电磁波驱动超材料MEMS微电机关键技术研究

Based on the knowledges from the project of "Research on the Microwave Electromagnetic Theory of Moving Periodic Medium oriented MEMS motors", this proposal concentrates on the fundamental application research of metamaterial-MEMS-motor driven by electromagnetic waves. By studying on metamaterials' moving periodic waveguide, it would break through the technical limitation that traditional electromechanical material can not work in high frequency. By analysis and calculation on theoretical model and measurement and testing on experimental model based on microwave transmission line and microwave net, it would realize the transverse resonance for MEMS motor and get the largest electromagnetic force at the best working state. As a basic research in cross-fields of electromechanics and electromagnetics, the obtained results can not only be used in moving parts such as sensors and actuators with new mechanisms, functions and structures and but also discover new physical effects and open new horizons of research and application in related fields, directly including satellites, astronautics, life science and engineering, and directly use and storage of energy (flywheel) after wireless transmission. It has particular advantages especially in RF and microwave system and applications and the solving of related scientific problems will greatly promote the development of electromechanics, electromagnetics and material science.

在"面向MEMS微电机的运动周期介质微波电磁理论研究"基金课题的认识基础上，本项目进行电磁波驱动的超材料MEMS微电机的应用基础研究。通过对超材料运动周期波导的基础研究突破传统电机功能材料不能高频工作的技术限制，通过基于微波传输线和微波网络的理论模型的分析计算、实验模型的测试分析，探索并实现MEMS微电机发生横向谐振而获得最大电磁力的最佳工作状态。作为电机学与电磁学交叉领域中的一项基础研究，研究结果将不仅适用于MEMS中具有新原理、新功能和新结构的连续运动部件的传感器和执行器，而且可能发现新的物理效应并在其它许多相关方面开辟广泛的研究和应用领域。直接相关的领域还有卫星、宇航、生命科学与工程以及新能源技术中无线能量传输后的直接应用和直接（飞轮）存储等，特别是在涉及RF和微波的系统和应用中会具有独特的优势。有关科学问题的解决对电机学、电磁学和材料科学的发展也将起到积极作用。

项目面向MEMS微电机，探索并建立了微波驱动超材料结构的电磁力（矩）计算模型。系统认知了超材料在微波直至太赫兹的宽频带范围内的电磁响应特性及传输过程中的幅值、相位以及极化状态等的调控规律；基于谐振电路理论，研究了超材料结构的谐振频率对其几何参数的依赖关系，实现了对其电磁谐振特性与阻抗匹配特性的调控；利用反演法提取等效电磁参数，分析单元结构表面电流和能量分布解释了电磁响应机理，有效设计超材料介电常数和磁导率并探索单元结构内部机制，突破了传统功能材料的技术限制；提出了一系列超材料的基本单元结构设计方案，并采用磁控溅射、激光刻蚀和PCB板等制备工艺加以实现。深入研究了应用于电机的两种类型超材料结构：针对直线微电机系统的宽边耦合开口环谐振（BC-SRR）单元结构和针对旋转微电机系统的共轭十字形单元结构。对于BC-SRR，引入了Maxwell应力张量，计算了结构的电磁力分布；基于结构谐振状态特殊的电流(电荷)分布与反演算法理论，解释了单元电磁力的倍增效应；探讨了磁(电)谐振模式下结构对应方向电磁力分布差异。研究结果表明：谐振强度决定结构单元电磁力幅值大小，模式决定电磁力方向。对于共轭十字型超材料结构，分析了电谐振模式与杂散模式两种工作模式下结构对应的电磁力(矩)分布，并对比了各方向上所对应的电(磁)场与电磁力(矩)幅值。研究结果表明：谐振强度决定电磁力矩的大小，模式决定了旋转方向。采用扭称实验原理、3D打印技术搭建测试平台，验证了电磁力（矩）的存在。实验结果表明：不同谐振模式下，样品运动状态都发生了明显改变。本项目的研究结果适用于 MEMS中具有新原理、新功能和新结构的连续运动部件的传感器和执行器，而且发现的新物理效应能在其它许多涉及射频和微波的系统中得以应用。