CN108879071A - 基于磁致伸缩压电材料的磁电天线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，包括磁致伸缩材料层、压电材料层、叉指电极和硅悬浮衬底。基于磁致伸缩压电材料的磁电天线的制备方法，首先对整块硅衬底进行刻蚀使其成为硅悬浮衬底，进而采用磁控溅射法在硅悬浮衬底表面制作叉指电极，进一步采用磁控溅射法在叉指电极上沉积压电材料层，最后采用磁控溅射法在压电材料层上沉积磁致伸缩材料层制得磁电天线。本文的天线利用磁致伸缩效应将电磁波变换为机械振动，并利用高灵敏振动感应系统将机械振动转换为电信号，可实现电磁波的间接感应，且不受电学天线λ/4波长理论限制，具有高灵敏、小型化的优点，并且本发明可将现有天线尺寸缩小数个数量级。
Description
技术领域
本发明属于天线小型化以及微纳加工技术领域，涉及一种基于磁致伸缩压电材料的磁电天线及其制备方法。
背景技术
传统天线依靠电磁波共振，这导致天线尺寸与电磁波长相当。因此，天线的尺寸通常大于波长的十分之一。若天线的尺寸过小，会导致天线Q值急剧升高，带宽过窄。一般情况下靠牺牲天线的带宽和增益来实现天线的小型化。所以在保证天线性能的前提下进一步实现天线的小型化是几十年来的一个公开挑战。
目前基于天线小型化的研究有：1、基于空间填充曲线的天线，即通过对天线按一定形状弯曲，以提高空间利用率。申请号为201710757751.1，发明名称为“一种小型化Koch分形天线及其设计方法”，申请日为2017年8月29日，该发明提出一种分型天线，该天线包括辐射体、接地板、介质基板、馈线、感应环和覆盖膜，在传统的Koch分形天线基础上进一步减少体积、提高了带宽，但天线大小减少有限，且在增益上有所不足。2、减慢天线结构中电磁波的传播速度，即可将电抗性负载(电感性或电容性)并入传输线结构中。这种类型的负载引入了时间延迟(相移)并减缓了电磁波的传播。申请号为201710139252.6，发明名称为“一种基于容性加载的小型化天线”，申请日为2017年3月9日，该发明提出一种电容性加载天线，该天线包括馈电同轴线，以及平行设置的金属桶和接地板，其在不减小工作带宽的情况下将传统天线大小的一半，但天线全高仍有40cm。3、基于超材料的技术，即通过利用高介电常数/磁导率材料，以及超材料改变天线结构的电磁特性来实现天线的小型化。申请号为201710609369.6，发明名称为“一种基于超材料的无线激励小型化微波微等离子体阵列源”，申请日为2017年7月25日，该发明提出一种超材料天线，该天线包括发射天线、基于超材料结构的微带谐振器阵列和介质平凸透镜，能够将无线激励平面微波微等离子体均匀阵列小型化，但是结构复杂且对于频率在GHz以下的电磁波不适用。
综上所述，目前的天线小型化技术并没有改变传统天线依靠与电磁波共振的工作原理。天线大小仅缩小了几倍，其小型化程度(尤其对于低频信号)以及部分天线性能有待提高。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种基于磁致伸缩压电材料的磁电天线及其制备方法，解决了现有技术中尤其对于低频信号天线小型化程度仍然不够，以及部分天线性能不好的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，包括硅悬浮衬底，硅悬浮衬底上依次设有叉指电极和压电材料层，压电材料层上设有磁致伸缩材料层，叉指电极设于压电材料层内部，压电材料层两端与硅悬浮衬底相接触，硅悬浮衬底上底面和下底面之间镂空。
进一步的，所述磁致伸缩材料层和压电材料层的形状与硅悬浮衬底的上底面相同，长为5cm、宽为5cm，且厚度为50nm-5μm。
进一步的，所述叉指电极采用Pt、Au、Al、Cu和Ag的任意一种。
进一步的，所述硅悬浮衬底下底面长为10cm、宽为10cm，硅悬浮衬底的材质为高阻硅；硅悬浮衬底上底面厚度为压电材料层和磁致伸缩材料层厚度之和的0.5-5倍。
本发明所采用的另一种技术方案是，基于磁致伸缩压电材料的磁电天线的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一、对整块硅衬底进行刻蚀其成为硅悬浮衬底；
步骤二、采用磁控溅射法在硅悬浮衬底表面制作叉指电极；
步骤三、采用磁控溅射法在叉指电极上沉积压电材料层，并与硅悬浮衬底相接触；
步骤四、采用磁控溅射法在压电材料层上沉积磁致伸缩材料层。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明利用磁致伸缩效应将电磁波变换为机械振动，并利用高灵敏振动感应系统将机械振动转换为电信号，可实现电磁波的间接感应，且不受电学天线λ/4波长理论限制，具有高灵敏、小型化的优点。并且本发明可将现有天线尺寸缩小数个数量级。该天线基于磁致伸缩/压电材料的磁电耦合特性，将高速电磁波转化为低速声表面波，在极大的缩小天线尺寸的同时，还保证一定的天线性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的爆炸图；
图3是图1的截面示意图；
图4是基于磁致伸缩压电材料的磁电天线的制备流程图。
图中，1.磁致伸缩材料层，2.压电材料层，3.叉指电极，4.硅悬浮衬底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，如图1-2所示，包括硅悬浮衬底4，硅悬浮衬底4上依次设有叉指电极3和压电材料层2，压电材料层2上设有磁致伸缩材料层1，叉指电极3设于压电材料层2内部，压电材料层2两端与硅悬浮衬底4相接触，硅悬浮衬底4上底面和下底面之间镂空。
磁致伸缩材料层1和压电材料层2的形状与硅悬浮衬底4的上底面相同，长为5cm、宽为5cm，且厚度为50nm-5μm。
叉指电极3根据需要的谐振频率更改其插指宽度和插指间距，采用电导率高的金属材料Pt、Au、Al、Cu和Ag的任意一种。
如图3所示，叉指电极3设于压电材料层2内部，图3是图1的截面示意图，沿硅悬浮衬底4的长度方向进行剖面。
硅悬浮衬底4下底面长为10cm、宽为10cm，硅悬浮衬底4的材质为高阻硅，硅悬浮衬底4通过对整块硅衬底进行蚀刻得到悬浮结构。悬浮结构并不要求具体形状，使得磁致伸缩材料层1、压电材料层2和叉指电极3下方衬底悬空即可。
硅悬浮衬底4上底面厚度为压电材料层2和磁致伸缩材料层1厚度之和的0.5-5倍。薄的悬浮结构能够增加天线的灵敏度，悬浮结构相当于减少了磁致伸缩材料层1、压电材料层2下方的衬底厚度，减少了衬底对磁致伸缩材料层1、压电材料层2形变的阻碍，从而增加了灵敏度。
硅悬浮衬底4依次设有叉指电极3、压电材料层2和磁致伸缩材料层1，是按照电磁波的转化步骤来的。
基于磁致伸缩压电材料的磁电天线的制备方法，具体按照以下步骤进行，如图4中的a-d步骤所示：
步骤一、对整块硅衬底进行刻蚀其成为硅悬浮衬底4；
步骤二、采用磁控溅射法在硅悬浮衬底4表面制作叉指电极3；
步骤三、采用磁控溅射法在叉指电极3上沉积压电材料层2，并与硅悬浮衬底4相接触；
步骤四、采用磁控溅射法在压电材料层2上沉积磁致伸缩材料层1。
当电磁波抵达基于磁致伸缩压电材料的磁电天线时，磁致伸缩材料层1感应磁场变化并在其内部产生机械振动，这种机械振动频率在声波范围内，因此会以体声波的形式存在并传播。该体声波会引起压电材料层2发生机械振动，压电材料层2两端根据压电效应产生变化的压电电压，通过叉指电极3对该压电电压进行放大和检测，以实现对外界电磁波的接收。相反地，如果要实现电磁波的辐射，可向叉指电极3加载一定频率变化的电压，在压电材料层2中激励出体声波，并传导至磁致伸缩材料层1中，引起磁致伸缩材料层1磁场极性方向变化，实现向外辐射电磁波。
在接收过程中，磁电天线的磁致伸缩材料层1感测电磁波的磁场分量，在机电谐振频率处引起振荡应变和压电电压输出。因此，这些磁电天线在其声学谐振下运行，而不是电磁谐振下运行。由于声波的波长比相同频率下的电磁波长短5个数量级，所以磁电天线具有与声波波长相当的尺寸，从而导致天线尺寸的数量级降低，所以本发明的磁电天线为紧凑型天线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，其特征在于，包括硅悬浮衬底(4)，硅悬浮衬底(4)上依次设有叉指电极(3)和压电材料层(2)，压电材料层(2)上设有磁致伸缩材料层(1)，叉指电极(3)设于压电材料层(2)内部，压电材料层(2)两端与硅悬浮衬底(4)相接触，硅悬浮衬底(4)上底面和下底面之间镂空。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，其特征在于，所述磁致伸缩材料层(1)和压电材料层(2)的形状与硅悬浮衬底(4)的上底面相同，长为5cm、宽为5cm，且厚度为50nm-5μm。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，其特征在于，所述叉指电极(3)采用Pt、Au、Al、Cu和Ag的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩压电材料的磁电天线，其特征在于，所述硅悬浮衬底(4)下底面长为10cm、宽为10cm，硅悬浮衬底(4)的材质为高阻硅；硅悬浮衬底(4)上底面厚度为压电材料层(2)和磁致伸缩材料层(1)厚度之和的0.5-5倍。
5.如权利要求1-4任意一项所述的基于磁致伸缩压电材料的磁电天线的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤一、对整块硅衬底进行刻蚀其成为硅悬浮衬底(4)；
步骤二、采用磁控溅射法在硅悬浮衬底(4)表面制作叉指电极(3)；
步骤三、采用磁控溅射法在叉指电极(3)上沉积压电材料层(2)，并与硅悬浮衬底(4)相接触；
步骤四、采用磁控溅射法在压电材料层(2)上沉积磁致伸缩材料层(1)。
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