一种基于超材料的高频电磁能量采集器的制作方法

专利2022-05-09  2



1.本发明属于电磁能量采集技术领域,特别涉及一种基于超材料的高频电磁能量采集器。


背景技术:

2.随着社会发展,能源的需求变得愈发凸显。电磁能作为主要的能量形式之一,其合理的采集、传输和使用是能源领域和电磁领域的长期研究和应用热点。其中,如何有效地采集电磁波能量是研究人员一直以来关注的核心问题之一。如果可以实现有效的高频电磁能量采集,我们既可以对环境中的辐射电磁波进行采集,也可以实现点对点的无线能量传输。高频整流是电磁能量采集中的物理基础,目前在微波段常采用天线结合二极管进行整流从而采集能量,但是该种方法在更高的频率中应用受到限制;而在光波段目前人们常用半导体结实现能量采集转换,但是结构复杂并且对材料本身要求严格,并且能量采集速度在根本上受到限制。因此发展一种频段通用而结构简单的方法来实现高频电磁能量采集有重要的应用意义。另一方面,一种人工结构

超材料的迅速发展,为我们提供了一种控制电磁波的手段。根据超材料的设计思想,我们可以开发一种新的技术路线实现高频电磁能量采集,同时基于超材料的亚波长尺寸特点,可以有效地将高频电磁能量采集器集成于电子微系统、植入式电子设备中。


技术实现要素:

3.本发明的目的是提供一种基于超材料的高频电磁能量采集器。
4.本发明所提供的基于超材料的高频电磁能量采集器,至少包括一个超材料响应基元。
5.本发明所提供的基于超材料的高频电磁能量采集器,可以仅由单个超材料响应基元组成,也可以阵列形式工作。单个超材料响应基元体积更小,有利于集成化和小型化应用场景;多个超材料响应基元构成的阵列可以累积能量,提高能量收集效率。
6.所述超材料响应基元是由电磁谐振结构和能量转换结构组成,整体结构设置于低损耗衬底上。当该超材料响应基元受到高频电磁波的激励时,所述电磁谐振结构将会在局域形成增强的电场和磁场。所述能量转换结构位于电磁谐振结构产生的局域增强电磁场区域内,由于电场和磁场的共同作用,能量转换结构的自由载流子将会受到洛伦兹力而发生偏转运动。该运动中包含一个方向不变的直流运动分量,使得带电自由载流子将会定向运动,并最终在能量转换结构的物理边界处发生聚集,从而形成直流电压,完成高频电磁波到直流电信号的高频整流过程。通过在能量转换结构的两端布置电路引线,并接入储能模块中,就可以对储能模块进行充电,从而完成能量的采集。
7.所述电磁谐振结构的几何尺寸通常小于目标电磁波的波长,为亚波长尺寸,其主要作用是与目标电磁波谐振,产生所需的局域电场和磁场。所述电磁谐振结构在形状方面没有固定的形状要求,可以是几何连续的,也可以是分立的多个结构联立构成。凡是满足上
述电磁谐振和电磁场增强要求的结构,均可以用来充当此处的电磁谐振结构。根据本发明的一个实施例,如图1所示,所述电磁谐振结构由一个u形金属环构成,在u形环内部和部分外部区域均可以产生所需的局域电磁场,因此可以放置能量转换结构。
8.所述电磁谐振结构的材料选择,须满足电磁谐振对材料的要求,可以是金、银、铜、铝等良导体金属,也可以是重掺杂或不掺杂的硅、锗、磷化镓等半导体,也可以是二氧化钛、钛酸钡、氧化铝、氮化硅、碳化硅、钛酸钙、钛酸锶钡等介质材料。所述重掺杂或不掺杂的半导体中掺杂的元素包括硅元素、硼元素、磷元素、砷元素、镓元素等。
9.所述能量转换结构,是提供自由载流子并实现自由载流子运动的区域。其形状可以是几何连续的,也可以是几何分立的结构;可以是具有独立几何形状的结构,也可以是衬底上的一块掺杂区域;只要满足位于电磁谐振结构产生的局域电磁场区域内即可。根据本发明的一个实施例,如图1中条纹区域,为硅衬底上的一块n型掺杂区域。
10.所述能量转换结构是由能够提供自由载流子的材料组成,可以是n型或者p型掺杂的硅、锗、砷化镓、磷化镓、锑化铟、硫化镉、硫化锌、镓铝砷、镓砷磷等半导体材料,也可以是石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、mxene等二维材料,也可以是铋、砷化镉等半金属材料,也可以是金、银、铜、铝等导体金属。所述自由载流子,可以是电子也可以是空穴,其来源可以是材料本征具有的,也可以是通过其它方式产生的,其产生方式包括但不限于元素掺杂、碰撞电离、光激发、本征激发、热激发或高能带电粒子激发等。
11.所述衬底主要作用为支撑超材料结构,因此应该尽量减少对电磁波的损耗。具体地讲,可以是硅、锗、砷化镓、磷化铟等半导体材料,也可以是石英、玻璃、蓝宝石等介质材料,也可以是特氟龙、fr

4、聚酰亚胺(polyimide)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚对二甲苯(parylene)等聚合物或者高分子材料。具体选择何种材料视工作波长和工作场景而定。
12.所述超材料响应基元可以成周期性阵列式排列,通过串联各超材料响应基元,可以实现总转换电压的累积增强;通过并联各超材料响应基元,可以实现总转换电流的累积增强。上述周期性结构的级联方式不限于单纯的串联或并联,也可以串并联混合,具体方式视需求而定。另外,也可以多个阵列结构随机排布,满足特定场景需求。
13.本发明提供的高频电磁能量采集器主要基于超材料结构来完成高频能量转换过程,其具有以下有益效果:
14.1、本发明提供的高频电磁能量采集器适用波段宽,可以覆盖射频波段、太赫兹、中红外到可见光波段等多个电磁波段(波长范围涵盖400nm

1m),因此是一种波段通用的能量采集方案。其工作波长的调节可以通过以下方法实现:调节电磁谐振结构的尺寸或者材料组成、调节超材料响应基元的排列周期、调节衬底的介电常数;
15.2、本发明提供的高频电磁能量采集器结构简单,相比较常规的微波、红外、太赫兹、可见光等波段的能量采集器件来说,无需复杂的整流电路或半导体pn结等结构,也无需低温环境,集成度高;
16.3、本发明提供的高频能量采集器对组成材料没有严格的要求,均可以从商用途径获得,因此可以通过选用工艺兼容性好的材料来降低加工制备难度和成本。
附图说明
17.图1为实施例1中提供的基于超材料的高频电磁能量采集器的一个超材料响应基
元,其中,1是电磁谐振结构,材料为金;2是能量转换结构,具体为硅衬底上的一块n型掺杂区域,掺杂杂质为磷;3是衬底,具体为高阻硅,电阻率不低于10000ω
·
cm;
18.附图中相同的附图标记代表相同的部件。
19.图2为实施例1中提供的基于超材料的高频电磁能量采集器的电磁波频域响应图,所述实施例1中的结构设计谐振在1.35thz,得到最强的磁场和电场增强。
20.图3为实施例1中设计的超材料响应基元的洛伦兹力分布,电磁波以x偏振沿着z方向入射,洛伦兹力沿着y方向。
21.图4为实施例1中设计的单个超材料响应基元上的沿着y方向的积分电压,在电场强度为107v/m的电磁波照射下,可以得到约为90mv的积分电压。
22.图5为实施例1中设计的一种级联方式,选择串联的方式以将电压累积,并且接入到储能模块的示意图。
23.图6为实施例1中设计的高频电磁能量采集器采集能量时的三维示意图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
25.下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
26.实施例1
27.本实施例提供一种具体的基于超材料的高频电磁能量采集器,其工作频率在1.35thz,单个超材料响应基元具体结构如图1所示,可以采用紫外曝光或者激光直写技术进行超材料结构的制备。
28.其中,1部分为电磁谐振结构,具体材料为金,线宽为3μm,长为20μm,宽为16μm,厚度为300nm,具体加工工艺可以采用磁控溅射或者热蒸发进行金的沉积。2部分是n型掺杂硅,掺杂杂质为磷,尺寸为24μm
×
10μm,厚度为300nm,具体加工工艺可以采用离子注入选区掺杂。3部分为高阻硅衬底,厚度为10μm,电阻率为20000ω
·
cm。
29.超材料响应基元可分别以35μm和30μm为周期向x,y两个方向扩展为阵列。
30.图2为高频电磁能量采集器的电磁波频域响应图,入射波采用平面波正入射,设计谐振在1.35thz,得到最强的磁场和电场增强。
31.图3为实施例1中超材料结构中计算得到的洛伦兹力分布,该力存在一个直流分量,可以将能量转换结构区域的自由载流子驱动到物理边界,实现高频整流过程。图中显示的箭头方向为洛伦兹力方向,沿着y方向,入射电磁波为x偏振,沿着z方向入射。
32.图4为实施例1中单个超材料响应基元上探测得到的积分电压值,积分方式为能量转换结构中心沿着y方向对电场e进行积分。在本实施例中,入射电磁波电场强度为107v/m,可以得到约为90mv的积分电压,可以说明该结构能够实现电磁波能量采集。
33.图5为设计的一种2
×
3周期性结构电压串联的级联方式示意图,这样的连接可以使得电压累积增强,能量接入到储能模块中进行储存,从而完成高频电磁能量的采集。所述基于超材料的高频电磁能量采集器的连线方式不限于本实施例中的方式,也不限于2
×
3的个数,超材料响应基元个数越多,高频电磁能量采集的效率越高。具体方式可以视储能模块
能量采集方式或者能采集面积大小而定。
34.图6为本实施例1中设计的能量采集器工作时的三维示意图,电磁波以一定的偏振模态照射到所设计的能量采集器,采集到的能量从两个端口引入到储能模块中。
35.在本发明中,工作频率可以通过以下方式进行调节:调节电磁谐振结构的尺寸或者材料组成、调节超材料响应基元的排列周期和调节衬底的介电常数。比如将周期扩大,结构尺寸变大,响应波长将向长波长移动;周期缩小,结构尺寸缩小,响应波长将向短波长移动。因此是一种波段通用的能量采集方案,同时,在使用时只需将所述的基于超材料的高频电磁能量采集器接入到储能模块或者工作电路中即可,结构简单,便于集成。

技术特征:
1.一种基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述高频电磁能量采集器至少包含一个超材料响应基元。2.根据权利要求1中所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述超材料响应基元由电磁谐振结构和能量转换结构组成,整体结构设置于衬底上。3.根据权利要求2中所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述电磁谐振结构能够与入射电磁波耦合产生局域增强电场和局域增强磁场。4.根据权利要求2或3所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述电磁谐振结构的形状是几何连续结构,或由多个分立结构组成。5.根据权利要求2

4中任一项所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述电磁谐振结构的组成材料选自以下任意一种材料:介质材料、良导体金属、重掺杂或不掺杂的半导体材料。6.根据权利要求2

5中任一项所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述能量转换结构是实际发生能量采集的区域,需满足位于所述电磁谐振结构产生的局域电磁场区域内;所述能量转换结构是具有独立几何形状的结构或是衬底上一块掺杂区域。7.根据权利要求2

6中任一项所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述能量转换结构组成材料为具有自由载流子的材料,选自以下任意一种材料:金属材料、n型或p型掺杂的半导体材料、半金属材料和二维材料;所述自由载流子,可以是电子也可以是空穴,其来源可以是材料本征具有的,也可以是通过其它方式产生的,其产生方式包括但不限于元素掺杂、碰撞电离、光激发、本征激发、热激发或高能带电粒子激发。8.根据权利要求2

7中任一项所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述衬底主要作用为支撑超材料结构,应该尽量减少对电磁波的损耗;选择材料包括特氟龙、高纯硅、高纯砷化镓、玻璃、石英、fr

4、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯。9.根据权利要求2

8中任一项所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述基于超材料的高频电磁能量采集器由单个超材料响应基元组成,或所述基于超材料的高频电磁能量采集器由多个超材料响应基元组成周期性阵列;其级联方式包括串联、并联或者串并联混合。10.根据权利要求1

9中任一项所述的基于超材料的高频电磁能量采集器,其特征在于:所述基于超材料结构的高频电磁能量采集器无需外接整流电路,可以覆盖射频波段、太赫兹、中红外到可见光波段等多个电磁波段,波长范围涵盖400nm

1m,同时其工作频段通过以下至少一种方式调节:调节电磁谐振结构的尺寸或材料组成、调节超材料响应基元的排列周期、调节衬底的介电常数。
技术总结
本发明公开了一种基于超材料结构的高频电磁能量采集器。所述基于超材料的高频电磁能量采集器具体组成单元为超材料响应基元,可以单个工作,也可多个级联工作。所述超材料响应基元具体包括电磁谐振结构和能量转换结构。在采集能量时,电磁谐振结构与电磁波作用产生所需的局域电场和磁场,电、磁场共同作用于该区域的能量转换结构,使得其中的自由载流子受到洛伦兹力直流分量作用而发生定向偏转,从而使得在能量转换结构两端边界形成电势差。通过在能量转换结构两端接入储能模块,便可以利用该电势差实现能量储存,从而完成高频电磁能量采集。本发明提出的高频电磁能量采集器具有频段通用、结构简单、无需整流电路、便于集成、室温工作等优点。工作等优点。工作等优点。


技术研发人员:文永正 赵世强 郎光辉 周济 王健 赵国栋
受保护的技术使用者:清华大学
技术研发日:2021.03.15
技术公布日:2021/6/25

转载请注明原文地址: https://doc.8miu.com/read-150194.html

最新回复(0)