一种回收环境微波能量供电的方法及其相关发电装置与流程

本发明属于能量回收技术领域，具体涉及一种回收环境微波能量供电的方法及其相关发电装置。

背景技术：

随着微电子技术的发展，电子系统的功耗越来越低，对于许多无法提供电源、需长期监测、电池不易更换或易燃易爆等极端环境下的监测设备，采用能量采集技术给能源供给问题提供了完美的解决方案.比如无线传感网络，作为其重要组成单元的传感器节点，通常散布于一定的区域内协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息。传感器节点部署环境和实际应用的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电，无线传感器节点体积小，通常只能携带能量有限的电池，要延长网络工作周期节点的供电是必须考虑的问题。由于传感器节点个数多、分布区域广且通常部署环境复杂，因此通过更换电池的方式来补充能源延长使用周期是不现实的。故而，前述所提及的从环境中采集能量进行供电是现阶段最为有效的措施。

虽然环境中采集的能量通常较小(一般在微瓦至毫瓦量级)，但随着电子技术的高速发展和电子产品集成化程度不断提高、功耗不断降低，许多微功耗产品的能量消耗都在毫瓦级，例如心脏起搏器的运转功率大概是5毫瓦，蓝牙发射器的工作功率也在微瓦量级，这使得采集周围环境能量为微电子设备提供电能成为可能。环境中的微波能量较其他的能量有很大的优势，它不受时间限制且几乎无处不在，不需要器件暴露于高温或有风的环境，可以在传输源的范围内自由移动。在通信技术高速发展的当今，我们生活的周围环境有许多射频广播基站，比如电视发射塔、wifi、雷达、wlan、gsm基站等等，这些设备基本上配备全向天线，可向所有方向发射微波信号，虽然微波信号所携带的能量较低，但是从环境微波能量获得的功率足以使超低功耗传感器节点或电路工作。如何将环境中的无处不在的微波能量收集并利用，已然成为了最近兴起的研究项目。

铁磁共振是指铁磁体在外加磁场和固定频率的微波磁场共同作用下，当满足共振条件时所产生的微波功率的共振吸收现象。而铁磁体在没有外加磁场作用时，在内部自然存在的等效各向异性场作用下产生的共振，由等效各向异性场和交变磁场联合作用引起，称为自然共振。发生自然共振时，交变磁场的能量损耗呈现极大值。由公式(1)(即kittel公式)可知，当无外加偏置磁场时，hr＝0，自然共振频率与hk的关系满足公式(2)：

式中：fr为铁磁共振频率，hr为铁磁共振场，hk为铁磁薄膜中的各向异性场，ms为铁磁薄膜的饱和磁化强度。

从kittel公式我们可以看到，铁磁薄膜的共振频率与材料的饱和磁化强度以及面内等效各向异性场有关，通常情况下通过调控面内等效各向异性场即可实现共振频率的调控。面内等效各向异性场按照其起源物理机制可主要分为磁晶各向异性、形状各向异性、应力各向异性、感生磁各向异性和交换磁各向异性。其中形状各向异性是反映沿磁体不同方向磁化与磁体几何形状有关的特性，体系的形状各向异性来源于退磁场作用。退磁能的形成是由于磁性体内所有的磁矩取向一致时磁性体的表面产生磁极。这种退磁能取决于磁体的几何形状，如由细长微粒组成的磁体、或者形状细长的磁性薄膜等都有很强的形状磁各向异性。依据吴燕辉发表的文章(《磁性纳米材料的形状各向异性及微波电磁性能研究》)，我们知道当形状各向异性很强时，体系的磁各向异性主要由形状各向异性所贡献。

技术实现要素：

鉴于现有技术的需求，本发明的目的在于提供一种回收环境微波能量供电的方法及其相关发电装置，基于自然共振原理直接将环境中的微波能量转换为电能进行自主供电，该器件结构简单且有利于小型化设计，使用方便，尤其适用于为低功耗电子器件供电。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于环境微波能量回收的发电装置，其特征在于，其能量收集模块包括一个或多个能量转换元件，所述能量转换元件包括设置在基片上的铁磁薄膜，所述铁磁薄膜具有强形状各向异性，在无外加偏置磁场的条件下，铁磁薄膜发生自然共振吸收环境中目标频率的微波能量并对其进行转换，使得铁磁薄膜沿其长边方向的两端形成电压，从而实现供电。进一步地，所述能量转换元件设置为多个，能量转换元件之间通过串联实现连接。

进一步地，所述铁磁薄膜的材料具体包括：fe、ni、co、mn、nife、feco、cofeb、yig中至少一种的单层结构，或者nife/ta、nife/pt、yig/ta、cofeb/w中至少一种的铁磁性/非磁性双层结构。

进一步地，所述铁磁薄膜为窄长条状铁磁薄膜。

进一步地，所述窄长条状铁磁薄膜的长宽比大于20。

进一步地，所述铁磁磁矩排列方向自发趋于强形状各向异性材料的长边方向。

另一方面，本发明提供一种回收环境微波能量供电的方法，其特征在于，利用铁磁薄膜内部的等效各向异性场与环境中微波能量满足公式式中：fr为铁磁共振频率，hr为铁磁共振场，hk为铁磁薄膜中的等效各向异性场，ms为铁磁薄膜的饱和磁化强度，此时铁磁薄膜发生自然共振进而吸收环境微波能量并将微波能量转换为电能，经引出并接入负载实现供电。

进一步地，所述铁磁层具有强形状各向异性。

满足公式时,铁磁薄膜处于自然共振状态，对环境中特定频率的微波能量有一个很强的共振吸收，该频率由铁磁薄膜确定，可根据公式(2)计算得到，自然共振时环境中微波磁场的能量损耗呈现极大值，此时的铁磁层相当于一个电压源。优选地，采用电极将多个独立的铁磁层进行串联，能够明显增强经转换所得电信号的强度，显著提高灵敏度。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明基于自然共振原理，在没有外加磁场作用下即不需要外界提供能量，便可自发地回收环境中的微波能量并转换为电能实现供电，器件结构单间，尺寸小，使用方便，使用环境不受限制，尤其适用于低功耗电子器件(传感器节点或电路)的供电。

附图说明

图1为本发明能量转换元件的示意图。

图2为窄长条形的铁磁薄膜由于形状各向异性的磁矩排列方向示意图。

图3为本发明能量转换元件的实物图。

具体实施方式

为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合说明书附图和实施例进行详细描述：

本发明利用铁磁薄膜内部的等效各向异性场与环境中微波能量满足公式时铁磁薄膜发生自然共振吸收微波能量并转换为电能输出。

进一步地，本发明提供一种基于环境微波能量回收的发电装置，其特征在于，其能量收集模块包括一个或多个能量转换元件，所述能量转换元件包括设置在基片上的铁磁层，所述铁磁层为强形状各向异性材料，在无外加偏置磁场的条件下，铁磁层发生自然共振吸收环境中目标频率的微波能量并对其进行转换，使得沿磁矩排列方向的两端产生正负电荷。

如图1所示，本发明在基片表面制备n个相同的窄长条形铁磁薄膜并采用铂电极将这n个铁磁薄膜串联起来。如图2所示，由于形状各向异性，磁矩的排列方向自发趋于长边方向，此时铁磁薄膜中的等效各向异性场hk较大且主要由形状各向异性所贡献。而针对环境中某些固定频段的微波能量，可以从材料选择本身或者通过工艺改变铁磁薄膜样品自身的等效各向异性场hk。当环境中微波磁场的频率f和薄膜样品的等效各向异性场hk满足公式时，铁磁层发生自然共振，对环境中的微波能量吸收达到最大值，在其两端可以测得电压值，此时铁磁薄膜相当于电压源，能够实现供电。

如图3所示，本实施例在sio2基片表面使用掩模板(掩模板线宽为40um)生长了三条nife/ta双层薄膜，其中sio2基片尺寸为5x10x0.4mm，nife薄膜的厚度约为20nm，ta薄膜的厚度约为10nm，每条ta薄膜的长为6mm，宽为40um，即每条ta薄膜的长宽比为150∶1。本实施例采用的薄膜为铁磁性/非磁性结构的nife/ta双层薄膜，结合本领域公知常识可知，铁磁薄膜的等效各向异性场和饱和磁化强度作为其性能参数，其中等效各向异性场与许多因素相关，但对于具有很强形状各向异性的铁磁薄膜来说，等效各向异性场主要由形状各向异性所提供，而饱和磁化强度主要跟材料的选择相关，不同铁磁薄膜的饱和磁化强度也不相同，通过选择不同的铁磁薄膜材料能够实现对吸收微波频率的调控。

本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。