专利名称：一种高介电常数超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种高介电常数超材料。
背景技术：
介电常数(permittivity)是材料对电场响应的一个参数,材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值即为介电常数，又称诱电率。自然界中，任何一种材料在特定的条件下，都有它特定的介电常数值或者介电常数曲线。常规的介电常数范围在I 30之间，介电常数超过30的材料即属于高介电常数材料。介电常数较高的材料放在电场中，场的强度会在电介质材料内有可观的下降。因此，介电常数高的材料，通常用来制造电容。 随着技术日新月异的发展，人们对材料的应用要求越来越高，在某些场合，所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值，现有的介电常数较高的绝缘体也不能达到要求，这将为技术和产品研发造成瓶颈。实际上，自然存在的材料都很难实现这种要求，因此，人们转向人工制造的超材料，以期实现上述技术目的。超材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够能电磁产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基板的电磁特性，例如介电常数和磁导率不同。但是，现有的超材料受其结构特征的影响，不能获得很高的介电常数，例如高于30甚至50的介电常数值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种高介电常数超材料。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种高介电常数超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层具有相向设置的第一基板和第二基板，所述第一基板的面向第二基板的表面上附着有多个人造微结构，所述第一、第二基板之间的间隙距离等于所述人造微结构的厚度。在本发明的高介电常数超材料中，所述高介电常数超材料包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于其表面的方向叠加为一体。在本发明的高介电常数超材料中，所述多个人造微结构在所述第一基板表面上阵列排布。在本发明的高介电常数超材料中，所述超材料片层的厚度不大于一预设电磁波波长的十分之一。在本发明的高介电常数超材料中，所述人造微结构为排布成几何图案的金属丝。在本发明的高介电常数超材料中，所述人造微结构为“工”字形或者平面雪花形。
在本发明的高介电常数超材料中，所述人造微结构为所述平面雪花形的衍生结构。在本发明的高介电常数超材料中，所述第一、第二基板之间的间隙距离小于
O.Imm0在本发明的高介电常数超材料中，所述人造微结构的厚度在O. 005 O. 05mm。在本发明的高介电常数超材料中，所述人造微结构的厚度为O. 018mm。实施本发明的高介电常数超材料，具有以下有益效果由于人造微结构两侧的第一基板和第二基板与其紧密接触，使得穿过基板的电场线数量增多，有效提高了超材料的等效介电常数。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图I是本发明的一个超材料片层的结构示意图；图2是由图I所示的超材料片层堆叠形成的高介电常数超材料的结构示意图；图3是每个超材料片层的拆分结构图；图4是图I所示超材料片层的每个超材料单元的结构示意图；图5是图4所示超材料单元的拆分透视图；图6是现有技术的超材料单元的结构示意图。
具体实施例方式本发明涉及一种高介电常数超材料，包括至少一个超材料片层1，如图I所示。当超材料片层I有多个时，各个超材料片层I沿垂直于片层的方向叠加，并通过机械连接、焊接或粘合的方式组装成一体，如图2所示。参阅图I、图3可知，超材料片层I包括两块相同的均匀等厚的片状基板，分别为第一基板2和第二基板3。两个基板相向叠加,且第一基板2的面向第二基板3的表面上附着有多个阵列排布的人造微结构4。本文中，基板的表面特指基板外轮廓中相互平行且面积最大的两个平面，垂直于该平面的方向定义为基板和整个超材料的厚度方向，则基板厚度方向上的长度为基板的厚度，与厚度方向平行的一圈依次连接的平面为基板的侧边缘。用一组间距相等且相互平行的多个第一平面和另一组均垂直于第一平面且具有同样间距、相互平行的多个第二平面，将两个基板分别虚拟地划分为多个完全相同的方体形网格，其中第一平面和第二平面相互垂直且同时垂直于基板的表面。第一基板2的每个网格为第一基板单元20，第二基板3的每个网格为第二基板单元30，并使得每个第一基板单元20的一表面上附着有一个人造微结构4，则每个相对的第一基板单元20和第二基板单元30以及第一基板单元20上的人造微结构4，共同构成一个超材料单元5，如图4所示。整个超材料片层I可以看作是由多个超材料单元5以一方向为行、以垂直于该方向的另一方向为列组成的阵列。超材料是应用在一个特定的电磁场环境中的，该电磁场环境中电磁波的波长是预先已知或设定的。本发明中每个方体形超材料单元5，优选其长、宽、厚度的长度不大于上述电磁波波长的十分之一；当然，其长、宽、厚度的长度不大于电磁波波长的二分之一时均可。
超材料单元5的具体结构如图5所示，包括第一基板单元20、第一基板单元20上的人造微结构4、第二基板单元30。人造微结构4是排布成一定几何形状或拓扑形状的金属丝，金属丝的材料通常选用电导性良好的银、铜等有色金属。本实施例的人造微结构4为“工”字形金属丝，包括直线型的第一金属丝和分别垂直连接在第一金属丝两端的两根第二金属丝。人造微结构4也可以为其他形状，如平面的二维雪花形，其包括两个相互垂直相交成“十”字形的第一金属丝和分别垂直连接在每个第一金属丝两端的四根第二金属丝。人造微结构4还可以是平面雪花形的衍生结构，即其除包括平面雪花形所具有的两根第一金属丝和四根第二金属丝外，还包括分别垂直连接在每个第二金属丝两端的第三金属丝、分别垂直连接在每个第三金属丝两端的第四金属丝，……，依此类推。当然，本发明的人造微结构4还有多种实现方式，只要由金属丝或金属线构成的具有一定几何图形且能够对电磁场产生响应的结构，均可作为本发明的人造微结构4。由于人造微结构4附着在第一基材单元的表面上，而构成人造微结构4的金属丝 具有一定的厚度，因此超材料单元5的厚度(也即超材料片层I的厚度)等于第一基板2的厚度、第二基板3的厚度以及二者之间的间隔距离之和，而第一基板2与第二基板3之间的间隔距离等于人造微结构4的厚度加上人造微结构4外表面到与之相对的第二基板3表面的距离。优选的，本发明的第一、第二基板3夹紧，使得人造微结构4直接与第二基板3表面贴合接触，则第一、第二基板之间的间隔距离等于人造微结构4的厚度。不过，由于人造微结构4非常薄，当制造、加工、组装过程中存在一定的误差时，人造微结构4不能直接与第二基板3贴合，而是存在间隙，在一定范围内，这种间隙是允许的。因此，在本发明中，人造微结构4外表面基本上与第二基板3贴合，也即第一、第二基板之间的间隔距离基本等于所述人造微结构4的厚度。这里的基本等于，是指上述间隔距离d与人造微结构4的厚度s相当，普通意义上的相当是指二者在同一个数量级内，SPs ^ d ^ IOs,本发明中进一步限定为s < d < 2s,优选d = S。通常，超材料的人造微结构4的厚度s在O. 005 O. 05mm之间，本发明中优选为
O.018mm,则第一、第二基板的间隔距离d在O. 005 O. 5mm的范围内，优选为小于O. 1mm。已知超材料是一种能够对电磁波产生特殊响应的新型人工合成材料，现有的超材料是由多个相同的基板叠加而成，而每块基板上都设置有人造微结构4，相邻基板之间的间隙相对于人造微结构4的厚度来说是比较厚的(通常不处于同一个数量级上)，因此每个人造微结构4的作用范围仅限在所附着的基板。而本发明中，由于第一基板2和第二基板3夹紧，使二者均与人造微结构4接触或基本接触，使得人造微结构4在对电磁波产生响应时可以同时作用在第一基板2和第二基板3上。例如在图5所示的实施例中，人造微结构4为“工”字形，可以等效为一个电容与电感的串联，电容存在边缘效应会产生电场，人造微结构4两侧均有基板,则一部分电场线会穿过基板，穿过基板的电场线会对基板内部的电子产生响应，使其谐振，则整个超材料单元5的等效介电常数发生改变。超材料单元5的等效介电常数与穿过基板的场线和基板自身的介电常数的乘积成正比，即穿过的电场线越多，基板自身的介电常数越大，等效介电常数也越大。现有超材料上的人造微结构在对电磁波产生响应时，只有人造微结构一侧的场线穿过所附着的基板，另一侧因不与另一侧基板接触而闲置；本发明中，人造微结构4两侧的场线将分别穿过第一基板2和第二基板3，使得穿过的电场线数量增多，从而提高超材料单元5的介电常数，最终提高整个超材料的介电常数。例如，在一对比实施例中，如图5、图6所示，现有技术和本发明的基板均为介电常数为4. 8的FR-4材料,人造微结构4选用铜,超材料片层I的厚度a均为Imm,每个超材料单元5的长b、宽c均为Imm ;人造微结构4为“工”字形,厚度s为O. 018mm,金属线的线宽w均为O. Imm,竖直的第一金属丝长H = O. 8mm,两平行的第二金属丝长L = O. 8mm。选取的电磁波测量频点是2. 4 2. 6GHz之间。
图5所示的本发明中，第一、第二基板的厚度均为O. 49mm，二者之间的间隔距离d为O. 02mm。测得该超材料单元5的介电常数在30 35之间。图5所示的现有技术中，基板的厚度为O. 982mm，测得的该超材料单元的介电常数在4 10之间。可见，本发明的具有双层基板的超材料单元5，其介电常数远远高于现有技术的单层基板的超材料单元5，与现有技术的超材料相比，将显示出非常大的优势。另外，若采用介电常数高的基板，例如选用陶瓷作为基板，则介电常数甚至可以达到80左右，这是自然界材料和现有的超材料所不能达到的值，从而满足一些特殊场合的特殊需求。因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
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，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种高介电常数超材料，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层具有相向设置的第一基板和第二基板，所述第一基板的面向第二基板的表面上附着有多个人造微结构，所述第一、第二基板之间的间隙距离基本等于所述人造微结构的厚度。
2.根据权利要求I所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述高介电常数超材料包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于其表面的方向叠加为一体。
3.根据权利要求I所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述多个人造微结构在所述第一基板表面上阵列排布。
4.根据权利要求I所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述超材料片层的厚度不大于一预设电磁波波长的十分之一。
5.根据权利要求I所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述人造微结构为排布成几何图案的金属丝。
6.根据权利要求5所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形或者平面雪花形。
7.根据权利要求6所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述人造微结构为所述平面雪花形的衍生结构。
8.根据权利要求I所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述第一、第二基板之间的间隙距离小于O. 1mm。
9.根据权利要求8所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述人造微结构的厚度在O. 005 O. 05mm。
10.根据权利要求9所述的高介电常数超材料，其特征在于，所述人造微结构的厚度为O.018mm。
全文摘要
本发明涉及一种高介电常数超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层具有相向设置的第一基板和第二基板，所述第一基板的面向第二基板的表面上附着有多个人造微结构，所述第一、第二基板之间的间隙距离基本等于所述人造微结构的厚度。由于人造微结构两侧的第一基板和第二基板与其基本上紧密接触，使得穿过基板的电场线数量增多，有效提高了超材料的等效介电常数。
文档编号H01Q15/00GK102738590SQ20111009113
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者何方龙, 刘若鹏, 寇超锋, 栾琳, 赵治亚 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院