CN106450785A - 一种用于产生局域热点的电磁超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于人工电磁超材料领域，提供一种用于产生局域热点的电磁超材料结构，包括至少一个呈矩形排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工超材料微结构，人工超材料微结构电场增强区域还覆盖有发热材料层；当电磁波照射时，所述人工超材料微结构产生电磁谐振形成电场增强区域，覆盖于人工超材料微结构电场增强区域的发热材料层在高电场作用下发热，产生局域热点。本发明利用电磁超材料的电场增强效应，在固体表面选择性地形成温度高于其他区域的热点；并且形成热点的过程是用电磁波照射的无线方式，通过调节电磁波的功率能够实现热点与其他区域温度梯度的调节。

Description

一种用于产生局域热点的电磁超材料结构
技术领域
本发明属于人工电磁超材料领域，涉及一种在固体表面产生热点的结构，具体涉及一种用于产生局域热点的电磁超材料结构。
背景技术
人工电磁超材料是一种利用亚波长微结构当作类似材料组成单元的原子和分子的人造介质，具有独特的电磁特性，研究表明由良导体构成的电磁超材料能与空间电磁波在某一个恰当的频率段产生谐振，谐振时超材料结构中的阻抗最低，产生震荡电流，从而在结构开口部位产生增强的电场。例如，由开口谐振环(SRRs)构成的超材料结构单元(一种由良导体金属开口环构成的超材料结构单元)，谐振时，在谐振环开口处会产生增强的电场。如何利用电磁超材料电场增强这一特性，是目前人们研究的重点；本发明基于该特性，提供一种用于产生局域热点的电磁超材料结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于产生局域热点的电磁超材料结构，该电磁超材料结构利用电磁超材料的电场增强效应，通过电磁波的照射在固体表面选择性的形成局域热点，该过程通过无线方式，且能够通过调节电磁波功率便捷实现温度梯度调节。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于产生局域热点的电磁超材料结构，包括至少一个呈矩形排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工超材料微结构，其特征在于，人工超材料微结构电场增强区域还覆盖有发热材料层；当电磁波照射时，所述人工超材料微结构产生电磁谐振形成电场增强区域，覆盖于人工超材料微结构电场增强区域的发热材料层在高电场作用下发热，产生局域热点。
进一步的，所述发热材料层采用金属钛、石墨或镍铬合金，其电导率为1×104S/M-1×106S/M。
进一步的，所述人工超材料微结构采用对顶三角形电谐振结构或ELC平面电响应结构。所述人工超材料微结构的材料采用铂、金、钯、银或铜。
进一步的，所述基板采用三氧化二铝陶瓷基片、氧化硅基片、云母片或聚四氟乙烯基片。
本发明的有益效果在于：
本发明利用电磁超材料的电场增强效应，在固体表面选择性地形成温度高于其他区域的热点；并且形成热点的过程是用电磁波照射的无线方式，通过调节电磁波的功率能够实现热点与其他区域温度梯度的调节，对微波器件、无线传感器及微波能量收集器件等的研究具有重要的作用。
附图说明
图1是本发明实施例1的电磁超材料结构示意图。
图2是本发明实施例1的电磁超材料结构具体构成尺寸，单位毫米。
图3是本发明实施例1的表面热点形成效果图，单位摄氏度。
图4是本发明实施例2的电磁超材料结构设计方案。
图5是本发明实施例2的电磁超材料结构具体构成尺寸，单位毫米。
图6是本发明实施例2的表面热点形成效果图，单位摄氏度。
具体实施方式
下面我们结合具体的实施例及附图，对本发明进行进一步的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种用于产生局域热点的电磁超材料结构；该结构利用电磁波实现无线激励，并通过调节电磁波的功率实现热点区域与其他区域温度梯度的调节。首先，选择一种超材料结构的承载基板，基板应具有热导率低，及电磁损耗低的特点，可以选择使用三氧化二铝陶瓷基片、氧化硅基片、云母片、聚四氟乙烯基片；按照设计要求，基板被裁剪成合适的尺寸：长度1毫米至100毫米、宽度是1毫米至100毫米、厚度是0.1毫米至1毫米。然后，利用镀膜技术在基板表面镀一层厚度范围是100纳米至1微米厚的良导体金属薄膜，良导体金属可以选择使用铂、金、钯、银、铜；再利用微细加工技术，把金属薄膜图形化，使之形成能对空间电磁波产生谐振响应的人工超材料微结构；超材料微结构谐振单元可以选择使用对顶三角形电谐振结构、ELC平面电响应结构；可以通过设计不同的超材料微结构尺寸，调整其对电磁波的响应频率，使之适用于不同的领域；尺寸涉及范围1毫米至100毫米，响应频率涉及范围100兆赫兹之20吉赫兹。最后，利用镀膜技术和微细加工技术，在超材料微结构谐振单元电场增强区域制作一层发热材料，发热材料尺寸范围是：长1微米至1毫米、宽1微米至1毫米、厚100纳米至1微米；发热材料选择电导率为1×104S/M-1×106S/M的导体构成，可以使用金属钛、石墨、镍铬合金。
热点形成过程：利用电磁波照射制作好的超材料结构，在恰当的频率点，超材料结构产生电磁谐振，在超材料结构开口区域会产生增强的震荡电场，发热材料受到震荡电场作用产生震荡电流，从而发热，只在其附近区域形成温度高于其他区域的热点；调整照射电磁波功率，会使热点区域和其他区域的温度差发生变化，可调整范围1摄氏度至50摄氏度。
实施例1
如图1所示是本发明实施例1的超材料结构示意图，由承载基板、图形化的良导体金属超材料微结构，及填充在超材料微结构电场增强区域的发热材料构成；其中：
基片是由三氧化二铝陶瓷基片构成，基片尺寸是：长度35毫米、宽度32毫米、厚度0.5毫米；
人工超材料微结构是由基片表面的图形化金薄膜构成，薄膜厚度200纳米；具体的图形是两个顶角相对配置的等边直角三角形，三角形斜边长度24毫米，两个三角形相对的顶角各去掉一个高度为0.45毫米的等边直角三角形，在两个三角形之间形成一个谐振时电场增强的区域，该区域面积为0.9毫米×0.9毫米；具体的图形及尺寸如图2所示；
发热材料是利用磁控溅射及微细加工形成的图形化金属钛薄膜，位于超材料微结构谐振时电场增强的区域，尺寸是：长、宽均为0.9毫米，厚度400纳米；具体的图形、位置、尺寸如图1、图2所示。
热点形成过程：将所制备的超材料放置于电磁环境中，保持特定方位，该实施例中，电磁波波失沿着超材料表面法线方向，电磁波电场方向平行于超材料微结构中两个三角形斜边的中点连线方向，电磁波频率是3.08吉赫兹，电磁波功率为2瓦特；该实施例中超材料在发热材料区域附近形成一个面积为1毫米×1毫米的热点，该热点区域的温度高于超材料表面的其他区域的最低温度35摄氏度，具体结果如图3所示。
实施例2
如图4所示是本发明实施例2的电磁超材料结构示意图，由承载基板、图形化的良导体金属超材料微结构，及填充在超材料微结构电场增强区域的发热材料构成；其中：
基片是由云母片构成，基片尺寸是：长度35毫米、宽度35毫米、厚度0.1毫米；
超材料微结构是由基片表面的图形化铂薄膜构成，薄膜厚度200纳米；具体的图形如图5示，是一种对电磁波电场具有强烈响应的ELC结构，中间开口处的宽度为1毫米；该结构与电磁波产生谐振时，具有三个不同强度的电场增强区域，图5中分别标A、B、C的区域；
发热材料是利用磁控溅射及微细加工形成的图形化镍铬合金薄膜，分别位于三个电场增强区域；尺寸分别是A区域：1毫米×1毫米，B区域和C区域：11.5毫米×1毫米；厚度400纳米；具体的图形、位置、尺寸如图4、图5所示。
热点形成过程：将所制备的超材料放置于电磁环境中，保持特定方位，该实施例中，电磁波波失沿着超材料表面法线方向，电磁波电场方向平行于该超材料微结构中间竖直连线，电磁波频率是865兆赫兹，电磁波功率为10瓦特；该实施例中超材料在发热材料区域附近形成三个热点，分别位于A、B及C的位置，热点区域温度高于超材料表面的其他区域的最低温度33摄氏度；具体结果如图6所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种用于产生局域热点的电磁超材料结构，包括至少一个呈矩形排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工超材料微结构，其特征在于，人工超材料微结构电场增强区域还覆盖有发热材料层；当电磁波照射时，所述人工超材料微结构产生电磁谐振形成电场增强区域，覆盖于人工超材料微结构电场增强区域的发热材料层在高电场作用下发热，产生局域热点。
2.按权利要求1所述用于产生局域热点的电磁超材料结构，其特征在于，所述发热材料层采用金属钛、石墨或镍铬合金，其电导率为1×104S/M-1×106S/M。
3.按权利要求1所述用于产生局域热点的电磁超材料结构，其特征在于，所述人工超材料微结构采用对顶三角形电谐振结构或ELC平面电响应结构。
4.按权利要求1所述用于产生局域热点的电磁超材料结构，其特征在于，所述人工超材料微结构的选用的材料为铂、金、钯、银或铜。
5.按权利要求1所述用于产生局域热点的电磁超材料结构，其特征在于，所述基板采用三氧化二铝陶瓷基片、氧化硅基片、云母片或聚四氟乙烯基片。
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