CN107528544A - 面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，该混频系统由混频器、本地振荡器、LC带阻滤波器、AC/DC模块、充电电池和中频滤波器构成；其中，LC带阻滤波器有两个平面电感和两个电容式悬臂梁，通过简单的控制LC带阻滤波器的电容式悬臂梁的下拉驱动电压来调节接入滤波网络的电容的大小，从而调节LC带阻滤波器的阻带频域，使得混频系统中无法通过中频滤波器的杂波可以通过LC带阻滤波器，进而被AC/DC模块转换，由充电电池收集。通过这些结构简单高效地实现了混频系统中杂波能量的收集，改善了电路的电磁兼容环境。

Description

面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统
技术领域
本发明提出了面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
微波接收机前端在工业生产、物流运输和无线通信等诸多方面发挥着重要的作用。同时作为物联网的重要实现技术之一，微波接收机技术在物联网迅猛发展的今天得到了更多的重视。混频系统是微波接收机中的重要组成部分，传统的混频系统是由混频器、本地振荡器、中频滤波器组成，主要用来实现频率变换。在混频系统中，未通过中频滤波器的杂波会在系统中形成驻波，从而对系统造成电磁干扰。因此，具有杂波能量收集作用的新型混频系统具有较高的应用价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，本发明在传统的混频系统中的混频器和中频滤波器之间并联LC带阻滤波器用以将无法通过中频滤波器的杂波滤出，再通过在带阻滤波器后级联AC/DC模块将杂波转换为直流信号，并由AC/DC模块后的充电电池进行存储，实现杂波能量的收集的同时，也改善了接收机电路的电磁兼容环境。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，该混频系统由混频器、本地振荡器、LC带阻滤波器、AC/DC模块、充电电池和中频滤波器构成；其中，输入信号从混频器的输入端接入，混频器与本地振荡器相连，混频器的输出端接中频滤波器输入端，同时也连接LC带阻滤波器的输入端，LC带阻滤波器级联AC/DC模块，AC/DC模块连接充电电池，中频滤波器的输出端输出中频信号；
所述中频滤波器为LC带通滤波器，其由第一平面电感、第二平面电感和第一电容式悬臂梁、第二电容式悬臂梁构成，其中，第一电容式悬臂梁的一端作为微波信号输入端口，并连接第一平面电感，第一电容式悬臂梁的另一端连接地，第一平面电感的另一端分别与第二平面电感、第二电容式悬臂梁相连，第二平面电感的另一端接地，第二电容式悬臂梁的另一端作为滤波器的输出端；
所述LC带阻滤波器由第三平面电感、第四平面电感和第三电容式悬臂梁、第四电容式悬臂梁构成，其中，第四电容式悬臂梁的一端作为微波信号输入端口，并连接第四平面电感，第四电容式悬臂梁的另一端连接地，第四平面电感的另一端分别与第三平面电感、第三电容式悬臂梁相连，第三平面电感的另一端接地，第三电容式悬臂梁的另一端作为滤波器的输出端。
所述LC带通滤波器中，通过控制第一电容式悬臂梁和第二电容式悬臂梁的下拉驱动电极上的下拉驱动电压能够调节接入的电容C1、C2的大小从而调节LC带通滤波器的通带频域；构成中频滤波器的LC带通滤波器的通带为f1≤f≤f2，其中
所述LC带阻滤波器中，通过控制第三电容式悬臂梁和第四电容式悬臂梁的下拉驱动电极上的下拉驱动电压能够调节接入的电容C3、C4的大小从而调节LC带阻滤波器的阻带频域与中频滤波器的通带频域相同；LC带阻滤波器的通带为f≤f3或f≥f4，其中
其中，f1＝f3，f2＝f4。
所述第一平面电感、第二平面电感、第三平面电感、第四平面电感的结构相同，均设置在高阻硅衬底上，平面电感包括设置于高阻硅衬底上表面两端的第一段传输线、第二段传输线，以及电感线圈，电感线圈通过第一连接支撑柱、第二连接支撑柱分别与第一段传输线、第二段传输线连接并悬空在位于第一段传输线上的氮化硅介质层和第二段传输线之上。
所述第一电容式悬臂梁、第二电容式悬臂梁、第三电容式悬臂梁、第四电容式悬臂梁的结构相同，均设置在高阻硅衬底上，电容式悬臂梁包括设置在高阻硅衬底上表面两端的第三段传输线和第四段传输线，以及同样设置在高阻硅衬底上表面的下拉电极，下拉电极位于第三段传输线和第四段传输线之间，第三段传输线上有锚区，锚区上连接有悬臂梁，悬臂梁悬空在下拉电极和第四段传输线的上方。
所述第四段传输线的内侧上部设有第二氮化硅介质层。
所述下拉电极上设有第一氮化硅介质层。
所述高阻硅衬底是以硅为衬底，在硅衬底上氧化一层SiO2层。
有益效果：在本发明的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统在传统的混频系统中的混频器和中频滤波器间并联连接LC带阻滤波器，将那些经过混频器后未能通过中频滤波器的杂波由LC带阻滤波器滤出，并由后级的AC/DC模块转化为直流信号给充电电池充电，在滤除混频系统杂波的同时，对杂波的能量进行了收集，也改善了电路的电磁兼容环境，具有较高的潜在利用价值。
附图说明
图1为本发明的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统的结构图；
图2为本发明中构成中频滤波器的LC带通滤波器的原理图；
图3为本发明中构成中频滤波器的LC带通滤波器的等效电路图；
图4为本发明中LC带阻滤波器的原理图；
图5为本发明中LC带阻滤波器的等效电路图；
图6为平面电感的俯视图；
图7为平面电感的AA’面剖面图；
图8为电容式悬臂梁的俯视图；
图9为电容式悬臂梁的BB’面剖面图。
图中，1-混频器，2-本地振荡器，3-LC带阻滤波器，4-AC/DC模块，5-充电电池，6-中频滤波器，L1-第一平面电感，L2-第二平面电感，K1-第一电容式悬臂梁，K2-第二电容式悬臂梁，L3-第三平面电感，L4-第四平面电感，K3-第三电容式悬臂梁，K4-第四电容式悬臂梁，9-第一段传输线，10-第二段传输线，11-电感线圈，12-第一连接支撑柱，13-第二连接支撑柱，14-氮化硅介质层，15-下拉电极，16-第三段传输线，17-第四段传输线，18-第二氮化硅介质层，19-第一氮化硅介质层，20-锚区，21-悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1，本发明的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，该混频系统由混频器1、本地振荡器2、LC带阻滤波器3、AC/DC模块4、充电电池5和中频滤波器6构成；其中，输入信号从混频器1的输入端接入，混频器1与本地振荡器2相连，混频器1的输出端接中频滤波器6输入端，同时也连接LC带阻滤波器3的输入端，LC带阻滤波器3级联AC/DC模块4，AC/DC模块4连接充电电池5，中频滤波器6的输出端输出中频信号。
如图2和3，中频滤波器6为LC带通滤波器，其由第一平面电感L1、第二平面电感L2和第一电容式悬臂梁K1、第二电容式悬臂梁K2构成，其中，第一电容式悬臂梁K1的一端作为微波信号输入端口，并连接第一平面电感L1，第一电容式悬臂梁K1的另一端连接地，第一平面电感L1的另一端分别与第二平面电感L2、第二电容式悬臂梁K2相连，第二平面电感L2的另一端接地，第二电容式悬臂梁K2的另一端作为滤波器的输出端。
如图4和5，LC带阻滤波器由第三平面电感L3、第四平面电感L4和第三电容式悬臂梁K3、第四电容式悬臂梁K4构成，其中，第四电容式悬臂梁K4的一端作为微波信号输入端口，并连接第四平面电感L4，第四电容式悬臂梁K4的另一端连接地，第四平面电感L4的另一端分别与第三平面电感L3、第三电容式悬臂梁K3相连，第三平面电感L3的另一端接地，第三电容式悬臂梁K3的另一端作为滤波器的输出端。
如图6和7，第一平面电感L1、第二平面电感L2、第三平面电感L3、第四平面电感L4的结构相同，均设置在高阻硅衬底上，平面电感包括设置于高阻硅衬底上表面两端的第一段传输线9、第二段传输线10，以及电感线圈11，电感线圈11通过第一连接支撑柱12、第二连接支撑柱13分别与第一段传输线9、第二段传输线10连接并悬空在位于第一段传输线9上的氮化硅介质层14和第二段传输线10之上。
如图8和9，第一电容式悬臂梁K1、第二电容式悬臂梁K2、第三电容式悬臂梁K3、第四电容式悬臂梁K4的结构相同，均设置在高阻硅衬底上，电容式悬臂梁包括设置在高阻硅衬底上表面两端的第三段传输线16和第四段传输线17，以及同样设置在高阻硅衬底上表面的下拉电极15，下拉电极15位于第三段传输线16和第四段传输线17之间，第四段传输线17的内侧上部设有第二氮化硅介质层18，下拉电极15上设有第一氮化硅介质层19，第三段传输线16上有锚区20，锚区20上连接有悬臂梁21，悬臂梁21悬空在第一氮化硅介质层19和第二氮化硅介质层18的上方。
高阻硅衬底是以硅7为衬底，在硅衬底7上氧化一层SiO2层8。
对于中频滤波器，属于LC带通滤波器，施加特定下拉驱动电压使第一电容式悬臂梁K1和第二电容式悬臂梁K2导通，此时这两个电容式悬臂梁等效为电容C1和C2，中频滤波器等效电路为图3所示的电路，故根据公式(1)，中频滤波器的上通带频率为f1：
根据公式(2)，下通带频率为f2：
其中f1<f2。当且仅当射频信号的频率f满足f1≤f≤f2时，可以通过中频滤波器。通过调节施加下拉驱动电压可以调节第一电容式悬臂梁K1和第二电容式悬臂梁K2的等效电容C1、C2从而可以调节中频滤波器的通带频域。
对于LC带阻滤波器，施加特定下拉驱动电压使第三电容式悬臂梁K3和第四电容式悬臂梁K4导通，此时这两个电容式悬臂梁等效为电容C3和C4，LC带阻滤波器等效电路为图5所示的电路，故根据公式(3)，LC可调带阻滤波器的下截止频率为f3：
根据公式(4)，上截止频率为f4：
其中f3<f4。当且仅当微波信号的频率f满足f≤f3或f≥f4时，可以通过带阻滤波器。通过调节施加下拉驱动电压可以调节电容式悬臂梁K1、K2的等效电容C1、C2从而可以调节LC可调带阻滤波器的通带频域，使其通频段与中频滤波器的通频段互补。
其中，f1＝f3，f2＝f4。
输入信号经过混频器与本地振荡信号混频后到达中频滤波器，其中符合中频滤波器通频段的信号会通过滤波器输出，而未通过中频滤波器的杂波则会通过并联在中频滤波器输入端的LC带阻滤波器，然后被AC/DC模块转化为直流信号，进而被充电电池将杂波能量储存。
本发明的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统中的LC带阻滤波器的制备方法为：
1)准备衬底：选硅作为衬底；
2)在衬底上热氧化生长一层SiO2层；
3)光刻传输线及下拉电极：涂光刻胶并光刻刻蚀出第一段传输线、第二段传输线、第三段传输线和第四段传输线、下拉电极的形状；
4)溅射Au层：在整个加工平面溅射厚的Au层；
5)光刻Au层：剥离不需要的光刻胶，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、下拉电极；
6)光刻、淀积Si3N4介质层：在第一段、第四段传输线上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；
7)淀积聚酰亚胺牺牲层：在整个加工平面淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层；
8)溅射Ti/Au/Ti层：在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti层，厚度为形成用于电镀悬臂梁和电感线圈的底金种子层。
9)光刻Ti/Au/Ti层：光刻钛/金/钛(Ti/Au/Ti)层，保留不需要电镀的地方的光刻胶；
10)电镀Au层：电镀悬臂梁和电感线圈的金层，在55°氰基溶液中电镀金，电镀金层的厚度为2微米；
11)释放聚酰亚胺牺牲层并腐蚀底金Ti/Au/Ti层：丙酮去残存的光刻胶，然后用显影液溶解悬臂梁下的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬空的悬臂梁结构和电感线圈结构。
本发明的不同之处在于：
本发明的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统在传统的混频系统中的混频器和中频滤波器间并联连接LC带阻滤波器，将那些经过混频器后未能通过中频滤波器的杂波由LC带阻滤波器滤出，并由后级的AC/DC模块转化为直流信号给充电电池充电，在滤除混频系统杂波的同时，对杂波的能量进行了收集。LC可调带阻滤波器由两个平面电感和两个电容式悬臂梁构成，通过控制电容式悬臂梁的下拉驱动电压可以调节接入滤波网络的电容值从而调节滤波器的阻带频域，使得LC带阻滤波器的阻带频域与中频率波器的通带频域相同。
满足以上条件的结构即视为本发明的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统。

Claims (7)

1.一种面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：该混频系统由混频器(1)、本地振荡器(2)、LC带阻滤波器(3)、AC/DC模块(4)、充电电池(5)和中频滤波器(6)构成；其中，输入信号从混频器(1)的输入端接入，混频器(1)与本地振荡器(2)相连，混频器(1)的输出端接中频滤波器(6)输入端，同时也连接LC带阻滤波器(3)的输入端，LC带阻滤波器(3)级联AC/DC模块(4)，AC/DC模块(4)连接充电电池(5)，中频滤波器(6)的输出端输出中频信号；实现了杂波能量的收集，改善了电磁兼容环境；
所述中频滤波器(6)为LC带通滤波器，其由第一平面电感(L1)、第二平面电感(L2)和第一电容式悬臂梁(K1)、第二电容式悬臂梁(K2)构成，其中，第一电容式悬臂梁(K1)的一端作为微波信号输入端口，并连接第一平面电感(L1)，第一电容式悬臂梁(K1)的另一端连接地，第一平面电感(L1)的另一端分别与第二平面电感(L2)、第二电容式悬臂梁(K2)相连，第二平面电感(L2)的另一端接地，第二电容式悬臂梁(K2)的另一端作为滤波器的输出端；
所述LC带阻滤波器由第三平面电感(L3)、第四平面电感(L4)和第三电容式悬臂梁(K3)、第四电容式悬臂梁(K4)构成，其中，第四电容式悬臂梁(K4)的一端作为微波信号输入端口，并连接第四平面电感(L4)，第四电容式悬臂梁(K4)的另一端连接地，第四平面电感(L4)的另一端分别与第三平面电感(L3)、第三电容式悬臂梁(K3)相连，第三平面电感(L3)的另一端接地，第三电容式悬臂梁(K3)的另一端作为滤波器的输出端。
2.根据权利要求1所述的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：所述LC带通滤波器中，通过控制第一电容式悬臂梁(K1)和第二电容式悬臂梁(K2)的下拉驱动电极上的下拉驱动电压能够调节接入的电容C1、C2的大小从而调节LC带通滤波器的通带频域；构成中频滤波器(6)的LC带通滤波器的通带为f1≤f≤f2，其中
所述LC带阻滤波器中，通过控制第三电容式悬臂梁(K3)和第四电容式悬臂梁(K4)的下拉驱动电极上的下拉驱动电压能够调节接入的电容C3、C4的大小从而调节LC带阻滤波器(3)的阻带频域与中频滤波器(6)的通带频域相同；LC带阻滤波器(3)的通带为f≤f3或f≥f4，其中
其中，f1＝f3，f2＝f4。
3.根据权利要求1所述的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：所述第一平面电感(L1)、第二平面电感(L2)、第三平面电感(L3)、第四平面电感(L4)的结构相同，均设置在高阻硅衬底上，平面电感包括设置于高阻硅衬底上表面两端的第一段传输线(9)、第二段传输线(10)，以及电感线圈(11)，电感线圈(11)通过第一连接支撑柱(12)、第二连接支撑柱(13)分别与第一段传输线(9)、第二段传输线(10)连接并悬空在位于第一段传输线(9)上的氮化硅介质层(14)和第二段传输线(10)之上。
4.根据权利要求1所述的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：所述第一电容式悬臂梁(K1)、第二电容式悬臂梁(K2)、第三电容式悬臂梁(K3)、第四电容式悬臂梁(K4)的结构相同，均设置在高阻硅衬底上，电容式悬臂梁包括设置在高阻硅衬底上表面两端的第三段传输线(16)和第四段传输线(17)，以及同样设置在高阻硅衬底上表面的下拉电极(15)，下拉电极(15)位于第三段传输线(16)和第四段传输线(17)之间，第三段传输线(16)上有锚区(20)，锚区(20)上连接有悬臂梁(21)，悬臂梁(21)悬空在下拉电极(15)和第四段传输线(17)的上方。
5.根据权利要求4所述的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：所述第四段传输线(17)的内侧上部设有第二氮化硅介质层(18)。
6.根据权利要求4所述的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：所述下拉电极(15)上设有第一氮化硅介质层(19)。
7.根据权利要求3或4所述的面向物联网的杂波能量收集的悬臂梁混频系统，其特征在于：所述高阻硅衬底是以硅(7)为衬底，在硅衬底(7)上氧化一层SiO2层(8)。
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