CN102694269A - 超材料人工微结构的制造方法和超材料天线罩及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料人工微结构的制造方法,其包括:在一壳体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜;将相关数据输入激光设备的电脑***;利用激光设备的电脑***控制激光对所述湿膜进行曝光而固化;用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,以便在所述湿膜上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,让所述壳体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来;在所述壳体的表面上镀上金属层;剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而在所述壳体的三维形状表面上制得超材料人工微结构,不仅对所述壳体的表面的影响小,而且加工效率高。本发明还提供了一种超材料天线罩及其制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及人工电磁超材料,更具体地说,涉及一种超材料人工微结构的制造方法和超材料天线罩及其制造方法。
背景技术
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。当前,人们在介质基板上周期性地排列具有一定几何形状的人工微结构来形成超材料。由于可以利用人工微结构的几何形状和尺寸以及排布方式来改变超材料空间各点的介电常数和/或磁导率,使其产生预期的电磁响应,以控制电磁波的传播,从而,人们展望其应有广泛的应用前景。但是,目前的工艺只适用于在平整的介质基板上附着人工微结构,从而制得超材料,还无法在具有如曲面等三维形状表面的介质基板上制得人工微结构,而这也成为业界的一大技术难题。
另外,天线罩作为一种天线的保护部件,对其电磁性能要求较高,而利用传统材料来制作的天线罩越来越无法满足当前的需求,促使人们开始探索新型材料来制造高透波性天线罩。超材料作为一种特殊人工电磁材料,是用来制造高透波性天线罩的良好选择,而天线罩表面大多呈三维形状,同样面临如何在天线罩的这种三维形状表面上附着超材料人工微结构的技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种在具有三维形状的表面上制造超材料人工微结构的方法和具有三维形状表面的超材料天线罩及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种超材料人工微结构的制造方法,其包括以下步骤:
a.制作一具有三维形状表面的壳体。
b.在所述壳体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜。
c.将所述壳体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述壳体的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***。
d.所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜进行扫描,使所述湿膜的相应位置曝光而固化。
e.用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,从而在所述湿膜上形成多个与所述多个超材料人工微结构相同的图案,使所述壳体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来。
f.在所述湿膜和所述壳体的三维形状表面上对应所述图案的位置镀上金属层。
g.剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述壳体的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而在所述壳体的三维形状表面上制得超材料人工微结构。
优选地,在所述步骤a中,所述壳体的三维形状表面是一粗糙面。
优选地,在所述步骤b中,所述湿膜是将液体光致抗蚀剂喷到所述壳体的三维形状表面上并经烘烤形成。
优选地,在所述步骤b中,所述湿膜是利用丝网印的方式将液体光致抗蚀剂涂覆于所述壳体的三维形状表面上并经烘烤形成。
优选地,所述液体光致抗蚀剂是以高感光性树脂为基本成分合成。
优选地,在所述步骤f中,所述金属层通过化学镀或电镀的方法形成。
优选地,所述制造方法还包括在所述壳体的三维形状表面上涂覆保护层。
一种超材料天线罩的制造方法,其包括以下步骤:
S1.制作一具有三维形状表面的天线罩罩体。
S2.在所述天线罩罩体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜。
S3.将所述天线罩罩体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述天线罩罩体的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***。
S4.所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜进行扫描,使所述湿膜的相应位置曝光而固化。
S5.用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,从而在所述湿膜上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,使所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来。
S6.在所述湿膜和所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述图案的位置镀上金属层。
S7.剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而制得具有超材料人工微结构的超材料天线罩。
优选地,所述制造方法还包括在所述天线罩罩体的表面上涂覆由聚氨脂、氟树脂或氟碳树脂制成的保护涂料。
一种超材料天线罩,其是利用以下方法制得的:
制作一具有三维形状表面的天线罩罩体。
在所述天线罩罩体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜。
将所述天线罩罩体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述天线罩罩体的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***。
所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜进行扫描,使所述湿膜的相应位置曝光而固化。
用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,从而在所述湿膜上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,使所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来。
在所述湿膜和所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述图案的位置镀上金属层。
剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而制得具有超材料人工微结构的超材料天线罩。
本发明超材料人工微结构的制造方法和超材料天线罩及其制造方法具有以下有益效果:利用激光加工技术实现了在三维形状表面上附着超材料人工微结构,而且由于加工时无接触,不会造成所述壳体/天线罩罩体表面变形,加工精确且效率高,适于大批量的工业化生产。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明超材料人工微结构的制造方法的较佳实施方式的流程图;
图2是本发明超材料天线罩的制造方法的较佳实施方式的流程图;
图3-图7是利用图2中的制造方法来制造一超材料天线罩时的示意图。
图中各标号对应的名称为:
10天线罩罩体、20湿膜、22曝光部分、24图案、30金属层、40超材料人工微结构、50超材料天线罩、90天线
具体实施方式
如图1至图5所示,为本发明超材料人工微结构的制造方法的一较佳实施方式。所述较佳实施方式包括以下步骤:
a.制作一具有三维形状表面的壳体。
b.在所述壳体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜。
c.将所述壳体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述壳体的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***。
d.所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜进行扫描,使所述湿膜的相应位置曝光而固化。
e.用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,从而在所述湿膜上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,使所述壳体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来。
f.在所述湿膜和所述壳体的三维形状表面上对应所述图案的位置镀上金属层。
g.剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述壳体的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而在所述壳体的三维形状表面上制得超材料人工微结构。
相比现有技术,本发明超材料人工微结构的制造方法利用激光立体成像加工技术,在具有激光反应活性的湿膜上形成与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,并通过在其上镀上金属层后剥离所述湿膜,从而在所述壳体的三维形状表面上对应这些图案的位置留下超材料人工微结构,不仅由于加工时无接触,故不会造成所述壳体表面变形,加工精确且效率高。
以下对所述较佳实施方式进行详细说明:在所述步骤a中,所述壳体由高分子材料或者陶瓷材料制成。所述壳体的三维形状表面可根据实际需要而定,如抛物面形、双曲面形、圆锥面形等。为了利于超材料人工微结构的加工,所述壳体的三维形状表面,是一具有一定的粗糙度的粗糙面,但也要防止由于所述壳体的三维形状表面太粗糙而造成的不良影响,如出现渗镀现象等。
通常,我们对所述壳体的三维形状表面进行粗化处理,处理方法有手工、机械和化学。
(1)手工处理时,手工打磨所述壳体的三维形状表面,并用水冲洗即可。
(2)机械的方法为使用磨料刷辊式刷板机和浮石粉刷板机来打磨所述壳体的三维形状表面。磨料刷辊式刷板机是利用压缩型或硬毛型的刷辊来打磨所述壳体的三维形状表面,并让所述壳体的三维形状表面沿刷辊移动,以保持刷辊各个部分的磨损一致。而浮石粉刷板机是利用低压喷砂的方法将浮石粉(火山岩粉末)喷到所述壳体的三维形状表面,再以尼龙刷研磨。一般,使用浮石粉刷板机对所述壳体的三维形状表面质量较为理想,且实际中基于成本的考虑,用氧化铝粉末来代替浮石粉。
(3)化学方法是使用如过硫酸盐型、硫酸-双氧水型等粗化液来处理所述壳体的三维形状表面。
在所述步骤b中,所述湿膜既可以通过将液体光致抗蚀剂喷到所述壳体的三维形状表面上、也可以通过刷子直接涂刷或丝网印的方法并经烘烤形成。液体光致抗蚀剂包括高感光性树脂、感光剂、色料、填料和少量溶剂,其抗三氯化铁、酸性氯化铜、弱碱性蚀刻液及抗酸性镀铜、氟硼酸镀锡铅、酸性镀镍、微氰酸性镀金等溶液的化学镀或电镀。烘烤可利用烘道和烘箱来完成。用烘箱时,烘箱一定要带有鼓风和恒温控制,以使所述湿膜的各部位温度比较均匀。烘烤时间以烘箱达到设定温度时开始计算。烘烤温度和时间要适当,若烘烤温度过高或时间过长,则难于显影和去除所述湿膜,而烘烤温度过低或时间过短,对所述湿膜的干燥不够会影响后续工艺。
在所述步骤c中,将制造所述壳体时所用的其表面的三维形状数据输入所述激光设备的电脑***。而欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述壳体的三维形状表面上分布的数据则根据具体的应用需求,利用专业软件设计而成。具体在设计所述超材料人工微结构时,根据所述壳体的使用场合的电磁环境,通过电脑仿真软件如CST等设计出所述超材料人工微结构的几何形状、尺寸和排布方式,且所述超材料人工微结构在所述壳体的三维形状表面上的分布还需要依据所述壳体表面的三维形状数据。一般,我们只设计一个超材料人工微结构的几何形状和尺寸,进而以其为样本进行复制形成阵列排布的所述多个超材料人工微结构。由此可见,所述多个超材料人工微结构的几何形状和尺寸均是相同的。这样可节约设计时间和提高设计效率。当然,若不为此目的,所述多个超材料人工微结构的几何形状和/或尺寸完全可以不相同。
一般,所述超材料人工微结构是由一定长度的线段形成的具有一定几何形状的平面或立体结构。这样,每个超材料人工微结构及其所在的壳体表面部分称作一个超材料单元,每个超材料单元的几何尺寸与穿过所述壳体的电磁波波长有关,如其几何尺寸为电磁波波长的十分之一。
另外,我们也可利用扫描设备来获得所述壳体表面的三维形状数据,并通过电脑软件的处理生成其三维图像。
在所述步骤d中,一般,所述激光设备还包括用于放置所述壳体的工作平台和固定有激光头的运动执行机构。扫描曝光开始时,将所述壳体固定于所述工作平台上,并设定基准点,即可启动所述运动执行机构带着激光头扫描所述湿膜,根据所述步骤c中的数据控制激光对所述湿膜的相应位置(也即欲附着超材料人工微结构的位置)进行曝光,而使所述湿膜的这些位置固化,且固化部位的大小由激光扫描的速度而定,激光移动速度快时固化的部位小,反之固化的部位大。
在所述步骤e中,让温度为20~28℃的所述溶剂以1~2.5kg/cm2的压力喷淋所述湿膜上经曝光而固化的部位,喷淋时间为30±10s,让所述壳体的三维形状表面上对应位置露出来,而所述湿膜则在相应位置形成多个与所述多个超材料人工微结构相同的图案,并进行水洗,压力为2.5~3.0kg/cm2。另外,要注意掌握此步骤与所述步骤b之间的时间间隔,不宜过长,一般为不超过48小时。
在所述步骤f中,可使用化学镀或电镀的方法镀上各种金属层,并注意镀各种金属时对其工艺的具体要求。如在电镀铜时,其工艺过程包括活化、镀铜、防氧化处理、风干,电镀时用5%稀硫酸喷镀15~30分钟,防氧化处理就是在铜层表面形成一定厚度的保护膜,使用M8或Cu56的处理剂。另外,电镀所述金属层时,要对所述壳体的表面进行干燥处理,风干温度为50~60℃、时间60±10s,而采用烘箱时,其温度为100℃、时间为1~2分钟。
在所述步骤g中,当剥离所述湿膜后只留下所述多个超材料人工微结构在所述壳体的三维形状表面上,为了对其进行保护,可在所述壳体的三维形状表面上涂覆保护层,所述保护层可根据实际情况而定。
以下以利用本发明的制造方法来制造本发明的超材料天线罩50为例进行说明:
S1.制作一具有三维形状表面的天线罩罩体10。
S2.在所述天线罩罩体10的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜20。
S3.将所述天线罩罩体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述天线罩罩体10的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***。
所述超材料人工微结构的几何形状和尺寸数据应依据容纳于所述天线罩罩体10内的天线90的工作频率而定。
S4.所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜20进行扫描,使所述湿膜的相应位置22曝光而固化。
S5.用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分22,从而在所述湿膜20上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案24,使所述天线罩罩体10的三维形状表面上对应所述湿膜20的图案24的位置露出来。
S6.在所述湿膜20和所述天线罩罩体10的三维形状表面上对应所述图案24的位置镀上金属层30。
S7.剥离湿膜20,使镀于所示湿膜20上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述天线罩罩体10的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而制得具有超材料人工微结构40的超材料天线罩50。
根据需要,在本发明的超材料天线罩50的表面上涂覆保护涂料,如聚氨脂、氟树脂、氟碳树脂等,一般应使用具有良好的透波性能、耐季候性、附着力强的材料制成。
以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例,不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明基本思想的前提下,还可以做出若干改进和润饰,如所述液体光致抗蚀剂也可是感光油墨,而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括以下步骤:
a.制作一具有三维形状表面的壳体;
b.在所述壳体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜;
c.将所述壳体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述壳体的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***;
d.所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜进行扫描,使所述湿膜的相应位置曝光而固化;
e.用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,从而在所述湿膜上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,使所述壳体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来;
f.在所述湿膜和所述壳体的三维形状表面上对应所述图案的位置镀上金属层;
g.剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述壳体的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而在所述壳体的三维形状表面上制得超材料人工微结构。
2.根据权利要求1所述的超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,在所述步骤a中,所述壳体的三维形状表面是一粗糙面。
3.根据权利要求1所述的超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,在所述步骤b中,所述湿膜是将液体光致抗蚀剂喷到所述壳体的三维形状表面上并经烘烤形成。
4.根据权利要求1所述的超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,在所述步骤b中,所述湿膜是利用丝网印的方式将液体光致抗蚀剂涂覆于所述壳体的三维形状表面上并经烘烤形成。
5.根据权利要求3或4所述的超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,所述液体光致抗蚀剂是以高感光性树脂为基本成分合成。
6.根据权利要求1所述的超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,在所述步骤f中,所述金属层通过化学镀或电镀的方法形成。
7.根据权利要求1所述的超材料人工微结构的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包括在所述壳体的三维形状表面上涂覆保护层。
8.一种超材料天线罩的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括以下步骤:
S1.制作一具有三维形状表面的天线罩罩体;
S2.在所述天线罩罩体的三维形状表面上覆盖一具有激光反应活性的湿膜;
S3.将所述天线罩罩体表面的三维形状数据和欲制作的超材料人工微结构的形状、尺寸及在所述天线罩罩体的三维形状表面上分布的数据输入激光设备的电脑***;
S4.所述激光设备的电脑***根据这些数据控制激光对所述湿膜进行扫描,使所述湿膜的相应位置曝光而固化;
S5.用溶剂除去经曝光而固化的湿膜部分,从而在所述湿膜上形成多个与欲制作的超材料人工微结构相同的图案,使所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述湿膜的图案的位置露出来;
S6.在所述湿膜和所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述图案的位置镀上金属层;
S7.剥离湿膜,使镀于所示湿膜上的金属层与湿膜一起除去,而镀于所述天线罩罩体的三维形状表面上对应所述图案的位置的金属层保留下来,从而制得具有超材料人工微结构的超材料天线罩。
9.根据权利要求9所述的超材料天线罩的制造方法,其特征在于,所述制造方法还包括在所述天线罩罩体的表面上涂覆由聚氨脂、氟树脂或氟碳树脂制成的保护涂料。
10.一种超材料天线罩,其特征在于,所述超材料天线罩是利用权利要求8-9中任意一项所述的方法制得的。
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