CN103247860A - 一种超材料的制备方法及超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超材料的制备方法及超材料，本发明超材料的基板为埋容基板，本发明超材料的制备方法包括以下步骤，101.在埋容材料上刻制出多个人造微结构，埋容材料包括相对的第一侧和第二侧，在埋容材料的第一侧固定有多个人造微结构组成的第一人造微结构层，第二侧固定有多个人造微结构组成的第二人造微结构层，102.将第一人造微结构层与第二人造微结构层分别与半固化片固定，得到所述超材料。本发明使用埋容材料作基板，有效降低了谐振频率，使超材料的基板更加轻薄、介电常数更高、介电损耗较低且电容较大，大大增强了超材料的整体性能，具有良好的开发与应用前景。

Description

一种超材料的制备方法及超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料的制备方法及超材料。
背景技术
目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率μ与磁性常数μ0(又称真空磁导率)的比值，μr＝μ/μ0，无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，μ都是大于0的。
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。超材料包括基板及附着在基板上的人造微结构。只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构和与其相匹配的基板，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0，并具有较低的谐振频率。
基板的性能大大影响超材料的整体性能，特别是基板的介电常数、介电损耗、磁导率等参数直接影响制得超材料的功能，目前，一般采用印制电路板(PCB)工艺实现超材料的人造微结构和介质基板的复合体系，在使用印制电路板工艺制造超材料的过程中，通常选用FR-4等级的覆铜板充当基板，这种基板的介电常数约为4.5，介电损耗正切值约为0.02。但是一些应用于较低频段(几兆赫兹到几十兆赫兹)的具有特定功能的磁性超材料，需要介电常数较高、介电损耗较低、质地较轻薄且电容较大的材料充当基板，FR-4等级的覆铜板明显不能满足上述要求。
综上所述，应提供一种超材料，其基板质地轻薄、介电常数较高、介电损耗较低且电容较大，能有效降低超材料板的谐振频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种超材料及其制备方法，其基板为埋容材料基板，埋容材料基板更轻薄、介电常数较高、介电损耗较低且电容较大，有效降低超材料板的谐振频率，增强了超材料的性能。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，提供一种超材料及其制备方法的制备方法，本发明超材料的基板为埋容基板，本发明超材料的制备方法包括以下步骤，101.在埋容材料上刻制出多个人造微结构，埋容材料包括相对的第一侧和第二侧，在埋容材料的第一侧周期性阵列排布有多个人造微结构组成的第一人造微结构层，第二侧周期性阵列排布有多个人造微结构组成的第二人造微结构层，102.将第一人造微结构层与第二人造微结构层分别与半固化片固定，得到所述超材料。
优选地，所述埋容材料的介质层厚度为8-12μm。
优选地，所述埋容材料的介电常数为14-20。
优选地，所述埋容材料的介质损耗为0.003-0.006。
优选地，通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法刻制出所述多个人造微结构。
本发明还提供一种超材料，包括基板及多个周期性阵列排布在基板上的人造微结构，所述超材料的基板为埋容材料，所述埋容材料基板包括相对的第一侧和第二侧，第一侧固定有多个人造微结构组成的第一人造微结构层，第二侧固定有多个人造微结构组成的第二人造微结构层，第一人造微结构层、第二人造微结构层上覆盖有半固化片。
优选地，所述半固化片为FR-4级的半固化片。
优选地，所述人造微结构为金属人造微结构。
本发明的有益效果在于，埋容材料具有介质层薄、介电常数高、介电损耗低的特点，经过特殊设计的人造微结构具有理想的降频效果，埋容材料基板与经过特殊设计的人造微结构结合制成的超材料，使超材料更加轻薄、介电常数较高、介电损耗较低且电容较大，有效降低了超材料板的谐振频率，增强了超材料的性能。
附图说明
图1是本发明超材料一优选实施例结构示意图；
图2是本发明超材料一优选实施例埋容材料结构示意图；
图3是本发明超材料一优选实施例人造微结构示意图；
图4是本发明超材料一优选实施例制备方法流程图；
图5是现有技术超材料磁导率仿真效果图；
图6是本发明采用埋容基板超材料磁导率率仿真效果图；
1第一人造微结构层，2第二人造微结构层，3半固化片，4埋容材料，5介质层，6铜箔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种超材料的制备方法，如图4本发明超材料一优选实施例制备方法流程图所示，包括以下步骤：
101.在埋容材料4相对的两侧铜箔6上蚀刻出多个周期性阵列排布的人造微结构，在埋容材料4相对两侧的多个人造微结构分别组成第一人造微结构层1和第二人造微结构层2。
102.将第一人造微结构层1与第二人造微结构层2分别与半固化片3压合，得到超材料，参见图1，本发明超材料一优选实施例结构示意图。
在铜箔6上刻制人造微结构可以采用蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法，本发明采用蚀刻的方法。半固化片又称“PP片”，是多层板生产中的主要材料，主要由树脂和增强材料组成，增强材料分为玻璃纤维布、纸基、复合材料等，本发明中的半固化片为FR-4等级的半固化片，由环氧树脂和增强材料玻璃纤维布组成。
将电容材料内埋在印制电路板内，即埋容材料，包括介质层5和铜箔6，介质层5为陶瓷或树脂或陶瓷树脂混合材料。如图2本发明超材料一优选实施例埋容材料结构示意图所示，本发明将埋容材料4的铜箔6蚀刻出第一人造微结构层1和第二人造微结构层2，埋容材料4可以缩短元件相互之间的线路长度，改善电气特性，提高有效的印刷电路板封装面积，提高封装的可靠性并降低成本，埋容材料4质地轻薄、介电常数较高、介质损耗较小，是理想的磁性超材料基板材料。本发明一优选实施例选用3M公司的埋容材料，其介质层厚度为11μm，介电常数为16，介质损耗为0.005，其介质层为陶瓷和树脂混合材料。
本发明人造微结构如图3本发明超材料一优选实施例人造微结构示意图所示，为开口谐振环结构，本发明的人造微结构是将埋容材料4上的铜箔蚀刻而成，为金属铜人造微结构，本发明一优选实施例的人造微结构尺寸为20mm×20mm，外半径为9.8mm，线宽为0.4mm，开口宽度为0.4mm，开口延长线长度7.5mm。多个人造微结构阵列排布，形成第一人造微结构层1和第二人造微结构层2。
选取与本发明人造微结构的形状、参数完全相同的人造微结构、FR-4等级的基板进行仿真，仿真效果如图5所示，此超材料磁导率达到-1时的谐振频率为360.5MHZ，本发明使用埋容材料基板超材料进行仿真，仿真效果如图6所示，超材料的磁导率达到-1时的谐振频率为331MHZ，比现有技术使用FR-4基板的谐振频率降低了近30MHZ，有效地降低了超材料的谐振频率，并且使用埋容材料基板的超材料较使用FR-4等级的基板相比，更轻薄、介电常数更高、介电损耗较低且电容较大，更适合要求磁导率为-1的磁性超材料。
本发明将埋容材料应用于磁性超材料的基板中，有效地降低了磁性超材料的谐振频率，使超材料的基板更加轻薄、介电常数较高、介电损耗较低且电容较大，具有良好的开发与应用前景。
本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (8)

1.一种超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，101.在埋容材料上刻制出多个人造微结构，埋容材料包括相对的第一侧和第二侧，在埋容材料的第一侧周期性阵列排布有多个人造微结构组成的第一人造微结构层，第二侧周期性阵列排布有多个人造微结构组成的第二人造微结构层，102.将第一人造微结构层与第二人造微结构层分别与半固化片固定，得到所述超材料。
2.根据权利要求1所述超材料的制备方法，其特征在于，所述埋容材料的介质层厚度为8-12μm。
3.根据权利要求1所述超材料的制备方法，其特征在于，所述埋容材料的介电常数为14-20。
4.根据权利要求1所述超材料的制备方法，其特征在于，所述埋容材料的介质损耗为0.003-0.006。
5.根据权利要求1所述超材料的制备方法，其特征在于，通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法刻制出所述多个人造微结构。
6.一种超材料，包括基板及多个周期性阵列排布在基板上的人造微结构，其特征在于，所述超材料基板为埋容材料基板，所述埋容材料基板包括相对的第一侧和第二侧，第一侧固定有多个人造微结构组成的第一人造微结构层，第二侧固定有多个人造微结构组成的第二人造微结构层，第一人造微结构层、第二人造微结构层上覆盖有半固化片。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述半固化片为FR-4级的半固化片。
8.根据权利要求6所述超材料的制备方法，其特征在于，所述人造微结构为金属人造微结构。
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