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，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)是材料對電場響應(yīng)的一個參數(shù)，材料在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原真空中的外加電場與最終材料中電場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中，場的強度會在電介質(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，通常用來制造電容。而且在高介電常數(shù)材料中，電磁波波長很短，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，人們對材料的應(yīng)用要求越來越高，在某些場合，所需要的介電常數(shù)值遠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到要求，這將為技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)造成瓶頸。因此，人們轉(zhuǎn)向人工制造的超材料，以期實現(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)的人工復合結(jié)構(gòu)材料，通過對微結(jié)構(gòu)的有序排列，改變了空間中每點的相對介電常數(shù)和磁導率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)普通材料無法具備的介電常數(shù)和磁導率，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。超材料包括由金屬線構(gòu)成的具有一定圖案形狀的的人造微結(jié)構(gòu)和人造微結(jié)構(gòu)所附著的基材，多個人造微結(jié)構(gòu)在基材上陣列排布，基材對人造微結(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在空間中產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導率，這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了材料整體的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)。超材料對電磁響應(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拓撲特征和超材料單元尺寸。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，通常人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為所需響應(yīng)的電磁波波長的十分之一，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I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。具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料其介電常數(shù)和折射率隨頻率變化的曲線如圖2和圖3所示，其介電常數(shù)和折射率都比較低，介電常數(shù)值一般在6以下，折射率在2. 5以下，由于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，單個基材單元的尺寸通常為電磁波波長的五分之一到十分之一之間，在有限的空間中“I”形人造微結(jié)構(gòu)的尺寸改變的范圍有限，所以現(xiàn)有的超材料其介電常數(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)問題在于，針對現(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，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個工字形，交點位于所述的兩個工字形的中心，還包括四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形分別位于所述相互正交的工字形相交線的延長線上。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形分別位于所述相互正交的工字形形成的夾角的空間內(nèi)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基材劃分為多個相同的立方體基材單元，每個基材單元上附著有一個所述人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻附著于所述基材上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)通過電鍍、鉆刻、光刻附著于所述基材上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)通過電子刻或離子刻附著于所述基材上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基材為陶瓷材料。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基材為聚四氟乙烯。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述基材為鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。實施本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明通過改變現(xiàn)有人造微結(jié)構(gòu)的形狀，在相互正交的工字形的周圍設(shè)置有四個旋轉(zhuǎn)對稱的工字形，提高了超材料的介電常數(shù)和折射率，經(jīng)過仿真，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)，而且與具有“ 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，如圖4和圖5所示，本發(fā)明在低損耗情況下其介電常數(shù)較高，能達到100以上，在一定的頻率范圍內(nèi)(8. 5GHz 15. 8GHz)，具有較高的折射率，最高可以到達10. I。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，對微波器件的小型化產(chǎn)生也會產(chǎn)生不可估量的作用。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I是現(xiàn)有技術(shù)中“I”形人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料其介電常數(shù)隨頻率變化的示意圖；圖3是具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料其折射率隨頻率變化的示意圖；圖4是本發(fā)明實施例一所示超材料的介電常數(shù)隨頻率變化的示意圖；圖5是本發(fā)明實施例一所示超材料的折射率隨頻率變化的示意圖；圖6是本發(fā)明實施例一中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意7是本發(fā)明實施例一提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明實施例二中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意9是本發(fā)明實施例二提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意具體實施例方式實施例一本發(fā)明提供一種新型的超材料，相對于現(xiàn)有的超材料，通過改變其中人造微結(jié)構(gòu)的拓撲形狀提聞了超材料的介電常數(shù)。如圖7所不，超材料包括至少一塊均勻等厚的基板I，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，并通過組裝或者在每兩塊基板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)成一個整體?；錓可由FR-4、F4b、CEMl、CEM3或者TP-I等高介電常數(shù)陶瓷材料構(gòu)成，也可為聚四氟乙烯等高分子聚合物、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制成。將每塊基板I虛擬地劃分成多個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軸方向為行、以與之垂直的y軸方向為列依次陣列排布。基材單元的邊長通常為入射電磁波波長的五分之一到十分之一之間。每個基材單元上附著有一個人造微結(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)成一個超材料單元3，如圖7所示，本發(fā)明的超材料可看作是由多個超材料單元3沿X、y、z三個方向陣列排布而成。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)，通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著于基材I上。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。本實施例中人造微結(jié)構(gòu)2如圖6所示，包括相互正交的兩個工字形4和5，交點ο位于工字形4和5的中心，還包括四個相對于交點ο旋轉(zhuǎn)對稱的工字形6、7、8和9，其中工字形9、4和7的中間連接線在同一直線上，工字形8、5和6的中間連接線在同一直線上。實施例二該實施例中的人造微結(jié)構(gòu)與實施例一的區(qū)別是四個相對于交點O旋轉(zhuǎn)對稱的工字形6、7、8和9分別位于相互正交的工字形4和5所形成的夾角的空間內(nèi)，如圖8所示，包含該人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖9所示。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
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)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多變形等均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個工字形，交點位于所述的兩個工字形的中心，還包括四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形分別位于所述相互正交的工字形相交線的延長線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形分別位于所述相互正交的工字形形成的夾角的空間內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一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相同的立方體基材單元，每個基材單元上附著有一個所述人造微結(jié)構(gòu)。
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，所述人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻附著于所述基材上。
6.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，所述人造微結(jié)構(gòu)通過電鍍、鉆刻、光刻附著于所述基材上。
7.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，所述人造微結(jié)構(gòu)通過電子刻或離子刻附著于所述基材上。
8.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，所述基材為陶瓷材料。
9.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，所述基材為聚四氟乙烯。
10.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，所述基材為鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個超材料片層，每個超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個工字形，交點位于所述兩個工字形的中心，還包括四個相對于所述交點旋轉(zhuǎn)對稱的工字形。具有這種人造微結(jié)構(gòu)的超材料其介電常數(shù)得到了大幅的提高。
文檔編號H01Q15/00GK102810747SQ20111014575
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰, 葉金財 申請人: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