅膜和孔外的透明网栅膜不连通。
一种金属网栅频率选择表面结构，包括衬底，分布在衬底上的透明网栅膜和周期开孔阵列；所述透明网栅膜和周期开孔阵列是前述对应位置的互换。
上述金属网栅频率选择表面结构，所述的周期开孔阵列的形状为以下两类结构中的一种：
结构一、周期开孔形状为圆环、方环、六边形环等环形孔隙；
结构二、圆形、方形、六边形等实心孔隙。
一种上述金属网栅频率选择表面结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤a，在衬底的上表面制作频率选择表面谐振单元掩模结构；
步骤b，在频率选择表面谐振单元掩模结构上表面和频率选择表面谐振单元掩模结构没有覆盖到的衬底上表面采用旋涂法涂覆含有水性丙烯酸树脂的裂纹甲油，形成掩模层薄膜；
步骤c，在密闭腔室中，控制腔室温度为20～25℃，湿度为50～80％RH，将掩模层薄膜自然干燥，形成裂纹模板；
步骤d，采用磁控溅射方式或电子束蒸镀方式，在裂纹模板的表面沉积导电金属层；
步骤e，采用裂纹甲油清洗剂或氯仿溶液溶解去除裂纹模板；
步骤f，去除频率选择表面谐振单元掩模结构，得到金属网栅频率选择表面结构。
上述金属网栅频率选择表面结构的制作方法，步骤b所述的裂纹甲油采用稀释剂稀释，稀释比例k定义为稀释剂与裂纹甲油的体积比，并且1≤k≤7。
步骤c所述的裂纹模板的平均裂纹宽度w与掩模层薄膜厚度h之间的关系为：
w＝0.342e0.266h
式中，w为裂纹模板的平均裂纹宽度，单位μm；h为掩模层薄膜厚度，单位μm。
步骤c所述的裂纹模板的平均裂纹间隔d与掩模层薄膜厚度h之间的关系为：
d＝15.8e0.169h
式中，d为裂纹模板的平均裂纹间隔，单位μm；h为掩模层薄膜厚度，单位μm。
所述的厚度h与旋涂转速r之间满足：
h＝(1.283-0.25lnk)(0.008r4-0.237r3+2.542r2-11.98r+25.64)
式中，r的取值范围在1kr/min至6kr/min之间。
上述金属网栅频率选择表面结构的制作方法，步骤a所述的衬底的材料为石英、ZnS、MgF2或PET等光学窗材料。
有益效果：
第一、由于使用含有水性丙烯酸树脂的裂纹甲油作为掩模液，而这种掩模液在龟裂过程中，不会发生体积严重收缩及裂缝严重翘曲，因此不会造成裂缝宽度增加，解决了因金属线宽增加而降低金属网栅频率选择表面结构透光性能的问题。
第二、由于使用含有水性丙烯酸树脂的裂纹甲油作为掩模液，而这种掩模液在裂纹甲油清洗剂或氯仿溶液能够溶解，即采用溶解的方式即可去除裂纹模板，因此解决了因使用传统机械摩擦而造成的金属网栅频率选择表面结构的透光性能和电磁屏蔽性能降低的问题。
第三、由于给出了密闭腔室的温度为20～25℃，湿度为50～80％RH的条件，在此条件下制作出的金属网栅频率选择表面结构，在解决高级次衍射能量分布不均匀问题时，甚至达到了不发生明显衍射的效果，提高了金属网栅频率选择表面结构的透光性能。
附图说明
图1是周期开孔阵列为方环形时的金属网栅频率选择表面结构示意图。
图2是本发明金属网栅频率选择表面结构的制作方法流程图。
图3是本发明金属网栅频率选择表面结构的制作工艺流程图。
图中：1衬底、2透明网栅膜、21掩模层薄膜、22裂纹模板、23导电金属层、3周期开孔阵列、4频率选择表面谐振单元掩模结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例为金属网栅频率选择表面结构实施例。
本实施例的金属网栅频率选择表面结构，包括衬底1，分布在衬底1上的透明网栅膜2，所述的透明网栅膜2表面具有周期开孔阵列3；
所述的透明网栅膜2的形状为20～25℃温度和50～80％RH湿度条件下，含有丙烯酸树脂的裂纹甲油自然干燥形成的图形；
所述的周期开孔阵列3内部，具有以下两种结构中的一种：
结构一、不含有透明网栅膜2；
结构二、含有透明网栅膜2，孔内的透明网栅膜2和孔外的透明网栅膜2不连通。
这里以周期开孔阵列3为方环形，周期开孔阵列3内部含有透明网栅膜2，孔内的透明网栅膜2和孔外的透明网栅膜2不连通为例，来绘制金属网栅频率选择表面结构示意图，如图1所示。
具体实施例二
本实施例仍然为金属网栅频率选择表面结构实施例。
本实施例的金属网栅频率选择表面结构，包括衬底1，分布在衬底1上的透明网栅膜2和周期开孔阵列3；所述透明网栅膜2和周期开孔阵列3是具体实施例一所述对应位置的互换。
具体实施例三
本实施例为金属网栅频率选择表面结构的制作方法实施例。
本实施例的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，流程图如图2所示。该方法包括以下步骤：
步骤a，在衬底1的上表面制作频率选择表面谐振单元掩模结构4；
步骤b，在频率选择表面谐振单元掩模结构4上表面和频率选择表面谐振单元掩模结构4没有覆盖到的衬底1上表面采用旋涂法涂覆含有水性丙烯酸树脂的裂纹甲油，形成掩模层薄膜21；
步骤c，在密闭腔室中，控制腔室温度为20～25℃，湿度为50～80％RH，将掩模层薄膜21自然干燥，形成裂纹模板22；
步骤d，采用磁控溅射方式或电子束蒸镀方式，在裂纹模板22的表面沉积导电金属层23；
步骤e，采用裂纹甲油清洗剂或氯仿溶液溶解去除裂纹模板22；
步骤f，去除频率选择表面谐振单元掩模结构4，得到金属网栅频率选择表面结构。
该方法的制作工艺流程图如图3所示。
按照本实施例方法制作得到的金属网栅频率选择表面结构，能够解决高级次衍射能量分布不均匀的问题。
具体实施例四
本实施例为金属网栅频率选择表面结构的制作方法实施例。
本实施例的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，方法流程与工艺流程同具体实施例三完全相同，区别在于，限定裂纹甲油采用稀释剂稀释，稀释比例k定义为稀释剂与裂纹甲油的体积比，并且1≤k≤7。
在上述比例条件下，发现裂纹模板22的平均裂纹宽度w与掩模层薄膜21厚度h之间的关系为：
w＝0.342e0.266h
式中，w为裂纹模板22的平均裂纹宽度，单位μm；h为掩模层薄膜21厚度，单位μm。
步骤b所述的裂纹模板22的平均裂纹间隔d与掩模层薄膜21厚度h之间的关系为：
d＝15.8e0.169h
式中，d为裂纹模板22的平均裂纹间隔，单位μm；h为掩模层薄膜21厚度，单位μm。
这两个式子说明，裂纹模板22的平均裂纹宽度w与裂纹模板22的平均裂纹间隔d都是掩模层薄膜21厚度h的函数，并且随掩模层薄膜21厚度h的变化呈现出不同的变化规律。
那么就会存在一个掩模层薄膜21厚度h范围，在该数值范围下，裂纹模板22的平均裂纹宽度w与裂纹模板22的平均裂纹间隔d的数值组合，使金属网栅频率选择表面结构达到接近理想的光学特性。
经过大量的理论推导和实验，发现掩模层薄膜21厚度h与旋涂转速r之间满足：
h＝(1.283-0.25lnk)(0.008r4-0.237r3+2.542r2-11.98r+25.64)
又经过反复实验，发现r的取值范围在1kr/min至6kr/min之间时，使裂纹模板22的平均裂纹宽度w与裂纹模板22的平均裂纹间隔d的数值组合，不仅解决高级次衍射能量分布不均匀问题时，甚至达到了不发生明显衍射的效果。
以上两个方法实施例中，步骤a所述的制作频率选择表面谐振单元掩模结构4，为粘贴胶带；步骤f所述的去除频率选择表面谐振单元掩模结构4，为揭去胶带。
以上实施例中，衬底1的材料为石英、ZnS、MgF2或PET等光学窗材料。

Claims (7)

1.一种金属网栅频率选择表面结构，其特征在于，
包括衬底(1)，分布在衬底(1)上的透明网栅膜(2)，所述的透明网栅膜(2)表面具有周期开孔阵列(3)；
所述的透明网栅膜(2)的形状为20～25℃温度和50～80％RH湿度条件下，含有丙烯酸树脂的裂纹甲油自然干燥形成的图形；
所述的周期开孔阵列(3)内部，具有以下两种结构中的一种：
结构一、不含有透明网栅膜(2)；
结构二、含有透明网栅膜(2)，孔内的透明网栅膜(2)和孔外的透明网栅膜(2)不连通。
2.根据权利要求1所述的金属网栅频率选择表面结构，其特征在于，所述的周期开孔阵列(3)的形状为以下两类结构中的一种：
结构一、周期开孔形状为圆环、方环、六边形环环形孔隙；
结构二、圆形、方形、六边形实心孔隙。
3.一种权利要求1所述的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a，在衬底(1)的上表面制作频率选择表面谐振单元掩模结构(4)；
步骤b，在频率选择表面谐振单元掩模结构(4)上表面和频率选择表面谐振单元掩模结构(4)没有覆盖到的衬底(1)上表面采用旋涂法涂覆含有水性丙烯酸树脂的裂纹甲油，形成掩模层薄膜(21)；
步骤c，在密闭腔室中，控制腔室温度为20～25℃，湿度为50～80％RH，将掩模层薄膜(21)自然干燥，形成裂纹模板(22)；
步骤d，采用磁控溅射方式或电子束蒸镀方式，在裂纹模板(22)的表面沉积导电金属层(23)；
步骤e，采用裂纹甲油清洗剂或氯仿溶液溶解去除裂纹模板(22)；
步骤f，去除频率选择表面谐振单元掩模结构(4)，得到金属网栅频率选择表面结构。
4.如权利要求3所述的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，其特征在于，步骤b所述的裂纹甲油采用稀释剂稀释，稀释比例k定义为稀释剂与裂纹甲油的体积比，并且1≤k≤7。
5.如权利要求4所述的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，其特征在于，步骤c所述的裂纹模板(22)的平均裂纹宽度w与掩模层薄膜(21)厚度h之间的关系为：
w＝0.342e0.266h
式中，w为裂纹模板(22)的平均裂纹宽度，单位μm；h为掩模层薄膜(21)厚度，单位μm。
6.如权利要求4所述的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，其特征在于，步骤c所述的裂纹模板(22)的平均裂纹间隔d与掩模层薄膜(21)厚度h之间的关系为：
d＝15.8e0.169h
式中，d为裂纹模板(22)的平均裂纹间隔，单位μm；h为掩模层薄膜(21)厚度，单位μm。
7.如权利要求5或6所述的金属网栅频率选择表面结构的制作方法，其特征在于，所述的厚度h与旋涂转速r之间满足：
h＝(1.283-0.25lnk)(0.008r4-0.237r3+2.542r2-11.98r+25.64)
式中，r的取值范围在1kr/min至6kr/min之间。
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