一种频率选择表面制备工艺、该表面及具有该表面的工件的制作方法

文档序号：15840787发布日期：2018-11-07 08:24阅读：460来源：国知局

本发明属于功能性表面制作技术领域，更具体地，涉及一种频率选择表面制备工艺、该表面及具有该表面的工件。

背景技术

频率选择表面(frequencyselectivesurface，fss)是一种表面具有周期性图形的智能结构。一般由导电贴片或金属缝隙附着在介电衬底材料上，并呈周期性排布，以达到对特定频段的电磁波有选择性。究其本质，fss是一种空间滤波器，根据需求，其可以设计成选择性地反射、透过或吸收特定频率的电磁波。fss可广泛应用于可见光、红外光以及其它波段，尤其可应用于雷达隐身技术和抗干扰方面，fss拥有众多优势与卓越的性能。例如：利用频率选择表面制作雷达天线罩，可以控制电磁波的传输与吸收，有效地降低了雷达反射截面(rcs)，达到了隐身的效果；同时，也因为屏蔽了工作频段以外的有害电磁波而提高了抗干扰的能力。因而，fss越来越受到人们的重视。

目前，制备平面的频率选择表面技术比较成熟，主要有印刷电路板(pcb)技术、微笔直写技术、数控加工技术和激光直接刻蚀技术。利用pcb技术制备频率选择表面，需要预先制备掩模板，缺乏灵活性且成本高，生产周期长；微笔直写技术需要精密控制笔头与基材间的距离，对基材的平整度要求较高，很难实现曲面加工；数控加工技术是通过控制精密的刀具在材料表面直接刻蚀加工频率选择表面的阵列图形，该方法虽然能实现较高的精度，但加工效率低，整套设备价格昂贵；激光直接刻蚀技术需要较高的激光能量直接剥离掉金属层形成图形，其对激光器的要求较高，加工速度一般较低，加工图形质量差，加工精度较低且容易对内部绝缘介质层产生损伤，影响制备的fss的电磁性能。

经过检索，目前主要有以下频率选择表面制作方案，专利文献us5650249a公开了一种精密制造雷达罩的方法，该方法通过制备与曲面基板共形的三维掩膜板，利用类似pcb的技术，在曲面上制备了频率选择表面，该方法虽然能够达到较高的精度，但其针对不同的fss阵列单元需要制作特定的掩膜板，成本高，制作效率低，生产周期长。专利文献cn103395205a公开了一种利用3d打印技术制作曲面频率选择表面的方法，该方法先用3d打印技术制作出曲面频率选择表面的承载基底和承载基底金属化保护壳体，接着对承载基底金属化，再除去承载基底金属化保护壳体，最终经后处理即可，该方法明显效率低，周期长，材料浪费严重。专利文献cn104078762a公开了一种在不可展开曲面上形成频率选择表面结构的方法，该方法的工艺流程为：先利用丝网印刷技术在pva薄膜上套印频率选择表面周期阵列图形，然后将pva薄膜平铺在水面上，接着在图形上喷撒有机溶剂，使其变为油膜图形，再将不可展开曲面对准油膜图形的中心并缓慢下沉，油膜图形贴覆在不可展开曲面上，形成频率选择表面周期阵列图形，该方法利用丝网印刷技术套印图形时，要先制作丝网印版，包括掩膜晒版、曝光、显影等步骤，仍然需要制作特定的掩膜，缺乏灵活性且成本高，生产周期长。专利文献cn105161803a公开了一种石墨烯薄膜频率选择表面，其利用石墨烯薄膜替代金属导电层，利用激光刻蚀或机械刻蚀或3d打印的方法获得频率选择表面阵列图形，但是将石墨烯薄膜附着在高性能纤维增强树脂基材上工艺复杂，且成本较高，此外，激光刻蚀法的制备速度慢，而且在激光扫描路径的两侧存在较大的热影响区、重熔层和毛刺，较大的激光能量极易造成基材损坏；机械刻蚀的加工效率低，对于复杂曲面存在加工死角；3d打印所需的石墨烯纳米粉末价格昂贵，成本高，而且制备速度慢。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种频率选择表面制备工艺、该表面及具有该表面的工件，其通过激光直写光刻技术在工件表面直接制备频率选择表面，无需掩膜板，具有成本低，效率高，加工质量好，精度高等优点，适用于二维平面频率选择表面的制备，尤其适用于三维曲面的频率选择表面的制备。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种频率选择表面制备工艺，其包括如下步骤：

s1在工件的待加工表面涂覆一层光刻胶；

s2按预设图形对光刻胶进行激光直写光刻加工；

s3将激光直写光刻加工后的工件置于显影液中，以显影出图形；

s4将显影出图形的工件置于腐蚀液中，以腐蚀裸露的工件表面；

s5去除剩余的光刻胶，获得所需的频率选择表面。

作为进一步优选的，所述工件由金属导电层和绝缘介质层构成，工件的待加工表面为平面或曲面。

作为进一步优选的，光刻胶的涂覆方法为旋涂法、喷涂法、刷涂法、泼涂法、提拉法、浸渍法、刮涂法、丝网印刷法、狭缝涂布法、喷墨打印法、点胶法中的任意一种。

作为进一步优选的，光刻胶为正型光刻胶或负型光刻胶中的一种，涂覆的厚度优选为1μm～5μm。

作为进一步优选的，涂覆的光刻胶烘干后再进行激光直写光刻加工，烘干温度优选为70～100℃，烘干时间优选为5min～20min。

作为进一步优选的，利用激光直写光刻设备进行激光直写光刻加工，激光直写光刻加工的激光功率优选为200mw～800mw，扫描速度优选为200mm/s～1500mm/s，加工次数优选为1～10次。

作为进一步优选的，显影液与所用的光刻胶配套。

作为进一步优选的，腐蚀液为将金属导电层腐蚀掉且对绝缘介质层无损伤的液体。

按照本发明的另一方面，提供了一种频率选择表面，其由所述的频率选择表面制备工艺制备。

按照本发明的另一方面，提供了一种工件，该工件表面制备有所述的频率选择表面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.发明人经研究发现，现有的频率选择表面制备工艺中，一般均需要制备掩膜板，其存在成本高，制作效率低，生产周期长，缺乏灵活性的问题，本发明创造性的将激光直写光刻技术应用至频率选择表面的制备中，可有效解决现有制备工艺的问题，具有灵活度大，制作效率高、质量好，获得的频率选择表面性能好的优点。

2.本发明不仅适用于制备平面频率选择表面，还可以用于制备不可展开成平面的曲面频率选择表面，其不受工件自身的制备工艺、形状和尺寸的限制，可实现三维加工。

3.将本发明的制备工艺应用至曲面频率选择表面制备时，可直接在曲面上加工成型，无需分片制备并拼接，制作效率高，产品质量好。

4.本发明无需掩膜，降低了加工成本，并且可根据需要随时修改预设图形，灵活度高，方便快捷，制备效率高。

5.由于光刻胶的涂覆厚度对光刻后产品的质量具有重要影响，本发明对其厚度进行了反复研究，最终确定出最优的厚度为1～5μm，在该厚度参数下，一方面可使得预设图形能够快速获得，图形轮廓清晰，保证图形形状和质量，另一方面便于剩余光刻胶的快速有效去除，保证频率选择表面最终的质量。

6.本发明还对光刻胶的烘干工艺进行了研究与设计，该烘干工艺与最终涂覆的光刻胶性能息息相关，本发明经过研究确定了最优工艺，使得烘干温度优选为70～100℃，烘干时间优选为5min～20min，保证获得所需的光刻胶膜层，进而保证频率选择表面最终的质量。

7.本发明还对激光直写光刻加工工艺进行了研究与设计，该加工工艺与最终制备的频率选择表面的性能息息相关，本发明经过研究确定了最优工艺，使得激光功率为200mw～800mw，扫描速度为200mm/s～1500mm/s，在此工艺下保证最终制备的频率选择表面的质量和性能。

附图说明

图1是本发明的频率选择表面制备工艺的流程图；

图2是本发明实施例1制备的平面频率选择表面；

图3是本发明实施例5制备的半球形的曲面频率选择表面；

图4是方环频率选择表面的阵列图形；

图5a-d是实施例1与对比例1制备的频率选择表面的微观形貌对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有的用于制备频率选择表面(fss)的方法需要制作特定的掩膜板，其成本高，制作效率低，生产周期长，且缺乏灵活性，难以实现曲面加工。基于此发明人进行了大量研究，旨在寻求一种新的频率选择表面制备工艺，以从根本上摒弃掩膜板，进而从根本上克服现有方法中由于掩膜板的存在所带来的不可避免的缺陷。激光直写技术(激光直写光刻技术)作为目前较常用的加工技术，具有成本低、效率高、加工质量好的优点，其主要用于制作平面计算全图、掩模、微透镜、微透镜阵列、fresnel微透镜、fresnel波带板、连续位相浮雕的闪耀光学元件等，但并未发现有人将其应用至频率选择表面的制备中，本发明的发明人试探性进行了研究，尝试着将其用于频率选择表面中，在不断的尝试中发现该技术非常适用于频率选择表面的加工，并可取得如下技术效果：采用激光直写光刻技术进行频率选择表面加工时，无需设置掩膜板，可从根本上解决现有制备方法存在的问题，同时采用了该工艺，对工件的表面形状无特定要求，除了可以对平面进行高精度加工外，还可对曲面进行高精度加工，有效克服了现有制备工艺的缺陷。虽然激光直写光刻技术是较为成熟的技术，但将其应用至频率选择表面的制备中并取得预料不到的技术效果是本发明的首次发现，这种发现使得频率选择表面可采用有别于现有制备工艺的全新工艺进行制备，具有灵活度高，方便快捷，制备效率高，成本低，可实现三维加工等优点。

具体而言，本发明在工件表面涂覆一层光刻胶，利用聚焦激光束按照预先设计的频率选择表面的阵列图形，对覆有光刻胶的工件进行直写光刻加工，然后经显影、腐蚀、去胶，获得最终的频率选择表面。该技术能够在二维和三维的工件上直接制备频率选择表面，对工件材料和尺寸没有特殊要求，即可以在工件制备完成后再在工件表面直接成形频率选择表面，其无需依赖于工件的制备工艺、工件自身的形状及尺寸，有别于现有的需在工件的制备过程中成形频率选择表面，且现有的制备方法需要制备掩膜板，存在成本高，制作效率低，生产周期长，缺乏灵活性的问题，本发明无需掩膜板，可直接在任意工件表面制备所需的频率选择表面，灵活度大，制作效率高、质量好，获得的频率选择表面性能好，获得的阵列图形中的线条光滑，线条边缘平直且陡峭，图形轮廓清晰。如图4所示，制备的方环频率选择表面，将其用至带通型滤波器，在7ghz频率处的透过率达97％以上，而且具有很宽的-3db带宽。

如图1所示，本发明实施例提供的一种频率选择表面制备工艺，包括如下步骤：

s1在工件的待加工表面涂覆一层光刻胶；

工件通常为由金属导电层和绝缘介质层组成的复合材料结构，其中金属导电层包括但不限于金、银、铜或铝等，绝缘介质层包括但不限于环氧玻纤复合材料、有机玻璃、碳纤维复合材料或聚邻苯二甲酸乙二醇酯等；工件所需加工的表面既可以是平面的，也可以是曲面的，该待加工表面即指金属导电层的表面，该工件形状包括平板、半球形、椭球形、圆锥形、圆柱形或圆环形等，工件尺寸不作限定；具体的，光刻胶的涂覆方法可采用旋涂法、喷涂法、刷涂法、泼涂法、提拉法、浸渍法、刮涂法、丝网印刷法、狭缝涂布法、喷墨打印法、点胶法中的任意一种；光刻胶为正型光刻胶或负型光刻胶中的一种，其涂覆的厚度优选为1μm～5μm。

s2按预设图形对光刻胶进行激光直写光刻加工；

首先烘干光刻胶，然后将工件装夹在激光直写光刻设备上，经精确定位并设置合适的激光加工参数，精确定位是指利用激光测距仪确定工件的待加工表面置于激光焦平面处，精度达10μm。按预设的线路图形进行直写光刻加工，该图形与制备的频率选择表面所需的图形对应，例如缝隙型方形回路，缝隙内边缘边长为6.45mm，外边缘边长为7.05mm，缝隙宽度为300μm，周期为8mm，如图4所示。缝隙型方形回路频率选择表面具有带通的滤波特性，在7ghz处的透过率高达97％以上，-3db带宽为3.04ghz(5.48ghz～8.52ghz)；具体的，烘干温度优选为70℃～100℃，烘干时间优选为5min～20min；具体的，采用现有的激光直写光刻设备即可实现本发明的激光直写光刻，一般的激光直写光刻设备包括激光器、扫描振镜、聚焦镜和x-y-z三轴联动数控工作台，其中，激光器用作曝光光源；扫描振镜用于快速操控聚焦光斑的位置；动态聚焦镜不仅用于聚焦激光光束，而且可以控制焦平面的位置；x-y-z三轴联动数控工作台用于控制工件移动，配合扫描振镜和动态聚焦镜实现大尺寸和曲面工件的加工。激光直写光刻加工的加工参数优选为激光功率优选为200mw～800mw(毫瓦)，扫描速度优选为200mm/s～1500mm/s，加工次数优选为1～10次。

s3将激光直写光刻加工后的工件置于显影液中，以显影出图形；其中，显影液与所用的光刻胶配套，使得图形有效显影，图形显影后，此时金属导电层上与图形对应的地方将裸露在外。

s4将显影出图形的工件置于腐蚀液中，使裸露的工件表面(即裸露在外的金属导电层)被完全腐蚀掉；其中，腐蚀液满足如下条件：能将金属导电层腐蚀掉且对绝缘介质层无损伤，腐蚀时间优选为5min。

s5最后，去除剩余的光刻胶，即可获得高质量、高性能的频率选择表面。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

在长度为200mm、宽度为200mm、内部介质层为环氧玻纤复合材料、外部导电层为金属铜的平板工件表面，采用旋涂法涂布一层重氮萘醌类正型光刻胶；

在100℃下烘干1min，然后将工件装夹在包含有激光器、扫描振镜、聚焦镜和x-y-z三轴联动数控工作台等的激光直写光刻设备上，精确定位并设置激光功率为40mw，扫描速度500mm/s，加工次数2次，利用激光按照预先设计的图形进行直写光刻加工；

将直写光刻后的工件置于与上述光刻胶配套的显影液中显影出图形；

再将工件置于三氯化铁腐蚀液中腐蚀掉裸露的铜；

最后去除剩余的光刻胶，即可获得高质量、高性能的平面的频率选择表面，如图2所示。

实施例2

在长度为250mm、宽度为150mm、内部介质层为碳纤维复合材料、外部导电层为金属银的平板工件表面，采用喷涂法涂布一层重氮萘醌类正型光刻胶；

在90℃下烘干5min，然后将工件装夹在包含有激光器、扫描振镜、聚焦镜和x-y-z三轴联动数控工作台等的激光直写光刻设备上，精确定位并设置激光功率为200mw，扫描速度1000mm/s，加工次数1次，利用激光按照预先设计的图形进行直写光刻加工；

将直写光刻后的工件置于与上述光刻胶配套的显影液中显影出图形；

再将工件置于三氯化铁腐蚀液中腐蚀掉裸露的铜；

最后去除剩余的光刻胶，即可获得高质量、高性能的平面的频率选择表面。

实施例3

在长度为350mm、宽度为150mm、内部介质层为有机玻璃、导电层为金属金的平板工件表面，采用喷涂法涂布一层环戊二烯类负型光刻胶；

在80℃下烘干10min，然后将工件装夹在包含有激光器、扫描振镜、聚焦镜和x-y-z三轴联动数控工作台等的激光直写光刻设备上，精确定位并设置激光功率为500mw，扫描速度200mm/s，加工次数1次，利用激光按照预先设计的图形进行直写光刻加工；

将直写光刻后的工件置于与上述光刻胶配套的显影液中显影出图形；

再将工件置于三氯化铁腐蚀液中腐蚀掉裸露的铜；

最后去除剩余的光刻胶，即可获得高质量、高性能的平面的频率选择表面。

实施例4

在长度为250mm、宽度为100mm、内部介质层为聚邻苯二甲酸乙二醇酯、外部导电层为金属铝的平板工件表面，采用泼涂法涂布一层肉桂酸酯类负型光刻胶；

在70℃下烘干20min，然后将工件装夹在包含有激光器、扫描振镜、聚焦镜和x-y-z三轴联动数控工作台等的激光直写光刻设备上，精确定位并设置激光功率为20mw，扫描速度700mm/s，加工次数2次，利用激光按照预先设计的图形进行直写光刻加工；