CN112359349A - 一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导及制备方法，是以ABS塑料管为基管，在ABS塑料管内表面通过无钯动态化学镀铜工艺，制备高质量致密铜层，实现低损耗太赫兹传输。所述空芯波导的设计参数：空芯波导的内径3 mm~10 mm，波导基材ABS塑料的厚度0.6mm‑1mm，对应的空芯波导的外径3.6 mm~11 mm。所述无钯动态化学镀铜工艺包括如下步骤：将选取的波导基管进行除油处理、酸性处理和敏化处理，再利用蠕动泵，将配置的适量镀铜液通入基管内进行动态循环，生长铜层，最后通氮气吹干得到镀铜太赫兹传输空芯波导，其中铜层的均方根粗糙度为40nm‑50nm。本发明空芯波导的制备，无需使用价格高昂的钯活性剂，镀铜液可循环利用，消耗少，成本低，波导结构制作简单，可弯曲，低损耗，传输频段宽和可室温工作等优点，具有巨大的应用价值。

Description

一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导及制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波传输领域，具体涉及一种柔性、低损耗、化学镀铜、宽频段、可室温工作的太赫兹空芯波导。

背景技术

由于太赫兹波段（波长范围30 um ~ 3mm）缺乏低损耗波导、光纤等传输器件，目前大多数太赫兹系统主要还是通过自由空间传输，传输损耗大，从而极大的限制了太赫兹技术的应用。鉴于太赫兹波的特征，适合微波段传输的金属和适合光波段传输的介质（如石英）等制作的波导损耗大，大约为10~10³ dB/m 的量级。因此以波导为基础的太赫兹传输器件日益引起人们的巨大关注，总体上来看，太赫兹传输波导分为实芯波导和空芯波导。实芯波导传播太赫兹能量时，由于波导材料的折射率大，光纤传输能量耦合时，端面的反射损耗大；此外，实芯波导材料损耗大，导致实芯光纤的功率阈值低；再次，实芯光纤基本上是在特定的频段进行传输，无法实现宽频段低损耗传输。空芯光纤釆用空气作为传输介质，由于空气均匀性好，太赫兹波束分散性小，保证了优质的太赫兹光斑输出；此外，传输过程中无终端反射，在空芯光纤端面不需防反射涂层，采用空气也避开了实芯光纤中引入过渡金属离子和离子及其它杂质，大大减少了吸收损耗。因此针对低损耗太赫兹传输空芯波导的研究引起了人们的极大关注。

近些年来，因动态化学镀银技术的成熟，银层空芯波导在太赫兹传输方面获得了巨大成功，取得了一系列有价值的研究成果。然而，在太赫兹波段，金属铜具有比银更高的反射率，所以如果能获得质量较好的镀铜层从而制备铜层空芯波导，将在太赫兹低损耗传输方面有所提升。现有镀铜工艺一般都为静态法镀制，需要将器件浸没在镀铜液中等待铜颗粒沉降生长，这对于电路板等小类型器件是容易实现的，但太赫兹波导的长度一般可达数米或以上，这类器件使用静态法镀制不仅需要大量的镀铜液，而且会导致铜层在波导的上下表面厚度不均，成本高的同时还大大影响传输性能，所以开发一种动态化学镀铜工艺，既能在银层空芯波导的基础上提升太赫兹波的传输性能，又能大大降低制备成本，易于商业化生产。

发明内容

本发明的目的是针对现有静态法镀铜的局限性，而发明的一种用于铜层空芯太赫兹波导的无钯动态化学镀铜工艺，本发明采用的动态镀铜工艺无需使用贵金属钯作为活化剂，同时镀铜液动态循环可进一步降低制作成本，制备的铜层空芯波导具有比银层空芯波导更优的太赫兹传输性能。本发明采用柔性ABS塑料作为基管，在塑料管内表面依次制备缓冲镀银层和金属镀铜层，制备可室温工作的太赫兹传输空芯波导。该结构具备制作简单，可弯曲，低损耗和可室温工作等优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）除油处理

使用清洁剂，对波导基管进行泡洗，洗涤时间为3~10 min；所述清洁剂为洗洁精或去污粉；所述波导基管为ABS塑料管；

（2）酸性处理

将波导基管竖直放置，使用蠕动泵，依次通入去离子水1~5 min，乙醇2~8 min，温水1~5min，稀盐酸溶液2~8 min；所述温水为50~60 ℃的去离子水；所述稀盐酸溶液的浓度为10%-15%，流速为10~200 mL/min；

（3）敏化处理

对步骤（2）处理后的波导基管，使用蠕动泵，依次通入SnCl₂敏化液2~8 min，AgNO₃活化液2~8 min；所述SnCl₂敏化液的浓度为5~20 g/L；所述AgNO₃活化液的浓度为1~8 g/L；流速为10~200 mL/min；

（4）镀银

为了在ABS塑料管上生长高质量的镀铜层，在经步骤（3）处理后的波导基管内壁，预先镀一层银层，其厚度为0.05-0.1um；

（5）镀铜

步骤1：配置镀铜液：

依次加入2~6 g/L硫酸铜，15~30 g/L酒石酸钾钠，0.5~4 g/L NiCl₂·6H₂O，2~9 g/L氢氧化钠，0.5~4 g/L碳酸钠，10~40 mL/L甲醛溶液，然后将烧杯超声5min，待添加溶质完全溶解后，溶液呈现蓝色；

步骤2：镀铜操作：

保持波导基管竖直放置，将镀铜液通过导管，在蠕动泵作用下，通入波导基管内，并构建循环回路，将波导基管下方排出的液体继续通过导管从上方通入，进行镀铜操作，控制流速35-50ml/min，镀铜时间40-60min，铜层厚度0.6 um-0.7 um；

（6）干燥处理

使用蠕动泵，将已镀铜层的波导基管依次通入去离子水2~5 min，乙醇2~5 min，随后用N₂吹干，N₂流速为80~150 mL/min；N₂吹气速度为100~200 mL/min；继续吹干燥空气6~10 h；流速为10~200 mL/min；吹气速度为50~300 mL/min；保持波导基管竖直放置，存放于干燥的环境中；得到所述柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导。

一种上述方法制得的柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导。所述空芯波导的内径为3 mm ~ 10 mm，外径为3.6 mm~11 mm，波导基管厚度0.6mm-1mm，铜层的均方根粗糙度为40nm-50nm。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种柔性低损耗化学镀铜太赫兹传输空芯波导，采用ABS塑料管作为基管，具有可弯曲，传输频带宽，低损耗和可室温工作的特点；其制备方法简单、工艺成熟，使其在太赫兹材料检测、太赫兹实时成像等太赫兹信号传输方面具有广泛的应用前景。

为了实现对于太赫兹信号的低损耗、宽频段传输，本发明提出一种ABS塑料基管镀铜柔性太赫兹传输空芯波导及其制备方法。

附图说明

图1为本发明实施例1镀铜循环回路示意图；

图2为本发明实施例1制得的所述空心波导横截面SEM图；

图3为本发明实施例1制得的所述空心波导某一部位截面SEM图；

图4为本发明实施例1制得的所述空心波导某一部位镀铜表面SEM图；

图5为本发明实施例1制得的所述空心波导某一部位镀铜表面AFM图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施例1

制备所述一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导包括如下步骤：

(1)除油处理

选用ABS塑料管为基管，内径3 mm，壁厚0.8 mm，长度99.5 cm，使用清洁剂，对基管1内表面进行泡洗，洗涤时间为3~5 min；所述清洁剂为洗洁精；

(2)酸性处理

将基管竖直放置，使用蠕动泵，依次通入去离子水2 min，乙醇3 min，温水3 min，稀盐酸溶液5 min；所述温水为50 ℃的去离子水；所述稀盐酸溶液为15%的HCl水溶液；流速为60mL/min；

(3)敏化处理

使用蠕动泵，依次通入SnCl₂敏化液5 min，AgNO₃活化液5 min；所述SnCl₂敏化液的浓度为16.8 g/L；所述AgNO₃活化液的浓度为4.0 g/L；流速为60 mL/min；

（4）预先镀银

对处理后的基管内壁，预先镀一层银层，其厚度为0.05-0.1um；

（5）铜层动态生长

配置镀铜液400 mL，依次加入4.48 g/L硫酸铜，22.5 g/L酒石酸钾钠，2.0 g/LNiCl₂·6H₂O，4.5 g/L氢氧化钠，2.1 g/L碳酸钠，25.0 mL/L甲醛溶液，完全溶解；

构建铜层动态生长循环回路：参阅图1，设置上储液容器3、下储液容器8，通过一连接管4连接上储液容器3及导通阀门5，通过另一连接管6连接基管7及导通阀门5，基管7伸入下储液容器8；采用导管1的两端连通上储液容器3、下储液容器8；

将镀铜液置于上储液容器3中，通过导管1，在蠕动泵2作用下通入基管7内，基管7下方排出的镀铜液进入下储液容器8，通过导管1继续从上方通入，基管7内动态生长铜层；流速为50 mL/min；循环生长时间为50 min。为了提高铜生长的效率和质量，需要适当的调节阀门5，打开阀门5是去除铜生长过程中产生的多余的气体，阀门5中无气泡时，即可关闭。

（6）干燥处理

使用蠕动泵，将已生长铜层的基管通入去离子水3 min，乙醇3 min，并吹气干燥4 h；流速为50 mL/min；吹气速度为50 mL/min；制得所述柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导。

本实施例制得的空心波导截面外貌参阅图2和图3，图2表明基管7内壁可生长厚度均匀的镀铜膜9，图3显示镀铜膜9的厚度约为0.6-0.7um。图4看出制备波导镀铜的形貌平整、均匀。图5是所镀铜膜的AFM图片，从测试结果来看，铜层的均方根粗糙度为40nm-50nm。

经测试，所获得的3 mm内径柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导，在300GHz的频点下的传输损耗为0.88 dB/m（对应波导弯曲90°时候的传输损耗0.94 dB/m）, 在650 GHz的频点下的传输损耗为2.2 dB/m（对应波导弯曲90°时候的传输损耗2.5dB/m）, 在1THz的频点下的传输损耗为4.3 dB/m,在1.84THz的频点下的传输损耗为3.3 dB/m,在2.53THz的频点下的传输损耗为2.8 dB/m 。

实施例2

制备所述一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导包括如下步骤：

(1)除油处理

选用ABS塑料管为基管，内径5mm，壁厚0.9 mm，长度97.8cm，使用清洁剂，对基管2内表面进行泡洗，洗涤时间为3~5 min；所述清洁剂为去污粉；

(2)酸性处理

将基管竖直放置，使用蠕动泵，依次通入去离子水2 min，乙醇3 min，温水3 min，稀盐酸溶液5 min；所述温水为50 ℃的去离子水；所述稀盐酸溶液为15%的HCl水溶液；流速为60mL/min；

(3)敏化处理

使用蠕动泵，依次通入SnCl₂敏化液5 min，AgNO₃活化液5 min；所述SnCl₂敏化液的浓度为16.8 g/L；所述AgNO₃活化液的浓度为4.0 g/L；流速为60 mL/min；

（4）预先镀银

对处理后的ABS塑料基管内壁，预先镀一层银层，其厚度约为0.05-0.1um；

（5）铜层动态生长

配置镀铜液500 mL，依次加入4.48 g/L硫酸铜，22.5 g/L酒石酸钾钠，2.0 g/LNiCl₂·6H₂O，4.5 g/L氢氧化钠，2.1 g/L碳酸钠，25.0 mL/L甲醛溶液，完全溶解；

构建与实施例1相同的铜层动态生长循环回路，利用蠕动泵将镀铜液通入基管内，基管下方排出的液体继续从上方通入，动态生长铜层；流速为50 mL/min；循环生长时间为50min；

（6）干燥处理

使用蠕动泵，将已生长铜层的基管通入去离子水3 min，乙醇3 min，并吹气干燥4 h；流速为50 mL/min；吹气速度为50 mL/min；制得所述柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导。

经测试，所获得的5 mm内径铜层空芯ABS塑料管太赫兹波导2，在300GHz的频点下的传输损耗为0.8 dB/m（对应波导弯曲90°时候的传输损耗0.93 dB/m）, 在650 GHz的频点下的传输损耗为1.9 dB/m（对应波导弯曲90°时候的传输损耗2.2 dB/m）, 在1THz的频点下的传输损耗为5.1 dB/m,在1.84THz的频点下的传输损耗为3.6 dB/m,在2.53THz的频点下的传输损耗为3.0dB/m 。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (2)

1.一种柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）除油处理

使用清洁剂，对波导基管进行泡洗，洗涤时间为3~10 min；所述清洁剂为洗洁精或去污粉；所述波导基管为ABS塑料管；

（2）酸性处理

将波导基管竖直放置，使用蠕动泵，依次通入去离子水1~5 min，乙醇2~8 min，温水1~5min，稀盐酸溶液2~8 min；所述温水为50~60 ℃的去离子水；所述稀盐酸溶液的浓度为10%-15%，流速为10~200 mL/min；

（3）敏化处理

对步骤（2）处理后的波导基管，使用蠕动泵，依次通入SnCl₂敏化液2~8 min，AgNO₃活化液2~8 min；所述SnCl₂敏化液的浓度为5~20 g/L；所述AgNO₃活化液的浓度为1~8 g/L；流速为10~200 mL/min；

（4）镀银

在经步骤（3）处理后的波导基管内壁，预先镀一层银层，其厚度为0.05-0.1um；

（5）镀铜

步骤1：配置镀铜液：

依次加入2~6 g/L硫酸铜，15~30 g/L酒石酸钾钠，0.5~4 g/L NiCl₂·6H₂O，2~9 g/L氢氧化钠，0.5~4 g/L碳酸钠，10~40 mL/L甲醛溶液，然后将烧杯超声5min，待添加溶质完全溶解后，溶液呈现蓝色；

步骤2：镀铜操作：

保持波导基管竖直放置，将镀铜液通过导管，在蠕动泵作用下，通入波导基管内，并构建循环回路，将波导基管下方排出的液体继续通过导管从上方通入，进行镀铜操作，控制流速35-50ml/min，镀铜时间40-60min，铜层厚度0.6 um-0.7 um；

（6）干燥处理

使用蠕动泵，将已镀铜层的波导基管依次通入去离子水2~5 min，乙醇2~5 min，随后用N₂吹干，N₂流速为80~150 mL/min；N₂吹气速度为100~200 mL/min；继续吹干燥空气6~10 h；流速为10~200 mL/min；吹气速度为50~300 mL/min；保持波导基管竖直放置，存放于干燥的环境中；得到所述柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导。

2.一种权利要求1所述方法制得的柔性化学镀铜太赫兹传输空芯波导。

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