CN108242858A - 一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，该装置包括至少一个射频微波能量转换部件，所述射频微波能量转换部件包括第一磁性层、非磁性的空间层以及能量转换层，所述第一磁性层连接射频微波信号接收部件，能量转换层在射频微波能量转换部件的上下两端积累正负电荷，实现将射频波能量转换为直流电信号。与现有技术相比，具有结构简单，尺寸小，工作频率宽等特点。

Description

一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置

技术领域

本发明涉及一种射频微波能量采集技术，特别是一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置。

背景技术

随着大规模集成电路制造技术和超精细加工技术的快速发展，微型无线传感器和微机电***(MEMS)已经或将广泛应用于工业、农业、军事、航空航天、医学、环境监控和家庭服务等诸多领域。目前无线传感器网点和MEMS***采用电池或电缆供电。但在一些应用场合，如安装在野外分散的无线传感器，要采用电池或电缆供电是不现实的。即使采用电池供电，定期的大规模更换也相当困难。因此，能量供给是目前无线传感器和MEMS***欲待解决的重要问题。

目前随着微型无线传感技术的发展，如便携式电子产品的广泛应用，现有的有源供能***存在很大的局限性。采用无线充电方式有望解决可移动电子产品的供能问题。在自然环境中存在各种频率的电磁波辐射能量，如通讯微波能量、电视信号、WiFi等。如何将环境中的射频和微波能量收集和利用起来给无线传感器和MEMS***供电，已经成为一种新兴的技术课题。目前主流的无线能量收集技术有电磁感应能量采集技术和基于半导体二极管的微波能量采集技术，前者转换效率高，但存在传输距离较短和能量转换装置的尺寸较大等局限性；后者存在功率容量小、二极管容易被击穿、和产生高次谐波等问题。与此同时，上述技术面临工作频率窄和尺寸难以满足小型化需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，从而提供一种结构简单、能够获取射频波并转换为电能的发电装置。

本发明提供了一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，该装置包括至少一个射频微波能量转换部件，所述射频微波能量转换部件包括第一磁性层、非磁性的空间层以及能量转换层，所述第一磁性层连接射频微波信号接收部件，能量转换层在射频微波能量转换部件的上下两端积累正负电荷，实现将射频波能量转换为直流电信号。

进一步地，所述空间层设于第一磁性层上，能量转换层设于空间层上。

进一步地，所述第一磁性层包括反铁磁性层、设于反铁磁性层上的至少二层第二磁性层以及设于相邻二层第二磁性层之间的金属层。

进一步地，所述第一磁性层设有至少二层，能量转换层设于二层第一磁性层之间，所述空间层设于第一磁性层与能量转换层之间。

进一步地，所述能量转换层设有至少二层，在相邻二层能量转换层之间设有空间层。

进一步地，所述空间层由金属或绝缘材料制成。

进一步地，所述空间层为金属材料时，金属材料为铜或银中的一种；空间层为绝缘材料时，绝缘材料为氧化镁或氧化铝中的一种。

进一步地，所述空间层由金属材料制成时，空间层的厚度为0.5nm～5nm；所述空间层由绝缘材料制成时，空间层的厚度为0.5nm～3nm。

进一步地，所述能量转换层由磁性材料制成，磁性材料为NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

进一步地，所述射频微波能量转换部件设有二个以上，射频微波能量转换部件之间采用串联或并联的方式连接。

本发明与现有技术相比，具有结构简单，尺寸小，工作频率范围宽单位面积范围内能量转换效率高；本发明在常温下工作，对捕获电磁能的环境没有限制，可广泛应用于无线充电，电磁能量收集等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的射频微波能量转换部件实施例1的结构示意图。

图3是本发明的射频微波能量转换部件实施例2的结构示意图。

图4是本发明的射频微波能量转换部件实施例3的结构示意图。

图5是本发明的射频微波能量转换部件实施例4的结构示意图。

图6-1是本发明的射频微波能量转换部件实施例5的结构示意图。

图6-2是本发明实施例5的微波能量采集性能图。

图7是本发明的射频微波能量转换部件实施例6的结构示意图。

图8是本发明的射频微波能量转换部件实施例7的结构示意图。

图9是本发明的射频微波能量转换部件实施例8的结构示意图。

图10是本发明的射频微波能量转换部件实施例9的结构示意图。

图11是本发明的射频微波能量转换部件实施例10的结构示意图。

图12是本发明的射频微波能量转换部件实施例11的结构示意图。

图13是本发明纳米发电装置中射频微波能量转换部件采用串联方式连接的示意图。

图14是本发明纳米发电装置的射频微波能量转换部件采用并联方式连接的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置包括至少一个射频微波能量转换部件6，射频微波能量转换部件6用于将射频波能量转换为直流电信号。

所述射频微波能量转换部件6包括具有固定面内磁化轴的至少包括第一磁性层2、非磁性的空间层3以及能量转换层4，所述第一磁性层2连接射频微波信号接收部件1，能量转换层4在射频微波能量转换部件6的上下两端积累正负电荷，实现将射频波能量转换为直流电信号。

射频微波能量转换部件6的信号获取可通过与其连接的射频微波信号接收部件1实现获得，所述射频微波能量转换部件6可产生直流电信号输出至外部电路5，外部电路5分别与射频微波能量转换部件6的两端连接，外部电路5为用于收集直流电信号的装置如蓄电池等或者是变压器，从而实现供电的作用，由于外部电路5的选择并不唯一，可根据实际的使用进行改变，在此不做具体限定。

所述固定面内磁化轴的第一磁性层2指磁性层的磁动量(磁矩)取向是沿着薄膜平面方向，固定是指磁矩方向不容易发生转变。

能量转换层4的磁矩取向是相对于第一磁性层2的薄膜平面的方向而定，包括倾斜于第一磁性层2的薄膜平面而处于面外取向、平行于第一磁性层2的薄膜平面而处于面内取向以及垂直于第一磁性层2的薄膜平面而处于面外取向三种，其中面外取向是指能量转换层4的磁矩与第一磁性层2的薄膜平面夹角大于零度；面内取向是指能量转换层4的磁矩与第一磁性层2的薄膜平面夹角等于零度。

对于磁性薄膜材料，有几个因素共同决定材料本征的磁矩取向。电子自旋与自旋之间的磁偶极子相互作用产生的形状各向异性场，电子自旋与轨道相互作用产生的磁晶各向异性场，磁体两端产生磁荷用于减弱磁化的退磁场，另外在由磁性多层膜构成的结构中，由其他薄膜产生的杂散场，这几种磁场作用共同构成了磁性薄膜的最终磁矩取向。对于磁性薄膜的取向，一般只有躺在薄膜面内和垂直于薄膜两种情况。但是最近的研究发现，当通过调节磁性薄膜厚度以及与其他材料的界面特性，可以有效控制材料的磁晶各向异性场的大小和方向，进而调控磁矩取向倾斜于薄膜平面。这种状态即是本专利中提到的锥形态。更具体的讲，在锥形态下的磁晶各向异性场的一阶场的大小和退磁长大小接近，方向相反，此时磁性薄膜材料的有效饱和磁化强度降低，磁晶各向异性场的二阶场起主导作用。这种锥形态即倾斜的磁矩取向，具有两个方面的优点，第一，磁矩进动所需的临界电流密度降低，第二，容易获得面外大角度的磁矩进动。这两方面的优点，使得这种磁化结构用作能量转换层，可以实现低功率射频能量吸收和相对高效率的能量转换。

所述射频微波信号接收部件1主要包括天线、与天线连接的射频波传导元件和与射频波传导元件连接的阻抗匹配器，阻抗匹配器与射频微波能量转换部件6的第一磁性层2连接，在此不做具体限定。

本发明通过将外部的高频射频波信号经过射频微波信号接收部件1进行收集，引起射频微波能量转换部件6的能量转换层4中磁矩的大角度进动，由于磁性多层膜结构具有巨磁电阻效应，在射频微波能量转换部件6的上下两端积累正负电荷，积累的正负电荷导出至外部电路5，实现将射频波能量转换为直流电信号。

所述射频微波信号接收部件1接收的频率范围为0.1MHz～10GHz之间。

本发明中第一磁性层2采用钉扎磁性层，其由至少一层磁性薄膜构成，所述磁性薄膜的矫顽场的大小为5mT～1500mT之间；空间层3由金属或绝缘体材料制成；所述空间层3由金属材料制成时，金属材料为铜(Cu)或银(Ag)中的一种；厚度为0.5nm～5nm之间；所述空间层3由绝缘体材料制成时，绝缘体材料为氧化镁或氧化铝中的一种，厚度为0.5nm～3nm之间；所述能量转换层4由磁性材料制成，磁性材料为NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种，其中Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni为叠层材料，其余均为合金材料。

上述结构具有两方面优点：第一，以MgO单晶势垒层构成的磁性隧道结多层膜，具有较高的隧穿磁电阻效应，可以提高能量转换效率。第二，采用具有倾斜磁矩取向的能量转换层4，可以实现低功率射频能量吸收和相对高效率的能量转换。

如图2所示，实施例1中，所述射频微波能量转换部件6的叠层结构如下，空间层3设于第一磁性层2上，能量转换层4设于空间层3上。能量转换层4的磁化方向垂直于第一磁性层2的薄膜平面的磁化方向，能量转换层4与第一磁性层2在没有外磁场的条件下的磁化方向之间的夹角等于90度。

如图3所示，实施例2中，所述射频微波能量转换部件6的叠层结构如下，空间层3设于第一磁性层2上，能量转换层4设于空间层3上。能量转换层4的磁化方向倾斜于第一磁性层2的薄膜平面的磁化方向，能量转换层4与第一磁性层2在没有外磁场的条件下的磁化方向倾斜于面外。如图4所示，实施例3中，所述射频微波能量转换部件6的叠层结构如下，空间层3设于第一磁性层2上，能量转换层4设于空间层3上。能量转换层4的磁化方向平行于第一磁性层2的薄膜平面，能量转换层4与第一磁性层2在没有外磁场的条件下的磁化方向平行于面内。

如图5所示，实施例4的射频微波能量转换部件6的叠层结构如下，空间层3设于第一磁性层2上，能量转换层4设于空间层3上，第一磁性层2由多层薄膜层叠构成，包括反铁磁性层201、设于反铁磁性层201上的二层第二磁性层202以及设于相邻二层第二磁性层202之间的金属层203，空间层3设于最上一层的第二磁性层202上，能量转换层4设于空间层3上。

在本实施例中，二层第二磁性层202的磁矩方向为平行于面内，即平行于第二磁性层202的薄膜平面，但是二个第二磁性层202的磁矩方向相反，能量转换层4的磁矩方向与设置在最上一层第二磁性层202的磁矩方向平行但方向相反。

在实施例4中还可以在第一磁性层2的下端设置金属缓冲层10以及在能量转换层4上设置金属盖帽11。

如图6-1所示，实施例5中与实施例4的区别仅在于能量转换层4的磁矩方向与设置在最上一层第二磁性层202的磁矩方向倾斜，即倾斜于面外。

作为本发明的一种优选方案，射频微波能量转换部件的结构包括由PtMn(厚度为15nm)、Co₇₀Fe₃₀(厚度为2.3nm)、Ru(厚度为0.85nm)、Co₄₀Fe₄₀B₂₀(厚度为2.4nm)四层磁性薄膜构成的具有固定面内磁化轴的磁性层2、由氧化镁(MgO)材料制成的厚度为0.8nm的非磁性层3以及具有倾斜磁矩取向的Co₂₀Fe₆₀B₂₀材料制成的厚度为1.53nm的能量转换层4，其中PtMn、CoFe、CoFeB均为合金材料，其中Co₇₀Fe₃₀、Co₄₀Fe₄₀B₂₀、Co₂₀Fe₆₀B₂₀的下标为合金材料的质量比。该射频微波能量转换部件的横截面形状为椭圆形，尺寸约长轴为150nm，短轴为60nm。作为该优选方案的性能测试结果，请参阅图6-2所示。在0.1MHz到1GHz的射频波频率范围内，注入的射频波信号的功率为32uW，可以观察到在很宽频率范围内具有稳定的直流转换能量输出。

如图7所示，实施例6与实施例4的区别仅在于能量转换层4的磁矩方向与设置在最上一层第二磁性层202的磁矩方向垂直，即垂直于面外。

如图8所示，实施例7中射频微波能量转换部件6的第一磁性层2设有二层，能量转换层4设有二层，能量转换层4设于二层第一磁性层2之间，所述空间层3设于第一磁性层2与能量转换层4之间以及相邻二层能量转换层4之间。

在本实施例中，第一磁性层2的磁矩方向为垂直于面外，即垂直于薄膜平面，而二层能量转换层4的磁矩方向为平行于面内且方向相反，即平行于薄膜平面。

上述实施例4-7中，所述第二磁性层202为磁性膜层结构，具体为第二磁性层202由铁磁性材料构成；金属层202由钌或铜材料制成；反铁磁性层201采用铱锰合金(IrMn)或铂锰合金(PtMn)材料。

如图9所示，实施例8是在实施例1-3的基础上还可以在第一磁性层2和能量转换层4上分别设有金属电极12，在此，射频微波能量转换部件6通过刻蚀成横向尺度在50-500nm之间的柱状结构。这种柱状结构获得的磁电阻效应较强，有助于提高射频微波能量转换效率。如图10所示，实施例9是在实施例8的基础上，在能量转换层4上设置绝缘介质层13，并通过在绝缘介质层13上刻蚀至少一个纳米孔14，使最上层的金属电极12经该纳米孔14与能量转换层4导通，形成纳米点接触结构。在本实施例中，纳米孔14设有一个，所属纳米孔14的孔径在30-300nm。采用纳米点接触结构，虽然磁电阻效应相对柱状结构较弱，但是容易实现微波信号的同步，也是有助于提高微波能量转换效率。

如图11所示，实施例10中与实施例9的主要区别在于纳米孔14设有两个，两个纳米孔14之间的间距为50-2000nm。

如图12所示，实施例11与实施例9的主要区别在于纳米孔14设有三个，相邻两个纳米孔14之间的间距为50-2000nm。

本发明中在射频微波能量转换部件6当中，射频微波能量转换部件6的两端会产生直流电信号。作为宽带射频微波能量捕获装置而言，相当于能够收集到外部空间的射频能量，并将之转换为直流电信号。采集能量的频率范围较宽，意味着可以收集和转换更多的射频能量，转换效率＝输出直流功率/输入的射频功率。

如图13所示，作为本发明的一种优选方案，射频微波能量转换部件6设有四组，四组射频微波能量转换部件6采用串联的方式与外部电路5连接，如图14所示，射频微波能量转换部件6采用并联的方式连接，有助于收集更高能量的射频波信号。

本发明可将多个射频微波能量转换部件6串联或者并联后封装，实现模块化。

本发明的宽带射频微波能量捕获装置的发电方法，包括如下步骤：

射频波信号经过外部的射频微波信号接收部件1的射频波传导元件和阻抗匹配元件进行接收，并将射频波信号发送至射频微波能量转换部件6；

射频微波能量转换部件6接收到射频波信号后，射频波信号使射频微波能量转换部件6的能量转换层4磁矩转动；

转动的磁矩使射频微波能量转换部件6的第二磁性层层4以及第一磁性层2上积累正负电荷；

积累的正负电荷导出至外部电路5，实现将射频波能量转换为直流电信号。

本发明的宽带射频微波能量捕获装置11可用于微波能量的采集通过储能装置进行储存，形成移动电源，当本发明与无线充电线圈结合，可形成无线充电装置，更可以直接与手机进行连接，从而解决充电的问题。

本发明能够收集空间中不同频段的射频能量，尤其是应用无线充电领域，是其最大的优势。具体的讲，例如与手机芯片进行集成，通过转换WiFi无线信号的能量，可以实现无线充电等。

本发明本身作为纳米发电装置，适用于多种场合。

本发明针对了现有无线充电技术以及电磁能捕获技术中，电路结构复杂，尺寸大，可以捕获的频率范围窄，传输距离短等缺点，设计出一种在较宽频率范围内(0.1MHz-10GHz)，将电磁能转换为电能的发电装置。该纳米发电装置具有尺寸小射频微波能量转换部件的尺寸在纳米量级，相比半导体的能量转换结构小很多，工作频率范围宽，单位面积范围内能量转换效率高，传输距离远等优点。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：该装置包括至少一个射频微波能量转换部件(6)，所述射频微波能量转换部件(6)包括第一磁性层(2)、非磁性的空间层(3)以及能量转换层(4)，所述第一磁性层(2)连接射频微波信号接收部件(1)，能量转换层(4)在射频微波能量转换部件(6)的上下两端积累正负电荷，实现将射频波能量转换为直流电信号。

2.根据权利要求1所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述空间层(3)设于第一磁性层(2)上，能量转换层(4)设于空间层(3)上。

3.根据权利要求2所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述第一磁性层(2)包括反铁磁性层(201)、设于反铁磁性层(201)上的至少二层第二磁性层(202)以及设于相邻二层第二磁性层(202)之间的金属层(203)。

4.根据权利要求1所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述第一磁性层(2)设有至少二层，能量转换层(4)设于二层第一磁性层(2)之间，所述空间层(3)设于第一磁性层(2)与能量转换层(4)之间。

5.根据权利要求4所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述能量转换层(4)设有至少二层，在相邻二层能量转换层(4)之间设有空间层(3)。

6.根据权利要求1所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述空间层(3)由金属或绝缘材料制成。

7.根据权利要求6所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述空间层(3)为金属材料时，金属材料为铜或银中的一种；空间层(3)为绝缘材料时，绝缘材料为氧化镁或氧化铝中的一种。

8.根据权利要求7所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述空间层(3)由金属材料制成时，空间层(3)的厚度为0.5nm～5nm；所述空间层(3)由绝缘材料制成时，空间层(3)的厚度为0.5nm～3nm。

9.根据权利要求1所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述能量转换层(4)由磁性材料制成，磁性材料为NiFe、Fe、Co、FeB、CoFeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、CoFeSiB和TeFeCoAl中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的基于电子自旋属性的新型射频微波能量采集装置，其特征在于：所述射频微波能量转换部件(6)设有二个以上，射频微波能量转换部件(6)之间采用串联或并联的方式连接。