《Optics & Laser Technology》：Bio-inspired spherical micro-ring metallic meshes and the fabrication using aberration-converged annular lithography
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球形電磁屏蔽金屬網格的仿生設計與光刻系統創新|仿生螺旋結構|球形光刻|金屬網格均勻分布|電磁屏蔽效能優化
Bowen Luo|Zhengang Lu|Yilei Zhang|Heyan Wang|Jiubin Tan
哈爾濱工業大學超精密光電子儀器工程中心，中國哈爾濱 150080
摘要
在窗戶上部署金屬網是保護內部光電子元件（例如攝像頭）免受外部電磁干擾的關鍵策略。與傳統的平面窗戶相比，球形圓頂在多種應用中表現出更優越的性能。然而，在球形基底上制造金屬網在架構設計和制造方法上存在雙重挑戰。本研究介紹了一種受生物啟發的方法，該方法利用螺旋分布的微環單元，并通過遺傳算法優化節點位置以實現均勻的球形網狀分布。同時，我們開發了一種新型的球形光刻系統。利用這種全面且系統的網狀分布方法和制造設備，成功解決了球形網狀結構的挑戰。所制造的樣品代表了首次在球形基底上實現微尺度環形網狀網格。除了用于透明電磁干擾屏蔽外，所提出的架構還可以應用于超表面，實現高質量的反射層特性和精確的單元格空間排列。這一貢獻將電磁器件的研究范圍擴展到了球形表面幾何結構。
引言
對于在極端環境中運行的無人機（UAV）的傳感器進行保護的需求，推動了對透明電磁干擾（EMI）屏蔽圓頂的研究興趣日益增加[1]、[2]。同時，非平面微電子設備在多個領域成為了引人關注的話題——涵蓋了無線通信[3]、[4]、[5]、生物醫學工程[6]、航空航天[7]和能源系統[8]、[9]。球形幾何結構通常比平面窗戶具有明顯的優勢，包括在壓力下的更高機械強度和更寬的視野能力[10]、[11]、[12]、[13]。
在剛性曲面上直接制造EMI屏蔽金屬網具有挑戰性，尤其是在實現連續的微米級結構和高定位精度方面[14]、[15]、[16]、[17]。直接激光寫入光刻（DLWL）是針對球形基底最精確的方法之一[18]、[19]，它在2015年實現了7微米寬度的金屬線[20]。然而，此后沒有使用這種方法的后續報告。增材制造技術的精度有限，僅能滿足頻率選擇性表面的制造要求[21]。氣溶膠噴射技術展示了生產12.5微米線寬球形網的能力，實現了23分貝的屏蔽效率，平均透射率為67.9%[16]、[17]。裂紋模板方法是圓頂基底的一種有前景的方法，但其結構寬度和架構仍受到隨機情況和環境的限制[14]、[15]。盡管新方法很有吸引力，但它們無法取代DLWL的精確性和多功能性[22]、[23]。研究人員認為DLWL方法的固有特性阻礙了其改進。
傳統的DLWL系統使用顯微鏡物鏡將光束縮小到平面圖像平面上。它通常受到工作距離和焦深有限的限制[24]。在球形基底上制造大規模圖案需要三維機械位移/旋轉和同時逐點寫入。然而，復雜的機械運動不可避免地會累積位置誤差，導致光學散焦，從而影響曝光質量[25]、[26]。不幸的是，精確的多軸機械系統占用較大的空間，這限制了復雜焦點檢測系統的集成。必須在所需的覆蓋范圍、工藝效率和分辨率之間做出權衡。
此外，之前DLWL研究中制造的網狀結構由正交的緯線組成，從頂部視圖投影來看近似于方形網格[20]、[23]。這種方法存在一個固有的幾何缺陷，即半球邊緣附近的正交緯線分布不均勻。這導致電磁泄漏性能差和光學透明度不一致。這種現象源于一個基本的幾何事實：球形表面不能由相同形狀的元素進行鑲嵌[27]。研究人員提出了幾種球形劃分方法來解決多個領域中的類似問題，例如表面細分[28]、隨機性/對稱點分布[29]、[30]、[31]和平面螺旋投影[32]。然而，目前還沒有研究人員對球形EMI屏蔽技術中的結構分布進行專門研究。
本研究提出了一種實用的球形環形網狀結構解決方案和一種新型的微尺寸環形光刻制造設施。高性能的環形金屬網首次在球形表面上實現。描述了受生物啟發的螺旋網狀結構以及使用遺傳算法對球形表面進行高均勻性的優化。然后，解釋了用于制造微環網狀結構的特殊環形光刻系統。對制造的金屬網進行了測量，并全面驗證了其光學透明度、EMI屏蔽和衍射特性的性能。最后，我們比較了不同螺旋結構的性能差異，并討論了球形網狀結構在應用中的優勢。
部分摘錄
受生物啟發的球形網狀結構
在球形表面上均勻排列網狀單元的問題本質上在于高效的空間利用[33]、[34]。自然結構如多肉植物、向日葵和圖1(a)中的貝殼展示了最佳的螺旋組織排列[35]。根據這一邏輯，可以從這些植物和動物的形狀中衍生出螺旋圖案，我們的網狀結構就是模仿這些圖案。
在各種螺旋類型中，斐波那契螺旋和費馬螺旋與這些結構的對齊最為緊密
球形金屬網的制造與表征
基于受生物啟發的球形網狀結構，并利用開發的球形光刻設備，本研究成功制造了五個球形金屬網樣品。球形金屬網的制造過程主要包括以下步驟：用丙酮和酒精清潔球形玻璃基底（直徑50毫米，曲率半徑100毫米），然后在105°C的烤箱中軟烘烤15分鐘。以3600轉/分鐘的速度旋涂AZ 6112光刻膠
討論
本研究深入分析了球形樣品的幾何特性和應用要求，開發了一種不同于傳統平面透明EMI屏蔽研究的專用網狀結構。與之前研究中使用的正交緯線結構相比，本工作采用了圓形單元格，雖然理論性能更優，但制造挑戰更大。在這些限制條件下，我們的方法實現了更精細的網狀結構
結論
本文首次成功實現了球形表面上的微環金屬網。這一成就包括兩個創新組件：（1）一種受生物啟發且均勻分布的網狀結構，用于提高球形表面的光學透明度和EMI屏蔽性能；（2）一種新型的環形光刻系統，用于在球形基底上精確制造微尺寸網狀結構。實驗結果證明了我們提出的光刻系統
CRediT作者貢獻聲明
Bowen Luo：撰寫——原始草稿、驗證、方法論、調查、正式分析。Zhengang Lu：撰寫——審閱與編輯、監督、資源獲取、資金籌集。Yilei Zhang：撰寫——審閱與編輯。Heyan Wang：撰寫——審閱與編輯。Jiubin Tan：監督、項目管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（NSFC）的支持，項目編號為61975046和62575090。
