CN1428017A - 具有可转变的磁性的结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可转变的磁性的结构(40)包括：一个电容元件(44)的阵列，其中每一个电容元件(44)包括一个低电阻导电路径并且是这样的，即在一个预定的频带内的电磁辐射(12)的磁分量(H)能够产生围绕所述路径流动并且穿过所述相关的元件(44)的电流(j)。分别选择所述元件(44)的尺寸和它们的间隔(a)以便能够响应于所接收的电磁辐射(12)来提供预定磁导率(μ)。每一个电容元件(44)包括多个堆叠的平面部分(42)，每一个平面部分(42)包括至少两个相互电绝缘的同心的螺旋导电元件或者轨迹(46、48)。在所述轨迹之间具有一种介电常数可转变的材料，诸如钛酸锶钡(BST)。通过在导电轨迹之间施加直流电势来转变该结构的磁性。

Description

具有可转变的磁性的结构

本发明涉及一种具有可转变的磁性的结构。

在某些应用中，如果一种材料的磁导率可被调整以便至少在一个特定的频率范围内适用，特别是如果其磁导率可在所选择的数值之间转变，会是非常有利的。在我们的未决英国专利申请No.2346485(国际专利申请No.WO 00/41270)中和在标题为“Magnetism fromConductors and Enhanced Non-Linear Phenomena”，IEEE Transactionon Microwave Theory and Techniques，1999，47，2075-2084，J BPendry，A J Holden，D J Robbins and W J Stewart的出版物中，披露了一种在一个选定的频率(通常为微波频率(GHz))下表现磁导率的一定结构的材料。这里将这些文献的内容作为引用包括进来。

在这些文献中描述的结构材料包括一个电容元件列阵，该电容元件列阵包括低电阻导电路径并且其中的元件是这样排列的，即在所选择的频带内电磁辐射的磁分量包括围绕所述路径流动并且穿过所述相关的元件的电流。分别选择所述元件的尺寸和它们的间隔以便能够响应于电磁辐射提供预定磁导率。这样一种结构允许制造一种对于所选择的电磁辐射频率具有一个所选择的固定磁导率的材料。

如图1(a)和图1(b)中所示，这样一种结构材料2包括一个电容元件4的阵列，每一个电容元件包括两个同心的金属导电圆筒形管：一个外圆筒形管6和一个内圆筒形管8。管6、8都具有一个纵向(即，沿轴向延伸)间隙10，并且两个间隙10相互偏离180度。以一种正方形阵列的形式布置元件4并且它们的中心之间保持间距a。外管6的半径为r，内圆筒形管8和外圆筒形管6之间的间距为d。间隙10能够防止直流电流在筒6或者8的周围流动。但是，当该材料受到具有一个平行于管6、8轴线的磁场分量H的电磁辐射12时，两个圆筒形管6、8之间的自身固有电容使交流电流j流动。这样一种结构所具有的有效磁导率μ_eff(ω)可由下列等式表示： ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\ω}\right)=1-\left[\frac{\frac{{\mathrm{\πr}}^2}{a^2}}{1+\frac{2\mathrm{\σi}}{{\mathrm{\ωr\μ}}_0}-\frac{3d{c}_0^2}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ω}}^2{r}^3}}\right]$ 等式1

其中，ω是角频率，σ是圆筒形管的电阻率，I是 以及c₀是光速。从等式1中可以看出，通过适当地选择圆筒形管的尺寸r和间隔a，可以获得在给定频率ω下的具有选定的磁导率的结构。

为了便于制造，如在UK专利申请No.2346485(国际专利申请No.WO00/41270)中所披露的，以同心的裂口环26、28(如图2(a)和图2(b)中所示)的叠层组的形式构成每一个电容元件4。所示的这样的环的叠层组相当于上述同心的圆筒形管，并且所具有的磁导率可由下列等式表示： ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\ω}\right)=1-\left[\frac{\frac{{\mathrm{\πr}}_1^2}{a^2}}{1+\frac{{2\mathrm{l\σ}}_1}{{\mathrm{\ωr}}_1{\mathrm{\μ}}_0}i-\frac{3l{c}_0^2}{{\mathrm{\π\ω}}^2{r}_i^3\ln \left[\frac{{2c}_1}{d_1}\right]}}\right]$ 等式2

其中，r1是内环28的内径，a是环的网格结构间隔，1是沿轴向的一个给定的列中的环之间的间隔，d1是在径向上的环之间的间隔，c1是沿径向的每一个环的宽度，以及σ1是每一个环的单位长度上的电阻。

英国专利申请No.2346485(国际专利申请No.WO 00/41270)中所披露的另一种微结构材料是利用包括如图3(a)和图3(b)中所示的单个螺旋形导体34的导电元件的叠层组构成的。

英国专利申请No.2346485(国际专利申请No.WO 00/41270)中还披露，通过将一种非线性电绝缘介质(诸如钛酸锶钡(BST)或者其它铁电材料)结合在该结构中，使该结构材料的磁导率是可转变的。通过施加穿过铁电材料的电场来改变铁电材料的介电常数，从而转变该结构的磁导率。建议，铁电材料可被设置在每一个电容元件的圆筒形管(图1(b))之间或者沿径向设在每一个同心环(图2(a))之间。但是，包含一种铁电材料(诸如BST)会使结构的共振频率降低30倍以上。为了将共振频率增大到一个所选择的数值以获得在一个给定频率下的所需磁导率，需要使每一个电容元件的自身固有电容降低同样的倍数。当希望该结构磁性材料在微波频率下(即在GHz区域中)操作，需要的由电容元件构成的结构实际上不能被制造。为了克服这个问题，英国专利申请No.2346485(国际专利申请No.WO 00/41270)中披露的结构由单个圆筒形管而不是同心的管的阵列构成，每一个圆筒形管具有两个在轴向上延伸的间隙。一种铁电材料设置在间隙中并且利用一种可转变的静电场改变铁电材料的磁导率，从而转变磁导率。尽管这样一种结构材料能够在微波频率下操作，但是实际上不能制造在MHz区域的射频下工作的足够小的电容元件。另外，即使对于微波操作，这样一种结构材料的构成也是困难的和高成本的。

本发明的目的是提供一种具有可在所选择的工作波长下在所选择的数值之间转变、易于制造并且适于在射频(MHz)下工作的磁导率的结构材料。

根据本发明，提供一种具有可转变的磁性的结构包括：一个电容元件的阵列，其中每一个电容元件包括一个低电阻导电路径并且使得在所述预定的频带内的电磁辐射的磁分量能够产生围绕所述路径流动并且穿过所述相关的元件的电流，其中所述元件的尺寸和它们之间的间隔被选择成能够响应于所接收的电磁辐射提供预定磁导率，其特征在于，每一个电容元件包括多个相互叠置的平面部分，每个平面部分包括至少两个相互电绝缘的同心的螺旋导电元件并且在螺旋导电元件之间具有一种介电常数可转变的材料。

通过施加穿过所述介电常数可转变的材料可容易地将该结构的磁导率转变到一个所选择的数值。这可通过在每一个电容元件的导电螺旋元件之间施加直流电压容易地实现。在本专利申请中，术语“螺旋”是广义的，不限于一种围绕一个固定点从该点连续后退的平面曲线。该术语包括任何远离中心点后退的多于一圈的非闭合环。该术语包括诸如正方形、矩形、三角形、六边形或者其它几何形状的螺旋。

螺旋最好是大致圆形的。或者是正方形或者矩形。

所述介电常数可转变的材料最好包括一种铁电材料，优选地是钛酸锶钡。或者也可包括一种液晶。

最好以一种方阵的形式布置所述电容元件。最好，在一个给定的行中的交替的螺旋导电元件沿着相反的方向展开。对于这样一种布置，所述结构最好还包括用于连接在一给定列中的各个螺旋元件的导电连接轨迹。

该结构最好被构型为在辐射频率(MHz)下工作。

本发明的结构在稳态磁场中是非磁性的。

现将参照附图利用实例对本发明所涉及的具有可转变的磁导率的结构进行描述。在附图中：

图1(a)是一种已知的具有磁性的结构材料的示意图；

图1(b)是图1(a)中的一个电容元件的放大图；

图2(a)是另一种已知的具有磁性的结构材料的示意图；

图2(b)是图2(a)中的一个电容元件和这样的元件的叠层组的放大平面图；

图3(a)是另一种已知的结构材料的示意图；

图3(b)是图3(a)中的一个电容元件和这样的元件的叠层组的放大平面图；

图4是本发明所涉及的具有可转变的磁性的结构的分解示意图；

图5是图4中所示结构的一个电容元件的平面图；

图6是图4中所示结构的一个单层的平面图；

图7是表示图4中所示结构在“未转变状态”和“转变状态”下作为频率的函数的磁导率的实部和虚部的曲线图；以及

图8是用于本发明所涉及的具有可转变的磁性的结构中的电容元件的另一种形式。

参见图4，其中示出了一个具有可转变的磁导率的结构或者结构材料40。结构40包括电绝缘片42的叠层组，每一个电绝缘片42具有限定在其上表面上的导电电容元件44的阵列。为了清楚起见，在图4中以分解图的形式示出了结构40，其中的片42是分开的。但是，实际上片42相互堆叠在一起并且一个片42的电容元件与相邻片的相应元件44重叠。电容元件与相邻片上的相应的电容元件之间的间距为1。片42包括玻璃纤维印刷电路板或者其他诸如聚酰胺薄膜等的绝缘材料，并且利用光刻或者其他适合的技术以铜轨迹的形式限定导电电容元件44。

参见图5，其中示出了一个电容元件44的平面图。每一个电容元件44包括两个盘绕N圈的同心的导电螺旋轨迹46、48，对于图中所示的元件，导电螺旋轨迹盘绕5圈。两个螺旋轨迹46、48相互之间是电绝缘的并且每一个具有内径r_in和外径r_out。每一个螺旋轨迹46、48的宽度为c并且螺旋轨迹在径向上的间距为d。单位长度的螺旋轨迹的电阻为ρ。在轨迹46、48之间的间隙充填基于钛酸锶钡(BST)陶瓷粉末的电绝缘漆料。为了便于制造，将BST漆料涂覆在每一个片42的整个表面上。该铁电材料具有大的且非线性的介电常数，并且可通过施加静电场来转变该铁电材料的介电常数。可利用导电电极轨迹50、52施加穿过轨迹46、48的直流电压，从而能够穿过BST施加电场。为了清楚起见，图4中未示出电极轨迹50、52。

参见图6，其中示出了单个片42的平面图，其中示出了电容元件44的布置和电极轨迹50、52的排列。电容元件44设置在网格结构尺寸为a的方阵上。如图6中所示，在每一行内的螺旋元件46、48以相反的方向交替地成螺旋形。相反，在每一列内的电容元件具有相同的方向。这种排列意味着，相邻电容元件的最外部的导电轨迹46、48相同，因此可与相同的电极轨迹相连。尽管为了便于连接，以这种方式布置元件是优选的，但是这对于该结构的功能不是重要的，在其他的实施例中，螺旋元件可具有相同的方向。该排列的特别的优点是，能够使在一个特定的片42内的每一个螺旋轨迹46、48互连所需的电极轨迹50、52的长度达到最小。当结构40受到电磁辐射12，这有利于减小该结构与电场分量E之间的相互作用。

假设每一个螺旋轨迹的宽度c远小于螺旋的半径，可以下列等式近似地表示所述结构的磁导率： ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\ω}\right)=1-\frac{{\mathrm{\πr}}_{\mathrm{out}}^2/{\mathrm{\α}}^2}{1+\frac{\mathrm{\π\ρl}(N-2)[r_{\mathrm{in}}+\frac{1}{2}N(c+d)]}{\mathrm{\ω\π}{r}_{\mathrm{in}}^2{\mathrm{\μ}}_0{(N-1)}^2}i-\left[\frac{1}{{\mathrm{\πr}}_{\mathrm{in}}^2{\mathrm{\μ}}_0{(N-1)}^2{\mathrm{\ω}}^{2}8{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0\frac{(c+d)}{l}\frac{\ln (2c/d)}{\ln (r_{\mathrm{out}}/r_{\mathrm{in}})}}\right]}$ 等式3

其中，ε是螺旋轨迹46、48之间的电绝缘材料的介电常数，ε₀和μ₀分别是自由空间的介电常数和磁导率并且i＝ 从等式3中可以看出，磁导率取决于导电螺旋轨迹46、48之间的材料的介电常数。因此，可通过适当地转变介电常数将该结构的磁导率转变到一个所选择的数值。如上所述，这可通过在该结构的每一层42的电极轨迹50、52之间施加电势差-V、+V来达到。

当结构材料40受到电磁辐射12时，其中电磁辐射12的磁场H垂直于片12的平面，即平行于电容元件44的轴线(如图4中所示)，能够在每一个导电螺旋轨迹46、48中产生交变电流。由于每一个元件44的导电螺旋轨迹46、48相互绝缘，因此能够防止直流电流流动。但是，在轨迹46、48之间存在相当大的自身固有电容，特别是当每一个元件44具有多圈并且允许交流电流在螺旋轨迹46、48的内端和外端之间流动时。这些感应电流在结构40内产生大的能够产生结构磁性的非均匀电场。应该理解的是，结构材料的磁性是因辐射的磁分量与元件44的自身固有电容相互作用而产生的而不是由于其构成器件的任何磁性而导致的。如果将直流(静)电压(-V、+V)施加到电极轨迹50、52上，那么将会提供穿过铁电材料的电场，从而改变其介电常数，因此改变了结构材料的磁导率。

图7中示出了本发明所涉及的一种结构的性能的示例，在该结构中，r_in＝5毫米，r_out＝12.1毫米，c＝0.5毫米，d＝0.1毫米，N＝5，1＝0.5毫米以及a＝30毫米。铜制的螺旋轨迹46、48的电阻为100Ωm^-1。螺旋轨迹46、48的圈之间的间隙被BST充填，处于“未转变状态”，即在未被施加电场的情况下，其介电常数为200，以及“转变状态”，即被施加有1kVm^-1的电场的情况下，其介电常数为100。对于所述的结构材料40，这样一个场强相当于在电极轨迹50和52之间施加了100V的电压。图7是关于磁导率相对于角频率的曲线图，其中实线表示处于“未转变状态”(即，没有在电极50和52之间施加电压)的结构磁导率的实部，点线表示处于“未转变状态”的磁导率的虚部，点/划线表示处于“转变状态”的磁导率的实部，划线表示处于“转变状态”的磁导率的虚部。从这些曲线中可以明显地看出，本发明所涉及的结构表现了一种在一定辐射频率(MHz)下产生共振的磁导率，该磁导率可为负值、大的正值以及在它们之间的其它数值，可通过在电极轨迹上施加适合的直流电势来选择该磁导率。

本发明所涉及的结构将提供许多用途，需要具有在一种被选择的波长下具有可转变的磁性的结构，特别是在具有应该不会受到材料存在的干扰的稳态磁场或者磁场梯度的情况下。一个示例是磁共振成像(MRI)领域。本发明所涉及的结构材料特别是适用于以21.3MHz操作的MRI设备中。在该操作频率下，可制造一种结构材料，该结构材料在未转变状态下具有负的磁导率，因此能够用作在这样的设备中所用的辐射频率(rf)场的屏但不影响一个稳态磁场。在该未转变状态下，所述材料通过从其外层反射rf辐射以及快速地削弱透过其外层的其他任何辐射而用作屏。当通过施加静电场使所述材料被转变时，该材料具有小的正磁导率(即，μ＜2)。对于中间情况，根据施加在电极轨迹上的电压，磁导率可是正的或者负的，大或者小，产生引导或者屏蔽性能。因此，应该理解的是，磁导率可实时改变的一个结构能够根据需要使MRI设备重新调整。例如，在我们的未决英国专利申请No.0005354.6中所披露的，该专利申请是为了使用一种用于从患者的所需区域接收磁共振信号的传感线圈的阵列而提出的。利用本发明所涉及的一种具有可转变的磁性的结构材料所制成的屏被设置在线圈之间。通过适当地转变屏的磁导率，可改变由每一个线圈所检察的有效区域。

应该理解的是，本发明不限于上述特定实施例，并且可在本发明的保护范围内进行各种变型和改进。尽管电容元件最好采用两个同心圆形的螺旋轨迹，但是也可使用其他形式的电容元件，诸如在图8中所示的方形的双螺旋线。另外，每一个螺旋轨迹或者元件可采用多于一圈的任何非闭合的环形，诸如三角形或者其它几何形状。多圈的螺旋形导电轨迹的一个特别的优点是，其本质上小并且对于给定尺寸的电容元件具有大的本身电容。该小尺寸元件能够使结构材料被制造成可以辐射频率下工作。

另外，在可选择的实施例中，可以在螺旋元件中结合附加的导电轨迹。应该理解的是，其它的铁电材料可结合在该结构中，例如可在每一个片的整个表面上提供液晶。

尽管以方阵的形式布置电容元件有利于使在一个给定的片内的电容元件的各个轨迹互联，但是也可以不同的阵列形式布置电容元件。

Claims (14)

1.一种具有可转变的磁性的结构包括：一个电容元件的阵列，该阵列响应于在一个预定频带内的入射电磁辐射表现一种预定的磁导率，其中每一个电容元件包括一个低电阻导电路径，并且是使得在所述预定的频带内的电磁辐射的磁分量能够产生围绕所述路径流动并且穿过所述相关的元件的电流，其中，所述元件的间隔小于在所述预定的频带内的电磁辐射的波长，分别选择所述元件的尺寸和它们的间隔以便能够响应于所接收的电磁辐射提供预定磁导率，并且每一个电容元件包括至少两个相互电绝缘的同心的螺旋导电元件并且在螺旋导电元件之间具有一种介电常数可转变的材料。

2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述介电常数可转变的材料包括铁电材料。

3.如权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述介电常数可转变的材料包括钛酸锶钡。

4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述介电常数可转变的材料包括液晶。

5.一种如权利要求1至4中任何一项所述的结构，其特征在于，以一种平面阵列的形式布置所述电容元件。

6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，在一个给定的行中的交替的螺旋导电元件沿着相反的方向展开。

7.如权利要求5或6所述的结构，包括以叠层组的形式布置多个平面阵列。

8.如权利要求7所述的结构，还包括连接一列螺旋导电元件中的各个螺旋元件的导电连接轨迹。

9.一种如权利要求1至8中任何一项所述的结构，其特征在于，所述元件的间隔小于所述预定的频带内的电磁辐射的波长的一半。

10.一种如权利要求1至8中任何一项所述的结构，其特征在于，所述元件的间隔小于所述预定的频带内的辐射的波长的五分之一。

11.一种如权利要求1至8中任何一项所述的结构，其特征在于，所述元件的间隔小于所述预定的频带内的辐射的波长的十分之一。

12.一种如权利要求1至11中任何一项所述的结构，其特征在于，所述结构在所述预定的频带的至少一部分上表现负的磁导率。

13.一种如权利要求1至12中任何一项所述的结构，其特征在于，所述预定的频带在从3MHz至300MHz的频带内。

14.如权利要求13所述的结构，其特征在于，所述预定的频带在从3MHz至30MHz的频带内。

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