CN109769387A - 利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，由多个刻蚀有金属网栅的透明介质基板重叠，在透明介质基板表面上由上至下刻蚀有导电金属网栅层和铁磁金属网栅层。本发明利用飞秒激光直写深刻蚀加工技术在涂附有光刻胶的透明介质基板表面刻蚀出方格、圆环、菱形以及六边形等金属网栅图案，然后在刻蚀好的基板上镀一层金属镍或铁等铁磁金属薄膜，镍层上镀一层金或银等优良导电金属薄膜，再将其置于有机溶剂中去除光刻胶以及不需要的金属部分得到金属网栅。制成的金属网栅不易剐蹭脱落，使用寿命长。将铁磁材料与导电金属材料结合起来，可在低频电磁波段到高频电磁波段的宽波段发挥屏蔽作用，具有强电磁屏蔽、可见以及红外光高透过的特点。

Description

利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗及其制备 方法

技术领域

本发明涉及新型透明电磁干扰屏蔽材料技术领域，具体是一种利用飞秒激光 刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗。

背景技术

随着电视、广播、微波技术以及无线通讯技术的发展，电磁污染不仅对精密 电子仪器设备造成干扰，还对人体健康产生不可忽略的负面影响。这种看不见，摸 不着的电磁污染已经成为继大气污染、水污染、固体废弃物染污以及噪声污染之后 的第五大污染。电磁屏蔽技术(吸收以及反射)是解决电磁污染的主要措施，近年 来，电磁干扰屏蔽技术受到了人们的广泛关注。现代社会中，透明电磁屏蔽体在军 事、民用以及医疗等方面的应用范围广泛，包括高端医疗设备观察窗、精密通讯设 备屏蔽元件、超精细监控设备观察窗口、飞行器以及航空武器光学窗、先进光学仪 器窗口等。这些精密仪器以及设备对于外界电磁干扰都异常敏感，这就要求透明电 磁屏蔽提在保持可见光以及红外光高度透过的情况下，需要具备优异的电磁屏蔽性 能。但是透明电磁干扰屏蔽体既要有高透光率又具有高的电磁屏蔽效率，目前对大 多数仪器设备来说都是一个巨大的挑战。

目前，电磁屏蔽光窗采用传统的方格型金属网栅，但由于金属网栅周期与 线宽之间存在的固有矛盾，难以实现同时具有强电磁屏蔽效率以及高的光学透过率。 另外，传统的金属网栅电磁屏蔽光学窗的金属网栅层是镀制在透明介质基板的表面， 容易被剐蹭脱落，使用寿命短。

除此之外，大多数金属网栅电磁屏蔽光窗针对的波段是微波波段，金属网 栅使用具有高电导率的优良导电金属材料，这种金属网栅只能针对高频微波具有很 好的屏蔽效果。对于高频电磁波来说，它的能量主要是电场能量为主，因此可利用 优良电导体形成的金属网栅将入射电磁波反射或散射到自由空间中。但是对于低频 电磁波来说，例如几十兆赫兹的电磁波，用良导体形成的金属网栅屏蔽效果不是很 明显，因为低频电磁波的能量以磁场能量为主，具有高电导率的金属网栅对磁场能 量屏蔽并不是很理想，这就限制了其在低频到高频电磁波这一宽波段进行电磁屏蔽。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，增强透明电磁屏蔽光窗的屏蔽效果，实现可 见以及红外高透过性能，解决现有金属网栅不能很好地低频电磁波段的问题，本发 明提供一种利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特点在于：所述的电 磁屏蔽光窗由多个刻蚀有金属网栅的透明介质基板重叠，在透明介质基板表面上由 上至下刻蚀有导电金属网栅层和铁磁金属网栅层。

所述的导电金属网栅层和铁磁金属网栅层的形状采用周期性方格、圆环、菱形、 六边形中的一种或者几种，网栅的周期为几百微米，线宽为数微米级别，线宽与周 期的比值小于0.1，且各个网栅单元之间相互连接不断开。

所述的导电金属网栅层采用金、银、铜、铝等磁导率为1，且电导率10⁷S/m的 优良导体金属中的一种或者几种。

所述的铁磁金属网栅层采用镍、铁、钴等磁导率远大于1的铁磁金属中的一种 或者几种。

所述的透明介质基板采用石英玻璃、红外玻璃、透明陶瓷、硫化锌、PET和PMMA 等透明高聚合物中的一种或者几种，厚度为毫米数量级。

所述的置于最下层的透明介质基板的两个上下表面均要刻蚀以及镀制金属网栅 层。

由单层金属网栅构成的透明介质基板的可见以及红外透过率大于90％。

该电磁屏蔽光窗能够在低频(包括兆赫兹及兆赫兹以下频段)至高频(吉赫兹 及吉赫兹以上频段)均能起到优异的电磁屏蔽效果。

一种利用飞秒激光刻蚀的制备多层金属网栅电磁屏蔽光窗的方法，其特点在于， 包括如下步骤：

①清洗透明介质基板后在该透明介质基板的表面涂覆光刻胶；

②采用飞秒激光直写加工方法在涂覆有光刻胶的透明介质基板聚焦，用烧蚀法 在光刻胶上刻蚀出微米级网栅形状，并且在透明介质基板表面也刻蚀出槽状结构；

③采用磁控溅射或者电子束蒸发在光刻好的透明介质基板表面镀制一层铁磁金 属薄膜,厚度为数百纳米至数微米级别；

④采用磁控溅射或者电子束蒸发在镀制完成的铁磁金属薄膜上面沉积一层导电 金属薄膜，厚度为数百纳米至数微米级别；

⑤将镀完金属膜的透明介质基板置于丙酮或N-甲基吡咯烷酮(NMP)等有机溶 剂中超声加热去除残留的光刻胶以及不需要的金属部分，得到完成的金属网栅。

还包括步骤⑥利用光学粘合剂将制造好的多个金属网栅的透明介质基板热压成 型构成多层金属网栅电磁屏蔽光窗。

对于双层金属网栅可在透明介质基板两个上下表面制造金属网栅层，对于双层 以上的金属网栅利用光学粘合剂将多层具有金属网栅的透明介质基板粘合在一起， 且最底层的透明介质基板上下两表面均要刻蚀以及镀制金属网栅。本发明利用飞秒 激光直写加工技术，制成的金属网栅层质量优秀，不易脱落。另外将高磁导率的铁 磁材料与高导电率的金属材料结合起来，可屏蔽低频电磁波段到高频电磁波段的宽 波段，具有强电磁屏蔽、可见以及红外光高透过的特点。

本发明产生良好的有益效果主要集中在同时具有高的可见以及红外透光率、 强电磁屏蔽效果，屏蔽带覆盖从低频到高频的宽波段。另外本发明制造的金属网栅 不易脱落，使用寿命长。具体如下：

首先，利用飞秒激光刻蚀的金属网栅线宽只有数微米，网栅的周期设置为 几百微米，保持金属网栅的线宽与周期的比值远小于0.1，可保证可将以及红外光 的高透过率，同时实现对电磁波的屏蔽作用。

其次，由电磁屏蔽原理可知，加厚金属屏蔽材料的厚度可以在一定程度上 提高对入射电磁波的屏蔽，因此在这里沉积的高磁导率以及高电导率的金属网栅的 厚度由几百纳米到几微米，这种厚度的金属网栅沉积在介质基板的表面的话，会很 容易脱落，影响其使用寿命。解决这种问题的方法是，采用飞秒激光在透明介质基 板表面下聚焦，采用深刻工艺，在透明介质基板上刻蚀出槽状结构，这样镀制的金 属薄膜会沉积在槽状结构里面，不易被剐蹭脱落，延长金属网栅使用寿命。将高磁 导率金属材料与高电导率金属材料结合起来，利用导磁金属材料以及导电金属材料 对低频和高频电磁波的高效屏蔽作用，实现了从低频到高频电磁波的过渡。

具有金属网栅的透明介质基板重叠之后构成的电磁屏蔽光窗，可以进一步 提高对入射电磁波的屏蔽作用。空间中的电磁波入射到电磁屏蔽光窗界面时，首先 被第一层金属网栅反射掉一部分到自由空间中，还有一部分会渗透过金属网栅，进 入屏蔽体内部，进入的那部分电磁波会在多层金属网栅之间多次来回反射，从而增 强对电磁波的反射，提高其屏蔽效率。构建的多层金属网栅电磁光窗的金属网栅层 数越多，屏蔽效率越大，但会造成可见以及红外光透过率的下降，因此在金属网栅 层数的选择上应该考虑到屏蔽效率与透光率之间的平衡。

综上所述，本发明具有的可见以及红外光高透性、低频到高频的宽波段高 效电磁屏蔽效率、不易脱落、使用寿命长是本发明最为突出的特点。

附图说明

图1是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的剖面示意图。

图2是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的单层方格形金属 网栅的三维示意图。

图3是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的方格形金属网栅 单元排布示意图。

图4是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的圆环形金属网栅单 元排布示意图。

图5是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的菱形金属网栅单 元排布示意图。

图6是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的六边形金属网栅 单元排布示意图。

图7是利用飞秒激光刻蚀的双层方格金属网栅电磁屏蔽光窗的剖面示意图。

图8是利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗的金属网栅制造过 程。

图9是利用飞秒激光刻蚀的双层金属网栅电磁屏蔽光窗在不同厚度石英玻 璃条件下的屏蔽效率模拟曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：利用飞秒激光刻蚀的双层方格金属网栅电磁屏蔽光窗，如图1所 示，所述的电磁屏蔽光学窗由依次重叠金构成的金属网栅层1、镍构成的金属网栅 层2、透明介质基板石英玻璃3、镍构成的金属网栅层4、金构成的金属网栅层5 构成。所述的金属网栅的周期设置为160um，线宽设置为8um，所述的镍层厚度为 500nm，所述的金层厚度为1um。所述的透明介质基板厚度设置为h，h的取值范围 设置为2mm-12mm。

利用飞秒激光刻蚀的双层方格金属网栅电磁屏蔽光窗的设备方法如图8所 示：将准备好的石英玻璃片放置在丙酮与乙醇的混合溶液中超声5分钟进行清洗， 然后将石英玻璃片用氮气吹干，清洗干净的石英玻璃将其置于涂胶机之中，喷涂一 层RDP-8003正性光刻胶，光刻胶厚度为5um，喷胶环境温度设置为100℃。喷涂 完成厚，将涂好光刻胶的石英玻璃片加热1分钟，用以去除光刻胶里面的丙酮溶剂 以及提升光刻胶的粘附能力。将涂附好光刻胶的石英玻璃片置于飞秒加工三维平台 上，利用显微物镜将飞秒光束聚焦于石英玻璃表面下几百微米处，运行已经编程好 的程序，刻蚀出相应的网栅结构。由于飞秒光束是在石英玻璃表面下聚焦，因此飞 秒光束在烧蚀掉光刻胶的同时，也会在石英玻璃表面刻蚀出槽状结构。将加工完成 的石英玻璃片置于蒸馏水中超声1分钟，清洗掉表面的光刻胶以及石英玻璃碎屑， 然后用氮气将片子吹干。之后利用磁控溅射或者电子束蒸发等方式在石英玻璃刻有 网栅的一面镀制一层500nm厚的镍膜，再镍膜上面再镀制一层1um厚的金膜。将镀膜完成的石英玻璃片置于N-甲基吡咯烷酮(NMP)有机溶剂中超声加热几分钟去 除残留的光刻胶以及不需要的金属部分，得到完成的金属网栅。重复上述步骤，制 造石英玻璃另一面的金属网栅。该电磁屏蔽光学窗的屏蔽效率模拟曲线如图9所示， 可在50MHz到5GHz的宽波段内，该电磁屏蔽光窗能保持高效屏蔽效率，且石英玻 璃介质基板厚度越大，屏蔽效率越大。

实施例2：利用飞秒激光刻蚀的三层方格金属网栅电磁屏蔽光窗，如图7所 示，述的电磁屏蔽光学窗由依次重叠金构成的金属网栅层1、镍构成的金属网栅层 2、第一层透明介质基板石英玻璃3、金构成的金属网栅层4、镍构成的金属网栅层 5、第二层透明介质基板石英玻璃6、镍构成的金属网栅层7和金构成的金属网栅层 8构成。所述的金属网栅的周期设置为160um，线宽设置为8um，所述的镍层厚度为 500nm，所述的金层厚度为1um。

利用飞秒激光刻蚀的双层方格金属网栅电磁屏蔽光窗的设备方法如图7所 示：将准备好的石英玻璃片放置在丙酮与乙醇的混合溶液中超声5分钟进行清洗， 然后将石英玻璃片用氮气吹干，清洗干净的石英玻璃将其置于涂胶机之中，喷涂一 层RDP-8003正性光刻胶，光刻胶厚度为5um，喷胶环境温度设置为100℃。喷涂 完成厚，将涂好光刻胶的石英玻璃片加热1分钟，用以去除光刻胶里面的丙酮溶剂 以及提升光刻胶的粘附能力。将涂附好光刻胶的石英玻璃片置于飞秒加工三维平台 上，利用显微物镜将飞秒光束聚焦于石英玻璃表面下几百微米处，运行已经编程好 的程序，刻蚀出相应的网栅结构。由于飞秒光束是在石英玻璃表面下聚焦，因此飞 秒光束在烧蚀掉光刻胶的同时，也会在石英玻璃表面刻蚀出槽状结构。将加工完成 的石英玻璃片置于蒸馏水中超声1分钟，清洗掉表面的光刻胶以及石英玻璃碎屑， 然后用氮气将片子吹干。之后利用磁控溅射或者电子束蒸发等方式在石英玻璃刻有 网栅的一面镀制一层500nm厚的镍膜，再镍膜上面再镀制一层1um厚的金膜。将镀膜完成的石英玻璃片置于N-甲基吡咯烷酮(NMP)有机溶剂中超声加热几分钟去 除残留的光刻胶以及不需要的金属部分，得到完成的金属网栅。重复上述步骤，制 造石英玻璃另一面的金属网栅。然后用另一片相同尺寸的石英玻璃片，重复上述步 骤，在片子的一面刻蚀以及镀制铁磁和导电金属网栅。将上述的两个石英玻璃片用 透明胶热压成型，构成三层金属网栅电磁屏蔽光窗。

以上内容详尽描述了本发明的主要特征、基本原理和屏蔽优点。本行业的 技术人员应该了解的是本发明不受所述实例的限制。实例1和说明书中所描述的仅 为本发明的原理以及制造方法，研究人员可通过对本发明的金属网栅和透明介质基 板的尺寸进行调整，以及对金属网栅所用的导磁与导电材料、透明介质基板的种类 进行不同的选择，从而实现在不同电磁波波段的高效屏蔽，以及不同可见以及红外 波段的高透性。在不脱离本发明设计思想和范围前提下，本发明还会有各种变化以 及改进，例如技术人员可对上述参数进行修改来适应不同工作波段，或修改相关参 数以使其结构、性能与本实例有所不同，这些变化和改进都落入要求保护的本发明 范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims (9)

1.一种利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的电磁屏蔽光窗由多个刻蚀有金属网栅的透明介质基板重叠，在透明介质基板表面上由上至下刻蚀有导电金属网栅层和铁磁金属网栅层。

2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的导电金属网栅层和铁磁金属网栅层的形状采用周期性方格、圆环、菱形、六边形中的一种或者几种，网栅的周期为几百微米，线宽为数微米级别，线宽与周期的比值小于0.1，且各个网栅单元之间相互连接不断开。

3.根据权利要求1或2所述的利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的导电金属网栅层采用金、银、铜、铝等磁导率为1，且电导率10⁷S/m的优良导体金属中的一种或者几种。

4.根据权利要求1或2所述的利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的铁磁金属网栅层采用镍、铁、钴等磁导率远大于1的铁磁金属中的一种或者几种。

5.根据权利要求1或2所述的利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的透明介质基板采用石英玻璃、红外玻璃、透明陶瓷、硫化锌、PET和PMMA等透明高聚合物中的一种或者几种，厚度为毫米数量级。

6.根据权利要求1或2所述的利用飞秒激光刻蚀的多层金属网栅电磁屏蔽光窗，其特征在于：所述的置于最下层的透明介质基板的两个上下表面均要刻蚀以及镀制金属网栅层。

7.一种利用飞秒激光刻蚀的制备多层金属网栅电磁屏蔽光窗的方法，其特征在于，包括如下步骤：

①清洗透明介质基板后在该透明介质基板的表面涂覆光刻胶；

②采用飞秒激光直写加工方法在涂覆有光刻胶的透明介质基板聚焦，用烧蚀法在光刻胶上刻蚀出微米级网栅形状，并且在透明介质基板表面也刻蚀出槽状结构；

③采用磁控溅射或者电子束蒸发在光刻好的透明介质基板表面镀制一层铁磁金属薄膜,厚度为数百纳米至数微米级别；

④采用磁控溅射或者电子束蒸发在镀制完成的铁磁金属薄膜上面沉积一层导电金属薄膜，厚度为数百纳米至数微米级别；

⑤将镀完金属膜的透明介质基板置于有机溶剂中超声加热去除残留的光刻胶以及不需要的金属部分，得到完成的金属网栅。

8.根据权利要求7所述的制备多层金属网栅电磁屏蔽光窗的方法，其特征在于，包括步骤⑥利用光学粘合剂将制造好的多个金属网栅的透明介质基板热压成型构成多层金属网栅电磁屏蔽光窗。

9.根据权利要求7所述的制备多层金属网栅电磁屏蔽光窗的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为丙酮或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。