太赫兹行波管折叠波导慢波结构制备工艺研究

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太赫兹(THz)科学技术在生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、无线通信、反恐和国家安全等领域具有重大应用潜力,是当前国际前沿交叉科学领域被认为是改变未来世界的十大技术之一。制约太赫兹科学技术发展的关键在于太赫兹辐射源。基于真空电子器件的太赫兹辐射源由于大功率和抗辐照等特点,正在成为太赫兹源研究领域的热点。  行波管作为一类重要的真空电子器件,由于具有功率大、频带宽等优点,在电子对抗、雷达和卫星通信等方面都具有重要的应用。而新型折叠波导慢波结构是目前行波管向太赫兹频段发展所采用的主要高频互作用系统。然而,随着频段的提高,折叠波导慢波系统的尺寸变得越来越小,精度要求也越来越高,传统加工工艺已逐渐不能满足要求,必须采用现代微细加工方法来实现。  本文先后开展了0.1THz折叠波导、0.22THz折叠波导及其集成级联结构以及0.3THz折叠波导慢波结构的微细加工方法和工艺方面的研究。对0.1THz折叠波导采用超精密电火花线切割技术和LIGA技术来进行加工;对于0.22THz折叠波导及其集成级联结构采用UV-LIGA技术来加工;而对于0.3THz折叠波导则采用LIGA工艺来加工。针对不同的加工方法,本文分别设计了具体的实施方案。  本文在开展微细加工工艺研究的过程中,对相关的关键工艺技术进行了开发,主要包括:开发了制备折叠波导慢波结构的嵌丝式LIGA和UV-LIGA工艺,用嵌丝形成电子注通孔,用光刻工艺制备折叠波导蛇形线,两者的结合解决了折叠波导制备的难点;开发了制备折叠波导慢波结构的深度精密微细电铸工艺,包括电铸液的配方、添加剂的使用,数控双脉冲多向电铸电源的参数优化等,实现了微纳米级晶粒的电铸;开发了集成级联折叠波导慢波结构的制备方法,通过级联掩模、专用模夹具和拉力的限定等来制备集成级联折叠波导;开发了SU8光刻胶去除工艺,经过多种方案的实验,总结出了一套SU8光刻胶去除的方法。  本文对使用LIGA和UV-LIGA工艺制备的电铸铜结构,从精度、成分和金相方面做了系统的分析。经过分析,使用硫酸体系的电铸液电铸的铜结构在精度和成分方面均满足要求。在金相分析中电铸铜与母材无氧铜的金相一致,达到了一级无氧铜的标准,因而使用硫酸体系的电铸液电铸的铜是可以应用到行波管真空电子器件的制备中的,验证了这种微细加工的方法是可行的。
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