CN107831803A

CN107831803A - 一种基于超材料的无线控温方法

Info

Publication number: CN107831803A
Application number: CN201711131424.1A
Authority: CN
Inventors: 赵强; 于坤; 王宁; 何泓材
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-03-23

Abstract

本发明属于人工电磁超材料领域，提供一种基于超材料的无线控温方法，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和基板之下的金属背板；当电磁波照射时，超材料与自由空间即实现了阻抗匹配，电磁波将完全入射，利用超材料结构强烈的欧姆损耗和介质损耗产生热量。本发明采用金属‑介质‑金属的电磁超材料吸波结构，利用电磁波照射的产生的热量，通过调节电磁波的功率实现固体表面温度的无线控制。

Description

一种基于超材料的无线控温方法

技术领域

本发明属于人工电磁超材料领域，涉及一种远程控制固体表面温度的方法，具体涉及一种利用超材料进行无线控温方法。

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，研究表明由通过设计材料的关键物理尺寸设计电磁谐振结构，使之能与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而对特定频带内的电磁波实现接近100％的吸收，目前基于这一特性的研究大多集中在电磁隐身等领域，而对电磁能量的转换鲜有涉及。本发明基于该特性，提供一种无线控温方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用由金属共振单元、损耗介质以及金属背板构成的吸波超材料，进行区域无线温度控制的方法。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金属共振单元、中间损耗介质层以及金属背板的人工超材料微结构，其特征在于，通过优化结构模，调控单元电谐振和磁谐振，实现与自由空间的阻抗匹配，降低入射电磁波的反射率，并利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收，将入射电磁波能量转换成热能，通过调节入射电磁波的功率实现无线温度调节，温度调节范围：20℃-400℃，最高温度取决于介质损耗层的熔点或软化温度高低。

进一步的，所述人工超材料微结构采用电共振结构。所述人工超材料微结构的材料采用铂、金、钯、银、铜等良导体。

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：

本发明利用金属-损耗基板-金属背板结构的三明治式电磁超材料，对特定频带内的电磁波实现接近100％的吸收，通过欧姆损耗和介质损耗产生热量的特性，通过调节电磁波的功率实现固体表面温度的无线控制，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的三明治式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0.1瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，单位摄氏度。

图4是本发明实施例1的0.3瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，单位摄氏度。

图5是本发明实施例1的0.6瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，单位摄氏度。

图6是本发明实施例2的电磁超材料结构示意图。

图7是本发明实施例2的1瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，单位摄氏度。

图8是本发明实施例2的3瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，单位摄氏度。

图9是本发明实施例2的5瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，单位摄氏度。

图10是本发明实施例2的7瓦入射电磁波功率形成的表面温度形成效果图，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。

本发明利用金属-损耗基板-金属背板结构的电磁超材料；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区域温度的调节。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，及电磁损耗高的特点，可以选择使用三氧化二铝陶瓷基片、氧化硅基片、云母片或聚四氟乙烯等基板；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上下表面各镀一层厚度范围是100纳米至100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，把上下表面的金属薄膜图形化，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；超材料金属共振单元可以选择使用电或磁谐振环；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40吉赫兹。

热量形成过程：利用电磁波照射制作好的超材料结构，在恰当的频率点，超材料与自由空间即实现了阻抗匹配，此时电磁波将完全入射，利用超材料结构强烈的欧姆损耗和介质损耗可实现对电磁波的强烈吸收，产生热量。调整照射电磁波功率，可以控制热量大小，从而实现温度控制，可调整范围20摄氏度至400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，及金属背板构成；其中：

基板是由FR4环氧板构成，基片尺寸是：长度12毫米、宽度4.2毫米、厚度0.6毫米；

人工超材料微结构是由基片表面的图形化铜薄膜构成，薄膜厚度0.018毫米；具体的图形是方形开口环，长度为4毫米，两个开口都是边长是0.6毫米的正方形，中间金属条宽度为0.6毫米，如图2。

背底长方形铜薄膜厚度是0.018毫米，长11.8毫米，宽1.7毫米。

热量形成过程：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平面且垂直于超材料微结构中两个开口的中心点连线方形，电磁波频率是9.868吉赫兹，此时，超材料与自由空间即实现了阻抗匹配，电磁波将完全入射，由于该结构特殊的几何布局，在内部产生电、磁场增强效应，导致超材料结构强烈的欧姆损耗和介质损耗产生热量，图3、图4、图5分别为0.1瓦、0.3瓦、0.6瓦电磁波作用于该结构单元是的温度分布，0.6瓦时最高温度可达186.7度。

实施例2

如图6所示是本发明实施例2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，及金属背板构成；其中：

基板是由FR4环氧板构成，基片尺寸是：长度36毫米、宽度36毫米、厚度0.7毫米；

人工超材料微结构是由基片表面的图形化铜薄膜构成，薄膜厚度0.018毫米；具体的图形是圆:半径是17毫米。

背底长方形铜薄膜厚度是0.018毫米，长36毫米、宽36毫米、厚度0.018毫米。

热量形成过程：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平面，电磁波频率是2.44吉赫兹，此时，超材料与自由空间即实现了阻抗匹配，电磁波将完全入射，由于该结构特殊的几何布局，在内部产生电、磁场增强效应，导致超材料结构强烈的欧姆损耗和介质损耗产生热量，图7、图8、图9、图10分别为1瓦、3瓦、5瓦、7瓦电磁波作用于该结构单元是的温度分布，7瓦时最高温度可高达184.45度。

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

1.一种利用超材料进行无线控温方法，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金属共振单元、中间损耗介质层以及金属背板的人工超材料微结构，其特征在于，通过优化结构模，调控单元电谐振和磁谐振，实现与自由空间的阻抗匹配，降低入射电磁波的反射率，使电磁波完全进入到超材料内部，并利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收，将入射电磁波能量转换成热能，通过调节入射电磁波的功率实现无线温度控制。

2.按权利要求1所述用于吸收电磁波的电磁超材料结构，其特征在于，由损耗介质和良导体构成。

3.按权利要求1所述用于吸收电磁波的电磁超材料结构，其特征在于，损耗介质可为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等。

4.按权利要求1所述用于吸收电磁波的电磁超材料结构，其特征在于，金属可为铂、金、钯、银、铜等良导体。