一种太赫兹频段全金属微纳波导的制作方法

1.本发明涉及一种太赫兹频段全金属微纳波导，属于微纳波导结构技术领域，可以应用于微纳真空电子学、太赫兹真空管、太赫兹高功率发射源、慢波结构制造技术。


背景技术：

2.太赫兹(thz,terahertz)波是指波长在3mm-30μm，频率在0.1-10thz，介于毫米波电学频段和红外光学频段之间的一种电磁波。太赫兹波具有频带宽，波束适中、穿透性强和保密性高等优势，在第6代通信技术(6g)中，太赫兹通信技术已经成为众多国家研究的重点。由于太赫兹波的大气衰减特性强，为了尽可能减小太赫兹波在传播过程中的电磁损耗，波导(wg，waveguide)作为定向引导电磁波的结构，可有效进行太赫兹信号的低损耗传输。因此，波导器件是太赫兹波应用中一类重要的关键核心元器件。
3.随着频率的增加，太赫兹波导器件的关键尺寸缩小至微米尺度，太赫兹频段全金属微纳波导加工和对准精度要求相较于微波频段大大提高。目前，微波频段波导的加工通过机床铣削工艺实现，其加工精度取决于刀头尺寸(70μm以上)，而波导与法兰的装配通过固体胶黏合完成，机床加工波导结构的表面粗糙度通常在几十微米量级，而器件对准精度通常在近毫米量级，难以满足太赫兹频段全金属微纳波导，尤其是300ghz以上频段太赫兹频段全金属微纳波导器件的需求。利用微纳工艺实现太赫兹频段全金属微纳波导已有诸多研究，如美国imran mehdi课题组和瑞典joachim oberhammer课题组所研究的硅基微加工太赫兹波导，是目前太赫兹波导微纳制造的有效手段。这类基于微纳工艺实现太赫兹频段全金属微纳波导该类器件虽然在工作频段和传输性能方面有较大提高，但是其器件的金属化采用的是硅基表面镀金属的方式，在器件效率、可靠性和工作寿命上难以保证。同时，其采用的装配对准方案为先器件组装后再通过法兰转接件与输入/输出信号连接，由于转接件仍为机床加工，太赫兹波在其传输过程中的损耗较大。
4.国内在此方面也有研究，但是相对不足，如申请号2021109038822一种双目近眼显示设备中给出了：一体式光波导结构，包括：耦入组件、转折组件、耦出组件，耦入组件包括第一耦入区域和第二耦入区域，第一耦入区域设置在第一光机的出光方向上且用于耦入第一光机所出射的第一图像光线，第二耦入区域设置在第二光机的出光方向上且用于耦入第二光机所出射的第二图像光线；转折组件包括第一转折区域和第二转折区域，第一转折区域用于接收并转折第一图像光线，第二转折区域用于接收并转折第二图像光线，耦出组件包括第一耦出区域和第二耦出区域，第一耦出区域用于将转折后的第一图像光线输出至人的左眼，第二耦出区域用于将转折后的第二图像光线输出至人的右眼，其中，第一转折区域、第二转折区域、第一耦出区域和第二耦出区域为阵列结构。
5.申请号2021102123913一种图像压缩光学芯片的实时在线制作检测系统，超快激光器用于根据第一控制信息对光学芯片材料进行波导结构加工，用于根据第二控制信息对光学芯片材料进行在线矫正加工。
6.总结发现，现有技术存在以下问题：
7.法兰与波导尺寸不匹配。在太赫兹频段，波导关键尺寸最多只有几百微米，而测试系统的标准法兰尺寸是几厘米，即被测器件的尺寸远远小于标准法兰接口，可能导致现有测试设备的接口与高频太赫兹器件之间存在尺寸不匹配，也难以实现微米纳米级尺寸器件的制备，且目前多为金属化硅基微纳器件，尺寸的差别导致加工方式的不同，本发明中的法兰适合用精密机床进行铣削，但是精密机床无法满足波导结构的精度和粗糙度；微纳加工可以高精度地制备波导这样的微纳精密结构，但是做不了法兰这样的大尺寸、比较需要机械强度的大体型的金属结构，这使得法兰和波导无法用同一种加工方式、在同一块材料上、一次性加工成型，进而导致器件寿命和可靠性难以保证。
8.装配时的对准和定位误差。高频波导器件需要使用分布参数来分析波长在毫米甚至微米尺度的太赫兹频段信号，而波导传输线中波导组件连接的装配精度是影响波导组件性能和传输线传输功率损耗的关键因素。波导组件的连接将会直接波导口的重合度，现有方案中的直波导与法兰通过胶粘合，而胶粘合常伴随错位、胶溢出、胶不够出现缝隙、时间久了胶老化牢固度下降等问题，由此带来装配过程中的定位误差，进而影响波导组件连接的装配精度。
9.波导口采用机床加工。由于设备工艺技术有限，现有的传统波导在工艺精度、表面粗糙度、侧壁陡直度方面存在不足，进而带来传输损耗和不理想的色散关系，影响波导的整体的性能。


技术实现要素：

10.本发明提出的一种太赫兹频段全金属微纳波导，从结构体系、加工工艺和装配方式三个方面对传统波导进行改进，以适用于太赫兹频段的加工精度和装配对准要求。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种太赫兹频段全金属微纳波导，结构体系上以全金属结构实现结构外形、波导通道和定位孔的一体化；
12.加工工艺上，通过机床加工、微纳加工分别进行法兰和波导结构的加工；
13.装配方式上，波导结构与法兰通过销钉定位进行对准装配，同时直接以微纳加工的波导口作为端面与输入/输出信号相连接，减少信号传输损耗。
14.进一步的，所述全金属是指，具有良好散热性与导电性，硬度较高的金属材料。
15.更进一步的，所述金属材料为铜、金、银、铝的一种。
16.进一步地，所述结构体系包括法兰，所述法兰由上半部法兰和下半部法兰组成，在上半部法兰和下半部法兰上设置法兰装配螺钉孔，通过装配螺钉固定成法兰，在上半部法兰和下半部法兰相对面上设置波导槽，所述波导设置在波导槽中，在波导上设置销钉定位孔和螺钉定位孔，在法兰上对应设置销钉定位孔和螺钉定位孔用于定位连接。
17.更进一步的，所述波导为平片波导，包括上半部波导和设置有凹槽波导口的下半部波导，或是其他设置在不同位置和开口数量的波导结构，其中在上半部波导和下半部波导上均设置有对称分布的销钉定位孔和螺钉定位孔。
18.更进一步地，所述上半部波导和下半部波导的中部各设置四个销钉定位孔，两个一组对称设置，在每组销钉定位孔的两侧各设置一个螺钉定位孔。
19.更进一步地，所述上半部法兰和下半部法兰的截面均为工字型，上半部法兰和下半部法兰的法兰盘均为半圆。
20.进一步地，所述机床加工是指：以精密机床在一块完整金属块上铣削出标准法兰盘及连接销钉孔，包括上半部法兰和下半部法兰，以及分别位于上半部法兰和下半部法兰上的一个测试螺钉接口、两个测试销钉接口，和边缘处的各两个法兰装配半螺钉孔。
21.更进一步地，所述微纳加工是指：以光刻、刻蚀加工波导结构。
22.更进一步地，以硅基衬底作为器件牺牲层，通过光刻和刻蚀图案化工艺在硅基衬底层形成波导结构图案，利用金属沉积、脱模和键合工艺形成太赫兹频段全金属波导结构。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.1、结构体系上，本专利所提出的太赫兹波导为全金属微纳器件，相较于金属化硅基微纳器件具有良好的器件可靠性和工作寿命；
25.2、加工工艺上，太赫兹波导的制程采用了机床加工和微纳加工混合的方式，可有效实现法兰与波导结合的一体化加工和装配，微纳加工工艺的引入，改善了波导结构的表面粗糙度、侧壁陡直度和表面平整度等，减小射频损耗；
26.3、装配方式上，波导结构与法兰通过销钉定位的方式实现对准装配，同时直接采用微纳加工的波导口作为端面与输入/输出信号相连接，减少了信号传输损耗。
附图说明
27.图1为本发明的结构主视示意图；
28.图2为本发明的上半部法兰结构仰视示意图；
29.图3为本发明的下半部法兰结构俯视示意图。
30.图中：1、上半部法兰，2、下半部法兰，3、测试螺钉接口，4、测试销钉接口，5、半螺钉孔，6、波导，7、销钉定位孔，8、螺钉定位孔。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.如图1、2、3所示的一种太赫兹频段全金属微纳波导，结构体系上以全金属结构实现结构外形、波导通道和定位孔的一体化。所述全金属是指具有良好散热性与导电性，硬度较高的金属材料。金属材料可以是铜、金、银、铝的一种。
34.对于本例中的法兰结构，采用精密机床在一块完整金属块上铣削出标准法兰盘及连接销钉孔，且将法兰盘分为上半部法兰1和下半部法兰2，并分别在位于上半部法兰1和下半部法兰2上加工出一个测试螺钉接口3、两个测试销钉接口4，和边缘处的各两个法兰装配半螺钉孔5。
35.上半部法兰1和下半部法兰2的连接面均为工字型，上半部法兰1和下半部法兰2的法兰盘均为半圆。在上半部法兰1和下半部法兰2上设置法兰装配螺钉孔，通过装配螺钉固定成法兰，在上半部法兰1和下半部法兰2相对面上设置波导槽，波导6设置在波导槽中，在波导6上设置销钉定位孔7和螺钉定位孔8，在法兰上对应设置销钉定位孔7和螺钉定位孔8
用于定位连接。
36.对于本例中的波导6包括上半部波导和下半部波导，上半部波导和下半部波导的中部各设置四个销钉定位孔，两个一组对称设置，在每组销钉定位孔的两侧各设置一个螺钉定位孔。采用微纳加工工艺，基于硅基材料，利用光刻进行结构图案化、刻蚀硅基底形成模具、金属沉积填充硅模具、湿法腐蚀释放硅结构、金属键合形成完整波导腔等微纳制造技术，实现高精度、高性能和小型化的太赫兹高频段高功率全金属波导结构。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：结构体系上，以全金属结构实现结构外形、波导通道和定位孔的一体化；加工工艺上，通过机床加工、微纳加工分别进行法兰和波导结构的加工；装配方式上，波导与法兰通过销钉定位进行对准装配，同时直接以微纳加工的波导口作为端面与输入/输出信号相连接，减少信号传输损耗。2.根据权利要求1所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述全金属是指，具有良好散热性与导电性，硬度较高的金属材料。3.根据权利要求2所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述金属材料为铜、金、银、铝的一种。4.根据权利要求1所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述结构体系包括法兰，所述法兰由上半部法兰和下半部法兰组成，在上半部法兰和下半部法兰上设置法兰装配螺钉孔，通过装配螺钉固定成法兰，在上半部法兰和下半部法兰相对面上设置波导槽，所述波导设置在波导槽中，在波导上设置销钉定位孔和螺钉定位孔，在法兰上对应设置销钉定位孔和螺钉定位孔用于定位连接。5.根据权利要求4所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述波导为平片波导，包括上半部波导和下半部波导，在所述上半部波导和/或下半部波导上设置凹槽波导口，在上半部波导和下半部波导上均设置有销钉定位孔和螺钉定位孔。6.根据权利要求5所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述上半部波导和下半部波导的中部均设置偶数个销钉定位孔，两个一组对称设置，在销钉定位孔组的两侧各设置一个螺钉定位孔。7.根据权利要求4所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述上半部法兰和下半部法兰的连接面均为工字型，上半部法兰和下半部法兰的法兰盘均为半圆。8.根据权利要求1所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述机床加工是指：以精密机床在一块完整金属块上铣削出标准法兰盘及连接销钉孔，包括上半部法兰和下半部法兰，以及分别位于上半部法兰和下半部法兰上的一个测试螺钉接口、两个测试销钉接口，和边缘处的各两个法兰装配半螺钉孔。9.根据权利要求1所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：所述微纳加工是指：至少通过光刻、刻蚀工艺加工波导结构。10.根据权利要求9所述的太赫兹频段全金属微纳波导，其特征在于：以硅基衬底作为器件牺牲层，通过光刻和刻蚀图案化工艺在硅基衬底层形成波导结构图案，利用金属沉积、脱模和键合工艺形成太赫兹频段全金属波导结构。

技术总结
本发明涉及一种太赫兹频段全金属微纳波导，结构体系上，以全金属结构实现结构外形、波导通道和定位孔的一体化；加工工艺上，通过机床加工、微纳加工分别进行法兰和波导结构的加工；装配方式上，波导与法兰通过销钉定位进行对准装配，同时直接以微纳加工的波导口作为端面与输入/输出信号相连接，减少信号传输损耗。本发明的全金属微纳器件相较于金属化硅基微纳器件具有良好的器件可靠性和工作寿命；以机床加工和微纳加工结合有效实现法兰与波导结合的一体化加工，改善了波导结构的表面粗糙度、侧壁陡直度和表面平整度等，减小射频损耗；对准装配和采用微纳加工的波导口作为端面与输入/输出信号相连接，减少了信号传输损耗。减少了信号传输损耗。减少了信号传输损耗。


技术研发人员：温良恭 李栋 熊凡 白中扬 陈林亮
受保护的技术使用者：太锐芯科技（青岛）有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/9/7