CN109841958A

CN109841958A - 一种光电可调控fss结构及其制备方法

Info

Publication number: CN109841958A
Application number: CN201711197490.9A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2017-11-27
Publication date: 2019-06-04

Abstract

本发明公开了一种光电可调控FSS结构及其制造方法，包括基底及在基底上形成的金属膜，金属膜的至少一部分被去除以形成开口区，开口区露出所述基底，开口区或未去除的金属膜区构成FSS振子的基本图案，所述FSS振子的基本图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜。本发明利用光电导薄膜光照导电特性控制FSS结构的单元结构尺寸变化，从而实现FSS的光电调控。本发明的该光电可调控FSS结构简单、制作工艺难度小，仅通过控制光照即可实现FSS的频率可调，且采用光刻技术可将线条做的很细，在屏蔽的同时，满足可见、红外等光波段的透过。

Description

一种光电可调控FSS结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光电可调控频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSS)结构及该FSS结构的制备方法，特别是一种利用光电导薄膜光照导电特性实现中心谐振频率可调的光电可调控FSS结构及该FSS结构的制备方法。

背景技术

FSS是一种由周期排列的金属贴片或金属屏上周期排列的开孔单元构成的二维阵列结构，在工业产品、军事通信、电磁隐身等领域应用广泛。目前，根据FSS工作机制的不同，FSS分为被动FSS(Passive Frequency Felective Surface)和主动FSS(Active FrequencyFelective Surface)。滤波特性无法改变的FSS称为无源被动FSS或被动FSS。被动FSS是根据所要实现的滤波特性被直接设计成确定的结构，有特定的工作频率，不能灵活地适应复杂多变的电磁环境，从而在实际应用中具有一定的局限性。为解决被动FSS的局限性，有源可重构主动FSS的概念被提出，是指在外界激励的控制下，工作频点、通带宽度等滤波特性可调控的一种有源空间滤波结构，通常由滤波结构和激励源构成。相对被动FSS，主动FSS可通过调控滤波特性满足多种工作状态间变化的需求，能较灵活的适应外界复杂多变的电磁环境，可在单模制导雷达、多模复合制导雷达、捷变频雷达等的带内隐身问题上有所应用。目前，常见的方法是在被动FSS结构中加入有源器件、使用电磁特性可变的介质材料、控制不同层间的耦合方式。这些方法的优点是可通过控制开关、外加磁场、增加层数或加载电感元件等来实现FSS结构的主动控制。然而其缺点是：加入有源器件的FSS结构，每个器件需单独集成，工艺十分复杂，且为集成有源器件，使得FSS结构线条制作得较粗，基片材料只能选用透毫米波段以上的有机材料，导致其只能应用在大型雷达天线罩、飞机蒙皮等场合；使用电磁特性可变的介质材料的FSS结构，其材料本身对于可见、红外等波段的不透明性也导致其应用范围存在局限；通过控制不同层间耦合方式的FSS结构，在调节的过程中难以保证两层之间的对准精度。总体来说，这些FSS结构都较为复杂，甚至要复合一些外部线路，工艺难度大，应用场合有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的主动FSS结构是通过在被动FSS结构中加入有源器件、使用电磁特性可变的介质材料或控制不同层间耦合方式等方法实现主动控制，具有结构复杂、工艺难度大等问题。本发明旨在解决该问题，从而提出一种利用光电导薄膜光照导电特性实现中心谐振频率可调的一种FSS结构及该FSS结构的制备方法。

(二)技术方案

鉴于以上，本文提出一种光电可调控FSS。采用具有光电导特性的材料制成光电导薄膜，使其与金属FSS有效连接，利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构尺寸变化，从而实现FSS的调控。当无光照时，光电导薄膜导电能力接近于零，只有金属FSS实现特性频选作用；当有光照射时，光电导薄膜具有很好的导电能力，与金属FSS共同构成新结构尺寸的FSS，其中心谐振频率将发生变化。

本发明的光电可调控FSS结构包括基底及在基底上形成的金属膜，所述金属膜的至少一部分被去除以形成开口区，该开口区露出所述基底，所述开口区或未去除的金属膜区构成FSS振子的基本图案，所述FSS振子的基本图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜。

优选地，所述FSS振子的基本图案为“Y”形，所述光电导薄膜形成在“Y”形的三个分支的远心端。

优选地，所述FSS振子的基本图案为圆形，所述光电导薄膜形成在圆形的外围。

优选地，所述FSS振子构成的FSS单元结构为带通型或带阻型。

优选地，所述金属膜(2)的材料为铜，所述光电导薄膜的材料为Cl^-掺杂的CdS。

本发明还提出一种制备光电可调控FSS结构的方法，包括如下步骤：

S1.在基底上形成金属膜；

S2.去除部分金属膜以露出所述基底，形成FSS振子的基本图案；

S3.在FSS振子的基本图案的部分区域或该部分区域的邻近区域，形成光电导薄膜。

(三)有益效果

与现有的主动FSS结构相比，本发明的该光电可调控FSS结构简单、制作工艺难度小，仅通过控制光照即可实现FSS的频率可调，且采用光刻技术可将线条做的很细，在屏蔽的同时，满足可见、红外等光波段的透过。

附图说明

图1A是本发明的一个实施例的光电可调控FSS结构的一个FSS单元的顶视图；

图1B是图1A的实施例的FSS单元的沿A-A’面的剖面示意图；

图2和图3分别是本发明的第二、第三实施例的光电可调控FSS结构的一个FSS单元的顶视图；

图4A、图4B和图4C分别显示了本发明上述实施例的光电可调控FSS单元的结构尺寸；

图5显示了第三实施例的“Y”形带阻型光电可调控FSS结构的单元尺寸及排布方式。该实施例的FSS单元以交错的周期性规律排列；

图6是第一实施例的“Y”形带通型光电可调控FSS结构在光照前后的频率仿真图；

图7和图8分别是第二、第三实施例的圆形带通型FSS结构和“Y”形带阻型FSS结构在光照前后的频率仿真图；

图9是本发明的第三实施例的“Y”形带阻型FSS结构的制作工艺流程图；

图10是本发明的第三实施例的“Y”形带阻型FSS结构的制作工艺中去除光刻胶之后的显微照片；

图11A、图11B、图11C所示分别为第一、第二、第三实施例三种光电可调控FSS的显微照片。

图12是本发明的样件测试原理图；

图13是本发明第一、第二、第三实施例的“Y”形带通型、圆形带通型和“Y”形带阻型三种光电可调控FSS样件测试曲线图。

具体实施方式

本发明提出的光电可调控FSS结构包括基底及在基底上形成的金属膜，所述金属膜的至少一部分被去除以形成开口区，该开口区露出所述基底，所述开口区或未去除的金属膜区构成FSS振子的基本图案。FSS结构可以通常由多个FSS单元周期性排列形成，每个FSS单元由FSS振子构成。所述金属膜的材料优选为铜，所述光电导薄膜的材料优选为Cl^-掺杂的CdS。

FSS振子的基本图案优选为“Y”形或圆形。Y形包括三个分支。

为证明本发明不仅适用于带通型的任意单元形状，而且适用于带阻型任意单元形状，因此，以“Y”形带通型、圆形带通型、“Y”形带阻型三种为实施例进行说明。

为了实施光电可调控，本发明设计成使FSS振子的结构尺寸随着光电效应的发生而发生变化。为了实施这种变化，本发明在FSS振子的基本图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成光电导薄膜。

当FSS振子的基本图案为“Y”形，本发明优选为在光电导薄膜形成在“Y”形的三个分支的远心端。当FSS振子的基本图案为圆形，所述光电导薄膜形成在圆形的外围。

所述FSS振子构成的FSS单元可以是带通型或带阻型。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

FSS结构通常包括多个FSS单元，当FSS结构上有电磁波照射时，其各个FSS单元上都会产生感应电流，该感应电流的大小与FSS单元和入射电磁波耦合能量的大小有关，当FSS结构的单元结构尺寸刚好为谐振尺寸时，感应电流具有最大值。因此，当改变FSS结构的单元结构尺寸时，该单元结构尺寸与入射电磁波波长的关系发生变化，其发生谐振的谐振点便会发生变化，即FSS结构的中心谐振频率会发生改变。

为了更加方便地调控FSS结构的中心谐振频率，本发明提出利用光电导效应来调控FSS结构的单元结构尺寸的方法。其原理是，由于光电导效应的存在，当有恒定光谱照射光电导薄膜时，可使薄膜具有恒定的电导率，可以起到与金属相同的作用对电磁信号进行屏蔽。因此，利用光电导薄膜与金属FSS结构共同构成光电可调控FSS结构，即可通过改变FSS结构的单元结构尺寸来实现FSS结构的中心谐振频率的改变。

图1A是本发明的一个实施例的光电可调控FSS结构的一个FSS单元的顶视图。该实施例是一种“Y”形带通型光电可调控FSS结构，a为主要由铜膜构成的金属区，b为光电导薄膜区，c为“Y”形的开口区。“Y”形开口区c具有三个分支，光电导薄膜区b位于“Y”形开口区c的三个分支的远心端。根据所设计的结构，当没有光照时，光电导薄膜区b的载流子极少，趋近于绝缘状态，对电磁屏蔽不起作用，因此此时FSS单元的电磁屏蔽结构等同于光电导薄膜区b和开口区c都为通光区；当有光照射时，光电导薄膜区b所在区域的载流子激增，与金属区a形成连通导体，与金属铜共同起到屏蔽电磁波的作用，此时FSS单元等同于仅开口区c为通光区。可见，根据光照射的有无，该FSS单元的“Y”形振子的长度发生了改变，从而实现了FSS结构中心谐振频率的光电调控。

图1B是图1A的实施例的FSS单元的沿A-A’面的剖面示意图。如图1B所示，所述PSS单元包括基底1，基底1上形成有铜膜2，铜膜2中开有“Y”形的开口区c，在铜膜2的顶端覆盖有光电导薄膜3。并且，在“Y”形开口区c的三个分支的远心端的侧面也形成有光电导薄膜3，该形成有光电导薄膜3的所述侧面区域即为光电导薄膜区b。

图2和图3分别是本发明的第二、第三实施例的光电可调控FSS结构的一个FSS单元的顶视图。图2是圆形带通型光电可调控FSS结构，图3是“Y”形带阻型光电可调控FSS结构。在图2和图3中，a、b、c同样分别为金属区、光电导薄膜区和开口区，实际通光区也可随光的有无而改变，从而也可实现其各自的中心谐振频率可光电调控的性能。

图4A、图4B和图4C分别显示了本发明上述实施例的光电可调控FSS单元的结构尺寸：“Y”形振子长度L、宽度W、圆形振子半径R。“Y”形振子长度L具有可变的L₁和L₂，圆形振子半径具有可变的R₁和R₂。

图5显示了第三实施例的“Y”形带阻型光电可调控FSS结构的单元尺寸及排布方式。该实施例的FSS单元以交错的周期性规律排列。

本发明对第一至第三实施例采用CST仿真软件进行了仿真。仿真时输入图4A至图4C的尺寸参数，设置单层介质，介电常数为3、磁导率为1，厚度为0.5mm。设置频率范围为9-30GHz，定义好边界条件、监视器后，采用频域求解器进行仿真计算。

图6是第一实施例的“Y”形带通型光电可调控FSS结构的谐振特性仿真图，从图中可见无光照时的仿真曲线的中心谐振频率在18GHz左右，有光照时的中心谐振频率约为20.5GHz。可见，中心谐振频率改变了近2.5GHz。

同样，图7和图8分别是第二、第三实施例的圆形带通型FSS结构和“Y”形带阻型FSS结构在光照前后的仿真曲线。圆形带通型FSS光照前后中心谐振频率分别为25GHz、29GHz左右，“Y”形带阻型FSS光照前后中心谐振频率分别为20.5GHz、16.5GHz左右。

仿真结果表明，不论是“圆”形还是“Y”型，单元结构尺寸变化后中心谐振频率均发生了明显变化，说明采用光电方法调控FSS单元结构尺寸可以实现中心谐振频率的可调节性。

下面以第三实施例的“Y”形带阻型FSS结构为例说明本发明的光电可调控FSS结构的制作工艺，具体流程如图9所示。

S1.在基底上形成金属膜。

在该实施例中，采用尺寸为50mm×50mm的基底。基底的材料应选择透明、对电磁屏蔽产生极小影响的材料，例如可以是玻璃，在该实施例中采用石英玻璃材料。金属膜材料可选择任何具有良导体特性的材料，例如各类金属，在该实施例中采用铜。在该实施例中，对基底1预处理后，采用真空镀膜技术在基底表面镀铜金属，厚度控制在300nm。但根据不同的应用，其厚度可在几个纳米到几十个微米范围内变化。

S2.去除部分金属膜以露出所述基底，形成FSS振子的基本图案。

本发明的FSS结构包括多个FSS单元，每个FSS单元均由FSS振子组成，但本发明不限于FSS振子图案的形状和尺寸。FSS振子既可以是带通型，也可以是带阻型。当FSS振子为带通型时，基底1上去除金属膜2的开口区作为振子；当FSS振子为带阻型时，基底上保留的金属膜2的区域作为振子。

在第三实施例中，所述FSS振子为带阻型振子，下面以此为例进行步骤S2所包括的具体工艺步骤的说明。

S2.1.在金属膜上涂敷光刻胶。

在该实施例中，用Smartcoater100匀胶机以3500r/min均匀旋涂正性光刻胶。

S2.2.对光刻胶进行曝光和显影。

该实施例中，利用有掩模光刻法进行曝光、显影，然后进行烘烤。掩膜的图案决定了最终形成的振子的图案。

S2.3.对金属膜进行腐蚀。

该步骤采用相应腐蚀液对金属膜进行腐蚀。该实施例中即对铜膜进行腐蚀。

S2.4.去除光刻胶。

经腐蚀去除部分铜膜之后，除去光刻胶。去除表面保护胶后得到金属FSS结构如图10所示。

该步骤S3旨在形成光电可调控的振子图案，因此形成光电导薄膜的区域应当使FSS振子的基本图案在叠加了光电导薄膜后发生变化，从而使得FSS振子的特征尺寸发生变化。本发明不限于光电导薄膜形成的具体位置的图案形状，只要其能够使FSS振子的形状或尺寸在有无光照时发生变化即可。

在该实施例中，在900-SA型真空镀膜机上采用模板遮挡法在该步骤S2形成的FSS结构的相应位置上镀上光电导薄膜。光电导薄膜以CdS、CdCl₂、CuCl₂混合物为材料，制备Cl^-掺杂摩尔分数为0.1％的CdS薄膜，厚度控制在1.2±0.1μm。至此便得到“Y”形带阻型光电可调控FSS结构。需要说明的是，图9的步骤S3中显示的3即为形成的光电导薄膜，该图中仅是示意地表示了需要形成光电导薄膜的铜膜区域部分，而并不意味着本发明的所有的铜膜部分及其周边均形成光电导薄膜。

同样方法制得圆形带通型和“Y”形带阻型光电可调控FSS。

图11A、图11B、图11C所示分别为“Y”形带通型、圆形带通型、“Y”形带阻型三种光电可调控FSS的显微照片。

对制作的三种光电可调控FSS结构的结构尺寸(“Y”形振子长度L、宽度W，圆形振子半径R)进行测试，测试采用精密数显测量显微镜，将测试结果与设计值对比，如表1所示。

表1.结构尺寸的设计及测试结果

由表1可知，实施例的实际尺寸与设计的理论值相比，存在一定误差，对屏蔽效果会略有影响。

对样件的屏蔽效果进行测试。将三种光电可调控FSS样件置于微波暗室进行测试，测试仪器有矢量网络分析仪、毫米波测试仪、喇叭天线和光源等，测试装置示意图如图12所示。测试变量为有、无光照的控制，测试光源为白光发光二极管(LED)，四角照射，光功率平均密度为150mW/cm²。

首先在无光照条件下，由毫米波测试仪的信号发生器产生9-30GHz的电磁波，通过发射天线输出，在自由空间中传播并经过样件，由接收天线接受信号，矢量分析仪处理数据得到无光照时的测试曲线；然后用光功率密度为150mW/cm²的白光发光二极管(LED)分别从上下左右四个位置均匀照射样件，示波器显示的数值发生变化，调整测试仪后，得到有光照时的测试曲线。如此分别得到“Y”形带通型、圆形带通型和“Y”形带阻型三种不同单元结构的光电可调控FSS样件的谐振曲线，如图13A、图13B和图13C所示。

将仿真与测试结果汇总如表2。

表2.屏蔽效果的仿真及测试结果

由表2可知，测试与仿真得到的中心谐振频率及趋势基本一致，因此证明本发明利用光电导薄膜实现光电调控FSS的中心谐振频率的方法是可行的。

与现有的主动FSS结构相比，本发明的该光电可调控FSS结构简单、制作工艺难度小，仅通过控制光照即可实现FSS的频率可调，且采用光刻技术可将线条做的很细，在屏蔽的同时，满足可见、红外等光波段的透过，因此不仅可以用在飞机蒙皮上，也可用在光学窗口上，在军事及工业领域将有更为广泛的应用前景

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光电可调控FSS结构，包括基底(1)及在基底(1)上形成的金属膜(2)，所述金属膜(2)的至少一部分被去除以形成开口区(c)，该开口区(c)露出所述基底(1)，所述开口区(c)或未去除的金属膜区构成FSS振子的基本图案，其特征在于：

所述FSS振子的基本图案的部分区域或该部分区域的邻近区域形成有光电导薄膜。

2.如权利要求1所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述FSS振子的基本图案为“Y”形，所述光电导薄膜形成在“Y”形的三个分支的远心端。

3.如权利要求1所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述FSS振子的基本图案为圆形，所述光电导薄膜形成在圆形的外围。

4.如权利要求1所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述FSS振子构成的FSS单元结构为带通型或带阻型。

5.如权利要求1至4中任一项所述的光电可调控FSS结构，其特征在于，所述金属膜(2)的材料为铜，所述光电导薄膜的材料为Cl^-掺杂的CdS。

6.一种制备光电可调控FSS结构的方法，包括如下步骤：

S1.在基底上形成金属膜；

7.如权利要求6所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述FSS振子的基本图案为“Y”形，所述光电导薄膜形成在“Y”形的三个分支的远心端。

8.如权利要求6所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述FSS振子的基本图案为圆形，所述光电导薄膜形成在圆形的外围。

9.如权利要求6所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述FSS振子构成的FSS单元结构为带通型或带阻型。

10.如权利要求6至9中任一项所述的制备光电可调控FSS结构的方法，其特征在于，所述金属膜(2)的材料为铜，所述光电导薄膜的材料为Cl^-掺杂的CdS。