CN105406200A - 一种三维人工电磁材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维人工电磁材料的制备方法，包括柔性衬底的选择、电镀、光刻和湿法刻蚀工艺。所述的光刻，不是通常的匀胶、甩胶、曝光、显影四个步骤。此处用干膜代替光刻胶，将干膜直接贴在先选好的已经电镀过的柔性衬底上面，然后将需要制作的图形直接在干膜上面曝光显影。最后湿法刻蚀剥离掉不需要的金属部分就得到所需要的图形。本发明的制备方法大大简化了以往制备三维电磁人工材料的复杂过程，因为不需要匀胶甩胶，所以不需要衬底的绝对平整。同时由于衬底在光刻之前就已经电镀了金属，所以可以避免磁控溅射和电子束蒸发等复杂的操作。本发明的制备方法工艺简单，成本低，可以制作较大尺寸的三维人工电磁材料的特点，可广泛用于分析领域。

Description

一种三维人工电磁材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速制备人工电磁材料的技术，具体地说是一种三维人工电磁材料的制备方法。

背景技术

人工电磁材料是现在的新兴领域，它是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过周期排列的亚波长结构阵列可以实现自然材料不具备的奇异物理特性，从而应用它在物理、电子、食品、生物、医学等科学领域提供了新的突破。

通常三维人工电磁材料的制备需要一系列复杂的工艺。人工电磁材料是由周期排列的金属谐振环构成，利用其独特的结构特性在结构中可以产生电谐振或者磁谐振。三维人工电磁材料开始是由多个二维的人工电磁材料搭建组合而成，直到柔性衬底的提出，才使三维人工电磁材料的制备工艺有了新的突破。但是传统的三维人工电磁材料的制备，还是要经过一系列复杂的工艺先做成二维人工电磁材料，再将柔性衬底卷曲成所需要的三维图形。其制作复杂的工艺要求基底必须十分平整，否则不能制备出符合要求的图形。

目前制备三维人工电磁材料主要采用光刻、磁控溅射(电子束蒸发)、lift-off(剥离工艺)，如专利ZL201110145760和专利ZL201110145881。主要使用的材料是环氧树脂，用传统复杂的光刻技术在环氧树脂基底上面做出图形然后通过磁控溅射或者电子束蒸发工艺来做出所需要的结构。传统的光刻技术工艺复杂成本高，不宜推广应用。并且传统三维人工电磁材料的制备由于具有匀胶甩胶的步骤，其过程必须在十分平整的刚性衬底上才能完成，做完材料的制备之后还要将刚性衬底和柔性衬底进行分离才能得到柔性衬底的二维人工电磁材料，最后通过卷曲的方法使二维人工电磁材料变成三维人工电磁材料。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种加工简单，效率高的制备三维人工电磁材料的方法。

为了实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种三维人工电磁材料的制备方法，包括柔性衬底的选择、电镀、光刻、湿法刻蚀，再卷曲成任意所需要的三维人工电磁材料结构。所述的光刻，不是通常的匀胶、甩胶、曝光、显影四个步骤。此处用干膜代替光刻胶，将干膜直接贴在事先选好的已经电镀过的柔性衬底上面，然后将需要制作的图形直接在干膜上曝光显影。湿法刻蚀显出所需要的图形之后将其卷曲成所需要的三维结构。

在光刻之前，将选定好的柔性衬底电镀一层铜，铜的厚度按照所需要的三维人工电磁材料的尺寸而定。

在光刻步骤中，采用干膜代替了光刻胶。

具体制备方法包括如下步骤：选择柔性衬底、电镀、光刻和湿法刻蚀工艺，(1)设计图形，先确定三维人工电磁材料周期阵列的图形；(2)选择柔性衬底；(3)电镀：将选取好的基底放入金属盐溶液中，通过电解作用，将预镀的金属离子在衬底的表面沉积，形成金属镀层，镀层的厚度根据三维人工电磁材料周期阵列图形的厚度确定。(4)干膜附着：选取一面电镀过铜的柔性衬底，将干膜平整的附着在上面。(5)光刻：在附着了干膜的柔性衬底表面光刻出需要的图形。(6)湿法刻蚀：将光刻之后的材料结构浸泡在腐蚀液内进行腐蚀，没有被干膜保护到的金属会被腐蚀液洗掉，洗去材料上面剩余的干膜，留下的铜所形成的图形即是需要制备的微结构。(7)搭建三维人工电磁材料，将刻蚀之后的材料结构卷曲成任意三维结构或者贴附在任意曲面之上形成三维人工电磁材料。

在光刻工艺之前，在所选取的柔性衬底上面电镀铜。电镀铜的厚度约为10-15微米。干膜厚度15-100微米。所述三维人工电磁材料的主材可以是铜或金。衬底可以是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。所述衬底的厚度可以是25μm、50μm、60μm或100μm。所述微结构是单元结构对称的开口谐振环结构，该结构具体可以为“L”、“C”、“E”、“S”、“工”等形状。所述三维人工电磁材料的应用，可以用于吸波器、生物传感器、电磁屏蔽、隐身斗篷等。

由于采用了以上的技术方案，本发明改变了以往传统光刻过程中需要匀胶甩胶复杂的步骤需求，通过干膜代替传统的光刻胶，从而不需要衬底的绝对平整。改变了传统的三维人工电磁材料制备都需要以刚性衬底为基板的要求，干膜可以贴附在任何光滑的曲面上，这样就可以在任意平滑的曲面上做所需要的图形结构。所述结构的制备用湿法刻蚀的方法，在选定好的衬底上先电镀一层铜，再用湿法刻蚀洗去所需要的图形之外的铜，留下的部分就是所需要的图形，不需要用到复杂的磁控溅射或者电子束蒸发工艺，节约了成本，简化了工艺，取得了很好的技术效果。

说明书附图

图1是本发明第一实施例的电磁波吸收超材料结构方框图；

图2是本发明第二实施例的电磁波吸收超材料结构方框图；

图3“C”字型单元结构电磁波吸收率示意图；

图4“工”字型单元结构电磁波吸收率示意图；

图中各标号对应的名称为：

1，10基底铜层；2，20柔性衬底；3，30人造微结构。

具体实施方案

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详细说明。

人工电磁材料可以单独对电场或者磁场，或者两者同时进行响应。由于金属微结构是亚波长结构，所以根据改变微结构的形状和尺寸，控制人工电磁材料每个单元的介电常数ε和磁导率μ，以此来实现单负或者双负人工电磁材料。

请参阅图1、图3，在本发明实例一中，一种由三维人工电磁材料制备而成的吸波器，包括：基底铜层10，柔性衬底20以及若干人造微结构30，柔性衬底20沿横向纵向被分成了若干个单元结构，所述人造微结构30在单元结构中，当电磁波入射到单元结构上时，人造微结构“C”字型结构中电荷规则分布形成电流，电流的感生磁场和入射电磁波的磁场方向相反，抵消了电磁波的反射。而电磁波的透射则因为基底铜层的存在，挡住了电磁波的透射，使得电磁波全部被吸收。

请参阅图2、图4，在本发明实例二中，一种由三维人工电磁材料制备而成的吸波器，包括：基底铜层10，柔性衬底20以及若干人造微结构30，结构与实施例大部分相同，不同的是，当电磁波入射到人造“工”字型微结构之后，吸收电磁波的带宽会不一样，但是其中吸收电磁波的机理还是一样的。

单元结构的长度和宽度不超过电磁波波长的1/4，人造结构的图形可为“C”字型、“工”字型或其衍生型、“L”字型或者“S”字型等等。

一种三维人工电磁材料的具体制备方法如下：

1、图形的设计：制备之前，先确定三维人工电磁材料周期阵列的图形；

2、基底的选择：本发明基底是柔性衬底(2，20)，可以是聚酰亚胺(polymide)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)或其他材质。

3、电镀：将选取好的基底放入硫酸铜溶液中，通过电解作用，将预镀的铜离子在衬底的表面沉积，形成铜镀层(1,10)，镀层的厚度根据三维人工电磁材料周期阵列图形的厚度确定。

4、干膜附着：选取一面电镀过铜的柔性衬底，将干膜平整的附着在上面。而对于干膜的选择，则看我们刻蚀之后图形需要的精度来挑选。如果我们对刻蚀之后图形的精度要求不高我们可以选用国产的一般的感光干膜就行了，精度会有100微米以内的误差。如果我们对于刻蚀出来的图形有较高的精度要求，我们选用杜邦干膜，而杜邦干膜的精度误差会在10个微米之内。国产干膜的厚度一般是38微米到100微米，而杜邦干膜的厚度有15微米、20微米、25微米、30微米、38微米、50微米、62微米等不同的厚度，通过我们不同工艺的需要来选择厚度。总之，通过实验发现，选择上述15-100微米厚度的干膜会提高刻蚀出来的图形的精度。且干膜只需要在刻蚀的那一面贴一层，不用晾干，可以直接进行光刻的以下步骤。

5、光刻：在附着了干膜的柔性衬底表面光刻出我们需要的图形。

6、湿法刻蚀：将光刻之后的材料结构浸泡在腐蚀液内进行腐蚀，没有被干膜保护到的铜会被腐蚀液洗掉，洗去材料上面剩余的干膜，留下的铜所形成的图形即是所需要制备的图形，即人造微结构(3，30)。

7、搭建三维人工电磁材料：将刻蚀之后的材料结构卷曲成任意三维结构或者贴附在任意曲面之上形成三维人工电磁材料，可以达到吸收电磁波的效果。

具体实施例

实施例1

按上述制备过程

1、基底选择为PI，其中PI衬底的长度为15cm、宽度为10cm、厚度为100μm，将选择好的衬底处理干净；

2、将处理好的衬底放入硫酸铜溶液中进行电镀，使其在每个面无差别的镀上一层铜层，通过电解的时间来控制镀铜的厚度，使铜层的厚度为15μm；

3、在电镀好铜的PI柔性衬底上选取一面平整的贴上干膜；

4、事先做好光刻需要的掩膜板，掩膜板上的图形根据事先的仿真好的“C”形来确定，进行光刻，在干膜上做出谐振环“C”形阵列；

5、将做好图形的柔性衬底浸泡在腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀掉“C”形之外的铜层，剩下的铜层就是所需要的“C”形，然后洗去“C”形上面的干膜。

6、将刻蚀好的衬底任意卷曲或者附着在其他物体的表面，即成了“C”形的三维人工电磁材料。

实施例2

按上述制备过程

1、基底选择为PI，其中PI衬底的长度为10cm、宽度为10cm、厚度为60μm，将选择好的衬底处理干净；

2、将处理好的衬底放入硫酸铜溶液中进行电镀，使其在每个面无差别的镀上一层铜层，通过电解的时间来控制镀铜的厚度，使铜层的厚度为10μm；

3、在电镀好铜的PI柔性衬底上选取一面平整的贴上干膜；

4、事先做好光刻需要的掩膜板，掩膜板上的图形根据事先的仿真好的“工”形来确定，进行光刻，在干膜上做出谐振环“工”形阵列；

5、将做好图形的柔性衬底浸泡在腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀掉“工”形之外的铜层，剩下的铜层就是所需要的“工”形，然后洗去“工”形上面的干膜。

6、将刻蚀好的衬底任意卷曲或者附着在其他物体的表面，即成了“工”形的三维人工电磁材料。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，凡是依据本发明所做的的各种修饰与变化都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维人工电磁材料的制备方法，包括选择柔性衬底、电镀、光刻和湿法刻蚀工艺，其特征在于包括下述步骤：(1)设计图形，先确定三维人工电磁材料周期阵列的图形；(2)选择柔性衬底；(3)电镀：将选取好的基底放入金属盐溶液中，通过电解作用，将预镀的金属离子在衬底的表面沉积，形成金属镀层，镀层的厚度根据三维人工电磁材料周期阵列图形的厚度确定；(4)干膜附着：选取一面电镀过铜的柔性衬底，将干膜平整的附着在上面；(5)光刻：在附着了干膜的柔性衬底表面光刻出需要的图形；(6)湿法刻蚀：将光刻之后的材料结构浸泡在腐蚀液内进行腐蚀，没有被干膜保护到的金属会被腐蚀液洗掉，洗去材料上面剩余的干膜，留下的铜所形成的图形即是需要制备的微结构；(7)搭建三维人工电磁材料，将刻蚀之后的材料结构卷曲成任意三维结构或者贴附在任意曲面之上形成三维人工电磁材料；所述的电镀工艺在光刻之前，且光刻步骤中利用干膜代替了光刻胶，没有匀胶摔胶步骤，故不需要其衬底绝对平整，同时由于其制作步骤的变化，不涉及电子束蒸发和磁控溅射工艺。

2.如权利要求1所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：在光刻工艺之前，在所选取的柔性衬底上面电镀铜。

3.如权利要求2所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：电镀铜的厚度约为10-15微米。

4.如权利要求1所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：干膜厚度15-100微米。

5.如权利要求1所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：所述三维人工电磁材料的主材可以是铜或金。

6.如权利要求1所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：衬底可以是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

7.如权利要求4所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：所述衬底的厚度可以是25μm、50μm、60μm或100μm。

8.如权利要求1所述的一种三维人工电磁材料的制备方法，其特征在于：所述微结构是单元结构对称的开口谐振环结构，该结构具体可以为“L”、“C”、“E”、“S”、“工”等形状。

9.如权利要求1-6的方法制备的一种三维人工电磁材料的应用，可以用于吸波器、生物传感器、电磁屏蔽、隐身斗篷等。