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微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端

阅读：805发布：2021-02-25

IPRDB可以提供微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端由微波天线、悬臂梁LC带阻滤波器、电磁-热-电能量转换器、悬臂梁LC带通滤波器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器、中频滤波器、充电电池和直流电源构成。微波信号由微波天线接收后通过悬臂梁LC带通波器进行滤波，再依次放大、混频、中频滤波后输出，干扰信号被带通滤波器反射形成的驻波会通过悬臂梁LC带阻滤波器，进而被电磁-热-电能量转换器转化为直流输出，并将能量储存于电池之中，为低噪声放大器、混频器和本地振荡器供电。该结构能够收集干扰信号的能量，避免了信号阻塞，改善了电磁兼容环境，提高了系统的稳定性；实现了微波接收前端中有源器件的自供电。，下面是微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端，其特征在于该微波接收机前端是由微波天线(1)、悬臂梁LC带阻滤波器(2)、电磁-热-电能量转换器(3)、充电电池(4)、直流电源(5)、悬臂梁LC带通滤波器(6)、低噪声放大器(7)、混频器(8)、本地振荡器(9)和中频滤波器(10)构成；具体结构的连接关系如下：微波天线(1)连接到悬臂梁LC带通滤波器(6)的输入端，悬臂梁LC带通滤波器(6)输出端与低噪声放大器(7)的输入相连接，低噪声放大器(7)的输出连接混频器(8)的一个信号输入端，本地振荡器(9)的输出端与混频器(8)的本地振荡信号输入端口相连，混频器(8)的输出端与中频滤波器(10)输入端相连，中频滤波器(10)的输出端输出微波接收机后端可处理的相对稳定的中频信号；悬臂梁LC带通滤波器(6)的输入端口与悬臂梁LC带阻滤波器(2)的输入端并联连接，悬臂梁LC带阻滤波器(2)的输出端连接电磁-热-电能量转换器(3)，电磁-热-电能量转换器(3)连接充电电池(4)，充电电池(4)与直流电源(5)并联后，为低噪声放大器(7)，混频器(8)，本地振荡器(9)提供能量并实现自供电；所述的电磁-热-电能量转换器(3)中的纳米热电堆可以高效的将未通过悬臂梁LC带通滤波器(6)的干扰信号的能量收集并储存于充电电池(4)中；电磁-热-电能量转换器(3)以Si(11)为衬底，在硅衬底(11)上氧化一层SiO2层(12)，共面波导(26)作为微波信号输入端，终端电阻(27)位于其末端，将输入的微波能量转化为热能；P型多晶硅纳米线簇(28)，N型多晶硅纳米线簇(29)，金属臂(35)和聚甲基丙烯酸甲酯(34)构成纳米热电堆，靠近终端电阻(27)的一端为热端(31)，远离终端电阻(27)的一端为冷端(32)，其中多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50-200，多晶硅纳米线由深紫外光刻形成，直径为1-100nm，高度为2-10um；根据Seebeck效应，由纳米热电堆将终端电阻(27)产生的热转换为电能，通过输出电极(30)输出直流电压，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，大大地增大输出电压。

2.根据权利要求1所述的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端，其特征在于所述的悬臂梁LC带通滤波器(6)包括平面电感L1、平面电感L2和电容式悬臂梁K1、电容式悬臂梁K2；电容式悬臂梁K1的第三段传输线(20)和平面电感L1的第一段传输线(13)相连构成为滤波器的输入端，电容式悬臂梁K1的第四段传输线(21)连接地，平面电感L1的第二段传输线(14)连接电容式悬臂梁K2的第三段传输线(20)和平面电感L2的第一段传输线(13)，平面电感L2的第二段传输线(14)接地，电容式悬臂梁K2的第四段传输线(21)作为滤波器的输出端，通过控制电容式悬臂梁K1和电容式悬臂梁K2的下拉驱动电极(19)上的下拉驱动电压能够调节接入的电容的大小从而调节悬臂梁LC带通滤波器的通带频域。

3.根据权利要求1所述的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端，其特征在于所述的悬臂梁LC带阻滤波器(2)包括平面电感L2、平面电感L1和电容式悬臂梁K2、电容式悬臂梁K1；电容式悬臂梁K2的第三段传输线(20)和平面电感L2的第一段传输线(13)相连构成为滤波器的输入端，电容式悬臂梁K2的第四段传输线(21)连接地，平面电感L2的第二段传输线(14)连接电容式悬臂梁K1的第三段传输线(20)和平面电感L1的第一段传输线(13)，平面电感L1的第二段传输线(14)接地，电容式悬臂梁K1的第四段传输线(21)作为滤波器的输出端，通过控制电容式悬臂梁K1和电容式悬臂梁K2的下拉驱动电极(19)上的下拉驱动电压能够调节接入的电容的大小从而调节悬臂梁LC带阻滤波器的阻带频域，使得悬臂梁LC带阻滤波器(2)阻带的频域与悬臂梁LC带通滤波器(6)通带的频域相同，形成互补。

4.根据权利要求1所述的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端，其特征在于所述的平面电感L1、L2以硅(11)为衬底，在硅衬底(11)上氧化一层SiO2层(12)，其表面两边分别有第一段传输线(13)、第二段传输线(14)，电感线圈(15)通过第一连接支撑柱(16)、第二连接支撑柱(17)别与第一段传输线(18)第二段传输线(14)连接并悬空在位于第一段传输线(13)上氮化硅介质层(18)和第二段传输线(14)之上；所述的电容式悬臂梁K1、K2在SiO2层(12)的上表面有下拉电极(19)，两端有第三段传输线(20)和第四段传输线(21)，在第四段传输线(20)的内侧上部有第二氮化硅介质层(22)，在下拉电极(19)上设有第一氮化硅介质层(23)，在第三段传输线(20)上有锚区(24)，锚区(24)与悬臂梁(25)的一端相连，悬臂梁(25)悬空在第一氮化硅介质层(23)和第二氮化硅介质层(22)的上方。

说明书全文

微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端

技术领域

[0001] 本发明提出了一种微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

[0002] 微波接收机是无线收发系统中重要的组成部分，传统的微波接收机前端在大干扰信号下，会发生信号的阻塞，形成的驻波会造成电磁干扰，污染系统的电磁环境；同时滤波器的通带中心频率不可调，限制了接收机前端的使用范围。近年来，随着MEMS/NEMS技术的研究以及其在微波通讯领域的发展，使得微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端具有实现的可能。

发明内容

[0003] 技术问题：本发明的目的是提供微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端。使用微波天线接收到的微波信号，接入悬臂梁LC带通滤波器进行滤波，同时利用悬臂梁LC带阻滤波器和电磁-热-电能量转换器完成大干扰信号的能量收集，减少驻波电磁干扰的目的。滤波后的信号进入低噪声放大器放大后，依次进入混频器、中频滤波器，最终实现中频输出。电磁-热-电能量转换器由纳米热电堆构成，其多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，大大地增大了输出电压。

[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端。该微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端包括：微波天线、悬臂梁LC带阻滤波器、电磁-热-电能量转换器、充电电池、直流电源、悬臂梁LC带通滤波器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器和中频滤波器。

[0005] 微波天线，用来接收微波信号。

[0006] 悬臂梁LC带通滤波器，使得带有调制信号的载波得以通过，反射通频带外的干扰信号。其由电容式悬臂梁K1、电容式悬臂梁K2和平面电感L1、平面电感L2构成，其中电容式悬臂梁K1和平面电感L1一端相连构成为滤波器的输入端，电容式悬臂梁K1的另一端连接地，平面电感L1的另一端连接电容式悬臂梁K2和平面电感L2，平面电感L2的另一端接地，电容式悬臂梁K2另一端作为滤波器的输出端。

[0007] 悬臂梁LC带阻滤波器是由基于MEMS技术的电容式悬臂梁K2、电容式悬臂梁K1和平面电感L2、平面电感L1构成,其中电容式悬臂梁K2和平面电感L2一端相连构成为滤波器的输入端，电容式悬臂梁K2的另一端连接地，平面电感L2的另一端连接电容式悬臂梁K1和平面电感L1，平面电感L1的另一端接地，电容式悬臂梁K1另一端作为滤波器的输出端，通过控制电容式悬臂梁K1和电容式悬臂梁K2的下拉驱动电压能够调节接入的电容大小可以调节滤波器的通带频域，悬臂梁LC带阻滤波器阻带的频域与悬臂梁LC带通滤波器通带的频域相同，形成互补，可以收集无法通过悬臂梁LC带通滤波器的干扰信号的能量。

[0008] 电磁-热-电能量转换器由共面波导、终端电阻和纳米热电堆构成，共面波导作为电磁-热-电能量转换器的输入端，由终端电阻将微波能量转化为热能，而由于Seebeck效应，纳米热电堆将热能转化为直流电压输出。纳米热电堆是由多对热电偶串联而成，垂直衬底表面的N型多晶硅纳米线簇和P型多晶硅纳米线簇构成了热电偶的半导体臂。因为热量皆由热电堆的热端传递到冷端，所以热电偶在传热学上并联。为了增加纳米热电堆结构的稳定性，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯。

[0009] 充电电池，将纳米热电堆得到的直流电压能量储存在电池之中，同时与直流电源并联，给有源电路实现自供电。

[0010] 低噪声放大器，放大输入的微波信号，并接入混频器。

[0011] 混频器，通过与本地振荡器混频，将微波信号变换为中频微波信号。

[0012] 本地振荡器，产生本地振荡信号。

[0013] 中频滤波器，滤波后输出中频信号。

[0014] 有益效果：

[0015] 1.本发明的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端实现了对接收信号的滤波、放大、混频和中频输出以及对干扰信号的能量收集。本发明中的悬臂梁LC带阻滤波器阻带的频域与悬臂梁LC带通滤波器通带的频域相同，形成互补，无法通过悬臂梁LC带通滤波器的干扰信号会通过悬臂梁LC阻带滤波器，进而被电磁-热-电能量转换器转换成直流电压，在滤波的同时，实现了对干扰信号的能量收集，也改善了电路的电磁兼容环境。

[0016] 2.电磁-热-电能量转换器中纳米热电堆的多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，大大地增大了输出电压。收集的能量存储在充电电池中，充电电池与直流电源并联，给有源电路部分实现自供电。

附图说明

[0017] 图1为本发明的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端的原理框图；

[0018] 图2是悬臂梁LC带通滤波器的原理图；

[0019] 图3是悬臂梁LC带阻滤波器的原理图；

[0020] 图4是平面电感的俯视图；

[0021] 图5是平面电感的AA’面剖面图；

[0022] 图6是电容式悬臂梁的俯视图；

[0023] 图7是电容式悬臂梁的BB’面剖面图；

[0024] 图8是电磁-热-电能量转换器的俯视图；

[0025] 图9是电磁-热-电能量转换器的AA’面剖面图

[0026] 图10是电磁-热-电能量转换器的BB’面剖面图。

[0027] 图中包括：微波天线1，悬臂梁LC带阻滤波器2，电磁-热-电能量转换器3，充电电池4，直流电源5，悬臂梁LC带通滤波器6，低噪声放大器7，混频器8，本地振荡器9，中频滤波器
10。悬臂梁LC带通滤波器6和悬臂梁LC带阻滤波器2均由平面电感和电容式悬臂梁构成，平面电感由第一段传输线13、第二段传输线14、电感线圈15、第一连接支撑柱16、第二连接支撑柱17、氮化硅介质层18构成；电容式悬臂梁由下拉电极19、第三段传输线20、第四段传输线21、第二氮化硅介质层22、第一氮化硅介质层23、锚区24和悬臂梁25构成。电磁-热-电能量转换器3由共面波导26、终端电阻27、P型多晶硅纳米线簇28、N型多晶硅纳米线簇29、输出电极30、热端31、冷端32、衬底薄膜结构33、聚甲基丙烯酸甲酯34、金属臂35构成。

具体实施方式

[0028] 本发明的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端的具体实施方案如下：

[0029] 本发明提出微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端包括：微波天线1，悬臂梁LC带阻滤波器2，电磁-热-电能量转换器3，充电电池4，直流电源5，悬臂梁LC带通滤波器6，低噪声放大器7，混频器8，本地振荡器9，中频滤波器10。悬臂梁LC带通滤波器6和悬臂梁LC带阻滤波器2均由平面电感L1、L2和电容式悬臂梁K1、K2构成。

[0030] 如图1所示，微波天线1接收到微波信号，该信号经过悬臂梁LC带通滤波器6后，在实现滤波的同时，悬臂梁LC带通滤波器6反射形成的驻波能量会被输入端并联的悬臂梁LC带阻滤波器2吸收。而后信号到达下一级的低噪声放大器7，被放大的微波信号经过混频器8与本地振荡器9，使该微波信号下变频到中频，在经中频滤波器10滤波后，便可得到可以处理的中频信号。悬臂梁LC带阻滤波器2依次连接电磁-热-电能量转换器3、充电电池4，充电电池4与直流电源5并联后，为低噪声放大器7，混频器8和本地振荡器9提供能量。

[0031] 如图2所示，悬臂梁LC带通滤波器6由平面电感L1、平面电感L2和电容式悬臂梁K1、电容式悬臂梁K2构成。其中电容式悬臂梁K1和平面电感L1一端相连构成为滤波器的输入端，电容式悬臂梁K1的另一端连接地，平面电感L1的另一端连接电容式悬臂梁K2和平面电感L2，平面电感L2的另一端接地，电容式悬臂梁K2另一端作为滤波器的输出端。

[0032] 如图3所示，悬臂梁LC带阻滤波器2由平面电感L2、平面电感L1和电容式悬臂梁K2、电容式悬臂梁K1构成。其中电容式悬臂梁K2和平面电感L2一端相连构成为滤波器的输入端，电容式悬臂梁K2的另一端连接地，平面电感L2的另一端连接电容式悬臂梁K1和平面电感L1，平面电感L1的另一端接地，电容式悬臂梁K1另一端作为滤波器的输出端。

[0033] 如图4是平面电感的俯视图，图5是平面电感的AA’面剖面图。在硅衬底11上氧化一层SiO2层12，平面电感在其上表面两边分别有第一段传输线13、第二段传输线14，电感线圈15通过第一连接支撑柱16、第二连接支撑柱17分别与第一段传输线13第二段传输线14连接并悬空在位于第一段传输线13上的氮化硅介质层18和第二段传输线14之上。

[0034] 如图6是电容式悬臂梁的俯视图，图7是电容式悬臂梁的BB’面剖面图。电容式悬臂梁以硅11衬底，在SiO2层12的上表面有下拉电极19，在两端有第三段传输线20和第四段传输线21，在第四段传输线20的内侧上部有第二氮化硅介质层22，在下拉电极19上设有第一氮化硅介质层23，在第三段传输线20上有锚区24，锚区24与悬臂梁25的一端相连，悬臂梁25悬空在第一氮化硅介质层23和第二氮化硅介质层22的上方。

[0035] 如图8是电磁-热-电能量转换器3的俯视图，图9是电磁-热-电能量转换器3的AA’面剖面图，图10是电磁-热-电能量转换器3的BB’面剖面图。电磁-热-电能量转换器3由共面波导26、终端电阻27和纳米热电堆构成，共面波导26作为电磁-热-电能量转换器3的输入端，由终端电阻27将微波能量转化为热能，而由于Seebeck效应，纳米热电堆将热能转化为直流电压输出。纳米热电堆是由多对热电偶串联的热电堆构成，垂直衬底表面的P型多晶硅纳米线簇28和N型多晶硅纳米线簇29构成了热电偶的半导体臂，多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50-200，多晶硅纳米线直径为1-100nm，高度为2-10um，热电堆中P型多晶硅纳米线簇28和N型多晶硅纳米线簇29之间由金属臂35连接。因为热量皆由热电堆的热端传递到冷端，所以热电偶在传热学上并联。为了增加热电堆的稳定性，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯34。

[0036] 面向微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端的制备方法包括以下几个步骤：

[0037] 1)准备4英寸高阻Si衬底，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400μm；

[0038] 2)热生长一层厚度为1.2μm的SiO2层；

[0039] 3)采用低压化学气相淀积(LPCDV)工艺生长一层厚度为2μm的多晶硅；

[0040] 4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域以外，其他区域被光刻胶保护，并注入磷(P)离子，掺杂浓度为1015cm-2，形成终端电阻；

[0041] 5)采用LPCVD工艺生长一层二氧化硅作为掩膜层，对多晶硅进行深紫外光刻，形成多晶硅纳米线结构；

[0042] 6)分别对多晶硅纳米线的相应区域进行N型磷离子掺杂和P型硼离子掺杂，分别形成P型多晶硅纳米线簇和N型多晶硅纳米线簇；

[0043] 7)涂覆一层光刻胶，涂光刻胶并胶并光刻刻蚀出共面波导、输出电极、第一段传输线、第二段传输线、第三段传输线、第四段传输线、金属pad及下拉电极的形状；

[0044] 8)电子束蒸发(EBE)形成第一层金(Au)，厚度为0.3μm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成第一段传输线、第二段传输线、第三段传输线、第四段传输线、金属pad、下拉电极、共面波导、输出电极、金属臂以及热电堆金属互连线；

[0045] 9)光刻、淀积SiN介质层：在第一段、第四段传输线上午部分区域和下拉电极上用等离子增强化学气相淀积工艺生长的Si介质层并光刻；

[0046] 10)旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯填充热电偶之间的间隙，提高热电堆结构的稳定性；

[0047] 11)均匀涂覆一层空气层并光刻图形，厚度为2μm，保留空气桥下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

[0048] 12)涂覆光刻胶，光刻去除悬臂梁、电感线圈、共面波导及输出电极位置的光刻胶；

[0049] 13)蒸发500/1500/ 的Ti/Au/Ti的种子层，去除顶部的Ti层后再电镀一层厚度为2μm的Au层；

[0050] 14)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成悬臂梁、电感线圈、共面波导及输出电极；

[0051] 15)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作薄膜结构；

[0052] 16)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除空气桥下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

[0053] 本发明的不同之处在于：

[0054] 本发明的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端，使用悬臂梁LC带通滤波器对微波信号进行滤波，悬臂梁LC带通滤波器滤波频段外的干扰信号会形成驻波从而阻塞电路，悬臂梁LC带阻滤波器的通带频段与驻波信号频段相同，可以收集无法通过悬臂梁LC带通滤波器干扰信号，并利用电磁-热-电能量转换器转换成直流电压，最终存储在充电电池中，悬臂梁LC带阻滤波器阻带的频域与悬臂梁LC带通滤波器通带的频域相同，形成互补，此设计在滤波的同时，实现了干扰信号能量的收集，也改善了电路的电磁兼容环境。

[0055] 本发明中的电磁-热-电能量转换器包含纳米热电堆，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，大大地增大了输出电压。纳米热电堆输出直流电压给充电电池充电储能，充电电池与直流电源并联后，为低噪声放大器、混频器和本地振荡器供电，实现有源电路的自供电。

[0056] 满足以上条件的结构即可视为本发明的微纳电磁能量收集自供电的悬臂梁微波接收机前端。

标题	发布/更新时间	阅读量
悬臂梁的制作方法、悬臂梁及MEMS器件-专利编号CN105329845B	2020-05-13	578
悬臂梁式弹性体-专利编号CN103162775B	2020-05-11	1010
悬臂梁总装方法-专利编号CN104179162B	2020-05-11	227
悬臂梁的制作方法、悬臂梁及MEMS器件-专利编号CN105329845A	2020-05-13	145
悬臂梁总装方法-专利编号CN104179162A	2020-05-11	916
悬臂梁式弹性体-专利编号CN103162775A	2020-05-12	106
一种悬臂梁结构-专利编号CN108193833B	2020-05-11	494
起重机悬臂梁-专利编号CN102992190A	2020-05-12	1035
悬臂梁光探测器-专利编号CN101421597A	2020-05-12	200
一种悬臂梁结构-专利编号CN108193833A	2020-05-13	429

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