CN107565926A - 面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器是由LC可调带通滤波器、LC可调带阻滤波器、AC/DC转换模块、充电电池、射频信号输入端口和射频信号输出端口构成。LC可调带通滤波器的对射频信号进行过滤，LC可调带通滤波器通带频域外的射频信号会在其两端形成驻波，LC可调带阻滤波器实现对LC可调带通滤波器两端的驻波信号进行能量收集。通过控制LC可调带通滤波器和LC可调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滤波器的通带、阻带频域。LC可调带阻滤波器所收集的驻波能量通过AC/DC转换模块转换成直流信号，最终存储在充电电池中，改善了电磁兼容环境，满足了绿色通讯的要求。
Description
技术领域
本发明提出了面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
技术背景
随着物联网技术的拓展和创新，作为一种新兴的网络技术，它已经受到了越来越广泛的关注。目前国内外业界人士都将物联网视为新的技术创新点和经济增长点。通过射频前端的收发组件，物联网技术实现了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
滤波器在射频收发前端处理系统中具有重要的作用。射频天线接收的信号在被低噪声放大器放大之前，会通过带通滤波器进行一次滤波。滤波器带外的射频信号会在滤波器的两端形成驻波，其对电路的电磁兼容环境也有一定的干扰作用。因此具有多个频率中心点的驻波能量收集可调LC滤波器具有很强的应用价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，通过一个LC可调带通滤波器和与其通带互补的两个LC可调带阻滤波器，在实现射频收发前端处理系统的滤波器滤波的同时，能对滤波器两端的驻波能量进行收集，改善了电磁兼容环境，满足了绿色通讯的要求，并且实现滤波器滤波频段可调。
技术方案：本发明的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器是由LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器、第二LC可调带阻滤波器、第一AC/DC转换模块、第二AC/DC转换模块、一个充电电池、射频信号输入端口和射频信号输出端口构成。
LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器、第二LC可调带阻滤波器、第一AC/DC转换模块和第二AC/DC转换模块都为二端口网络。LC可调带通滤波器的输入端连接第一LC可调带阻滤波器输入端；LC可调带通滤波器的输出端连接第二LC可调带阻滤波器输入端。第一LC可调带阻滤波器的输出端连接第一AC/DC转换模块的输入端，第一AC/DC转换模块的输出端连接充电电池。第二LC可调带阻滤波器的输出端连接第二AC/DC转换模块的输入端，第二AC/DC转换模块的输出端也连接充电电池。所述的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器的射频信号从LC可调带通滤波器和第一LC可调带阻滤波器之间的射频信号输入端口输入，从LC可调带通滤波器和第二LC可调带阻滤波器之间的射频信号输出端口输出。
LC可调带通滤波器由电容式悬臂梁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的第三段传输线和平面电感L1的第一段传输线相连接构成滤波器的输入端，电容式悬臂梁K1的第四段传输线连接地，平面电感L1的第二段传输线连接电容式悬臂梁K2的第三段传输线和平面电感L2第一段传输线，平面电感L2的第二段传输线接地，电容式悬臂梁K2第四段传输线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从而调节滤波器的通带频域。
第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器由电容式悬臂梁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K2＇的第三段传输线和平面电感L2＇的第一段传输线相连接构成滤波器的输入端，电容式悬臂梁K2＇的第四段传输线连接地，平面电感L2＇的第二段传输线连接电容式悬臂梁K1＇的第三段传输线和平面电感L1＇的第三段传输线，平面电感L1＇的第二段传输线，电容式悬臂梁K1＇第四段传输线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从而调节滤波器的通带频域。
LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器中的平面电感以硅为衬底，在硅衬底的上表面两边分别有第一段传输线和第二段传输线，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。
LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁以硅为衬底，在硅衬底的上表面有下拉电极，在硅衬底的两端有第三段传输线和第四段传输线，在第四段传输线的内侧上部有第二氮化硅介质层，在下拉电极上设有第一氮化硅介质层，在第三段传输线上有锚区，锚区与悬臂梁的一端相连，悬臂梁悬空在第一氮化硅介质层和第二氮化硅介质层的上方。
第一AC/DC转换模块和第二AC/DC转换模块为两个双端口的单元集成模块，其主要作用是将第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器收集的未通过LC可调带通滤波器驻波信号的能量交流转换成直流。
充电电池的作用是存储第一AC/DC转换模块和第二AC/DC转换模块转换后的直流功率。
面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器的制备方法具体包括以下步骤：
1)准备衬底：选硅作为衬底；
2)光刻传输线及下拉电极：涂光刻胶并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、第四段传输线及下拉电极的形状；
3)溅射Au层：在整个加工平面溅射厚的Au层；
4)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、第四段传输线和下拉电极；
5)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；
6)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；
7)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开光梁和电感线圈的底金种子层。
8)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；
9)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；
10)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。
对于LC可调带通滤波器，施加特定下拉驱动电压使电容式悬臂梁K1和电容式悬臂梁K2导通，此时这两个电容式悬臂梁等效为电容C1和C2，LC可调带通滤波器等效电路为图3所示的电路，故根据公式(1)，LC可调带通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LC可调带通滤波器。通过调节施加下拉驱动电压可以调节电容式悬臂梁的等效电容从而可以调节LC可调带通滤波器的通带频域。
对于第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器，施加特定下拉驱动电压使电容式悬臂梁K1＇和电容式悬臂梁K2＇导通，此时这两个电容式悬臂梁等效为电容C1＇和C2＇，LC可调带阻滤波器等效电路为图5所示的电路，故根据公式(3)，LC可调带阻滤波器的上截止频率为f1：
根据公式(4)，下截止频率为f2′：
其中f1<f2。当且仅当射频信号的频率f满足f≤f1或f≥f2时，可以通过第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器。通过调节施加下拉驱动电压可以调节电容式悬臂梁K1＇和K2＇的等效电容C1＇和C2＇从而可以调节的第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器阻带频域。
有益效果：本发明的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器只需要简单的控制电容式悬臂梁的下拉驱动电压的大小，就调节滤波器的滤波，不仅操作简单，而且效果明显。与此同时，本发明中的两个LC可调带阻滤波器的通带与LC带通滤波器互补，LC可调带通滤波器的通带频段外的射频信号在其两端形成驻波，第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器的通带频段与驻波信号频段相同，可以收集LC可调带通滤波器两端的驻波，并利用AC/DC转换模块转换成直流信号，最终存储在充电电池中，在滤波的同时，也改善了电路的电磁兼容环境，满足了绿色通讯的要求。
附图说明：
图1是面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器的结构框图；
图2是LC可调带通滤波器的原理图；
图3是LC可调带通滤波器施加下拉驱动电压电容式悬臂梁K1和电容式悬臂梁K2导通LC可调带通滤波器的等效电路图；
图4是LC可调带阻滤波器的原理图；
图5是LC可调带阻滤波器施加下拉驱动电压使电容式悬臂梁K2＇和电容式悬臂梁K1＇导通LC可调带阻滤波器的等效电路图；
图6是LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器和LC可调带阻滤波器中的平面电感的俯视图；
图7是LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器中的平面电感的A-A面剖面图；
图8是LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的俯视图；
图9是LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的B-B面剖面图。
图中包括：LC可调带通滤波器，第一LC可调带阻滤波器，第二LC可调带阻滤波器，第一AC/DC转换模块，第二AC/DC转换模块，充电电池，射频信号输入端口，射频信号输出端口，LC可调带通滤波器由平面电感L1、平面电感L2和电容式悬臂梁K1和电容式悬臂梁K2构成，第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器由平面电感L2＇、平面电感L1＇和电容式悬臂梁K2＇、电容式悬臂梁K1＇构成，平面电感由硅衬底1、第一段传输线2、第二段传输线3、电感线圈4、第一连接支撑柱5、第二连接支撑柱6、氮化硅介质层7构成，电容式悬臂梁由硅衬底1、下拉电极8、第三段传输线9、第四段传输线10、第二氮化硅介质层11、第一氮化硅介质层12、锚区13和悬臂梁14构成。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实现的方式进行详细说明。
如图1所示，本发明提出的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器包括LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器、第二LC可调带阻滤波器、第一AC/DC转换模块、第二AC/DC转换模块、一个充电电池、射频信号输入端口和射频信号输出端口。
如图2所示，LC可调带通滤波器由平面电感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，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从而调节滤波器的通带频域。
图3是LC可调带通滤波器的等效电路图。它上截止频率为下截止频率为它的通带频域为f1≤f≤f2。
如图4所示，第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器由平面电感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K2＇和电容式悬臂梁K1＇的下拉驱动电压能够调节接入的电容大小从而调节滤波器的阻带频域。
图5是第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器的等效电路图。它上截止频率为下截止频率为它的通带频域为f≤f1或f≥f2。
LC可调带通滤波器的通频带与LC可调带阻滤波器的通频带完全互补对称，即LC可调带通滤波器的通频带为f1≤f≤f2，LC可调带阻滤波器的通频带f≤f1或f≥f2，这样可以使未通过LC可调带通滤波器的射频信号更好的被LC可调带阻滤波器收集。
如图6所示的平面电感以硅为衬底，在硅衬底1的上表面两边分别有第一段传输线2、第二段传输线3，电感线圈4通过第一连接支撑柱5、第二连接支撑柱6分别与第一段传输线2第二段传输线3连接并悬空在位于第一段传输线2上的氮化硅介质层7和第二段传输线3之上。
图7是LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器中的平面电感的A-A面剖面图。
如图8所示的电容式悬臂梁以硅为衬底，在硅衬底1的上表面有下拉电极8，在硅衬底1的两端有第三段传输线9和第四段传输线10，在第四段传输线9的内侧上部有第二氮化硅介质层11，在下拉电极8上设有第一氮化硅介质层12，在第三段传输线9上有锚区13，锚区13与悬臂梁14的一端相连，悬臂梁14悬空在第一氮化硅介质层12和第二氮化硅介质层11的上方。
图9是LC可调带通滤波器和LC可调带阻滤波器中的电容式悬臂梁的B-B面剖面图。
面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备衬底：选硅作为衬底；
2)光刻传输线及下拉电极：涂光刻胶并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、第四段传输线及下拉电极的形状；
3)溅射Au层：在整个加工平面溅射厚的Au层；
4)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、第四段传输线和下拉电极；
5)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；
6)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；
7)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开光梁和电感线圈的底金种子层。
8)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；
9)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；
10)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。
本发明的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器使用LC可调带通滤波器对射频信号进行滤波，在LC可调带通滤波器的两段分别连接一个与其通带互补的第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器，LC可调带通滤波器通带频段外的的射频信号会在其两端形成驻波，驻波的频域与第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器相同，从而第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器可以对LC可调带通滤波器两端的驻波能量进行收集，所收集的驻波能量通过两个AC/DC转换模块转换成直流功率，最终存储在充电电池中，改善了电磁兼容环境，满足了绿色通讯的要求。LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器均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通带、阻带频域。
满足以上条件的结构即可视为本发明的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器。
Claims (4)
1.面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，其特征在于：由LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器、第二LC可调带阻滤波器、第一AC/DC转换模块、第二AC/DC转换模块、一个充电电池、射频信号输入端口和射频信号输出端口构成；所述的LC可调带通滤波器、第一LC可调带阻滤波器、第二LC可调带阻滤波器、第一AC/DC转换模块和第二AC/DC转换模块都为二端口网络；LC可调带通滤波器的输入端连接第一LC可调带阻滤波器输入端；LC可调带通滤波器的输出端连接第二LC可调带阻滤波器输入端；第一LC可调带阻滤波器的输出端连接第一AC/DC转换模块的输入端，第一AC/DC转换模块的输出端连接充电电池；第二LC可调带阻滤波器的输出端连接第二AC/DC转换模块的输入端，第二AC/DC转换模块的输出端连接充电电池；所述的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器的射频信号从LC可调带通滤波器和第一LC可调带阻滤波器之间的射频信号输入端口输入，从LC可调带通滤波器和第二LC可调带阻滤波器之间的射频信号输出端口输出；LC可调带通滤波器的通带内的射频信号通过LC可调带通滤波器，阻带内的射频信号在LC可调带通滤波器两端形成驻波信号，LC可调带通滤波器两端的LC可调带阻滤波器的通带频域和LC可调带通滤波器的通带频域互补，收集LC可调带通滤波器两端的驻波能量并存储在充电电池中，在实现驻波能量收集的同时改善了射频收发前端的电磁兼容环境，满足了绿色通讯的要求。
2.根据权利要求1所述的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，其特征在于：所述的LC可调带通滤波器包括平面电感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(9)和平面电感L1的第一段传输线(2)相连接构成滤波器的输入端，电容式悬臂梁K1的第四段传输线(10)连接地，平面电感L1的第二段传输线(3)连接电容式悬臂梁K2的第三段传输线(9)和平面电感L2第一段传输线(2)，平面电感L2的第二段传输线(3)接地，电容式悬臂梁K2第四段传输线(10)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的下拉驱动电压调节接入的电容大小从而调节滤波器的通带频域；LC可调带通滤波器的通带为f1≤f≤f2，其中中心频率
3.根据权利要求1所述的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，其特征在于：所述的第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器包括平面电感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(9)和平面电感L2＇的第一段传输线(2)相连接构成滤波器的输入端，电容式悬臂梁K2＇的第四段传输线(10)连接地，平面电感L2＇的第二段传输线(3)连接电容式悬臂梁K1＇的第三段传输线(9)和平面电感L1＇的第三段传输线(9)，平面电感L1＇的第二段传输线(3)，电容式悬臂梁K1＇第四段传输线(10)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＇的下拉驱动电压调节接入的电容大小从而调节滤波器的通带频域；第一LC可调带阻滤波器和第二LC可调带阻滤波器的通带为f≤f1或f≥f2，其中中心频率
4.根据权利要求2或3所述的面向物联网基于悬臂梁的驻波能量收集可调滤波器，其特征在于：所述的平面电感以硅为衬底，在硅衬底的上表面两边分别有第一段传输线(2)、第二段传输线(3)；电感线圈(4)通过第一连接支撑柱(5)、第二连接支撑柱(6)分别与第一段传输线(2)和第二段传输线(3)连接，并悬空在位于第一段传输线(2)上的氮化硅介质层(7)和第二段传输线(3)之上；所述的电容式悬臂梁以硅为衬底，在硅衬底的上表面有下拉电极(8)，在硅衬底(1)的两端有第三段传输线(9)和第四段传输线(10)，在第四段传输线(9)的内侧上部有第二氮化硅介质层(11)，在下拉电极(8)上设有第一氮化硅介质层(12)，在第三段传输线(9)上有锚区(13)，锚区(13)与悬臂梁(14)的一端相连，悬臂梁(14)悬空在第一氮化硅介质层(12)和第二氮化硅介质层(11)的上方。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180109 |