在SiN_x膜上使用电子束光刻技术进行双层超表面的双面图案化时，需要采用透射电子曝光方法

《Micro and Nanostructures》：Transmitted electron exposure in electron beam lithography for double-side patterning of bi-layer metasurfaces on a SiN x membrane

微流控与增材制造中的脉冲曝光技术研究：通过数字光处理（DLP）技术，探究不同占空比（100%、67%、50%、33%）对紫外光固化树脂材料的影响，发现脉冲曝光可有效防止未固化、改善边缘和角落定义及表面质量，同时提升制造效率。

　　在当今科技迅速发展的背景下，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术正逐渐成为推动微纳工程领域创新的重要工具。其中， vat photopolymerization（VP，光固化）作为AM的一种子类，因其能够在微米乃至纳米尺度上制造复杂且定制化的三维结构而受到广泛关注。VP技术包括多种方法，如立体光刻（Stereolithography, SLA）、掩模立体光刻（Masked SLA, MSLA）以及数字光处理（Digital Light Processing, DLP）。这些技术的核心在于利用特定波长的光对液态光敏树脂进行选择性固化，从而逐层构建三维物体。尽管VP技术已取得显著进展，但对其关键参数——辐射强度和曝光时间的研究仍处于初步阶段。近年来，随着对制造精度和效率的持续追求，研究者们开始探索新的曝光方式，以进一步优化VP过程。

本研究聚焦于DLP技术，提出了一种名为“脉冲曝光法”的新方法，旨在通过调整曝光时间与非曝光时间的比例（即占空比）来提升制造质量。研究团队开发了一种定制化的光投影系统，并将其与市场上同类商用设备进行对比验证，以确保其性能的可靠性。通过这一系统，他们能够精确控制光的输出模式，从而实现不同占空比下的曝光实验。实验中，团队选择了四种不同的占空比：100%、67%、50%和33%，分别对应不同的非曝光时间，从0毫秒到2毫秒不等。实验结果显示，脉冲曝光法在多个方面表现出显著优势，包括减少未固化现象、增强边缘和角落的定义度，以及改善表面外观。这些发现不仅验证了研究团队的假设，也表明脉冲曝光法在微纳制造中具有广阔的应用前景。

### 技术背景与研究意义

VP技术的核心在于通过光的作用使液态树脂发生聚合反应，从而形成固态结构。在传统连续曝光方法中，光源持续照射树脂，导致固化过程较为均匀，但也可能引发一些问题，例如局部固化不足或过度固化，影响最终产品的质量。特别是在微纳尺度制造中，对固化程度的精确控制至关重要，因为微小结构的变形或缺陷可能会对功能性能产生重大影响。此外，传统方法在制造复杂几何形状时，常常面临边缘模糊、表面粗糙等问题，限制了其在高精度应用中的潜力。

针对这些问题，研究团队提出了一种新的曝光策略——脉冲曝光法。该方法通过在曝光与非曝光之间切换，使树脂在每次曝光后有足够的时间完成固化反应，从而避免因连续曝光导致的局部未固化现象。同时，这种方法还可以提高边缘和角落的清晰度，以及改善表面的光滑程度。这些优势对于制造高精度的微纳结构具有重要意义，尤其是在需要精细表面处理和高几何保真度的应用中，如微光学元件、微机械系统等。

### 研究方法与实验设计

为了验证脉冲曝光法的效果，研究团队设计并构建了一套定制化的光投影系统，即“Light Engine”。该系统采用了数字微镜器件（Digital Micromirror Device, DMD）作为核心组件，并结合了自定义设计的光导和光学元件，以确保光的均匀分布和精确控制。与市场上同类商用设备相比，Light Engine系统在多个关键性能指标上表现出更优的结果，包括更高的均匀性、更低的表面粗糙度以及更精确的尺寸控制。这些优势使得Light Engine成为研究脉冲曝光法的理想工具。

在实验过程中，研究团队使用相同的辐射强度（3.43 mW/cm2）制造了2×2毫米的一层样品。通过调整占空比，他们测试了不同曝光模式对样品质量的影响。具体而言，当占空比为100%时，意味着光源持续照射样品，没有间断；而占空比为33%时，则表示光源每照射1毫秒后暂停2毫秒。实验结果显示，随着占空比的降低，样品的固化程度、边缘和角落的清晰度以及表面外观均有所改善。特别是在占空比为33%的情况下，样品在6秒内达到了与连续曝光8秒相似的固化效果，这意味着脉冲曝光法在提高制造效率方面具有巨大潜力。

### 实验结果与分析

实验结果表明，脉冲曝光法在多个方面显著优于传统的连续曝光方法。首先，占空比的降低有效减少了未固化现象，使得样品的固化程度更加均匀。其次，样品的边缘和角落更加清晰，减少了因固化不充分导致的变形问题。此外，表面粗糙度也得到了明显改善，使得样品的外观更加光滑。这些结果不仅验证了研究团队的假设，也表明脉冲曝光法在提升微纳制造质量方面具有独特优势。

在具体实验中，研究团队使用了共聚焦显微镜（Confocal Microscope）对样品的外观、尺寸精度和表面粗糙度进行了详细分析。通过对比不同占空比下的样品，他们发现占空比越低，样品的固化程度越高，边缘和角落的定义度越强，表面越光滑。例如，在占空比为33%的情况下，样品在6秒内达到了与连续曝光8秒相似的固化效果，这不仅意味着制造时间的减少，也表明该方法在提升生产效率方面具有显著优势。然而，研究团队也指出，虽然脉冲曝光法在某些方面表现出色，但其对样品厚度的影响尚未完全明确，需要进一步研究以确保固化程度的均衡性。

### 研究的局限性与未来展望

尽管本研究取得了积极成果，但仍存在一些局限性。首先，实验仅使用了一种特定的光敏树脂和简单的方形设计，未能涵盖更广泛的材料和复杂结构。因此，未来的研究需要进一步探索不同类型的光敏树脂在脉冲曝光法下的表现，以及该方法在复杂几何结构中的应用效果。其次，实验主要关注了一层样品的性能，而实际应用中往往需要制造三维结构。因此，下一步的研究应集中于如何将脉冲曝光法应用于三维制造，以验证其在实际生产中的可行性。

此外，研究团队还指出，未来的研究可以进一步优化脉冲曝光法的参数，如脉冲持续时间和占空比的组合，以达到最佳的固化效果。同时，可以探索不同脉冲形状对固化过程的影响，以及通过模拟光聚合过程来更深入地理解其背后的机制。这些研究将有助于揭示脉冲曝光法在微纳制造中的作用原理，并为实际应用提供理论支持。

### 研究的实际应用价值

脉冲曝光法的潜力不仅限于实验室研究，其在多个工业领域中都具有重要的应用价值。例如，在微电子领域，该方法可以用于制造高精度的微型元件，提高产品的性能和可靠性。在生物医学领域，脉冲曝光法有助于制造具有复杂结构的生物支架或微流控芯片，从而推动个性化医疗和生物工程的发展。在光学和光子学领域，该方法可以用于制造高精度的微光学元件，如透镜、棱镜等，提升光学系统的性能。此外，在先进制造领域，脉冲曝光法还可以用于提高生产效率，降低制造成本，从而推动微纳制造技术的商业化进程。

总的来说，本研究为脉冲曝光法在DLP技术中的应用提供了重要的理论依据和实验支持。通过调整占空比，研究团队成功验证了该方法在提升制造质量方面的有效性。尽管目前的研究仍处于初步阶段，但其结果已经显示出巨大的应用潜力。未来的研究应进一步探索该方法在不同材料、复杂结构和三维制造中的表现，以推动微纳制造技术的进一步发展。