CN101015120B - 热-机械信号处理 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及从调幅广播信号中抽取基带信息的方法与装置。在一些实施例中，本方法可包括将射频信号转换为热并测量表示射频信号的温度变化。可将热的振荡转换成机械运动。用微制造热-机械致动器来产生机械运动。该致动器可具有与温度变化的频率相匹配的谐振频率。
Description
技术领域
本文描述的发明得到受国家科学基金资助的DMR0079992项下的美国政府支持。美国政府享有本发明的一定权益。
本申请要求序号为60/496431的美国临时申请(2003年8月20提交的、题为热-机械信号处理的方法与装置(Method and Apparatus forThermal-Mechanical Signal Processing))的优先权，本文通过引用而包括该申请。本申请还要求序号为60/496421的美国临时申请(2003年8月20提交，题为薄壳型微机械致动器与谐振器(Shell-TypeMicromechanical Actuator and Resonator))的优先权，本文通过引用而包括该申请。本申请与序号为10/097078的美国申请(2003年8月20提交，题为热抽运参数MEMS器件(Heat Pumped Parametric MEMSDevice))有关，本文通过引用而包括该申请。
本发明涉及从广播信号中抽取基带信息的方法与装置。
背景技术
有许多不同的方法可进行信号处理。在一种信号处理中，元器件被用来分离载波信号并从信号中抽取基带信息，比如广播信号。现有的元器件的功耗和占用空间均大于所要求的指标，且不容易在一个单片收发机上实现。
发明内容
源信号被变换成用来产生机械运动的时变温度场。在一实施例中，这种从源信号到时变温度场的变换利用一种微制造的快速响应、辐射热计式射频功率计提供。并可利用一种谐振式微机械致动器来读取温度。
在一实施例中，实现了载波分离和从广播信号抽取基带信息所必需的部分或全部信号处理。热-机械处理被发射机通路中的基带信号用于频率基准生成和载波信号的频率调制。可节省功耗并能在一单片收发机上实现这种信号处理。
本发明一方面提供了从广播信号中抽取基带信息的信号处理方法。所述方法包括：将射频信号转换成热；以及测量代表所述射频信号的温度变化，其中所述热的振荡被转换成机械运动，其中用微制造热-机械致动器来产生所述机械运动，以及其中，所述致动器具有与所述温度变化的频率相匹配的谐振频率。
本发明另一方面提供了一种从调幅广播信号中抽取基带信息的信号处理方法。所述方法包括：用其热惯量小到足以跟随调制的微制造电阻加热器将所述调幅广播信号转换成热；以及测量所述微制造电阻加热器中的温度变化，其中所述热的振荡被转换成机械运动，其中用微制造热-机械致动器来产生所述机械运动，以及其中所述致动器具有与所述温度变化的频率相匹配的谐振频率。
本发明再一方面提供了一种从广播信号中抽取基带信息的装置。所述装置包括：将所述广播信号转换成温度振荡的微制造辐射热计；以及接近所述辐射热计的、将所述温度振荡转换成机械运动的微制造热-机械致动器，其中，所述辐射热计与所述致动器的边缘部直接连接。
本发明又一方面提供了一种将射频信号变换成用来产生机械运动的时变温度场的方法。所述方法包括：将射频信号转换成时变温度场；用所述时变温度场调制机械运动；以及测量所述机械运动，其中将所述时变温度场中的振荡转换成所述机械运动，其中用热-机械致动器来产生所述机械运动，以及其中，所述热-机械致动器具有与所述温度变化的频率相匹配的谐振频率。
本发明另一方面提供了一种从广播信号中抽取基带信息的装置。所述装置包括：将所述广播信号中的所述基带信息转换成时变热量场的微制造辐射热计；由衬底支撑的具有圆拱形的微制造热-机械致动器，所述辐射热计设于所述圆拱形的边缘，以使所述辐射热计提供的所述时变热量场改变所述致动器的机械振荡；以及响应所述致动器的所述所改变机械振荡而生成信号的单元。
本发明再一方面还提供了一种频率发生器装置。所述频率发生器装置包括：包含圆拱式微制造致动器的机械谐振器；与所述谐振器连接的微加热器，所述微加热器包含对射频信号热响应的辐射热计，且所述辐射热计与所述圆拱式致动器的边缘部直接连接；测量所述机械谐振器的运动的单元；以及向所述微加热器提供反馈的单元。
附图说明
图1是本发明一实施例的将热转换为运动的信号处理装置的框图。
图2表示本发明一实施例的具有将热转换为运动的辐射热计的振荡盘。
图3是本发明一实施例的采用微加热器和谐振器的FM收音机的框图。
图4是本发明一实施例的具有热转换反馈环路的频率发生器的框图。
具体实施方式
以下的说明参照作为本文之组成部分的附图，它们通过图示说明可实现的具体实施例。对这些实施例的细致描述足以使本领域技术人员能够实现本发明，应知，若不偏离本发明之范围也可利用其他的实施例以及进行结构、逻辑和电路上的变更。因此，对以下的描述不应从限定的意义上理解，本发明的范围由后附的权利要求书规定。
图1的框图示出一个关于系统100的实施例，该系统将信号转换为机械运动。辐射热计110(例如微米或纳米标度的辐射热计)接收射频信号115。在一实施例中，天线将射频电磁信号转换成电信号，该电信号又由辐射热计110(例如由一个小电阻)转换为热。在另一些实施例中，该辐射热计可为接收射频电信号并将其转换为热的任何类型的装置。在一实施例中，辐射热计110包含将射频信号转换成电信号的天线，该电信号然后例如由一个小电阻转换为热。在另一些实施例中，该辐射热计110可为接收射频并将其转换成热的任何类型的装置。在一实施例中，辐射热计110具有很小的热容量，并表现出远高于MHz频率范围的加热/冷却速率。这使得用于射频信号处理的高频热动作成为可能。也可对辐射热计加以选择，以实现混频能力。
为了进行高频检波，利用辐射热计110的小振幅温度振荡，并使用热-机械致动器120。在一实施例中，辐射热计110设置成与致动器120相接触，以提供局部的温度变化，从而在该振荡器上产生局部热机械应力。这使得致动器120呈现变形，结果出现可检测的机械运动或位移。这种运动由传感器130检测。于是，该运动随将辐射热计110加热的信号的频率而改变。
这种热-机械转换(transduction)或感应(induction)的灵敏度可通过利用热-机械致动器的谐振性质而增强。将温度振荡的频率与致动器的谐振频率匹配，可以使结果得到的机械运动的振幅增加一个因子Q，该因子是描述谐振器的品质因数。热致动器的谐振性质也可用来将输入射频信号115中不需要的频率分量滤除。
图2A是表示用作图1中的致动器120的微机械振荡器200的侧视图，图2B是其俯视图。振荡器200在射频(RF)范围进行振荡，并被制成凹膜片210，它一般为圆形即圆盘形，且在接近中心的位置设有孔215。该膜片被夹在周围的多晶硅膜的周边。也可采用其他类型的谐振器，比如由柱支持的盘片、悬臂梁及其他装置。
振荡器200可通过在硅晶圆或类似衬底220的表面生长一层约1μm厚的硅氧化物250来制造。该氧化物用作牺牲层。然后，在590℃用低压化学汽相淀积(LPCVD)在氧化物250的表面淀积多晶硅膜255。在淀积之后，在约1050℃的温度下对晶圆进行约15分钟的退火处理。然后进行包括后续的CF4干蚀刻的光刻以形成一个穿过顶部多晶硅层225的约2μm直径的孔215。
在用于光刻处理的光刻胶被剥离后，该结构被浸入浓缩的氢氟酸(HF49％)。于是，牺牲二氧化硅(蚀刻速率约为1μm/分)被溶解，结果得到一个在中心处有一孔的悬置膜形结构。多晶硅膜以下的空腔260的外径由蚀刻时间确定。本领域技术人员显见，可对许多参数和材料作大的变更来制作拱形的振荡器。
若多晶硅内无应力，则释放后的膜片会是平整的。但是，淀积和退火处理参量造成多晶硅膜内存在显著的压缩应力，这使得平面结构不稳定并导致膜片的翘曲。结果得到的结构成为顶部带支撑点的拱形。通过用临界点干燥(CPD)处理来避免表面张力，可实现拱形谐振器的高成品率，并防止膜片对衬底的粘附。
在一个经改进的制造壳膜210的方法中，其开始工序采用CP4等离子体干蚀刻在器件层形成自对准顶孔215。该开孔为用氢氟酸溶解1.5μm二氧化硅底层250提供了路径，于是形成一个在衬底上悬置的膜片。结果得到的壳膜210具有非零的曲率，这是由于通过高温后处理退火使得器件层内含有大压缩应力。当牺牲二氧化硅从蚀刻孔排出后，就因面内应力而产生了向外翘曲，形成一个浅薄壳。本研究中使用的谐振器是一个200nm厚的多晶硅浅球形薄壳部，其直径为30μm，顶点处突出于平面约1μm。
拱形膜中离开平面的部分可在整个二维结构上将谐振频率显著地增加若干倍。一个周边夹住、中央自由的平环的固有频率由下式描述：
(1)
式中，h为多晶硅的厚度，R为平面的径向伸出量，E为杨氏模量，ρ为材料强度，ν为泊松比，β为几何常数。
式2利用浅壳理论导出，该式解释了离平面突起的额外刚性。
(2)
式中，χ为拱曲的半径。增加的刚度使得大半径结构可达到显著的高频率。特别是，上述的30μm直径的拱可表现出品质因数为～10000的17.8MHzγ11谐振。数值模拟提示较小侧向尺寸的较深壳形具有达到GHz范围的可能性。可能会在空气中使用，但是大表面面积上的粘滞阻尼力将Q值降低到～70。
在一实施例中，辐射热计240或其他类型的电阻加热元件被设在膜片210上接近边缘的位置。辐射热计40也可设在膜片上的可根据其加热和冷却对膜片的振动进行调制的任何位置。
电信号和机械运动之间的转换，通过由电阻加热元件240向振荡器内耗散焦耳热在圆拱结构中产生非均匀热机械应力来实现。圆拱结构的高刚性允许利用一个第二光刻层在预制的薄壳谐振器的顶部形成金属电阻。在一实施例中，在多晶硅上进行光刻，然后在一个YES炉中进行图像反转。用一个电子枪蒸发器在多晶硅表面上淀积一个5nm的钛附着层和一个后续的20nm的金膜。剥离工序采用丙酮浸渍和IPA清洗。由于即使一个薄金属层也会增加运动结构中弹性能的耗散，谐振器的品质因数可通过将加热器设置在具有不同位移幅值的部位来定制。同时，通过改变电阻的几何尺寸可使其输入阻抗与对应电路的输入阻抗相匹配。在一实施例中，辐射热计包含一个位于圆拱边缘的50Ω、70×3μm的电阻240，使得谐振器不被第2层金属化衰减。
当一个20mV的信号加到电阻上时，约有4μW的焦耳热可耗散到谐振器内。谐振器中吸收的热会在多晶硅器件层中产生热应力，且由于膜片和薄壳结构内挠性构件的连接的关系，该热应力在谐振器内产生显著的离平面偏移。事实是：通过弯曲结构(而不是通过多层中不同的膨胀系数)促成的谐振器的弯曲，可降低由双层谐振器中观察到的有耗损的各层导致的衰减。
谐振器内的热扩散过程可用一维热方程模型化：
(3)
其时间常数为：
(4)
式中，K为热导率，C为热容量，R为2维片的半径，n＝2.4为贝塞耳函数J0(μt (0))＝0的根。由于器件半径的微米尺寸，冷却速率1/λ为微秒级，这允许通过给电阻加AC信号对耗散功率进行高频调制。当施加的信号频率与机械振动的固有频率f0(设1/λ＜1/f0)匹配时，就有可被检测的高振幅振动发生。
在去除2f分量后，与电阻中被耗散的功率成比例的驱动力为：
Fdrive∝VDCVACsin(ωot)
(5)
在30μm的圆拱中，可用20mV的AC信号得到充分的机械位移，这降低了变换器的功耗。后期制造的谐振器微调能够由控制通过电阻的DC电压电平来实现。30μm的圆拱对施加的DC偏压具有2Hz/μW的相关性。
振动薄壳的垂直位移可被光学检测，即测定在一个10-6托的真空室中将632.8nm的氦氖激光束聚焦到器件后的反射率。通过一个移动法布里-珀罗干涉仪(由衬底和悬空结构实现)导入的反射光的调制由New Focus 1601高速光电检波器检波，并在一个Agilent 4396B光谱/网络分析仪中进行分析。
图3是FM收音机300的框图。一个被放大的经天线310接收的信号在320处与来自本机振荡器325的基准信号线性叠加。这个复合信号被提供给形成为薄壳或圆拱式盘片的器件330，在该盘片的下坡部或周边部形成一微加热器。所述复合信号用来调制该微加热器332的温度，在一实施例中该微加热器包含一个根据电流来耗散热的金属电阻元件。
在一实施例中，被放大的经天线310接收的信号被放大40dB，与一个来自本机振荡器325的0dB基准信号线性叠加。本机振荡器325被调谐至87.2MHz，以使其与想要接收的电台(例如其频率为97.3MHz)的频差与圆拱的谐振频率(fresonator＝10.1MHz)相匹配。圆拱谐振器让fresonator/Q频带内的下变频信号通过，并滤除所有不需要的载波频率。由于圆拱具有高品质因数(Q～3000)，只是FM调制(δf～100kHz)信号中的一部分(δfFM～3kHz)通过该机械滤波器。通过将FM频带的上或下倾斜过渡带置于圆拱谐振频率上，就可实现解调FM载波的斜率鉴频法。被用作输出信号的机械振动的振幅成为与FM信号的频率失谐相牵连，然后用一个简单的包络检波器335将得到的信号变换成音频340。在一实施例中，包络检波器包含一个聚焦到盘片上的干涉仪。在另一些实施例中，可采用电容检波法或压电检波法。
图4是频率发生器400的框图。该频率发生器包含一个在选定的频率上振动的盘片410(例如薄壳或圆拱盘片)。一个加热/冷却元件(例如电阻性辐射热计420)与盘片410的某个边缘或其他合适的部分热耦合，使得盘片的振荡与温度改变相对应。检测器430响应该盘片振荡而提供输出信号435。输出信号435被放大、移相并沿反馈线路440反馈到辐射热计420，提供一个正向反馈环路。盘片在所要的频率上成为自激振荡。于是，得到频率稳定度为1.5ppm的圆拱谐振器的自振。
辐射热计和致动器也可用作RF信号解调器。换言之，热驱动的MEMS谐振器可模拟为进行信息广播而对载波信号进行调制的新方法开发。在一种配置中，RF调幅(AM)信号被直接加于微制造电阻加热器或辐射热计。如果辐射热计的热惯量小到足够程度(1/fcarrier＜＜τcool＜＜1/fmodul)，则辐射热计的温度将跟随RF功率(即AM)的调制而不受载频的影响，因此携带所有的基带信息。
另一种模仿超外差RF接收机的热信号处理方法，利用了电阻性辐射热计的固有非线性。温度调制由RF信号的功率确定，因此由施加电压的平方确定。当在不同的频率向欧姆加热器施加AC电压的叠加时，结果得到的热振荡在与输入信号的线性组合相等的频率上出现。这使得电阻性辐射热计能够用作混频器：
ΔTBOLOMETER～PDISSIPATED＝(V1sint(ω1t)+V2sin(ω2t))2＝V1 2/2-V1 2/2×cos(2ω1)+V1V2cos(ω1-ω2)-V1V2cos(ω1-ω2)t-1/2×V2 2cos(2ω2t)+V2 2/2
在fup＝ω1+ω2和fdown＝ω1-ω2处的分量称为“上”、“下”变频信号。将ω1处的所要信号和ω2处的本机振荡器的信号的组合加到辐射热计，并将辐射热计的热惯量选择为1/fup＜＜τcool＜＜1/fdown，则只在频率fdown处产生热振荡，这类同于超外差接收机的中频(IF)。
为了检测RF信号的下变频分量，辐射热计的小幅温度振荡由微制造热-机械致动器(例如薄壳或圆拱式振荡器)转换成机械运动。在一实施例中，辐射热计或电阻加热器被放置在微制造圆拱式结构的斜坡部。RF信号被施加在其上。圆拱的局部变动产生可被检测的机械运动，例如由干涉仪检测。
若利用了热-机械致动器的谐振性质，热-机械转换的灵敏度就可大大增强。通过将温度振荡的频率与致动器的谐振频率匹配，结果得到的运动振幅就被Q值放大，该值描述谐振器的品质因数。热致动器的谐振性质也用来滤除输入RF信号中不需要的频率分量。也可通过将致动器泵激到其谐振频率的2倍来进行参量放大。
机械振动幅值的与时间有关的包络代表调幅(AM)和调频(FM)信号这二者的基带信息。对于FM信号，热-机械致动器的谐振峰值的宽度较窄或与FM广播频带相差不大。调制频率的变化使得热振荡频率在机械谐振峰值内偏移，因此对机械振动幅值产生影响。于是，热-机械致动器/谐振器可具有滤波器(尤其是IF滤波)和解调器的组合功能。在将致动器的机械运动转换为电信号之后，该信号可被加到听觉装置或基带电子装置作进一步的处理。收音机300是一个FM收音机的实例。
在另一实施例中，圆拱形的射频微机械谐振器带有热弹性致动器。这样的谐振器可用作本机振荡器的频率确定元件，或者作为超外差收发机中的混频器/IF滤波器组合。
结论
基于MEMS的方法和装置可用来实现混频、滤波、解调、频率基准和频率调制。提供了将源信号转换成时变温度场、继而转换成机械运动的方法和装置。在一实施例中，第一转换(信号至温度)利用微制造的快速响应辐射热计式射频功率计加以实现。谐振式微机械热致动器被用于温度读取、滤波和解调。
所述方法可用于无线通信设备，并可部分地或全部地实现载波分离和从广播信号抽取基带信息所必需的信号处理。类似的热机械处理可被收发机通路中的基带信号用于频率基准生成和载波信号的频率调制。其主要的效用在于节省功耗、缩小元器件的尺寸以及提供单芯片收发机解决方案。
将RF信号转换成热并测量结果得到的温升，这构成了测量RF功率的一种基本的辐射热计方法。微米尺寸和纳米级的辐射热计提供了远在MHz频率范围以上的加热/冷却速率，这使得高频热动作能够被用于RF信号处理。
热致动的混频器和机械谐振器可在无线通信设备中实现，这就避免了必须采用大型芯片外元件的情况，可以极大地缩小设备的尺寸。10MHz圆拱式装置的PHEAT-30μW低功率和该装置的低工作电压，在这种微型化的无线通信设备中非常有利。欧姆驱动的低阻抗可显著简化RF匹配。
在一实施例中，圆拱式谐振器包含一些被夹持在周边的浅壳部。它们可用设在牺牲二氧化硅上的预应力多晶硅薄膜制成。这种薄壳几何结构可增大结构的刚性，提供的谐振频率可比同尺寸的平膜片高出几倍。该薄壳的有限曲率也以面内应力与离平面偏移相配合，这提供了一种致动机构。离平面运动由因局部加热在面内产生的非均匀的热机械应力导致。热应力则起因于在圆拱表面上光刻而成的金属电阻的热耗散。MEMS器件微小的热容量使得加热/冷却速率与机械谐振频率相当，并能够施加通过微加热器的AC电流来使所述谐振器工作。电阻致动不难结合到集成电路中，与传统的静电致动相比具有显著的优点，例如低驱动电压、匹配的阻抗以及驱动与检测之间串扰的降低。
薄壳式谐振器只是用于温度读取的谐振器之一例。用来与热致动器耦合的谐振器，例如可以为悬臂、由柱支持的盘片或夹持梁等形式。在阅读本详细说明后，显然还会有其他形式的谐振器为本领域技术人员所知。
Claims (16)
1.一种从广播信号中抽取基带信息的信号处理方法，所述方法包括：
将射频信号转换成热；以及
测量代表所述射频信号的温度变化，
其中，所述热的振荡被转换成机械运动，
其中，用微制造热-机械致动器来产生所述机械运动，以及
其中，所述致动器具有与所述温度变化的频率相匹配的谐振频率。
2.一种从调幅广播信号中抽取基带信息的信号处理方法，所述方法包括：
用其热惯量小到足以跟随调制的微制造电阻加热器将所述调幅广播信号转换成热；以及
测量所述微制造电阻加热器中的温度变化，
其中，所述热的振荡被转换成机械运动，
其中，用微制造热-机械致动器来产生所述机械运动，以及
其中，所述致动器具有与所述温度变化的频率相匹配的谐振频率。
3.一种从广播信号中抽取基带信息的装置，所述装置包括：
将所述广播信号转换成温度振荡的微制造辐射热计；以及
接近所述辐射热计的、将所述温度振荡转换成机械运动的微制造热-机械致动器，
其中，所述辐射热计与所述致动器的边缘部直接连接。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述致动器具有与所述温度振荡的频率相匹配的谐振频率。
5.如权利要求3所述的装置，其中，所述致动器包含圆拱式微机械振荡器。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述圆拱式微制造致动器在中心设有孔，并由衬底支撑。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述衬底还包含用于处理所述基带信息的电路。
8.一种将射频信号转换成时变温度场的方法，包括：
将射频信号转换成时变温度场；
用所述时变温度场调制机械运动；以及
测量所述机械运动，
其中，将所述时变温度场中的振荡转换成所述机械运动，
其中，用热-机械致动器来产生所述机械运动，以及
其中，所述热-机械致动器具有与所述温度变化的频率相匹配的谐振频率。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述所测量的机械运动被转换成代表所述射频信号的输出信号。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述机械运动由具有与所述射频信号相适合的谐振频率的机械谐振器提供。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述机械谐振器具有微米到纳米级的尺寸。
12.一种从广播信号中抽取基带信息的装置，所述装置包括：
将所述广播信号中的所述基带信息转换成时变热量场的微制造辐射热计；
由衬底支撑的具有圆拱形的微制造热-机械致动器，所述辐射热计设于所述圆拱形的边缘，以使所述辐射热计提供的所述时变热量场改变所述致动器的机械振荡；以及
响应所述致动器的所述所改变机械振荡而生成信号的单元。
13.如权利要求12所述的装置，其中，响应所述致动器的所述所改变机械振荡而生成信号的所述单元包含一个干涉仪。
14.一种频率发生器装置，包括：
包含圆拱式微制造致动器的机械谐振器；
与所述谐振器连接的微加热器，所述微加热器包含对射频信号热响应的辐射热计，且所述辐射热计与所述圆拱式致动器的边缘部直接连接；
测量所述机械谐振器的运动的单元；以及
向所述微加热器提供反馈的单元。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述圆拱式微制造致动器在中心设有孔，并由衬底支撑。
16.如权利要求14所述的装置，其中，测量所述机械谐振器的运动的所述单元包含一个干涉仪。
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