CN104024108A - 提供具有可调谐发射率的表面的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了提供具有可调谐发射率的表面的装置和方法。实例装置包括包含附接到电反射接地平面(106)的介电材料层(108)的阻抗层(104)和布置在阻抗层(104)内的多个谐振器(110)，其中装置的发射率基于谐振器(110)的特性。

Description

提供具有可调谐发射率的表面的装置和方法
技术领域
本公开一般涉及材料的发射率，并且更具体地，涉及提供具有可调谐发射率的表面的装置和方法。
背景技术
航天器在服务期间暴露于广泛的辐射环境。航天器的外表面可通过吸收辐射(例如，太阳辐射)而加热和/或通过红外线辐射而冷却。随着航天器进出太阳的视准线，加热和冷却可交替发生。当面向太阳的一侧被加热而面向太空空间的一侧则被冷却时，加热和冷却也可同时发生。航天器的温度基于航天器中加热和冷却的平衡。
现有技术材料具有材料所固有的且不可被改变的静态发射率特性。因而，获得在特定辐射频率范围内具有所需发射率的材料包括寻找具有所需发射率特性的合适材料。
因此，需要具有可调谐发射率的装置。该装置可被并入表面。调谐可包括增加、减少、和/或优化一定量反射的、吸收的、和/或发射的辐射能量。
发明内容
公开了提供具有可调谐发射率的表面的装置和方法。公开的实例装置包括阻抗层和多个谐振器。实例阻抗层包括附接到电反射接地平面的介电材料层。实例谐振器布置在阻抗层内，该装置的发射率基于谐振器的特性。
还公开了另一种实例材料。该实例材料包括介电层和多个谐振器，其中多个谐振器定位在距离接地平面一定距离处，以使从谐振器反射的能量与从接地平面反射的能量经历相消干涉。该实例材料还包括电耦合到至少一个谐振器的电阻材料。电阻材料响应于电场显示电子迁移。实例材料包括导电层以产生电场，其中电场用于改变至少一个谐振器的反射。
所公开的实例方法包括调谐材料中的一个或多个谐振器的特性。调谐特性改变了一个或多个谐振器对辐射的吸收。调谐特性也改变了一定量的由材料引起的相消干涉。
根据本公开的方面，提供了一种装置，其包括包含了附接到电反射接地平面的介电材料层的阻抗层和布置在阻抗层内的多个谐振器，其中该装置的发射率基于谐振器的特性。有利地，多个谐振器距离电反射接地平面一定距离处定位，该距离基于长波长红外线能量。有利地，谐振器中的至少一个包括多个通过电阻材料电耦合的导电元件。有利地，该电阻材料具有可调谐电阻率。优选地，装置还包括导电材料，用于控制电阻材料的电阻率。优选地，导电材料用于改变电阻率从而改变装置的发射率。优选地，电阻材料包含非晶氧化物半导体。有利地，该装置还包括与电反射接地平面相对地附接到阻抗层的抗反射涂层。优选地，抗反射涂层的厚度基本上等于所关注波长四分之一。优选地，抗反射涂层的厚度基本上等于从谐振器到电反射接地平面的距离。有利地，谐振器被布置为基本上平行于电反射接地平面。
根据本公开的方面，提供了一种装置，其包括介电层、距离接地平面一定距离定位以使从谐振器反射的能量与从接地平面反射的能量经历相消干涉的多个谐振器、电耦合到谐振器中的至少一个的电阻材料——所述电阻材料响应于电场显示电子迁移、以及施加电场以改变至少一个谐振器的吸收的导电层。有利地，谐振器中的至少一个包括具有多个天线臂的交叉偶极子天线。有利地，电场用来减小电阻材料的第一阻抗和与谐振器中的至少一个关联的阻抗值之间的差异，来增加装置的发射率。有利地，电场通过增大电阻材料的第一阻抗和与谐振器中的至少一个关联的阻抗值之间的差异，来减小装置的发射率。有利地，谐振器中的至少一个的宽度基本上等于所关注波长的二分之一。
根据本公开的方面，提供了一种方法，其包括调谐材料中的一个或多个谐振器的特性，从而改变一个或多个谐振器对辐射的吸收和改变一定量的由材料引起的相消干涉。有利地，该方法还可包括限制红外线波长中的材料辐射的发射。有利地，相消干涉包括发生在从一个或多个谐振器反射的辐射和从接地平面反射的辐射之间的相消干涉。有利地，该方法还可包括距离接地平面一定距离定位一个或多个谐振器，以使从一个或多个谐振器反射的第一辐射与从接地平面反射的第二辐射基于特性经历相消干涉。有利地，调谐特性包括将电信号施加到材料的电阻层，以改变邻近一个或多个谐振器的电阻层的阻抗。有利地，方法还可包括识别条件，其中调谐特性响应于识别条件，该条件为以下中的至少一个：与材料相邻的结构中的温度变化、辐射相对于材料的入射角变化、材料处的辐射强度变化、或材料的外部条件的变化。有利地，调谐一个或多个谐振器的特性包括调谐以下中的至少一个：一个或多个谐振器的几何结构、两个或多个谐振器的布置、一个或多个谐振器的静态阻抗、或谐振器中的至少一个被物理地分开的元件之间的导电槽。
已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在其它实施方式中组合，其进一步详细说明可参考以下描述和附图看出。
附图说明
图1是根据本公开的教导构造的具有可调谐发射率的实例装置的截面图。
图2是图1中实例装置的透视图。
图3是图1和图2中的实例装置的实例片形实施的分解透视图。
图4A、图4B和图4C示出可用来实现图1-3中的实例的实例偶极子天线。
图5A是经控制在感兴趣波长范围内具有相对高发射率的实例材料的损耗密度的热图。
图5B是示出反射功率作为图5A实例的波长的函数的图表。
图6A和图6B示出根据本公开的教导构造的具有可调谐发射率的另一个实例材料的截面图。
图7A是表示用于安装和控制在表面上具有可调谐发射率的实例片形装置的实例方法的流程图。
图7B是表示用于调谐材料中一个或多个谐振器的特性的实例方法的流程图。
图8示出实例主体，其中热吸收发生在较短波长处且热发射发生在较长波长处。
图9是交通工具制造和服务方法流程图。
图10是交通工具的方块图。
为阐明多个层和区域，附图中放大了层的厚度。因此，附图中示出的结构并非按比例绘制，而是为阐明本公开的教导绘制的。只要有可能，在整个附图(一个或多个)和随附的书面说明中将使用相同的参考编号指示相同或相似的部分。如本专利中所用，声明任何部分(例如，层、膜或区)以任何方式定位在(例如，定位在、位于、放置在、附接在、或形成在等)另一部分上，是指所引用的部分和其它部分接触或者所引用的部分借助于一个或多个中间部分与其它部分相邻，其中中间部分位于所引用的部分和其它部分之间。声明任何部分与另一部分接触是指在两个部分之间没有中间部分。
具体实施方式
本文公开的实例可用于提供具有可调谐发射率的片形装置(例如，超材料)。本文公开的实例可用于提供如在航天器、建筑物和/或可受益于增加、减少和/或优化一定量反射的、吸收的和/或发射的辐射能量的任何其它结构的表面上的层、涂层或覆盖物。在一些实例中，发射率在施加至表面前进行调谐。在一些实例中，发射率在施加至表面后是可调谐的。本文公开的一些实例提供对施加至表面的片形装置的发射率的控制。在一些这样的实例中，可应用电信号以调谐发射率。
本文公开的实例的应用包括提供结构(例如，建筑物、航天器等)的热控制。图8示出了实例主体800的图示，其中热吸收发生在较短波长802、804处而热发射发生在较长波长806(例如，7-25微米波长范围807)处。例如，图8中的主体800可以是具有0.0885的前侧太阳能吸收系数(α)的地球轨道内的平面板。
当主体800保持热平衡时，波长802、804的被吸收波中的能量等于较长波长806处的波中的能量。实例主体800(例如，面板)的前侧808在8-12微米波段809中具有固定发射率为1而在其它波长中具有发射率为0，且主体800的后侧810在8-12微米波段809中是100％反射(ε＝0，太阳能α＝0)。实例主体800(例如，主体800、主体800的前侧808表面、和/或主体800的后侧810表面)的温度可以通过控制一个或多个可见波段和/或红外线波段(一个或多个)中的主体或表面的发射率来控制。图8中实例主体800的温度可通过限制较长波长806中的波长发射等来增加。相反地，实例主体800的温度可通过允许较长波长806中的波长的更多发射等来降低。
在图8的实例中，假设太阳辐照度为每平方米1366瓦特(W/㎡)，当前侧808表面的法线方向812正好指向太阳时，主体800的平衡温度约为300开氏(K)度。当表面法线方向812以入射角814，θ，偏离指向太阳时，被吸收的功率减少因子cos(θ)，而主体800的自发射保持恒定。结果，主体800的平衡温度随入射角814θ的增大而降低，从而导致当入射角814θ约为85°时温度下降ΔT＝-100K。
使用本文公开的实例，可控制表面的发射率以使其匹配(例如，数值上等于)cos(θ)。因此，上文提到的相同主体800，除了包括上述实例装置，可以保持恒定的300K，独立于定向，这是因为吸收和发射被控制为相等。因此，本文公开的实例的可调谐发射率可用于限制温度波动。
在另一个实例应用中，高度太阳辐照区域内的建筑物具有相对高的热负荷和/或冷却要求。本文公开的实例可用于在白天时段增大实例装置的发射率，从而通过LWIR能量发射热而降低冷却需求。另外或可选地，可控制该实例以减小发射率，从而根据需要保持热量以例如在夜间时段减少热负荷。
图1是根据本公开教导所构造的具有可调谐发射率的实例装置100的正视截面图。尽管许多已知的材料和装置具有固定发射率，但可将实例装置100的发射率改变或控制成具有所需的发射率。图1中的实例装置100包括抗反射涂层102、阻抗层104以及电反射接地平面106。
实例装置100也可被称为结构、设备和/或超材料。无论使用什么术语指示实例装置100，实例装置100使用多层材料构成，且可被塑造成连续片或层，其可被附接、施加或以另外方式联接到其它的结构、设备或装置。以该方式，实例装置100可用来将可调谐发射率外表面提供到这样的结构、设备或装置，从而能够改善实例装置100所联接的结构、设备或装置的温度控制和/或其它操作特性。
具体地转向图1，实例抗反射涂层102被定位成装置100的外层(例如，辐射从装置100的外部环境进入的第一层)。图1中的实例抗反射涂层102具有所关注波长(λ0)的大约四分之一的厚度T。然而，可替代地可使用具有不同厚度的不同类型的抗反射涂层。
所关注波长λ0可以是所关注波长范围内的任何波长。例如，所关注波长λ0可为10微米(微米，μm)，其在长波长红外线辐射(LWIR)(例如8-15微米)的范围内。在许多实例系统中，来自主体或表面的热发射发生在LWIR波长内，而热吸收发生在可见或近红外线(近IR)波长处。如上述图8中的实例所讨论，主体800内的热吸收发生在较短波长802、804处而热发射发生在较长波长806处。
因此，在一些实例中，主体或表面的温度可通过控制一个或多个可见波段和/或IR波段(一个或多个)中的主体或表面发射率来控制。图8的实例主体800的温度可通过限制较长波长806中的波发射等来增加。相反地，实例主体800的温度可通过允许较长波长806中的波的更多发射等来降低。在波长的一些范围内，中心波长为所关注波长λ0且厚度可以是所关注波长范围内的任何波长的四分之一。抗反射涂层102减少反射并增加对装置100的发射率的控制。
实例阻抗层104包括介电材料或层108以及布置在介电材料108内的谐振器110。如本文所用，谐振器是指具有主要由基于负荷的几何结构所限定的光谱特性的任何电谐振结构。例如，图1中的谐振器110使用电谐振结构实现，该电谐振结构至少包括导电元件111、112和电阻元件114，如天线和相应的天线负荷。
在一些实例中，介电材料108在阻抗层104内是基本连续的。在一些其它的实例中，该介电材料108被谐振器110(例如，导电元件111、112)和/或电阻元件114分为多个层。实例电阻元件114可以包括一个或多个电阻器、电阻片、和/或其它电阻结构。实例谐振器110被定位在距离电反射接地平面106约四分之一(例如，在因子为2、或八分之一到二分之一内)所关注波长的距离D处。基于阻抗层104、介电材料108、以及外部环境的各个折射率，相对于外部环境，所关注波长在阻抗层104内和/或介电材料108内可以是不同的。
实例谐振器110可以可选地以二分之一波长增量在距离实例接地平面106的约四分之一波长(例如，四分之三波长，一又四分之一波长等)被定位。使用这些实例定位或间隔中的一个，使在所关注波长或波长范围内由接地平面106所反射的能量比在相同波长或波长范围内由接地平面106所反射的能量具有附加的约二分之一波长行进，从而引起相消干涉。可调谐实例谐振器110的特性以改变相消干涉的量。可调谐的实例特性包括谐振器110的几何结构(例如，尺寸、形状、和/或导电元件111、112的配置)、电阻层114的电阻率、和/或相对于材料中的其它谐振器110的配置(例如，相对取向和/或之间的距离)。
图1中的实例谐振器110(例如，导电元件111、112)被布置在介电材料108内的平面上(例如，谐振器平面116，其厚度等于谐振器110的厚度)。其中布置有谐振器110的谐振器平面116基本上和接地平面106平行。尽管谐振器平面116和接地平面106均被描述为平面，但除了平整表面，术语“平面”可以指弯曲的或其它非平坦表面。例如，如果接地平面106是弯曲的(例如，在圆柱形、球形或部分球形表面等上)，谐振器110也被布置在球面上以使其在任何给定位置基本上正交于接地平面106的法线。为清晰和简洁起见，本文所描述的并在相应的图中所示出的实例使用平整接地平面和平整谐振器平面。
图1中的实例电反射接地平面106在所关注波长范围内完全或基本上完全电反射。在一些实例中，该电反射接地平面106还用作实例装置100所固定到的外表面，在这种情况下，该外表面不是装置100的一部分。在一些其它实例中，装置100被构造成包括电反射接地平面106。
图2是图1的实例装置100的透视图。图2中的视图示出装置100的单个格或单元200。可以重复所示的装置100的单元200，以形成层或片，从而基本上覆盖任何尺寸的表面。如图2所示，实例装置100包括抗反射涂层102和阻抗层104。电反射接地平面106在图2的视图中是不可见的。
如图2所示，抗反射涂层102具有约等于阻抗层104的折射率n2的平方根的折射率n1。在一些实例中，阻抗层104的折射率n2基本上由介电材料108的折射率确定。在图2的实例中，装置100外的环境(例如，空气、空间等)具有折射率n0。图2中的实例抗反射涂层102的厚度是所关注波长的四分之一。抗反射涂层102的折射率n1和外部环境的折射率n0不同。因此，实例抗反射涂层102的厚度基于抗反射涂层中的所关注频率的波长(例如，由抗反射涂层102和外部环境之间的界面改变)。
图2的实例单元200的宽度和实例谐振器110的宽度基于所关注波长λ0，如通过差示折射率n2修正。因此，图2中的宽度等于λ2/2或者λ/2n2。对于带有8微米的中心频率或所关注频率的LWIR辐射以及具有折射率n2＝2.0的阻抗层104，实例单元200和实例谐振器110的宽度都约为2微米。
图2中的实例谐振器平面116基本上平行于电反射接地平面106并且位于距离电反射接地平面106约为所关注波长的四分之一处。抗反射涂层102的折射率n2和外部环境的折射率n0不同。因此，四分之一波长的距离基于阻抗层104中的所关注波长的频率(例如，由阻抗层104与外部环境之间的界面(一个或多个)改变)。
图2中的电阻材料114电耦合谐振器110的臂形件111a-111d。臂形件111a-111d也电耦合以形成交叉偶极子202。电阻材料114充当了谐振器110的匹配网络(例如，确定谐振器110的谐振特性)。换言之，电阻材料114的阻抗(例如，电阻和/或电抗)影响了谐振器110对辐射的吸收。该实例电阻材料114的阻抗可通过选择电阻材料114的电阻率值(例如，通过选择具有所需电阻率的特定材料)和/或通过选择电阻材料114的几何结构进行控制。尽管图2中示出了实例交叉偶极子几何结构，但也可使用其它几何结构。
通过改变电阻材料114的阻抗(例如，电阻/电阻率和/或电抗)，谐振器110的发射率以及实例装置100的发射率因此被改变。例如，随着电阻材料114的阻抗和谐振器110的阻抗之间的差异增大，实例谐振器110的操作更像索尔兹伯里屏(Salisbury Screen)的操作(例如，谐振器110变成反射性的且相消干涉发生在从谐振器110反射的辐射和从接接地平面106反射的能量之间)且发射率降低。相反，随着电阻材料的阻抗和谐振器110的阻抗之间的差异减小，谐振器110吸收更多的辐射且操作起来较不像索尔兹伯里屏并且发射率增加(例如，谐振器110变成吸收性)。
图3是图1和图2中的实例装置100的实例片形实施的分解透视图300。如图3所示，片300包括装置100的9个单元格302(例如，3格乘3格)。实例谐振器110经布置形成屏，并通过空间304与相邻谐振器分开。该实例空间304具有间隙长度G。然而，间隙长度G可以是不同的距离和/或可以基于谐振器110的几何结构不同地测量。与图1的实例电阻材料114相似，分开谐振器110的实例空间304具有相应的阻抗。示出的实例空间304电耦合各个谐振器110，其中阻抗在各个谐振器之间。图3的实例空间304的阻抗基于介电材料108的阻抗以及相邻谐振器110之间的空间的长度。阻抗可类似于或不同于电阻材料114的阻抗。如图3所示，介电材料108中的至少一些位于谐振器110的一侧(例如，上方)且介电材料108中的至少一些位于谐振器110的相对侧上(例如，下方)。换言之，图3的介电材料108夹住谐振器110。如本文所用，如果介电材料108的部分位于谐振器110相对侧上，则谐振器110在介电材料108内，即使该介电材料108被物理地分成位于谐振器110的不同侧上的两层。
图1-3中的实例装置100可使用如溅射、气相沉积、光刻和/或电子束光刻的方法进行构造(例如，对介电材料108、谐振器110、臂形件111、112、和/或电阻材料114)。然而，任何合适的过去、现在或将来的方法可用于制造图1-3的实例装置100。
在制造实例装置100时对图1-3中实例装置100的发射率进行调谐。例如，谐振器110的一种或多种几何结构、电阻材料114的选择(一种或多种)和/或一种或多种几何结构(或预选的电阻性材料114的应用)、谐振器110相对于导电接地平面106的定位、和/或抗反射涂层102的选择或省略可用于在制造装置100时调谐装置100的发射率。
在一些实例中，实例装置100中的一个或多个谐振器110的特性可经调谐以改变谐振器110对辐射的吸收并改变由装置100所引起的相消干涉的量。例如，谐振器110的一种或多种几何结构、电阻材料114的选择(一种或多种)和/或一种或多种几何结构(或预选的电阻性材料114的应用)、谐振器110相对于导电接地平面106的定位、和/或抗反射涂层102的选择或省略中的一个或多个可用于改变对辐射的吸收和/或改变由装置100所引起的相消干涉的量。
图4A示出可用于实施图1-3中实例装置100的实例交叉偶极子天线400。图4A中的实例天线400可用作图2中的每个实例单元200的谐振器110和/或可布置在如图3所示的网格(例如，片)配置中。天线400可附加地或可选地以不是网格的布置或模式被布置或配置。如本文所公开的所有实例，图4A中的实例偶极子天线400不一定按比例绘制。
如图4A所示，实例天线400是交叉偶极子天线，其包括四个臂形件或导电元件402、404、406、408(例如，类似于图2中的臂形件111a-111d)。臂形件402-408基本具有相同的尺寸但为不同的取向。实例臂形件402-408在中心区域410内被间隙412、414、416、418分开。实例间隙412-418包括(例如，紧邻于)电阻材料(例如，图1-2中的电阻材料114)，所述电阻材料电耦合臂形件402-408。图4A中的各个臂形件402-408之间的所产生的阻抗取决于间隙412-418的长度420和宽度422以及电阻材料的电阻率。下文结合图5A和图5B对图4中的天线400的实例分析进行了描述。
图4B示出可用于实施图1-3中的实例装置100的另一个实例偶极天线420。图4B中的实例天线424可用作图2中的每个实例单元200的谐振器110和/或可以布置为如图3所示的片构造。
如图4B所示，实例天线424是偶极子天线，其包括臂形件或导电元件426、428。不同于图4A中的实例臂形件402-408，臂形件426、428具有在多个方向定向的部分(例如，以基本上90度的角度)，并通过导体430而非电阻材料114电耦合。图4B中的臂形件426、428具有基本上相同的尺寸但不同的取向。如同图4A中的实例臂形件402-408，图4B中的实例臂形件426、428被间隙432分开，该间隙432包括(例如，紧邻于)电阻材料(例如，图1-3的电阻材料114)。空隙432中的电阻材料电耦合臂形件426、428。实例臂形件426、428之间所产生的阻抗取决于间隙432的长度和宽度。
图4C示出可用于实施图1-3中的实例谐振器110的另一实例偶极子天线结构434。在图4C的实例中，偶极子天线结构434包括作为天线单元444内的偶极子天线的臂形件或导电元件操作的微带线迹或导电元件436、438、440、442。图4C中示出了实例天线单元444，该天线单元444作为类似于图4B中的实例天线424的偶极子天线操作。实例微带线迹436-442交替地耦合到源极连接446或漏极连接448。因此，多个(例如，一阵列)天线单元444通过相同的微带线迹436耦合到源极446或漏极444。电阻材料(例如，图1-3中的电阻材料114)耦合各个间隙区域450内的实例微带线迹436-442，以便控制实例天线结构434的反射率。单元444中的微带线迹(例如，线迹436、438)间所产生的阻抗取决于间隙450的尺寸(例如，长度和宽度)。
图5A是实例装置502的损耗密度的热图500，该实例装置502经控制在所关注波长范围内具有相对高的发射率。图5B是示出反射功率作为图5A的实例装置502的波长的函数的曲线图。图5中示出的实例装置502包括交叉偶极子天线504，其类似于如上述图4A所述的实例交叉偶极子天线400。交叉偶极子天线504的臂形件被间隙区域506分开。
图5A提供了吸收图，假定整个格内1580欧姆(Ω)或每平方欧姆(Ω/sq，片电阻的量度)的均匀阻抗层。图4A和图5A中的实例交叉偶极子天线的结构在间隙区域506内集中了大部分LWIR辐射吸收，但间隙区域506外的吸收是不可忽略的。如图5B所示，实例装置502示出其中吸收装置位于间隙内的情况中的非常低的LWIR反射(例如，高发射率)对波长。图5A和图5B中的实例结果达到27.5纳米(nm)间隙和1580欧姆/Ω/sq单元定位的假定沟道电阻。这对应于天线502中心508处的“X”的约123Ω的纯电抗以及图5A中所示的实例的顶部、底部、左侧和右侧处的相邻天线臂形件之间的间隙510的约87Ω。
图6A和图6B示出具有根据本公开教导所构造的可调谐发射率的另一实例装置600的截面图。不同于图1-3中的装置100，实例装置600通过将电信号施加至装置600实现可调谐发射率。在一些实例中，对于一定波长范围，可改变或调谐装置600的发射率在0.05和0.95之间，包括0.05和0.95。
实例装置600包括抗反射涂层602和阻抗层604。在图6A和图6B的实例中，实例装置600附接到电反射表面606。在一些其它实例中，装置600包括电反射表面606且装置600可以附接到任何表面，无论电反射与否。
图6A和图6B中的实例阻抗层604包括介电材料或层608以及谐振器610。图6A中的实例谐振器610包括导电元件611、612以及电阻材料614。图6中的实例介电材料608可以是，例如，硫化锌(ZnS)或铟镓锌硫化物(InGaZnS)。然而，附加地或可选地，其它介电材料可用作介电材料608。此外，当实例阻抗层604具有介电材料608的多个层时，可以使用不同介电材料的组合。
图6A和图6B中的实例谐振器610包括单个交叉偶极子天线且可以等同于、类似于和/或不同于图1-图5A的实例谐振器110和/或天线400、420、或504。天线臂形件611、612基本上平行于且距离实例电反射表面606所关注波长的约四分之一处定位。实例电阻材料614紧邻谐振器610(例如，邻近臂形件611、612，在谐振器610与电反射表面606相同的一侧上)定位。在图6A和图6B的实例中，使用非晶氧化物半导体(AOS)材料构造电阻材料614。实例AOS材料包括铟镓锌氧化物(IGZO)、氧化锌铟(ZIO)、以及锌锡氧化物(ZTO)。也可以使用其他半导体材料。
图6A和图6B中的实例阻抗层604还包括导体层616。该实例导体层616包括弱导体(例如，具有大于40千欧姆每平方(40kΩ/sq.)的片电阻)。附加导体618、620与导体层616接触并将偏置信号提供到导体层616。图6A-6B中的实例装置600从电信号发生器622中接收偏置信号。根据由电信号发生器622经导体618、620所提供的信号，实例导体层616产生电场E。实例导体618、620相对稀疏(例如，足够薄且充分隔开)。在一些实例中，所述导体是薄的(例如，大约1微米的直径)且被隔开(例如，在片布置中，每行谐振器有一个导体)，以至于不会引起入射辐射的大量反射。
通过实例电场E控制导电元件611、612间的间隙中的电阻材料614(例如，AOS)的电阻。在电反射表面606(例如，通过导体618、620)之间施加电压，电反射表面606产生电场E，其诱导电阻材料614中的电子迁移并形成或放大(例如，产生较少电阻)导电信道615。当电子被推向导电元件611、612时(例如，相对于图6A实例中的电阻材料614的顶部，示为靠近导电元件611、612定位的负(-)符号)，导电元件611、612之间的电阻减小。因此，实例负荷(例如，充当谐振器负荷的电阻材料614)更好地匹配谐振器，且装置600吸收更多的辐射(例如，增加发射率，减少反射)。实例辐射624、626主要被实例谐振610吸收。
相反地，如图6B所示，当电场E转向时，电子推离导电元件611、612(示为远离导电元件611、612定位的负(-)符号和靠近导电元件611、612定位的正(+)符号)，通过电阻材料614(例如，导电信道615被限制或消除)增加谐振器610、612之间的导电信道615的电阻。因为谐振器负荷变为弱匹配且谐振吸收较少辐射，所以装置600变得更具反射性(例如，降低发射率，增加反射)。实例辐射628、630主要通过谐振器610和导电接地平面606反射。
在图6A和图6B的实例中，谐振器610距离接地平面606以距离H定位，以使从谐振器610反射的辐射或辐射能量630与从接地平面606反射的辐射或辐射能量628经历相消干涉。辐射或辐射能量628、630的反射为180度异相位，并产生相消干涉632。相消干涉632有效地抵消了辐射628、630中的一些或全部能量。
可在实例装置600中以少于1毫秒(ms)实现电场E中的跃迁。另外，当从实例导体618、620和导电层616中移除信号时，电阻材料614保持电场E。因此，实例装置600不需要一致的功率来维持所需的发射率。在一些实例中，电阻材料614和实例导电层616被薄膜晶体管(TFT)取代，以控制谐振器610、612间的阻抗。
可使用如溅射和气相沉积(例如，对介电材料608、电阻材料614、和/或导电层616)以及光刻和/或电子束光刻(例如，对谐振器610、612)的方法构造图6A-6B中的实例装置600。然而，任何合适的过去、现在或将来的方法可用于制造图6A-6B中的实例装置600。
图6A-6B中的实例装置600证明了有利的结果。例如，在导电层(例如，图6中的导电层616)具有约40KΩ/sq(基本上匹配图6中的谐振器610的阻抗)的片电阻，且辐射(例如，来自外部环境)的入射角θ634为零度636(例如，垂直入射)的情况中，实例装置600在7-25微米波长范围——如波长范围807——内具有相对高发射率(例如，反射功率低于0.1)。
在另一实例中，导电层(例如，图6中的导电层616)具有约40KΩ/sq的片电阻且辐射(例如，来自外部环境)的入射角为偏离法线45度。该实例中的反射功率在7-25微米波长范围内低于0.3，其表示相对高的发射率。
在其中导电层(例如，图6A-6B中的导电层616)具有约40KΩ/sq的片电阻但与图6A-6B中谐振器610的阻抗不匹配的实例中，谐振器610基本上吸收的辐射少于使用匹配的负荷时所吸收的辐射。在此类实例中，装置600在5-50微米波长范围内具有相对低的发射率(例如，反射功率大于0.95)。
如实例所示，图6A-6B中的实例装置600的发射率可通过匹配和/或不匹配谐振器610的负荷阻抗来改变。对于所关注的频率和/或频率范围，实例装置600的发射率可在至少0.05-0.95的范围内或更大的范围内被有利地调谐或改变。
图7A是表示用于安装和控制在安装表面上具有可调谐发射率的装置(例如，使用本文所述的实例形成的片或层)的实例方法700的流程图。尽管参照图7A中示出的流程图对实例方法700进行描述，但是可替代地，可使用安装和控制在表面上具有可调谐发射率的装置的许多其它方法。例如，可改变块的执行顺序，和/或可改变、删除或组合所描述的一些块。其中实例方法700可用于将本文所述的实例施加在安装表面上的所述安装表面的实例包括飞行器、航天器、建筑物、交通工具、设备、和/或基本上任何其它表面。
图7A中的实例方法700可用于，例如，在表面上安装图1-3和/或6A-6B中的任一实例装置100、600，或在表面上安装不同的装置。在图7A的实例方法700中，安装在表面上的装置包括阻抗层(例如，图1中的阻抗层104，图6A-6B中的阻抗层604)。
图7A中的实例方法700开始于确定安装表面(例如，在其上安装材料的表面)和/或阻抗层(例如，图6A-6B中的阻抗层604)是否包括电反射表面(块702)。在一些实例中，其上待安装装置的表面具有所述装置待附接的电反射外层。在一些其他实例中，待被安装的装置包括电反射表面(例如，图1-3、图6A-6B中的电反射表面106、606)。在这些情况下，附加的电反射表面不被应用。
如果安装表面和阻抗层都不包括电反射表面(块702)，则电反射表面附接到阻抗片或安装表面中的至少一个(块704)。例如，电反射表面可附接到安装表面的外表面和/或待被附接到安装表面的装置的一侧，以使电反射表面被定位在装置和安装表面之间。如果附接到装置，则电反射表面被认为是装置的一部分。
在附接电反射表面后(块704)，或如果安装表面和/或阻抗层包括电反射表面(块702)，则所述装置(例如，阻抗层)附接到安装表面和/或附接到安装表面的电反射表面(块706)。
电信号发生器(例如，图6A-6B中的电信号发生器622)电耦合到阻抗层(例如，图6A-6B中的导体618、620)(块708)。当改变被安装材料的发射率(块710)时，调谐材料中的一个或多个谐振器的特性，以便改变一个或多个谐振器对辐射的吸收和改变由材料所引起的相消干涉的量(块712)。发射率可响应于邻近装置600的结构(例如，图8中的主体800)中的温度变化、相对于装置600的辐射入射角θ的变化、装置600处的辐射强度(例如，浓度)的变化、和/或装置600外的条件的变化(例如，装置600外的温度改变)而改变。
调谐特性(块712)可包括，例如，将电信号施加至实例导体618、620，从而产生电场E(例如，图6A和6B中的电场E)以改变导电元件611、612间的电阻层614的阻抗。在一些其它的实例中，调谐特性包括调谐谐振器610的几何结构中的至少一个(例如，改变位于图4A中的导电元件402-408间的间隙412–418的长度420或宽度422)、调谐两个或多个谐振器610的布置(例如，改变谐振器610之间的距离，如图3中的间隙长度G，和/或谐振器610的相对取向)、调谐一个或多个谐振器的静态阻抗(例如，选择和/或改变电阻层614的阻抗)、和/或形成、修改、或消除谐振器610的导电元件611、612之间的导电信道615。调谐特性可另外地或可选地包括调谐实例谐振器610的任何其它类型的特性。以下参照图7B描述了用于实现块712的实例方法720。
重复实例块710–712以充分连续地监测和/或改变装置的发射率(例如，基于变化的外部环境条件)。在其中材料具有固定的发射率的一些实例中，可省略块708-712，且实例方法700在块706之后结束。
图7B是代表用于调谐材料中的一个或多个谐振器特性的实例方法720的流程图。图7B中的实例方法720可用于实施图7A中的实例块712，用于调谐谐振器的特性，如图6A和图6B的材料600中的实例谐振器610，用于改变谐振器对辐射的吸收，以及改变由材料所引起的相消干涉的量。
实例方法720通过将电信号施加到电阻层614(块722)来调谐谐振器(例如，图6A和图6B中的谐振器610)的特性。例如，可使用图6A和6B中的导电层616和导体618、620将电场E施加到电阻层614，从而改变电阻层614的阻抗。因此，块722可改变谐振器对辐射的吸收，以及改变材料所引起的相消干涉的量。
实例方法720调谐一个或多个谐振器的几何结构(块724)。例如，可调谐实例谐振器610的尺寸和/或构造(例如，图6A和图6B中的导电元件611、612)，从而改变谐振器对辐射的吸收，以及改变由装置600所引起的相消干涉的量。
实例方法720调谐两个或多个谐振器的布置(块726)。例如，可调谐图3的实例谐振器110a、110b的相对取向和/或几何结构，从而改变谐振器110a、110b对辐射的吸收，以及改变由材料300引起的相消干涉632的量。
实例方法720调谐电阻层(例如，电阻层614)的静态阻抗(块728)。例如，改变电阻层614的静态阻抗可包括将电阻层614变成不同的物质和/或改变电阻层614的尺寸。因此，方法720改变了谐振器610对辐射的吸收，以及改变由装置600所引起的相消干涉632的量。
实例方法720调谐谐振器610的元件(例如，导电元件611、612)之间的导电信道(例如，导电信道615)(块730)。例如，调谐导电信道615可包括形成、修改、和/或消除导电信道615以改变导电元件611、612之间的阻抗。产生的阻抗的变化改变了谐振器610对辐射的吸收，以及改变了由装置600引起的相消干涉632的量。
尽管块722-730包括在图7B的实例方法720中，但是块722-730中的一个或多个可被省略、重新排列、和/或根据本公开的教导以其它方式进行修改。
本公开的实施方式可以在如图9所示的交通工具制造和服务方法900以及如图10所示的交通工具1000例如飞行器或航天器的背景下进行描述。在试制期间，实例方法900可包括交通工具1000(例如，飞行器、航天器)的规格和设计904以及材料采购906。在生产期间，进行交通工具1000(例如，飞行器、航天器)的部件和子组件制造908以及系统整合910。随后，交通工具1000(例如，飞行器、航天器)可以经历认证和交付912以便投入使用914。客户在使用时，交通工具1000定期进行维护和维修916(这也可以包括修改、重新配置、翻新等等)。
方法900的每个过程可由系统集成商、第三方和/或操作者(例如，客户)实行或实施。为了该描述的目的，系统集成商可包括但不限于任何数量的交通工具(如飞行器、航天器)制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
如图10所示，通过实例方法900制造的交通工具1000(例如，飞行器、航天器)可以包括具有多个系统1004和内部1006的机架1002(例如，机身)。高水平系统1004的实例包括一个或多个推进系统1008、电力系统1010、液压系统1012以及环境系统1014。本文公开的实例方法和装置可被整合到机架1002、系统1004-1014、和/或内部1006中的任何一个，例如，以便控制交通工具1000(例如，飞行器、航天器)的温度。可以包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空航天实例，但本发明的原理可应用到其它产业，如汽车产业。
本文具体化的装置和方法可以在生产和服务方法900中的任何一个或多个阶段被采用。在一些实例中，本文所呈现的装置和方法具有在部件或子组件制作过程906中被调谐的可调谐发射率。例如，对应于生产过程908的部件或子组件可以类似于使用交通工具1000(例如，飞行器、航天器)时所生产的部件或子组件的方式被制作或制造。同样地，例如，在生产阶段908和910期间，基本上通过加快交通工具1000(例如，飞行器、航天器)的组装或降低成本，可利用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。类似地，在交通工具1000(例如，飞行器、航天器)使用时，例如但不限于，维护和维修916，可利用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。在本文所呈现的一些实例装置和方法中，在块912中，在使用交通工具1000(例如，飞行器、航天器)时或在维修和/或服务916期间，发射率是可调谐的(例如，通过应用电信号)。
由上可知，应当理解，以上公开的装置和方法可用于控制表面的发射率。本文所公开的实例装置和方法可提供大范围的发射率，如在0.05至0.95范围内。附加地，实例装置和方法在波长范围内是有效的。实例装置和方法可用于，例如，减少结构(例如，飞行器、航天器、建筑物、交通工具、设备等)上的太阳能热负荷、通过调节发射率减少温度波动、快速地执行红外线摄像机校准、响应于结构温度变化积极地控制结构的温度、和/或提供具有用于特定应用所需发射率的材料或结构。本文所公开的实例装置和方法使用少量的功率来控制发射率，并可随晶体管状态的变化在大约相同量的时间内改变表面的发射率。
尽管本文已经描述了某些实例装置和方法，但本专利的覆盖范围并不限于此。相反地，本专利涵盖了公正地落入本专利的权利要求的范围内的所有装置和方法。

Claims (15)

1.一种装置，其包括：
阻抗层104，其包括附接到电反射接地平面106的介电材料层108；
布置在所述阻抗层104内的多个谐振器，其中所述装置的发射率基于所述谐振器110的特性。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述谐振器110布置为基本上平行于所述电反射接地平面106。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，还包括与所述电反射接地平面106相对地附接到所述阻抗层104的抗反射涂层。
4.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中所述多个谐振器110距离所述电反射接地平面106一定距离处定位，所述距离基于长波长红外线能量。
5.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中所述谐振器110中的至少一个包括通过电阻材料114电耦合的多个导电元件，并且其中所述电阻材料包含非晶氧化物半导体。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述电阻材料114具有可调谐电阻率且还包括导电材料以控制所述电阻材料的电阻率。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述导电材料改变电阻率以改变所述装置的发射率。
8.根据权利要求3所述的装置，其中所述抗反射涂层的厚度基本上等于所关注波长的四分之一。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述抗反射涂层的厚度基本上等于从所述谐振器到所述电反射接地平面的距离。
10.一种方法，其包括：
调谐材料中的一个或多个谐振器的特性，以便改变一个或多个谐振器对辐射的吸收，以及改变由材料引起的相消干涉的量。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括限制红外线波长中的材料的辐射的发射。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述相消干涉包括发生在从所述一个或多个谐振器反射的辐射和从接地平面反射的辐射之间的相消干涉。
13.根据权利要求10到12任一项所述的方法，还包括距离接地平面一定距离处定位所述一个或多个谐振器，以使从所述一个或多个谐振器反射的第一辐射与从所述接接地平面反射的第二辐射基于所述特性经历相消干涉。
14.根据权利要求10到13任一项所述的方法，其中调谐所述特性包括将电信号施加至所述材料的电阻层，以改变邻近所述一个或多个谐振器的所述电阻层的阻抗。
15.根据权利要求10到14任一项所述的方法，其中调谐所述一个或多个谐振器的特性包括调谐以下中的至少一个：一个或多个谐振器的几何结构、两个或多个谐振器的布置、所述一个或多个谐振器的静态阻抗、或在至少一个所述谐振器的被物理地分开的元件之间的导电槽。
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