一种叠层式双频带微波超材料吸波芯片及其制备方法

本发明涉及微波超材料，尤其涉及一种叠层式双频带微波超材料吸波芯片及其制备方法。

背景技术：

1、微波(microwave)通常是指频率在300mhz到300ghz，对应波长在1m到1mm间的交变电流信号。微波机动性好，工作频带宽大，可以传输的信息更多，在通讯、卫星、雷达天线等领域均有广泛应用。电磁微波吸波器由于其对微波段电磁波的高效吸收，在如今的5g通讯、相控阵雷达以及电磁隐身等领域有广阔的应用前景。

2、超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性能的人工复合材料或复合结构，通过人的意志，超材料可以根据应用需求从原子或分子设计出发，经过严格而复杂的人工设计与制备加工制成一种具有周期性或非周期性人造微结构单元排列的复合型或混杂型材料体系。超材料吸波器是通过谐振型超材料构成，主要是利用超材料中介电材料的电磁损耗，将入射电磁波转化为欧姆热或其它形式能量，实现对电磁波的吸收。由于超材料吸波器可以通过对功能单元的结构设计，实现对特定频段的入射电磁波近乎完美的吸收，其成为电磁超材料中的热点研究领域。同时，由于其超常的物理特性、简单的结构、偏振不敏感以及完美吸收等吸收特性，在天线雷达、电磁隐身、传感技术、热成像、生物探测和光伏电池等领域有广阔的应用前景。

3、然而，现有超材料吸波器虽然具有高吸收率，但是吸收芯片的体积偏大，限制了其在雷达隐身、反雷达侦查领域中的广泛应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种叠层式双频带微波超材料吸波芯片及其制备方法，在保证高吸收率的情况下，大大减小了芯片的体积，为雷达隐身、反雷达侦查奠定基础。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种叠层式双频带微波超材料吸波芯片，由电谐振芯片和金属反射芯片堆叠而成；

4、所述金属反射芯片设置于所述电谐振芯片下方；所述电谐振芯片和金属反射芯片的中心在竖直方向上重合；

5、所述电谐振芯片由若干单元结构周期性阵列组成，所述单元结构包括金属谐振层和介质层；所述金属谐振层生长于所述介质层下方；

6、所述金属谐振层由设置于同一平面的第一金属谐振方环、第二金属谐振方环和第三金属谐振方环嵌套而成；

7、所述第一金属谐振方环、第二金属谐振方环和第三金属谐振方环同心设置，所述第一金属谐振方环设置于中心处，所述第二金属谐振方环设置于第一金属谐振方环的外侧，所述第三金属谐振方环设置于最外侧。

8、优选的，所述金属反射芯片由覆盖金属的硅片制成，所述硅片所覆盖的金属为金；所述金的电导率为4.1×107s/m。

9、优选的，所述介质层的材料为氮化硅。

10、优选的，所述介质层为正方形结构，所述正方形结构的边长为2.8～3mm，所述介质层的厚度为0.5～1μm。

11、优选的，所述第一金属谐振方环、第二金属谐振方环和第三金属谐振方环的材料为金；所述金的电导率为4.1×107s/m。

12、优选的，所述第一金属谐振方环、第二金属谐振方环和第三金属谐振方环均为正方形方环；所述第一金属谐振方环的外边长为0.8～1mm，内边长为0.4～0.7mm，厚度为0.5～1μm；所述第二金属谐振方环的外边长为1.9～2.1mm，内边长为1.6～1.9mm，厚度为0.5～1μm；所述第三金属谐振方环的外边长为2.5～2.8mm，内边长为2.2～2.5mm，厚度为0.5～1μm。

13、优选的，所述电谐振芯片的金属谐振层与金属反射芯片的金属面之间的距离为150～200μm。

14、本发明提供了上述技术方案所述叠层式双频带微波超材料吸波芯片的制备方法，包括以下步骤：

15、采用介质层对应的材料，在硅片基底双面进行低压化学气相沉积，将所形成的介质层薄膜的单面进行光刻蚀，形成所需图形的介质层；

16、将所述介质层依次镀金属膜和光刻蚀，形成所需金属谐振方环结构的金属谐振层，得到电谐振芯片；

17、将硅片进行光刻蚀形成空腔，在所述空腔的表面镀金属膜后，得到金属反射芯片；

18、将电谐振芯片和金属反射芯片进行键合，形成堆叠式芯片；

19、将所述堆叠式芯片进行刻蚀，去除电谐振芯片多余的硅片基底，得到叠层式双频带微波超材料吸波芯片。

20、优选的，所述空腔的深度为150～200μm。

21、优选的，所述金属反射芯片上金属膜的厚度为0.5～1μm。

22、本发明提供的叠层式双频带微波超材料吸波芯片在两个特定的频率处(28.35ghz和39.2ghz)具有非常好的吸收性能，具有在te和tm模式下均可以对两个频点进行完美吸收的特性。其中一个频带通过第一金属谐振方环对电磁波进行吸收，另一个频带通过第三金属谐振方环对电磁波进行吸收，调整第一金属谐振方环尺寸可改变高频端的吸收频点，调整第三金属谐振方环尺寸可以改变低频端的吸收频点，第二金属谐振方环会与第一金属谐振方环和第三金属谐振方环形成一个新的谐振电路，调整第二金属谐振方环尺寸会相应影响谐振电路中的谐振参数从而影响吸收频点。因而本发明可通过调整金属谐振方环的尺寸，同时改变两个吸收频点的位置和吸收率，从而灵活实现特定频率的吸收。

23、本发明提供的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，将金属谐振方环生长于介质层，介质层作为第一层结构接受电磁波，然后被金属谐振方环进行谐振损耗增加吸收率，而且本发明将无基底电谐振芯片与金属反射芯片进行堆叠，可以将原本透过无基底电谐振芯片的电磁波通过金属反射芯片进一步反射回电谐振芯片，从而提高芯片的吸收率。因而本发明可以将吸波芯片的厚度降为最低，从而减小吸波芯片的体积。而传统的三明治吸收体的吸收能力主要是由介质层的损耗带来的吸收，对于介质层的厚度要求较高。因此，本发明提供的吸波芯片能够在保证双频段高吸收率的情况下，大大减小吸收芯片的体积，结构超薄，应用灵活，而且由于材料超薄具有一定的延展性，该吸波芯片可作为隐身材料，对所作用的覆盖环境具有更好的实用性，在雷达隐身、反雷达侦查等方面有着巨大的潜力。

技术特征：

1.一种叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，由电谐振芯片和金属反射芯片堆叠而成；

2.根据权利要求1所述的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，所述金属反射芯片由覆盖金属的硅片制成，所述硅片所覆盖的金属为金；所述金的电导率为4.1×107s/m。

3.根据权利要求1所述的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，所述介质层的材料为氮化硅。

4.根据权利要求1或3所述的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，所述介质层为正方形结构，所述正方形结构的边长为2.8～3mm，所述介质层的厚度为0.5～1μm。

5.根据权利要求1所述的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，所述第一金属谐振方环、第二金属谐振方环和第三金属谐振方环的材料为金；所述金的电导率为4.1×107s/m。

6.根据权利要求1或5所述的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，所述第一金属谐振方环、第二金属谐振方环和第三金属谐振方环均为正方形方环；所述第一金属谐振方环的外边长为0.8～1mm，内边长为0.4～0.7mm，厚度为0.5～1μm；所述第二金属谐振方环的外边长为1.9～2.1mm，内边长为1.6～1.9mm，厚度为0.5～1μm；所述第三金属谐振方环的外边长为2.5～2.8mm，内边长为2.2～2.5mm，厚度为0.5～1μm。

7.根据权利要求2所述的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，其特征在于，所述电谐振芯片的金属谐振层与金属反射芯片的金属面之间的距离为150～200μm。

8.权利要求1～7任一项所述叠层式双频带微波超材料吸波芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述空腔的深度为150～200μm。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述金属反射芯片上金属膜的厚度为0.5～1μm。

技术总结
本发明提供了一种叠层式双频带微波超材料吸波芯片及其制备方法，属于微波超材料技术领域。本发明提供的叠层式双频带微波超材料吸波芯片，对K波段和Ka波段的微波在两个特定的频率处具有非常好的吸收性能，其中一个频带通过第一金属谐振方环对电磁波进行吸收，另一个频带通过第三金属谐振方环对电磁波进行吸收，通过调整金属谐振方环的尺寸，可以同时改变两个吸收频点的位置和吸收率，从而灵活实现特定频率的吸收。而且，在保证双频段高吸收率的情况下，大大减小了吸收芯片的体积，结构超薄，应用灵活，在雷达隐身、反雷达侦查等方面有着巨大的潜力。

技术研发人员：汪涵,朱世泉,王志刚
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14