《Optics & Laser Technology》：Bio-inspired spherical micro-ring metallic meshes and the fabrication using aberration-converged annular lithography
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球形电磁屏蔽金属网格的仿生设计与光刻系统创新|仿生螺旋结构|球形光刻|金属网格均匀分布|电磁屏蔽效能优化
Bowen Luo|Zhengang Lu|Yilei Zhang|Heyan Wang|Jiubin Tan
哈尔滨工业大学超精密光电子仪器工程中心，中国哈尔滨 150080
摘要
在窗户上部署金属网是保护内部光电子元件（例如摄像头）免受外部电磁干扰的关键策略。与传统的平面窗户相比，球形圆顶在多种应用中表现出更优越的性能。然而，在球形基底上制造金属网在架构设计和制造方法上存在双重挑战。本研究介绍了一种受生物启发的方法，该方法利用螺旋分布的微环单元，并通过遗传算法优化节点位置以实现均匀的球形网状分布。同时，我们开发了一种新型的球形光刻系统。利用这种全面且系统的网状分布方法和制造设备，成功解决了球形网状结构的挑战。所制造的样品代表了首次在球形基底上实现微尺度环形网状网格。除了用于透明电磁干扰屏蔽外，所提出的架构还可以应用于超表面，实现高质量的反射层特性和精确的单元格空间排列。这一贡献将电磁器件的研究范围扩展到了球形表面几何结构。
引言
对于在极端环境中运行的无人机（UAV）的传感器进行保护的需求，推动了对透明电磁干扰（EMI）屏蔽圆顶的研究兴趣日益增加[1]、[2]。同时，非平面微电子设备在多个领域成为了引人关注的话题——涵盖了无线通信[3]、[4]、[5]、生物医学工程[6]、航空航天[7]和能源系统[8]、[9]。球形几何结构通常比平面窗户具有明显的优势，包括在压力下的更高机械强度和更宽的视野能力[10]、[11]、[12]、[13]。
在刚性曲面上直接制造EMI屏蔽金属网具有挑战性，尤其是在实现连续的微米级结构和高定位精度方面[14]、[15]、[16]、[17]。直接激光写入光刻（DLWL）是针对球形基底最精确的方法之一[18]、[19]，它在2015年实现了7微米宽度的金属线[20]。然而，此后没有使用这种方法的后续报告。增材制造技术的精度有限，仅能满足频率选择性表面的制造要求[21]。气溶胶喷射技术展示了生产12.5微米线宽球形网的能力，实现了23分贝的屏蔽效率，平均透射率为67.9%[16]、[17]。裂纹模板方法是圆顶基底的一种有前景的方法，但其结构宽度和架构仍受到随机情况和环境的限制[14]、[15]。尽管新方法很有吸引力，但它们无法取代DLWL的精确性和多功能性[22]、[23]。研究人员认为DLWL方法的固有特性阻碍了其改进。
传统的DLWL系统使用显微镜物镜将光束缩小到平面图像平面上。它通常受到工作距离和焦深有限的限制[24]。在球形基底上制造大规模图案需要三维机械位移/旋转和同时逐点写入。然而，复杂的机械运动不可避免地会累积位置误差，导致光学散焦，从而影响曝光质量[25]、[26]。不幸的是，精确的多轴机械系统占用较大的空间，这限制了复杂焦点检测系统的集成。必须在所需的覆盖范围、工艺效率和分辨率之间做出权衡。
此外，之前DLWL研究中制造的网状结构由正交的纬线组成，从顶部视图投影来看近似于方形网格[20]、[23]。这种方法存在一个固有的几何缺陷，即半球边缘附近的正交纬线分布不均匀。这导致电磁泄漏性能差和光学透明度不一致。这种现象源于一个基本的几何事实：球形表面不能由相同形状的元素进行镶嵌[27]。研究人员提出了几种球形划分方法来解决多个领域中的类似问题，例如表面细分[28]、随机性/对称点分布[29]、[30]、[31]和平面螺旋投影[32]。然而，目前还没有研究人员对球形EMI屏蔽技术中的结构分布进行专门研究。
本研究提出了一种实用的球形环形网状结构解决方案和一种新型的微尺寸环形光刻制造设施。高性能的环形金属网首次在球形表面上实现。描述了受生物启发的螺旋网状结构以及使用遗传算法对球形表面进行高均匀性的优化。然后，解释了用于制造微环网状结构的特殊环形光刻系统。对制造的金属网进行了测量，并全面验证了其光学透明度、EMI屏蔽和衍射特性的性能。最后，我们比较了不同螺旋结构的性能差异，并讨论了球形网状结构在应用中的优势。
部分摘录
受生物启发的球形网状结构
在球形表面上均匀排列网状单元的问题本质上在于高效的空间利用[33]、[34]。自然结构如多肉植物、向日葵和图1(a)中的贝壳展示了最佳的螺旋组织排列[35]。根据这一逻辑，可以从这些植物和动物的形状中衍生出螺旋图案，我们的网状结构就是模仿这些图案。
在各种螺旋类型中，斐波那契螺旋和费马螺旋与这些结构的对齐最为紧密
球形金属网的制造与表征
基于受生物启发的球形网状结构，并利用开发的球形光刻设备，本研究成功制造了五个球形金属网样品。球形金属网的制造过程主要包括以下步骤：用丙酮和酒精清洁球形玻璃基底（直径50毫米，曲率半径100毫米），然后在105°C的烤箱中软烘烤15分钟。以3600转/分钟的速度旋涂AZ 6112光刻胶
讨论
本研究深入分析了球形样品的几何特性和应用要求，开发了一种不同于传统平面透明EMI屏蔽研究的专用网状结构。与之前研究中使用的正交纬线结构相比，本工作采用了圆形单元格，虽然理论性能更优，但制造挑战更大。在这些限制条件下，我们的方法实现了更精细的网状结构
结论
本文首次成功实现了球形表面上的微环金属网。这一成就包括两个创新组件：（1）一种受生物启发且均匀分布的网状结构，用于提高球形表面的光学透明度和EMI屏蔽性能；（2）一种新型的环形光刻系统，用于在球形基底上精确制造微尺寸网状结构。实验结果证明了我们提出的光刻系统
CRediT作者贡献声明
Bowen Luo：撰写——原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析。Zhengang Lu：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、资金筹集。Yilei Zhang：撰写——审阅与编辑。Heyan Wang：撰写——审阅与编辑。Jiubin Tan：监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）的支持，项目编号为61975046和62575090。
