CN113745843A - 一种流控重构超表面及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流控重构超表面及其制造方法，该流控重构超表面包括密封层、柔性介质层、驱动控制层和电磁反射层，密封层、柔性介质层、驱动控制层和电磁反射层按顺序层叠设置，柔性介质层上阵列设置有多个微流道结构，微流道结构中具有供液态金属流动的流动通道，电磁反射层用于电磁波的反射，驱动控制层用于控制液态金属在所述流动通道中的流动位置及形状；其中，每个所述微流道结构的流动通道的形状为类“工”字形。本发明通过液态金属在类“工”字形的微流道结构中的可逆连续流动控制，实现电磁波频率、相位、幅值等特性动态重构响应能力，实现L、S、C宽频带响应能力，重构带宽大于4.5GHz、重构频带内衰减大于‑20dB，具有大角度不敏感、柔性化、电磁响应频率宽带连续可重构及电磁强衰减能力。
Description
技术领域
本发明涉及人工电磁材料技术领域，特别涉及一种流控重构超表面及其制造方法。
背景技术
超表面作为一种新型人工复合微结构，具有天然材料所不具备的超常物理性质。由于其材料结构属性的可人工设计性，能够通过设计合适的结构实现对材料性能、电磁波响应的灵活操控，使得在伪装隐身技术、通信技术、传感技术等领域取得了快速的发展和应用。
随着微纳制备工艺的高精度发展，微纳尺度结构可得到精确的加工，其应用领域和应用范围愈发广泛。虽然超表面具有十分优异的性能，但其结构在设计、加工完后其材料属性及对电磁波的响应特性就已固定，不能随环境变化而改变材料属性，即无法实现性能的“动态化”。因此，如何在利用超表面优异性能的同时，实现材料结构属性与电磁波响应具有可调节性，是超表面发展中进一步拓展合提升性能、应用范围的核心和关键。近年已经研究出采用导电高分子材料、液晶分子、MEMS静电结构、二极管等技术途径主动改变超表面结构特征，实现对电磁波响应的调节。但导电高分子材料的电导率和介电常数可调控范围仍然较小，同时，调控稳定性难以保证；液晶分子依据分子在不同电场下的取向实现电磁参数调节，但具有调控宽度较窄、调控响应时间较长等问题；MEMS静电结构难以满足宽带需求，并且大规模应用将带来结构可靠性问题；另外，二极管调节状态有限、非线性效应明显、宽带调节能力不足。因此，利用常规超表面阵列虽然能够实现对电磁波响应的动态调控，但仍面临调控状态有限、连续调节能力不足、柔性化功能有待提升等问题，特别是上述方式针对同一单元通常仅能实现两个状态间调节，对于任意电磁波响应的调节需要数量较多的单元编码才能实现，结合超表面应用需求，还需要进一步实现超表面单元的在宽带调节范围内的多状态连续调节能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够在多个状态下动态、灵活地调节超表面性能的流控重构超表面及其制造方法。
为实现上述目的，本发明第一方面，提供了一种流控重构超表面，包括密封层、柔性介质层、驱动控制层和电磁反射层，所述密封层、所述柔性介质层、所述驱动控制层和所述电磁反射层按顺序层叠设置，所述柔性介质层上阵列设置有多个微流道结构，所述微流道结构中具有供液态金属流动的流动通道，所述电磁反射层用于电磁波的反射，所述驱动控制层用于控制液态金属在所述流动通道中的流动位置及形状；其中，每个所述微流道结构的流动通道的形状为类“工”字形。
进一步，所述流动通道包括第一水平流道、第二水平流道和竖直流道，所述第一水平流道包括第一水平段、第一竖直段和第二竖直段，所述第二水平流道包括第二水平段、第三竖直段和第四竖直段，所述第一水平段和所述第二水平段平行设置且所述第一水平段和所述第二水平段之间通过所述竖直流道连通，所述第一水平段和所述第二水平段沿所述竖直流道的水平中心线上下对称设置，所述第一竖直段和所述第二竖直段沿所述竖直流道的竖直中心线左右对称设置，所述第一竖直段和所述第三竖直段在竖直方向对应，所述第二竖直段和所述第四竖直段在竖直方向对应，所述第一竖直段和所述第三竖直段的长度和小于所述竖直流道的长度。
进一步，所述驱动控制层控制所述流动通道内液体金属的形状沿所述竖直流道的水平中心线上下对称并沿所述竖直流道的竖直中心线左右对称。
进一步，所述密封层通过键合固定在所述柔性介质层上，以将所述微流道结构中液态金属封装。
进一步，所述柔性介质层的材料为PDMS、PMMA或PET。
进一步，所述驱动控制层控制液态金属在所述微流道结构中的流动控制方式包括电磁、电压和/或压力。
进一步，所述微流道结构的流动通道中预置有导电液。
进一步，所述驱动控制层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极通过所述导电液与所述微流道结构的流动通道中液态金属电性连接，根据所述第一电极和所述第二电极上施加电压大小来动态调节液态金属在所述微流道结构的流动通道中的流动位置及形状。
进一步，所述导电液为酸性或碱性溶液，并且所述导电液在液态金属之前注入所述微流道结构的流动通道中。
进一步，所述第一电极和所述第二电极形成于所述驱动控制层中，所述柔性介质层中设置有与所述流动通道连通的通孔，所述第一电极和所述第二电极引线穿过所述通孔与液态金属电性连接。
进一步，所述电磁反射层的材料为金属。
进一步，所述第一水平段和所述第二水平段的长度范围为25mm-28mm，所述第一竖直段和所述第二竖直段的长度范围为0.1-13.8mm，所述第一竖直段和所述第三竖直段之间的间距范围为0.2mm-2mm
进一步，所述流控重构超表面的连续重构带宽大于4.5GHz，重构频带内衰减大于-20dB。
本发明第二方面，提供了一种流控重构超表面的制造方法，包括如下步骤：
1)在柔性介质层上形成多个微流道结构形成的阵列；其中，所述微流道结构中具有供液态金属流动的流动通道，所述流动通道的形状为类“工”字形；
2)在每个所述微流道结构的流动通道中分别注入液态金属；
3)在柔性介质层上封装密封层；
4)在柔性介质层下形成驱动控制层；
5)在所述驱动控制层下设置电磁反射层。
本发明的流控重构超表面在柔性介质层中形成“工”字形的微流道结构，通过液态金属在“工”字形的微流道结构中的可逆连续流动控制，实现电磁波频率、相位、幅值等特性动态重构响应能力，实现L、S、C宽频带响应能力，连续重构带宽大于4.5GHz、重构频带内衰减大于-20dB，具有大角度不敏感、柔性化、电磁响应频率宽带连续可重构及电磁强衰减能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明一实施例的流控重构超表面的微流道结构的示意图；
图2为本发明一实施例的流控重构超表面的剖面示意图；
图3为本发明一实施例的流控重构超表面的电磁响应图；
图4为本发明一实施例的流控重构超表面的大角度不敏感响应图；
图5为本发明一实施例的流控重构超表面制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，本发明流控重构超表面，包括密封层1、柔性介质层2、驱动控制层3和电磁反射层4，所述密封层1、所述柔性介质层2、所述驱动控制层3和所述电磁反射层4按顺序层叠设置，所述柔性介质层2上阵列设置有多个微流道结构21，所述微流道结构21中具有供液态金属5流动的流动通道，所述电磁反射层4用于电磁波的反射，所述驱动控制层3用于控制液态金属5在所述流动通道中的流动位置及形状；其中，每个所述微流道结构21的流动通道的形状为类“工”字形。
液态金属4在驱动控制层3的压力、电压、电磁等驱动作用下，实现在微流道结构21的流动通道中连续流动，并且在微流道结构21的流动通道中不同的流动位置及形状下变换，进而重构微流道结构和其中液态金属的结构形态，液态金属在微流道结构中的流动位置及形状每一次变化，对应超表面的一种工作状态，以实现在多种状态下超表面性能的动态调节，由于微流道结构的流动通道的形状为类“工”字形，通过控制液态金属连续流动实现电磁响应频率、幅值、相位等参数连续动态重构，实现L、S、C宽频带响应能力，重构带宽大于4.5GHz、重构频带内衰减大于-20dB，具有大角度不敏感、柔性化、电磁响应频率宽带连续可重构及电磁强衰减能力。
所述流动通道包括第一水平流道211、第二水平流道212和竖直流道213，所述第一水平流道211包括第一水平段214、第一竖直段216和第二竖直段217，所述第二水平流道212包括第二水平段215、第三竖直段218和第四竖直段219，所述第一水平段214和所述第二水平段215平行设置且所述第一水平段214和所述第二水平段215之间通过所述竖直流道213连通，所述第一水平段214和所述第二水平段215沿所述竖直流道213的水平中心线上下对称设置，所述第一竖直段216和所述第二竖直段217沿所述竖直流道213的竖直中心线左右对称设置，所述第一竖直段216和所述第三竖直段218在竖直方向对应，所述第二竖直段217和所述第四竖直段219在竖直方向对应，所述第一竖直段216和所述第三竖直段218的长度和小于所述竖直流道213的长度，亦即第一竖直段216和第三竖直段218之间沿竖直方向相互间隔。其中，所述驱动控制层3控制所述流动通道内液体金属5的形状沿所述竖直流道的水平中心线上下对称并沿所述竖直流道的竖直中心线左右对称。实现连续重构带宽大于4.5GHz、重构频带内衰减大于-20dB。
可选的，所述第一水平段214和所述第二水平段215的长度范围为25mm-28mm，所述第一竖直段216和所述第二竖直段217的长度范围为0.1-13.8mm，所述第一竖直段216和所述第三竖直段218之间的间距范围为0.2mm-2mm
可选的，所述密封层1通过键合固定在所述柔性介质层2上，以将所述微流道结构21中液态金属5封装，避免液态金属出现泄漏等问题。
可选的，微流道结构21在超表面的柔性介质层2上制备，针对电磁波响应特性，依据常规超表面构型，设计微流道结构21及其宽度、高度等参数。微流道结构21的流动通道采用微纳加工工艺实现，包括光刻、纳米压印等工艺方法。微流道结构21的结构可为相同尺寸“工”字形组成阵列，或为不同尺寸“工”字形组成的阵列。
可选的，所述柔性介质层2的材料为PDMS、PMMA或PET。
可选的，所述驱动控制层3控制液态金属5在所述微流道结构21中的流动控制方式包括电磁、电压和/或压力。驱动控制层3在控制算法与驱动控制电路控制下，使液态金属4在流动通道中连续可流动，流动、固定位置可控，不同的流动位置代表不同的工作状态，每个微流道结构21在液态金属流动重构作用下实现多个不同的工作状态。不同液态金属流动状态的超表面单元共同编码，实现对电磁波响应的调控。
可选的，微流道结构21的流动通道中预置有导电液。驱动控制层3的控制电路集成在微流道结构21的下侧，每个驱动控制层3包括第一电极31和第二电极32，第一电极31和第二电极32埋置在驱动控制层3的控制电路结构层中，所述第一电极31和第二电极32通过导电液与所述微流道结构21的流动通道中液态金属4电性连接，根据所述第一电极31和所述第二电极32上施加电压大小来动态调节液态金属4在所述微流道结构21的流动通道中的流动位置及形状。
可选的，微流道结构21中注入的导电液为酸性或碱性溶液，并且所述导电液在液态金属4之前注入所述微流道结构21的流动通道中，如此可以去除后注入液态金属表面的氧化层，提高液态金属在微流动单元中的流动性。
可选的，所述电磁反射层4可以为金属背板，通过金属背板反射电磁波，以增大电磁波的衰减，金属背板可采用铝膜等材料。流控重构超表面的电磁响应如图3所示，通过液态金属流动重构超表面结构形态，进而实现电磁响应动态重构，在2GHz至6.5GHz范围内具备电磁频率连续调节功能，且电磁衰减均大于-20dB。
此外，在不同入射角(0°至60°)的电磁作用下，流控重构超表面的电磁响应幅值、频率特性几乎不随角度变化而变化。
可选的，所述流控重构超表面的连续重构带宽大于4.5GHz、重构频带内衰减大于-20dB。
如图5所示，流控重构超表面的制造方法，包括如下步骤：
步骤S51：在柔性介质层上形成多个微流道结构形成的阵列；其中，所述微流道结构中具有供液态金属流动的流动通道，所述流动通道的形状为类“工”字形；
步骤S52：在每个所述微流道结构的流动通道中分别注入液态金属；
步骤S53：在柔性介质层上封装密封层；
步骤S54：在柔性介质层下形成驱动控制层；
步骤S55：在所述驱动控制层下设置电磁反射层。
本发明采用液态金属与类“工”字形的微流道结构阵列代替常规超表面结构的固定金属阵列，通过操控液态金属在超表面阵列单元中的连续流动，实现同一单元具有多进制工作状态(理论上为无限多个工作状态)，多个动态可重构单元之间编码实现超表面结构属性动态重构及对电磁波响应的灵活调控，解决常规超表面重构方法面临的调控状态有限、连续调节能力不足、柔性化功能待提升问题，从本质上提升常规的超表面性能，进一步拓展其应用范围，实现智能电磁伪装隐身、动态可重构通信等能力。本发明可应用于微波、太赫兹等波段的超表面，可应用于动态伪装隐身、可重构通信等领域。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.流控重构超表面，其特征在于，包括密封层、柔性介质层、驱动控制层和电磁反射层，所述密封层、所述柔性介质层、所述驱动控制层和所述电磁反射层按顺序层叠设置，所述柔性介质层上阵列设置有多个微流道结构，所述微流道结构中具有供液态金属流动的流动通道，所述电磁反射层用于电磁波的反射，所述驱动控制层用于控制液态金属在所述流动通道中的流动位置及形状；其中，每个所述微流道结构的流动通道的形状为类“工”字形。
2.如权利要求1所述的流控重构超表面，其特征在于，所述流动通道包括第一水平流道、第二水平流道和竖直流道，所述第一水平流道包括第一水平段、第一竖直段和第二竖直段，所述第二水平流道包括第二水平段、第三竖直段和第四竖直段，所述第一水平段和所述第二水平段平行设置且所述第一水平段和所述第二水平段之间通过所述竖直流道连通，所述第一水平段和所述第二水平段沿所述竖直流道的水平中心线上下对称设置，所述第一竖直段和所述第二竖直段沿所述竖直流动的竖直中心线左右对称设置，所述第一竖直段和所述第三竖直段在竖直方向对应，所述第二竖直段和所述第四竖直段在竖直方向对应，所述第一竖直段和所述第三竖直段的长度和小于所述竖直流道的长度。
3.如权利要求2所述的流控重构超表面，其特征在于，所述驱动控制层控制所述流动通道内液体金属的形状沿所述竖直流道的水平中心线上下对称并沿所述竖直流道的竖直中心线左右对称。
4.如权利要求1所述的流控重构超表面，其特征在于，所述柔性介质层的材料为PDMS、PMMA或PET。
5.如权利要求1所述的流控重构超表面，其特征在于，所述驱动控制层控制液态金属在所述微流道结构中的流动控制方式包括电磁、电压和/或压力。
6.如权利要求5所述的流控重构超表面，其特征在于，所述驱动控制层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极通过导电液与所述微流道结构的流动通道中液态金属电性连接，根据所述第一电极和所述第二电极上施加电压大小来动态调节液态金属在所述微流道结构的流动通道中的流动位置及形状。
7.如权利要求5所述的流控重构超表面，其特征在于，所述导电液为酸性或碱性溶液，并且所述导电液在液态金属之前注入所述微流道结构的流动通道中。
8.如权利要求7所述的流控重构超表面，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极形成于所述驱动控制层中，所述柔性介质层中设置有与所述流动通道连通的通孔，所述第一电极和所述第二电极引线穿过所述通孔与液态金属电性连接。
9.如权利要求1所述的流控重构超表面，其特征在于，所述电磁反射层的材料为金属。
10.流控重构超表面的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在柔性介质层上形成多个微流道结构形成的阵列；其中，所述微流道结构中具有供液态金属流动的流动通道，所述流动通道的形状为类“工”字形；
2)在每个所述微流道结构的流动通道中分别注入液态金属；
3)在柔性介质层上封装密封层；
4)在柔性介质层下形成驱动控制层；
5)在所述驱动控制层下设置电磁反射层。
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