專利名稱：一種具有高介電常數(shù)的超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料。
背景技術(shù)：
介電常數(shù)是材料對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的一個(gè)參數(shù),材料在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原真空中的外加電場(chǎng)與最終材料中電場(chǎng)的比值即為介電常數(shù)。自然界中，任何一種材料在特定的條件下，都有它特定的介電常數(shù)值或者介電常數(shù)曲線。介電常數(shù)較高的材料放在電場(chǎng)中，場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)材料內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)高的材料，如介電絕緣體，通常用來(lái)制造電容。而且在高介電常數(shù)材料中，電磁波波長(zhǎng)很短，可以大大縮小射頻及微波器件的尺寸。隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展，人們對(duì)材料的應(yīng)用要求越來(lái)越高，在某些場(chǎng)合，所需要的介電常數(shù)值遠(yuǎn)高于自然界已有的材料的介電常數(shù)值，現(xiàn)有的介電常數(shù)較高的介電絕緣體也不能達(dá)到要求，這將為技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)造成瓶頸。實(shí)際上，自然存在的材料都很難實(shí)現(xiàn)這種要求，因此，人們轉(zhuǎn)向人工制造的超材料，以期實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的。超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)的有序排列，改變了空間中每點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通材料無(wú)法具備的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。超材料包括由具有一定圖案形狀的金屬線構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)和人造微結(jié)構(gòu)所附著的基材。多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)在基材上陣列排布，基材對(duì)人造微結(jié)構(gòu)起到支撐作用，可為任何與人造微結(jié)構(gòu)不同的材料。這兩種材料的疊加會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個(gè)物理參數(shù)分別對(duì)應(yīng)了材料整體的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。超材料對(duì)電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬線的圖案所具有的拓?fù)涮卣骱统牧蠁卧叽?。超材料單元尺寸取決于人造微結(jié)構(gòu)需要響應(yīng)的電磁波頻率，通常人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為所需響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一，否則空間中由人造微結(jié)構(gòu)所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。目前超材料生產(chǎn)工藝中通常采用如圖1所示的“I”形人造微結(jié)構(gòu)去改變空間中的介電常數(shù)分布?！癐”形人造微結(jié)構(gòu)中對(duì)改變介電常數(shù)起主導(dǎo)作用的是中間豎直的金屬片，根據(jù)超材料的特性可知超材料可以看作由附著人造微結(jié)構(gòu)的基材單元陣列排布而成，單個(gè)基材單元的尺寸通常為電磁波波長(zhǎng)的五分之一到十分之一之間。因此在有限的空間中“I”形人造微結(jié)構(gòu)的中間豎直金屬線的尺寸改變的范圍有限，因此介電常數(shù)可改變的范圍也是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有高介電常數(shù)的超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括基材和附著在所述基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括第三金屬線，第三金屬線以中間的某一點(diǎn)為彎折點(diǎn)彎折成并行的兩段線段，該兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)向外旋繞形成兩個(gè)并行的螺旋線，其中，一個(gè)螺旋線的自由端與所述第一金屬線相連、另一個(gè)螺旋線的自由端與所述第二金屬線相連。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述螺旋線從內(nèi)圈到外圈順時(shí)針旋繞。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述螺旋線從內(nèi)圈到外圈逆時(shí)針旋繞。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述螺旋線的圈數(shù)大于2。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述基材劃分為多個(gè)相同的立方體基材單元，每個(gè)基材單元上附著有一個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述螺旋線為方形螺旋線。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述螺旋線為圓形螺旋線。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述螺旋線為三角形螺旋線。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于所述基材上。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述基材為具有高介電常數(shù)的陶瓷材料。實(shí)施本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明通過(guò)改變現(xiàn)有“I”形人造微結(jié)構(gòu)中的中間金屬線的排布，通過(guò)構(gòu)造在彎折點(diǎn)相連接的兩個(gè)并行的螺旋形結(jié)構(gòu)，增加了金屬線的長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)仿真，結(jié)果顯示，在非常寬的一段頻率上，具有這種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的介電常數(shù)非常平穩(wěn)，且與具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料相比，介電常數(shù)和折射率有非常顯著地提高。這種高介電常數(shù)的超材料可以應(yīng)用在天線制造以及半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域，而且該技術(shù)方案由于突破了現(xiàn)有技術(shù)中單位體積內(nèi)介電常數(shù)受限的缺陷，對(duì)微波器件的小型化產(chǎn)生也會(huì)產(chǎn)生不可估量的作用。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:圖1是現(xiàn)有技術(shù)中“I”形人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是本發(fā)明提出的第一種人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是包含第一種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明提出的第二種人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是包含第二種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明提出的第三種人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是包含第三種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明提出的第四種人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是包含第四種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明提出的第五種人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是包含第五種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是本發(fā)明提出的第六種人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是包含第六種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供一種新型的超材料，相對(duì)于現(xiàn)有的超材料，通過(guò)改變其中人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钐崧劻顺牧系慕殡姵?shù)。
如圖3所示，超材料包括至少一塊均勻等厚的基板1，若有多塊基板I則基板I沿垂直于基板平面的方向(z軸方向)依次堆疊，并通過(guò)組裝或者在每?jī)蓧K基板I之間填充可連接二者的物質(zhì)例如液態(tài)基板原料，其在固化后將已有的兩基板I粘合，從而使多塊基板I構(gòu)成一個(gè)整體。基板I可由FR-4、F4b、CEMl、CEM3或者TP-1等高介電常數(shù)陶瓷材料構(gòu)成。
將每塊基板I虛擬地劃分成多個(gè)完全相同的相互緊挨著的立方體基材單元，這些基材單元以X軸方向?yàn)樾?、以與之垂直的y軸方向?yàn)榱幸来侮嚵信挪肌；膯卧倪呴L(zhǎng)通常為入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一到十分之一之間。每個(gè)基材單元上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2，基材單元和基材單元上的人造微結(jié)構(gòu)2共同構(gòu)成一個(gè)超材料單元3，如圖3所示，本發(fā)明的超材料可看作是由多個(gè)超材料單元3沿X、y、z三個(gè)方向陣列排布而成。
人造微結(jié)構(gòu)2通常為金屬線例如銅線或者銀線組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，其中，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，金屬線的剖面也可以為其他形狀。如圖2所示，在本實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線21和第二金屬線22，還包括第三金屬線BAC，第三金屬線BAC以中間的某一點(diǎn)A為彎折點(diǎn)彎折成并行的兩段線段AB和AC，該兩段線段從彎折點(diǎn)A處由內(nèi)圈向外圈以順時(shí)針?lè)较蛐@形成兩個(gè)并行的方形螺旋線23和24，其中，一個(gè)螺旋線23的自由端B與所述第一金屬線21相連、另一個(gè)螺旋線24的自由端C與所述第二金屬線22相連。
人造微結(jié)構(gòu)還可以如圖4所示，與圖2所示的人造微結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:第三金屬線從中間的某點(diǎn)彎折成的兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)圈向外圈以逆時(shí)針?lè)较蛐@形成兩個(gè)并行的方形螺旋線。采用圖4所示的人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖5所示。
人造微結(jié)構(gòu)還可以如圖6所示，與圖2所示的人造微結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:第三金屬線從中間的某點(diǎn)彎折成的兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)圈向外圈以順時(shí)針?lè)较蛐@形成兩個(gè)并行的圓形螺旋線。采用圖6所示的人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖7所示。
人造微結(jié)構(gòu)還可以如圖8所示，與圖6所示的人造微結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:第三金屬線從中間的某點(diǎn)彎折成的兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)圈向外圈以逆時(shí)針?lè)较蛐@形成兩個(gè)并行的圓形螺旋線。采用圖8所示的人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖9所示。
人造微結(jié)構(gòu)還可以如圖10所示，與圖2所示的人造微結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:第三金屬線從中間的某點(diǎn)彎折成的兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)圈向外圈以順時(shí)針?lè)较蛐@形成兩個(gè)并行的三角形螺旋線。采用圖10所示的人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖11所示。
人造微結(jié)構(gòu)還可以如圖12所示，與圖2所示的人造微結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:第三金屬線從中間的某點(diǎn)彎折成的兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)圈向外圈以逆時(shí)針?lè)较蛐@形成兩個(gè)并行的三角形螺旋線。采用圖12所示的人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖13所示。
因此，上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，比如螺旋線可以旋繞成橢圓形或者不規(guī)則形，基材也可以為高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等。這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，包括基材和附著在所述基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括第三金屬線，第三金屬線以中間的某一點(diǎn)為彎折點(diǎn)彎折成并行的兩段線段，該兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)向外旋繞形成兩個(gè)并行的螺旋線，其中，一個(gè)螺旋線的自由端與所述第一金屬線相連、另一個(gè)螺旋線的自由端與所述第二金屬線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述螺旋線從內(nèi)圈到外圈順時(shí)針旋繞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述螺旋線從內(nèi)圈到外圈逆時(shí)針旋繞。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述螺旋線的圈數(shù)大于2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述基材劃分為多個(gè)相同的立方體基材單元，每個(gè)基材單元上附著有一個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述螺旋線為方形螺旋線。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述螺旋線為圓形螺旋線
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述螺旋線為三角形螺旋線。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻附著于所述基材上。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述基材為具有高介電常數(shù)的陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括基材和附著在所述基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，還包括第三金屬線，第三金屬線以中間的某一點(diǎn)為彎折點(diǎn)彎折成并行的兩段線段，該兩段線段從彎折點(diǎn)處由內(nèi)向外旋繞形成兩個(gè)并行的螺旋線，其中，一個(gè)螺旋線的自由端與所述第一金屬線相連、另一個(gè)螺旋線的自由端與所述第二金屬線相連。具有這種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的介電常數(shù)得到了大幅的提高，這種高介電常數(shù)的超材料可以應(yīng)用在天線制造以及半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域，而且該技術(shù)方案由于突破了現(xiàn)有技術(shù)中單位體積內(nèi)介電常數(shù)受限的缺陷，對(duì)微波器件的小型化產(chǎn)生也會(huì)產(chǎn)生不可估量的作用。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK103199346SQ20111010856
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者劉若鵬, 鐘果, 欒琳, 寇超峰 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司