Eine miniaturisierte mechanische Antenne basierend auf unipolaren FEP/THV-Elektreten für die Übertragung extrem niedriger Frequenzen

Microsystems & Nanoengineering Band 8, Artikelnummer: 58 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Eine auf Elektret basierende mechanische Antenne (EBMA), die extrem niederfrequente (ELF) elektromagnetische Signale übertragen kann, bietet die Vorteile der Miniaturisierung und einer hohen Übertragungseffizienz mit großem Anwendungspotenzial in der Luft-, Unterwasser- und Untergrundkommunikation. Um die Ladungsdichte des Elektrets zu verbessern, die ein Schlüsselfaktor für die Strahlungsleistung eines EBMA ist, schlägt diese Arbeit ein unipolares Elektret aus fluoriertem Ethylenpropylen/Terpolymer aus Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Vinylidenfluorid (FEP/THV) mit negativer Polarität vor. Erreichen einer Gesamtladungsdichte von bis zu −0,46 mC/m2 für jede Elektretschicht. Mit einem 3-Schicht-FEP/THV-basierten EBMA mit einem kompakten Volumen von 5 × 10−4 m3 können große Übertragungsentfernungen in Meerwasser, Boden und Luft erreicht werden. Als Anwendungsdemonstration wurde die binäre ASCII-codierte ELF-Information „BUAA“ erfolgreich mit einem Stromverbrauch < 5 W übertragen.

Extrem niederfrequente (ELF, 3–30 Hz) elektromagnetische Wellen weisen eine geringe Dämpfung und eine starke Durchdringung in Übertragungsmedien auf. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich elektromagnetische ELF-Wellen für die Luft-, Unterwasser- und Untergrundkommunikation. Allerdings weisen herkömmliche elektromagnetische ELF-Sendeantennen mit einem grundlegenden Arbeitsmechanismus des Resonanzstroms die Nachteile großer Größe, hohem Stromverbrauch und geringer Sendeeffizienz auf1,2,3,4. In den letzten Jahren wurden mechanische Antennen vorgeschlagen, um die bestehenden Probleme von ELF-Sendern zu lösen. Um elektromagnetische Strahlung mit einer mechanischen Antenne zu erzeugen, wird eine zyklische mechanische Bewegung angewendet, um die elektrostatischen Nettoladungen, elektrischen Dipole oder magnetischen Dipole anzutreiben5,6,7,8,9. Die Stromverteilung und die elektromagnetische Energie einer mechanischen Antenne sind unabhängig von der Stromversorgung und besser kontrollierbar als die einer herkömmlichen Antenne. Dieser einzigartige Strahlungsmechanismus macht die mechanische Antenne frei von der Beschränkung der Antennengröße hinsichtlich der Effizienz und ermöglicht so eine hocheffiziente elektromagnetische ELF-Strahlung mit einer Größe, die viel kleiner ist als die einer herkömmlichen ELF-Sendeantenne10,11,12,13.

Im Vergleich zu mechanischen Antennen, die auf Permanentmagneten (magnetische Dipole) oder piezoelektrischen Materialien (elektrische Dipole) basieren, weisen mechanische Antennen auf Elektretbasis (EBMAs) eine höhere Strahlungseffizienz auf und sind bei Fernstrahlung vorteilhafter14,15,16. Konkret werden Elektrete als Träger elektrostatischer Nettoladungen eingesetzt. Anschließend wird das Elektret durch ein steuerbares mechanisches Gerät angetrieben, um eine ELF-Übertragung zu erreichen17,18,19,20. Daher ist die Gesamtladungsdichte, die die Menge der vom Elektret getragenen Nettoladung charakterisiert, ein Schlüsselfaktor für die Bestimmung der Strahlungsintensität der Antenne. Ein herkömmlicher EBMA besteht entweder aus bipolaren Elektreten oder unipolaren Elektreten mit einer metallisierten Oberfläche. Diese beiden Arten von Elektreten sind nicht die am besten geeigneten Elektrete für EBMAs, und ihre Ladungsverteilung schränkt die Leistung von EBMAs ein. Bei bipolaren Elektreten sind auf den beiden Oberflächen des Elektrets Ladungen entgegengesetzter Polarität gespeichert, und das durch die Bewegung der positiven und negativen Ladungen erzeugte elektromagnetische Feld hebt sich gegenseitig auf. Daher ist nur die elektromagnetische Strahlung wirksam, die durch die Differenz zwischen positiven und negativen Ladungen entsteht. Elektrete mit einer metallisierten Oberfläche, die zu den unipolaren Elektreten gehören, tragen Nettoladungen mit einer Polarität21,22,23,24,25, die für die Anwendung in EBMAs besser geeignet sind als bipolare Elektrete. Allerdings handelt es sich bei der metallisierten Oberfläche um eine redundante Struktur, und nur eine Oberfläche dieser Elektrete trägt Ladungen, was für die Verbesserung der Miniaturisierung und Übertragungseffizienz eines EBMA26 nicht hilfreich ist. Es muss eine neue Strategie vorgeschlagen werden, um die Leistung von EBMAs weiter zu verbessern.

Hier schlagen wir ein EBMA vor, indem wir ein unipolares Elektret aus fluoriertem Ethylen-Propylen/Terpolymer aus Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Vinylidenfluorid (FEP/THV) mit einem mechanischen Rotator für mögliche ELF-Kommunikationen in der Luft, unter Wasser und im Untergrund zusammenbauen, wie in Abb. 1a dargestellt . Das unipolare FEP/THV-Elektret kann auf beiden Oberflächen negative Ladungen speichern. Im Vergleich zu herkömmlichen bipolaren Elektreten und unipolaren Elektreten mit einer metallisierten Oberfläche weist der unipolare FEP/THV-Elektret eine höhere Gesamtladungsdichte auf. Darüber hinaus bieten Simulationen und Experimente an mehrschichtigen Elektreten eine neue Methode zur Verbesserung der Leistung des EBMA. Da die Gesamtladungsdichte eines einschichtigen unipolaren FEP/THV-Elektrets −0,46 mC/m2 erreicht, erreicht ein auf einem unipolaren FEP/THV-Elektret basierender EBMA mehrere wichtige Merkmale: (i) die Übertragungseffizienz des auf einem FEP basierenden EBMA Das unipolare /THV-Elektret ist im Vergleich zu einem EBMA mit herkömmlichen bipolaren oder unipolaren FEP-Elektreten deutlich verbessert. (ii) für ein EBMA auf 3-Schicht-FEP/THV-Basis mit einem kompakten Volumen von 5 × 10−4 m3 können die Übertragungsentfernungen in Meerwasser, Boden und Luft 71,4 m, 128,4 m und 136,3 m erreichen, jeweils, wenn die empfangende magnetische Flussdichte 1 fT beträgt; (iii) bei einem Stromverbrauch < 5 W wird die binäre ASCII-codierte ELF-Information „BUAA“ erfolgreich übertragen. Diese Designstrategie bietet zusammen mit den Eigenschaften der mechanischen Antenne in dieser Arbeit die Möglichkeit, die miniaturisierte ELF-Kommunikation zu verbessern.

a Prinzip und Anwendung des EBMA basierend auf unipolaren FEP/THV-Elektreten. b Herstellung des FEP/THV-Elektrets durch einen Heißpressprozess. c Elektretreihe basierend auf der Nettoladungsdichte. AFM-Bilder der d-FEP-Oberfläche und der e-THV-Oberfläche des FEP/THV-Elektrets. f SEM-Querschnittsbild des FEP/THV-Elektrets

Herkömmliche Polymer-FEP-Elektrete weisen eine hohe Speicherstabilität negativer Ladung auf27,28,29. Ohne besondere Behandlung tragen die beiden FEP-Elektretoberflächen jedoch nach der Koronaaufladung Ladungen entgegengesetzter Polarität30. Das Beschichten einer Oberfläche des FEP-Elektrets mit einer Elektrode kann es unipolar machen, aber die metallisierte Oberfläche trägt nicht zur Ladungsspeicherung bei. Unter bestimmten Bedingungen können einige polare Elektrete, wie beispielsweise ein THV-Elektret, auf beiden Oberflächen negative Ladungen tragen31,32. In dieser Arbeit kombinieren wir FEP-Elektrete mit THV-Elektreten, um unipolare Elektrete mit hohen negativen Ladungsdichten auf beiden Oberflächen herzustellen (Abb. 1b). Durch 5-minütiges Pressen der FEP- und THV-Filme bei 240 °C und 15 MPa erhalten wir den FEP/THV-Elektretfilm. Der detaillierte Vorbereitungsprozess wird im Abschnitt „Methoden“ beschrieben. Das Polarisationsgerät ist in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt. Detaillierte Polarisationsbedingungen werden im Abschnitt „Methoden“ beschrieben. Im Vergleich zu verschiedenen unipolaren Elektreten mit einer metallisierten Oberfläche weist der FEP/THV-Elektret offensichtliche Vorteile in der Nettoladungsdichte auf (Abb. 1c), wobei die Gesamtladungsdichte für eine Elektretschicht –0,46 mC/m2 erreicht.

Bilder der Rasterkraftmikroskopie (AFM) der beiden FEP/THV-Oberflächen sind in Abb. 1d dargestellt, z. Die durchschnittliche Rauheit der FEP- und THV-Oberflächen beträgt 6,9 nm bzw. 19,9 nm. Die hohe Rauheit der beiden Oberflächen kommt der Ladungsspeicherung des Elektrets zugute. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder des FEP/THV-Elektrets sind in Abb. 1f dargestellt. Die FEP-Schicht und die THV-Schicht werden nach dem Heißpressvorgang fest miteinander verbunden. Die Dicke der FEP-Schicht beträgt etwa 30 µm und die Dicke der THV-Schicht beträgt etwa 90 µm. Die große Dicke des FEP/THV-Elektrets verringert die gegenseitige Beeinflussung der negativen Ladungen auf den beiden Oberflächen.

Das unipolare Phänomen des FEP/THV-Elektrets tritt nicht unmittelbar nach der Polarisation auf. Der Vorgang des Polaritätswechsels auf den beiden Oberflächen des FEP/THV-Elektrets ist in Abb. 2a dargestellt. Nach der Koronapolarisation speichern die beiden Oberflächen des FEP/THV-Elektrets aufgrund des elektrostatischen Induktionseffekts Ladungen mit entgegengesetzter Polarität und ähnlichen Mengen. Die FEP-Oberfläche (Polarisationsoberfläche) weist ein negatives Potential mit der gleichen Polarität wie die Polarisationsspannung auf, und die THV-Oberfläche (Nichtpolarisationsoberfläche) weist ein positives Oberflächenpotential auf. Gemäß den Messergebnissen der thermisch stimulierten Kurzschlussentladung (ergänzende Abbildung S2) gibt es positive und negative Ladungen an der Grenzfläche zwischen der FEP- und der THV-Schicht, und die Anzahl der negativen Ladungen ist ungefähr doppelt so hoch wie die der positiven Ladungen. Im Laufe der Zeit nehmen die durch die Koronapolarisation auf der FEP-Oberfläche injizierten negativen Ladungen und die durch den elektrostatischen Induktionseffekt auf der THV-Oberfläche erzeugten positiven Ladungen allmählich ab. Auch der elektrostatische Induktionseffekt wird allmählich abgeschwächt. Unterdessen führt der Kontakt und die Reibung mit der äußeren Umgebung dazu, dass die THV-Oberfläche negative Ladungen erhält. Wenn die durch Reibung erhaltenen negativen Ladungen allmählich zunehmen und die durch den elektrostatischen Induktionseffekt erzeugten positiven Ladungen übersteigen, ändert sich das Potenzial der THV-Oberfläche von positiver Polarität zu negativer Polarität, und schließlich weisen beide Oberflächen des FEP/THV-Elektrets ein negatives Potenzial auf ein unipolarer Elektret ohne metallisierte Oberfläche sein.

a Der Prozess der Polaritätsumkehr des FEP/THV-Elektrets. Das Oberflächenpotential beider Oberflächen des FEP/THV-Elektrets bei unterschiedlichen Lagerbedingungen b, c, Polarisationsspannungen d, e und Polarisationstemperaturen f, g. b, d, f FEP-Oberfläche, c, e, g THV-Oberfläche

Abbildung 2b,c vergleicht die Oberflächenpotentiale von FEP/THV-Elektreten bei unterschiedlichen Reibungssituationen. Die Polarisationsbedingungen aller Elektrete sind gleich (−8 kV, 20 °C, 10 min). Wir verändern den Kontakt und die Reibung zwischen der THV-Oberfläche und der äußeren Umgebung, indem wir die Lagerbedingungen und die Messfrequenz ändern. Je höher die Messfrequenz ist, desto höher ist die Reibungsfrequenz und desto stärker ist der Reibungsgrad. Ein unversiegelter FEP/THV-Elektret, der in einer offenen Laborumgebung platziert wird, weist die schnellste Ladungsabfallgeschwindigkeit und die kürzeste Zeit zum Erreichen eines stationären Zustands auf. Seine THV-Oberfläche kehrte seine Polarität innerhalb von zwei Tagen nach der Polarisation um. Bei einem versiegelten Elektret, das in einem versiegelten Beutel aufbewahrt wird, gilt: Je geringer der Kontakt und die Reibung mit der äußeren Umgebung, desto langsamer ist die Geschwindigkeit des Ladungsabfalls und desto länger dauert die Polaritätsumkehr der THV-Oberfläche. Das FEP/THV-Elektret mit starker Reibung weist innerhalb von fünf Tagen nach der Polarisation eine Polaritätsumkehr auf der THV-Oberfläche auf. Die FEP/THV-Elektrete mit mäßiger Reibung und leichter Reibung weisen innerhalb von 15 Tagen nach der Polarisierung immer noch keine Polaritätsumkehr auf. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen können wir schließen, dass, wenn das FEP/THV-Elektret keinen Kontakt und keine Reibung mit der äußeren Umgebung hat, seine beiden Oberflächen immer entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Dies beweist, dass es tatsächlich die Reibung ist, die dem Elektret ein unipolares Phänomen verleiht, bei dem beide Oberflächen negativ sind.

Abbildung 2d,e vergleicht das Oberflächenpotential des FEP/THV-Elektrets mit unterschiedlichen Polarisationsspannungen (andere Polarisationsbedingungen außer der Spannung sind gleich, 20 °C, 10 min). Wenn die Polarisationsspannung höher ist als die Durchbruchsgrenze des Elektrets (unter den experimentellen Bedingungen beträgt die Durchbruchsspannung –14 kV), wird das Elektret zersetzt und verliert die Fähigkeit, Ladungen zu speichern, was zu einem niedrigen Oberflächenpotential führt. Innerhalb der Durchbruchsgrenze gilt: Je höher die Polarisationsspannung, desto höher das Potenzial auf beiden Oberflächen des Elektret nach der Polarisation, desto länger dauert es, bis das Elektretpotenzial einen stationären Zustand erreicht, und desto höher ist das Potenzial auf der FEP-Oberfläche in a stabiler Zustand. Bei der THV-Oberfläche verleiht die hohe Polarisationsspannung der Oberfläche ein hohes Anfangspotential. Es dauert lange, bis die Polaritätsumkehr erfolgt. Allerdings ist die Potentialdifferenz im eingeschwungenen Zustand bei unterschiedlichen Polarisationsspannungen gering. Den experimentellen Ergebnissen zufolge ist −12 kV die beste Polarisationsspannung. Bei einer Polarisationsspannung von –12 kV haben die beiden Oberflächen des FEP/THV-Elektrets das höchste negative Potenzial, das bei ~ –495 V bzw. ~ –370 V für die FEP- und THV-Oberflächen liegt.

Abbildung 2f,g vergleicht das Oberflächenpotential des FEP/THV-Elektrets mit unterschiedlichen Polarisationstemperaturen (andere Polarisationsbedingungen außer der Temperatur sind gleich, –8 kV, 10 min). Wir polarisieren das FEP/THV-Elektret bei 20 °C bis 180 °C (die Polarisationsbedingungen, wie z. B. Spannung, sind gleich). Somit ist 180 °C die höchste Arbeitstemperatur des Materials, und wenn sie 180 °C überschreitet, werden die FEP-Schicht und die THV-Schicht getrennt. Wenn die Polarisationstemperatur weniger als 120 °C beträgt, steigt das Oberflächenpotential des FEP/THV-Elektrets mit zunehmender Polarisationstemperatur. Wenn die Polarisationstemperatur zwischen 120 und 180 °C liegt, ist das Anfangspotential der beiden Oberflächen des FEP/THV-Elektrets negativ, und mit steigender Polarisationstemperatur nimmt das negative Potential auf der FEP-Oberfläche allmählich ab und das negative Potential an die THV-Oberfläche nimmt allmählich zu. Wenn die Polarisationstemperatur 180 °C beträgt, steigt das Potenzial auf beiden Oberflächen des FEP/THV-Elektrets wieder an und erreicht bei jeder Temperatur das maximale Oberflächenpotenzial. Daher ist 180 °C die beste Polarisationstemperatur für das FEP/THV-Elektret. Die Oberflächenpotentiale der FEP- und THV-Oberflächen betragen ~ –910 V bzw. ~ –860 V.

Bei den besten Polarisationsbedingungen (–12 kV, 180 °C, 10 min) beträgt das Oberflächenpotential für die FEP- und THV-Oberflächen ~ –970 V bzw. ~ –920 V. Gemäß der ergänzenden Abbildung S3 beträgt die Gesamtladungsdichte des FEP/THV-Elektrets ~ –0,46 mC/m2.

Abgesehen von der Erhöhung der Nettoladungsdichte von einschichtigen Elektreten können mehrschichtige FEP/THV-Elektrete EBMAs mit mehr Ladungen ermöglichen und dadurch die Strahlungsleistung verbessern. Die Anzahl der Schichten des mehrschichtigen Elektrets und der Luftspaltabstand zwischen jeweils zwei Schichten beeinflussen die elektrische Feldverteilung in der Nähe des Elektret (Abb. 3a). Wenn das elektrische Feld zu stark ist, wird der Luftspalt zerstört, was die Leistung des EMBA verringert.

eine COMSOL-Simulation der elektrischen Feldverteilung von mehrschichtigen FEP/THV-Elektreten mit unterschiedlichen Luftspaltabständen: (i) 2 Schichten, Luftspaltabstand beträgt 100 μm; (ii) 2 Schichten, Luftspaltabstand beträgt 300 μm; (iii) 3 Schichten, Luftspaltabstand beträgt 100 μm; (iv) 4 Schichten, Luftspaltabstand beträgt 100 μm. Die Ladungsdichte auf beiden Oberflächen jedes Elektrets wird auf den im Experiment gemessenen Wert eingestellt. b Die Beziehung zwischen den Spannungsabfällen innerhalb des mehrschichtigen FEP/THV-Elektret-Luftspalts und dem Luftspaltabstand. c Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke im Elektret und dem Luftspaltabstand zwischen dem mehrschichtigen FEP/THV-Elektret. d Schematische Darstellung und Fotos, die die Struktur des 3-schichtigen FEP/THV-Elektrets zeigen

Der Zusammenbruch des Luftspalts zwischen dem mehrschichtigen Elektret entspricht dem Paschenschen Gesetz (Gleichung 1). Bei konstantem Luftdruck hängt die Durchbruchspannung (Vbre) vom Luftspaltabstand (d) ab33,34,35.

Dabei bezieht sich A auf die Anregungs- und Ionisierungsenergien, B auf die Sättigungsionisation im Gas bei einem bestimmten Verhältnis von elektrischer Feldstärke zu Druck, P auf den Gasdruck und γse auf den Sekundärelektronenemissionskoeffizienten.

Beim 2-lagigen FEP/THV-Elektret wird unabhängig von der Länge des Luftspalts keine Luft abgebaut (Abb. 3b). Wenn beim dreischichtigen FEP/THV-Elektret der Luftspaltabstand weniger als 56 μm oder mehr als 2,6 mm beträgt, ist die Spannung zwischen den einzelnen Schichtelektreten niedriger als die durch das Paschensche Gesetz beschriebene Durchbruchspannung. Für das 4-lagige FEP/THV-Elektret beträgt der geeignete Luftspaltabstand weniger als 1,8 μm oder mehr als 5,1 mm. Daher können wir immer einen geeigneten Luftspaltabstand finden, damit die Luft zwischen den Elektreten nicht durch das hohe elektrische Feld zerstört wird, das durch die vom Elektret getragenen Ladungen erzeugt wird.

Mit zunehmender Anzahl der Schichten nimmt die elektrische Feldstärke im Elektret zu (Abb. 3c). Je kleiner der Luftspaltabstand ist, desto größer ist die elektrische Feldstärke. Da die Oberflächen der Elektretschichten jeder Schicht Ladungen gleicher Polarität tragen, beeinflussen sich die Ladungen außerdem bei geringem Abstand gegenseitig. Daher ist ein großer Luftspaltabstand vorteilhafter. Beispielsweise wählen wir für ein 3-lagiges FEP/THV-Elektret einen Luftspaltabstand von mehr als 2,6 mm. Um einen gewissen Luftspaltabstand einzuhalten und das mehrschichtige Elektret zu fixieren, verwenden wir zur Herstellung des mehrschichtigen FEP/THV-Elektrets ein 3 mm dickes PET mit Polyacrylatkleber als Abstandshalter und Klebeschicht. Ein schematisches Diagramm und Fotos, die die Struktur des dreischichtigen FEP/THV-Elektrets zeigen, sind in Abb. 3d dargestellt. Konkret beträgt der Abstand zwischen jedem Abstandshalter auf derselben Schicht 1,5 cm und die Länge jedes Abstandshalters 6 cm.

Das Befestigen des Elektrets an der zylindrischen Struktur und die Verwendung eines Motors, um das Elektret in Rotation zu versetzen, ist eine praktikable EBMA-Lösung. Wie in Abb. 4a dargestellt, ist das 3-lagige FEP/THV-Elektret auf der Außenseite eines Zylinders mit einem Radius von 4 cm und einer Höhe von 10 cm abgedeckt. Der Zylinder ist über eine Kupplung mit dem Gleichstrommotor verbunden. Wenn der Gleichstrommotor das Elektret in Rotation versetzt, erzeugt EBMA ein magnetisches Signal mit einer bestimmten Frequenz. Eine detaillierte COMSOL-Simulation des elektromagnetischen Feldes des EBMA wird im Abschnitt „Methoden“ beschrieben. Im eigentlichen Simulationsprozess verwenden wir den Rotationswinkel π/360 als Simulationsschrittgröße, um das dynamische Simulationsergebnis zu erhalten (Ergänzungsvideo 1), und 4 typische statische Zustände werden verwendet, um den Prozess der Feldänderung während der Rotation darzustellen. Wenn sich das Elektret mit dem Zylinder dreht, ändert sich auch die Verteilung des vom Elektret erzeugten Magnetfelds und elektrischen Felds periodisch (Abb. 4b und ergänzende Abb. S4). In der Achsenrichtung des EBMA ändert sich das Magnetfeld nicht und ist ein konstantes Magnetfeld. In radialer Richtung des EBMA ändern sich die magnetische Flussdichte und die Richtung des Magnetfelds periodisch, was bedeutet, dass der EBMA ein Magnetfeldsignal mit derselben Frequenz wie die Rotationsfrequenz erzeugt.

a Die Struktur des 3-Schicht-FEP/THV-basierten EBMA. b COMSOL-Simulation der Magnetfeldverteilung des rotierenden EBMA. Das Elektret nimmt 50 % des Zylinders ein und die Drehwinkel betragen (i) 0°, (ii) 90°, (iii) 180° und (iv) 270°. c Die Bedeckungsfläche des Elektret auf dem Zylinder: (i) 25 %; (ii) 50 %; (iii) 75 %; (iv) 100 %. d COMSOL-Simulation der magnetischen Flussdichte von EBMA mit verschiedenen Elektret-Abdeckungsbereichen. e Abschwächung der magnetischen Flussdichte mit der Entfernung in verschiedenen Medien Luft, Meerwasser und Boden

Die Verteilung des Elektret auf dem Zylinder beeinflusst die Leistung des EBMA. Wenn das Elektret unterschiedliche Flächenanteile des Zylinders abdeckt (Abb. 4c), ist die magnetische Flussdichte, die durch das 3-Schicht-FEP/THV-basierte EBMA erzeugt wird, in Abb. 4d dargestellt (die Ladungsdichte jedes FEP/THV-Elektrets beträgt −0,46 mC/m2, die Rotationsfrequenz des EBMA beträgt 22,5 Hz). Wenn das Elektret weniger als 50 % der Zylinderfläche bedeckt, überlagern sich die von den Ladungen an jeder Position des Zylinders erzeugten Magnetfelder. Wenn die Fläche des Elektrets größer als 50 % ist, haben die elektrischen Ladungen an der symmetrischen Position um den Mittelpunkt des Kreises unterschiedliche Bewegungsrichtungen und die an der Position außerhalb des Zylinders erzeugten Magnetfelder heben sich gegenseitig auf. Daher ist die vom EBMA erzeugte magnetische Flussdichte am größten, wenn die Elektretfläche 50 % beträgt.

Mit der besten Designoptimierung ist die Magnetfeldausbreitung des 3-Schicht-FEP/THV-basierten EBMA in Luft, Meerwasser und Boden in Abb. 4e dargestellt (die Leitfähigkeit von Meerwasser beträgt 4 S/m, die Leitfähigkeit). des Bodens beträgt 0,015 S/m). Wenn die empfangende magnetische Flussdichte 1 fT36,37,38,39,40,41 beträgt, beträgt der effektive Arbeitsabstand der Antenne 136,3 m in der Luft, 71,4 m im Meerwasser und 128,4 m im Boden. Es ist zu beachten, dass Magnetfeldsensoren, einschließlich supraleitender Quanteninterferenzgeräte, SERF-Atommagnetometer und optischer Magnetometrie, Messungen im fT-Bereich und im Sub-fT-Bereich durchführen können.

Das EBMA-Signal-Transceiver-System besteht aus zwei Teilen: Sende- und Empfangskomponenten (Abb. 5a). Das zu sendende Datensignal wird von der Steuerung verarbeitet und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das den EBMA zu einer Bewegung mit der entsprechenden Frequenz antreibt. Anschließend sendet der EBMA ein codiertes magnetisches Signal aus. Der Magnetfeldsensor empfängt das vom EBMA ausgesendete magnetische Signal. Das magnetische Signal wird vom DSP-Gerät (Digital Signal Process) verarbeitet und dann an das Terminal übertragen, wo es in das Originalsignal demoduliert wird. Das reale Testszenario ist in Abb. 5b dargestellt. Der detaillierte Herstellungs- und Testprozess des EBMA-Prototyps wird im Abschnitt „Methoden“ beschrieben.

ein EBMA-Signal-Transceiver-Systemdesign. b Foto, das das reale Testszenario von EBMA zeigt. c Leistungsvergleich von EBMA unter Verwendung verschiedener Elektrete aus bipolarem FEP, unipolarem FEP mit einer metallisierten Oberfläche und 1-, 2-, 3-lagigem FEP/THV-unipolarem Elektret. d Simulierte und getestete magnetische Flussdichte im Verhältnis zur Entfernung und e Strahlungsmuster eines dreischichtigen FEP/THV-basierten EBMA. f Übertragung von „BUAA“ mit der FSK-Kommunikationsmethode durch einen dreischichtigen FEP/THV-basierten EBMA

Durch den Wechsel des für den EBMA verwendeten Elektretmaterials ändert sich die Intensität der vom EBMA erzeugten Strahlung. Die magnetische Flussdichte korreliert positiv mit der Nettoladungsdichte des Elektret. Bei gleichem Empfangsabstand (8 cm) beträgt die vom EBMA unter Verwendung des FEP/THV-Elektrets erzeugte magnetische Flussdichte das 4,63-fache der des FEP-Elektrets mit einer metallisierten Oberfläche und das 11,66-fache der des bipolaren FEP-Elektrets (Abb. 5c). . Tests zur magnetischen Flussdichte des EBMA unter Verwendung verschiedener Schichten von FEP/THV-Elektreten zeigen, dass eine Erhöhung der Anzahl der Elektretschichten die magnetische Flussdichte annähernd linear erhöht. Die maximale magnetische Flussdichte, die von einem 3-Schicht-FEP/THV-basierten EBMA erzeugt wird, beträgt ~ 5,36 nT.

Bei der Messung der magnetischen Flussdichte, die von einem EBMA auf 3-Schicht-FEP/THV-Basis in verschiedenen Abständen erzeugt wird, stimmen die Messergebnisse mit den oben genannten Simulationsergebnissen überein (Abb. 5d). In einem Abstand von 0,3 m beträgt die vom 3-Schicht-FEP/THV-basierten EBMA erzeugte magnetische Flussdichte etwa 0,1 nT. Durch Erhöhung der Anzahl der Elektretschichten, Vergrößerung der Größe oder Verwendung eines Magnetfeldsensors mit höherer Präzision kann der FEP/THV-basierte EBMA einen längeren effektiven Arbeitsabstand erreichen. Innerhalb der Messstrecke beträgt die Abschwächung der vom EBMA erzeugten magnetischen Flussdichte mit der Strecke (r) \(\frac{1}{{r^2}}\). Das in der ergänzenden Abbildung S5 bereitgestellte theoretische Modell stützt diese Schlussfolgerung ebenfalls. Dies ist einer der Vorteile einer EBMA im Vergleich zu einer magnetbasierten mechanischen Antenne (MBMA), da die Dämpfung der von einer MBMA erzeugten magnetischen Flussdichte mit der Entfernung \(\frac{1}{{r^3}) beträgt. }\) 42,43,44. Ein EBMA weist im Nahfeld eine geringe Dämpfung auf. Darüber hinaus ist der Arbeitsabstand des EBMA bei gleicher Intensität der Strahlungsquelle größer als der des MBMA. Bei einer anderen Art mechanischer Antenne auf Basis piezoelektrischer Materialien liegt die Arbeitsfrequenz normalerweise über einer sehr niedrigen Frequenz (3 kHz ~ 30 kHz) und ihre Anwendungsszenarien unterscheiden sich von dem in dieser Arbeit vorgeschlagenen EBMA.

Die magnetische Flussdichte wurde mit der entsprechenden Signalfrequenz an jeder Position in der EBMA-Rotationsebene und in der Ebene senkrecht zur Rotationsebene im gleichen Abstand (8 cm) gemessen, wie in Abb. 5e dargestellt. In der rotierenden Ebene ist die magnetische Flussdichte an jeder Position im gleichen Abstand vom EBMA gleich. Die EBMA ist eine Rundstrahlantenne in einer rotierenden Ebene. In der Ebene senkrecht zur Rotationsebene ist die magnetische Flussdichte in Richtung der EBMA-Achse am kleinsten und die magnetische Flussdichte in Richtung senkrecht zur Achse am größten.

Für den EBMA ist die direkte Antennenmodulation (DAM) ein geeignetes Modulationsverfahren. Durch direktes Ändern der Rotationsfrequenz des EBMA, um die Frequenz des magnetischen Signals mithilfe der Frequenzumtastung (FSK) zu ändern, stellen Signale mit unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Dateninformationen dar (ergänzende Abbildung S6). Die maximale Frequenz von FSK und die Frequenzbandbreite, die Informationen ausdrücken kann, hängen von den mechanischen Eigenschaften wie Drehmoment und Drehzahl des Motors ab. Wir verwenden 0,1 Hz FSK und ausgedrückte Signale von „0“ und „1“ mit 17,5 Hz und 22,5 Hz und führen dann EBMA-Signalübertragungs- und Empfangstests durch. Der Abstand zwischen dem Signalempfangsgerät und dem EBMA beträgt 8 cm. Bei einer Leistung eines EBMA von weniger als 5 W werden die vom EBMA unter Verwendung eines binären ASCII-Codes übertragenen ELF-Informationen von „BUAA“ deutlich auf dem Empfangsterminal angezeigt (Abb. 5f), was ein Anwendungsbeispiel unseres vorgeschlagenen EBMA demonstriert. Es ist zu beachten, dass die Übertragungsentfernung erweitert werden kann, wenn die Größe/Leistung des EBMA erhöht wird oder wenn ein Magnetsensor mit höherer Empfindlichkeit verwendet wird.

In dieser Arbeit wird eine mechanische Antenne auf Elektretbasis mit hoher Strahlungsleistung unter Verwendung unipolarer FEP/THV-Elektrete vorgeschlagen. Wir bestätigen, dass die Unipolarität des FEP/THV-Elektrets durch Reibung verursacht wird und nutzen die Unipolarität des FEP/THV-Elektrets, um eine Gesamtladungsdichte von –0,46 mC/m2 für eine einzelne Elektretschicht zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Stapelung mehrerer Schichten von FEP/THV-Elektreten einem EBMA eine stärkere Strahlungsleistung. Durch die Optimierung des Designs der Elektretverteilung kann sich der EBMA 136,3 m in der Luft, 71,4 m im Meerwasser und 128,4 m im Boden ausbreiten, wenn die empfangende magnetische Flussdichte 1 fT beträgt. Als Anwendungsdemonstration werden ELF-Informationen von „BUAA“ mit der FSK-Kommunikationsmethode durch einen dreischichtigen FEP/THV-basierten EBMA mit geringem Stromverbrauch (< 5 W) übertragen. Unsere Arbeit verbessert die Leistung eines EBMA und bietet eine effektive Strategie für die Entwicklung miniaturisierter Antennen für die ELF-Kommunikation in der Luft, unter Wasser und im Untergrund.

Die FEP/THV-Folie wird durch Heißpressen hergestellt. Zwei Gramm THV815-Pellets wurden in einen flachen Vulkanisator (ST15-YP, Kunshan Lugong Precision Instrument Co., Ltd.) gegeben und 2 Minuten lang bei 240 °C gehalten, damit die THV815-Pellets vollständig schmelzen konnten. Die Mischung wurde auf 10 MPa unter Druck gesetzt und 5 Minuten lang aufrechterhalten. Nach dem Abkühlen wurde der THV-Film entfernt. Anschließend wurden der THV-Film und der kommerzielle FEP-Film in einen flachen Vulkanisator gelegt, die Temperatur auf 240 °C eingestellt, der Druck auf 15 MPa eingestellt und die Temperatur 5 Minuten lang aufrechterhalten. Nach dem Abkühlen wurde der FEP/THV-Film entfernt.

Das Elektret wird durch Koronapolarisation polarisiert. Ein gittergesteuertes Koronapolarisationsgerät mit konstanter Spannung erzeugt ein gleichmäßiges elektrisches Feld (ergänzende Abbildung 2). Unter Standardbedingungen beträgt die Polarisationsspannung –8 kV, die Polarisationstemperatur 20 °C und die Polarisationszeit 10 Minuten. Wenn eine bestimmte Polarisationsbedingung geändert wird, bleiben die anderen Bedingungen gleich.

Als geometrisches Modell eines EBMA wird ein Zylinder mit einem Radius von 4 cm und einer Höhe von 10 cm ermittelt. Ein am Zylinder befestigter Elektret wird simuliert, indem die Außenwand des Zylinders mit einer elektrischen Ladung beaufschlagt wird. Die Oberflächenladungsdichte richtet sich nach der Gesamtladungsdichte des von uns verwendeten Elektrets. Beim beweglichen Netzmodul wird die Mittelachse des Zylinders als Rotationsachse festgelegt und anschließend die Rotationsfrequenz auf 22,5 Hz eingestellt. Das Modul für transiente elektromagnetische Wellen wird zur Lösung der Maxwell-Gleichungen für die Finite-Elemente-Simulation der Magnetfeldstrahlungseigenschaften des EBMA verwendet.

Der EBMA besteht aus einem Gleichstrommotor, einer Kupplung, einer Tragstruktur und einem Elektret. Der Gleichstrommotor ist ein bürstenloser Gleichstromgetriebemotor JGB37-3650. Die maximale Rotationsfrequenz des Gleichstrommotors beträgt 22,5 Hz und das Drehmoment bei dieser Frequenz beträgt 0,12 N·m. Bei der Kupplung handelt es sich um eine M2006-Motorkupplung mit 6 mm D-Loch. Die tragende Struktur ist ein dünnwandiger Zylinder aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Kunststoff. Der Radius des Zylinders beträgt 4 cm und die Länge 10 cm. Das 3-lagige FEP/THV-Elektret nimmt 50 % der Zylinderfläche ein.

Der Magnetfeldsensor, der das magnetische Signal empfängt, ist ein Bartington Mag-13 Fluxgate. Das DSP-Gerät ist ein SR810-Lock-in-Verstärker von Stanford Research Systems. Bei der Messung der vom EBMA erzeugten magnetischen Flussdichte mit verschiedenen Elektreten, der Beziehung zwischen magnetischer Flussdichte und Abstand sowie der FSK-Modulation befindet sich das Empfangsgerät in der Ebene der vertikalen Linie der Zylinderachse. Das gesamte gemessene Magnetfeld wird vom Motor und vom Elektret erzeugt, und die beiden Quellen haben die gleiche Phase und Frequenz. An jedem Testpunkt messen wir zunächst das vom Motor ohne Elektret erzeugte Magnetfeld, das den Hintergrundwert darstellt. Das vom Elektret erzeugte Magnetfeld ist die Differenz zwischen dem Gesamtmesswert und dem Hintergrundwert.

Alle relevanten Daten sind auf Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde teilweise von der National Natural Science Foundation of China (51707006), der Natural Science Foundation of Beijing (4192033) und dem Science and Technology Development Fund, Macau SAR (Grant no. 0018/2019/AKP, SKL-) unterstützt. IOTSC(UM)-2021-2023, 0059/2021/AFJ und 0040/2021/A1).

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Xiao-Lied

Staatliches Schlüssellabor für das Internet der Dinge für Smart City und Abteilung für Elektromechanik, Universität Macau, Macau, SAR, 999078, China

Zhi-Xin Yang

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YC, MW und JZ haben die Forschung entworfen. MW führte die Herstellung, Polarisation und Charakterisierung des Elektrets durch. ZL führte die Analyse des elektrischen Elektretfelds durch. CW führte die COMSOL-Simulation durch. MW führte die Magnetfeldmessungen durch. XS und HY lieferten Vorschläge zum Gerätedesign und zu Anwendungen. YC, MW, ZY und JZ diskutierten die experimentellen Ergebnisse und verfassten das Manuskript. Alle Autoren haben das Manuskript kritisch geprüft und kommentiert. JZ, YC und XS leiteten diese Forschung.

Korrespondenz mit Yong Cui, Xiao Song oder Junwen Zhong.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cui, Y., Wu, M., Li, Z. et al. Eine miniaturisierte mechanische Antenne basierend auf unipolaren FEP/THV-Elektreten für die Übertragung extrem niedriger Frequenzen. Microsyst Nanoeng 8, 58 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00395-x

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Eingegangen: 01. März 2022

Überarbeitet: 26. April 2022

Angenommen: 28. April 2022

Veröffentlicht: 31. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00395-x

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Eine miniaturisierte mechanische Antenne basierend auf unipolaren FEP/THV-Elektreten für die Übertragung extrem niedriger Frequenzen