宽频带微波能量捕获器及发电方法

技术领域

本发明特别涉及一种宽频带微波能量捕获器及发电方法，属于微波能量收集技术领域。

背景技术

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系统供电，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

本发明的主要目的在于提供一种宽频带微波能量捕获器及发电方法，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，包括至少一个微波能量捕获单元，所述微波能量捕获单元包括依次层叠设置的非磁金属层、自旋极化层、非磁性层、能量转换层、空间层、铁磁参考层和反铁磁层，其中，所述能量转换层的磁矩方向与所述铁磁参考层的磁矩方向平行，而与所述自旋极化层的磁矩方向垂直，且所述自旋极化层产生的自旋电流可以调控能量转换层的磁矩方向发生进动，而使所述能量转换层具有不同的微波吸收频带。

本发明实施例还提供了一种发电方法，包括：

提供所述的宽频带微波能量捕获器，使所述微波能量捕获单元的非磁金属层、反铁磁层分别与外部电路电连接；

以所述宽频带微波能量捕获器将环境中的频带微波信号吸收，并转换成电压信号。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，可以用于将环境中的高频微波信号吸收，并转换为直流电压信号，进而实现微波能量的收集，将微波(交流)信号整流变成直流(电压)信号。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器中一个微波能量捕获单元的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器中一个微波能量捕获单元的结构示意图；

图3a、图3b分别是传统的微波能量捕获器、本发明一典型实施案例中提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器的原理示意图；

图4是本发明一典型实施案例中提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器的能量捕获频带；

图5是本发明一典型实施案例中提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器进行发电的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，包括至少一个微波能量捕获单元，所述微波能量捕获单元包括依次层叠设置的非磁性金属层、自旋极化层、非磁性层、能量转换层、空间层、铁磁参考层和反铁磁层，其中，所述能量转换层的磁矩方向与所述铁磁参考层的磁矩方向平行或反平行(可以理解为反向平行)，而与所述自旋极化层的磁矩方向垂直，且所述自旋极化层产生的自旋电流可以调控能量转换层的磁矩方向发生进动，而使所述能量转换层具有不同的微波吸收频带。

在一具体实施方式中，所述非磁金属层的材质包括Pt、Ta、w、Ti、PtAu、PtHf中的任意一种金属或者两种以上金属形成的合金，但不限于此。

在一具体实施方式中，所述自旋极化层、能量转换层和铁磁参考层均为磁性层。

在一具体实施方式中，所述自旋极化层的磁矩方向与自身的薄膜平面的方向平行或垂直。

在一具体实施方式中，所述自旋极化层产生的自旋电流，可以调控能量转换层的磁矩方向发生0-180°进动。

在一具体实施方式中，所述自旋极化层、能量转换层和铁磁参考层中任一者包括CoFe层、NiFe层、CoFeB层、FeB层、Co/Pt层、Co/Pd层、Co/Ni层、Fe层、Co层中的任意一者或由两个以上结构层叠层形成的复合结构。

在一具体实施方式中，所述非磁性层的材质包括由Cu、Ru、Ir、Ag、Au中的任意一种或者两种以上的组合，但不限于此。

在一具体实施方式中，所述空间层的材质包括MgO、Al

在一具体实施方式中，所述反铁磁层包括一种反铁磁材料，所述反铁磁材料包括IrMn、PtMn、Mn

或者，所述反铁磁层包括至少一层反铁磁薄膜和至少两层铁磁薄膜，所述反铁磁薄膜设置在两层铁磁薄膜之间，其中，所述铁磁薄膜的材质包括CoFe、NiFe、CoFeB、FeB、Co/Pt、Co/Pd、Co/Ni、Fe、Co中任意一种或两种以上的组合，所述反铁磁薄膜的材质包括Ru、Ir、Cu、Ta中任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一具体实施方式中，所述的宽频带微波能量捕获器包括：多个微波能量捕获单元，多个所述微波能量捕获单元之间通过串联或并联的方式连接。

在一具体实施方式中，所述的宽频带微波能量捕获器还包括：射频微波信号接收机构，所述非磁金属层与所述射频微波信号接收机构连接。

本发明实施例还提供了一种发电方法，包括：

提供所述的宽频带微波能量捕获器，使所述微波能量捕获单元的非金属层、反铁磁层分别与外部电路电连接；

以所述宽频带微波能量捕获器将环境中的频带微波信号吸收，并转换成电压信号。

如下将结合附图和具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中各结构层的具体材质和厚度等均是示例性的。

实施例1

请参阅图1和图2，一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，包括至少一个微波能量捕获单元，所述微波能量捕获单元包括依次层叠设置的非磁金属层1、自旋极化层2、非磁性层3、能量转换层4、空间层5、铁磁参考层6和反铁磁层7，其中，所述能量转换层4的磁矩方向与所述铁磁参考层6的磁矩方向平行，而与所述自旋极化层2的磁矩方向垂直，且所述自旋极化层2产生的自旋电流，可以调控能量转换层4的磁矩方向发生面外大角度进动，而使所述能量转换层4具有不同的微波吸收频带，从而实现宽频微波能量的捕获。

在本实施例中，所述能量转换层4的磁矩方向是相对于自旋极化层2的薄膜平面的方向而定，包括倾斜于自旋极化层2的薄膜平面而处于面外取向、平行于自旋极化层2的薄膜平面而处于面内取向以及垂直于自旋极化层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的磁矩方向与自旋极化层2的薄膜平面夹角大于0°；面内取向是指能量转换层4的磁矩方向与自旋极化层2的薄膜平面夹角等于0°。

在本实施例中，所述非磁金属层1的材质包括Pt、Ta、W、Ti、PtAu、PtHf中的任意一种金属或者两种以上金属形成的合金。

在本实施例中，所述自旋极化层2、能量转换层4和铁磁参考层6均为磁性层，所述自旋极化层2的磁矩方向与自身的薄膜平面的方向平行或垂直，所述自旋极化层2产生的自旋电流可以调控能量转换层4的磁矩方向发生0-180°进动。

在本实施例中，所述自旋极化层2、能量转换层4和铁磁参考层6中任一者包括CoFe层、NiFe层、CoFeB层、FeB层、Co/Pt层、Co/Pd层、Co/Ni层、Fe层、Co层中的任意一者或由两个以上结构层叠层形成的复合结构。

在本实施例中，所述非磁性层3的材质包括由Cu、Ru、Ir、Ag、Au中的任意一种或者两种以上的组合。

在本实施例中，所述空间层5的材质包括MgO、Al

在本实施例中，所述铁磁参考层6被反铁磁层7钉扎，所述反铁磁层7包括一种反铁磁材料，所述反铁磁材料包括IrMn、PtMn、Mn

请再次参阅图1和图2，图1中示出的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器中的自旋极化层2的磁矩方向是垂直于薄膜平面的取向，而能量转换层4与铁磁参考层6的磁矩方向都是平行于薄膜平面取向的；图2中示出的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器中的自旋极化层2的磁矩方向是平行于薄膜平面的取向，而能量转换层4与铁磁参考层6的磁矩方向都是垂直于薄膜平面取向的。

请参阅图3a，传统的自旋属性的微波能量捕获器，由于受到磁矩小角度进动的影响，只能吸收单一频率下的微波信号，并且需要依赖外加磁场；请参阅图3b，本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，在传统的薄膜结构基础上，增加了一层正交取向的磁性层，使得能量捕获层可以做如图3b所示的面外大角度进动，对应的微波吸收频率很宽，并且不需要外加磁场辅助。

在本实施例中，请参阅图1、图2，作为微波能量捕获器，本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，可以用于将环境中的高频微波信号吸收，并转换为直流电压信号，进而实现微波能量的收集，其基本原理是利用磁性多层膜构成的巨磁电阻效应，将微波(交流)信号整流变成直流(电压)信号，而本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器能够实现宽频带的微波能量收集。

本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器由自旋极化层提供自旋极化电流，作用于能量转换层，并在能量转换层4、空间层5、铁磁参考层6三层共同作用的巨磁电阻作用下形成微波能量的转换，其中，自旋极化层内的电流与巨磁电阻是相互独立的，这样可以更大限度提高磁电阻效应，从而获得更宽频带、更高频率以及更大能量转换效率，由图4可以是看出，本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器的能量捕获频带可以很好覆盖到wifi的2.4GHz的频点。

请参阅图1和图5，将基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器置于微波能量捕获电路当中，由微波天线、微波传输波导、能量存储机构以及宽频带微波能量捕获器共同组成微波能量捕获电路；

当环境中的微波信号被微波天线感知并接收时，可以经过微波传输波导传输至宽频带微波能量捕获器中，并在微波电流作用下，带动宽频带微波能量捕获器的磁矩进动，由于巨磁电阻效应和整流效应的作用，此时的微波电流转换为直流电压信号，直流电压被能量存储机构收集并存储，从而实现微波能量的收集。

本发明实施例提供的一种基于自旋属性的宽频带微波能量捕获器，可以用于将环境中的高频微波信号吸收，并转换为直流电压信号，进而实现微波能量的收集，将微波(交流)信号整流变成直流(电压)信号。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。