CN107645279A - 面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,由带通滤波器、AC/DC模块、充电电池、中频滤波器和混频结构所构成。其中带通滤波器是基于Si衬底制作,一共有两个平面电感L1、L2和两个电容式固支梁K1、K2,通过简单的控制带通滤波器的电容式固支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频域,使得接收信号不能通过该滤波器,而由混频结构泄漏过来的振荡信号可通过滤波器,进而被AC/DC模块转换为直流并由充电电池收集。通过这些结构简单高效地实现了振荡信号泄漏能量的收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
Description
技术领域
本发明提出了面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要发展阶段。混频器是面向物联网的接收机中的重要组成部分,主要用来实现频率变换。传统的接收机中,由于本地振荡产生的振荡信号功率要比接收信号功率大得多,振荡信号会有部分经过混频器流向LNA,并被阻挡产生反射回波,振荡信号的回波与振荡信号在混频器处相乘产生直流输出,增大了直流功耗。本专利提出了一种新型混频器,可以将泄漏的振荡信号能量收集起来,解决了泄漏的振荡信号的反射回波产生的问题,提高了隔离度,降低了功耗,同时实现了泄漏能量的收集,有较高的应用前景。
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振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,本发明在传统的混频结构前并联带通滤波器和AC/DC电路构成新型的混频器,通过带通滤波器将由混频结构泄漏过来的振荡信号滤出,并由AC/DC电路将泄漏的能量转换成直流电流后由充电电池进行收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,包括带通滤波器、AC/DC模块、充电电池、混频结构和中频滤波器,其中混频结构为三端口网络,三端口分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端;接收信号接混频结构的第一输入端,同时混频结构的第一输入端连接带通滤波器的输入端,带通滤波器的输出端连接AC/DC模块,AC/DC模块连接充电电池,混频结构的第二输入端接振荡信号,混频结构的第一输出端接中频滤波器,中频滤波器输出中频信号,实现了振荡信号泄漏能量的收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
优选的:所述带通滤波器包括两个平面电感和两个电容式固支梁,这两个平面电感分别为第一平面电感L1和第二平面电感L2,两个电容式固支梁分别为第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁K2,其中:第一电容式固支梁K1的一端作为微波信号输入端口,另一端连接第一平面电感L1,第一电容式固支梁K1的金属pad连接地,第一平面电感L1的另一端与第二平面电感L2、第二电容式固支梁K2相连,第二平面电感L2的另一端接地,第二电容式固支梁K2的另一端悬空,第二电容式固支梁K2的金属pad引线作为滤波器的输出端。
优选的:所述平面电感以硅为衬底,在硅衬底上氧化一层SiO2层,其表面两边分别有第一段传输线、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。
优选的:所述电容式固支梁在SiO2层的两端有第三段传输线和第四段传输线,在第三段传输线设上有第一锚区,第四段传输线上设有第二锚区,固支梁架在第一锚区和第二锚区之间,固支梁的下方设有一个金属pad,金属pad上设有第一氮化硅绝缘介质层,金属pad的两端是固支梁的第一下拉电极和第二下拉电极,第一下拉电极上设有第二氮化硅绝缘介质层,第二下拉电极上设有第三氮化硅绝缘介质层。
优选的:所述第一电容式固支梁K1的第三段传输线作为微波信号输入端口,第四段传输线连接第一平面电感L1的第一段传输线,第一电容式固支梁K1的金属pad连接地,第一平面电感L1的第二段传输线与第二平面电感L2的第一段传输线、第二电容式固支梁K2的第三段传输线相连,第二平面电感L2的第二段传输线接地,第一电容式固支梁K1的第四段传输线悬空,第二电容式固支梁K2的金属pad引线作为滤波器的输出端,通过控制第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁K2的第一下拉驱动电极和第二下拉驱动电极上的下拉驱动电压能够调节接入的第一电容C1、第二电容C2的大小从而调节带通滤波器的通带频域以振荡信号频率为中心。
优选的:所述通带频域下截止频率上截止频率因为本地振荡信号能量较大,会向混频结构输入端泄漏,流至输入端的振荡信号的频率fLO满足带通滤波器的通频带,即f1≤fLO≤f2,因此,泄漏的本地振荡信号经过带通滤波器后,被AC/DC模块转化为直流信号由充电电池收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
优选的:所述带通滤波器是基于MEMS技术的LC可调带通滤波器。
本发明相比现有技术,具有以下有益效果:
在本发明的面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器在传统的混频结构前加了带通滤波器,可以将由本地振荡信号泄漏的能量过滤,并由AC/DC模块转化为直流信号由充电电池收集,解决了泄漏的本地振荡信号自混频的问题,提高了隔离度,降低了直流功耗,同时泄漏的能量被收集起来,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振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器的结构图。
图2为本发明中带通滤波器的原理图。
图3为本发明中带通滤波器的等效电路图。
图4为带通滤波器中的平面电感的俯视图;
图5为带通滤波器中的平面电感的AA’面剖面图;
图6为带通滤波器中的电容式固支梁的俯视图;
图7为带通滤波器中的电容式固支梁的BB’面剖面图。
图中:fs表示接收信号、fIF表示中频信号、fLO表示振荡信号,L1表示第一平面电感、L2表示第二平面电感、K1表示第一电容式固支梁、K2表示第二电容式固支梁、C1表示第一电容、C2表示第二电容、1表示硅衬底、2表示第一段传输线、3表示第二段传输线、4表示电感线圈、5表示第一连接支撑柱、6表示第二连接支撑柱、7表示氮化硅介质层、8表示第三段传输线、9表示第四段传输线、10表示第一锚区、11表示第二锚区、12表示固支梁、13表示金属pad、14表示第一氮化硅介质层、15表示第一下拉电极、16表示第二氮化硅介质层、17表示第二下拉电极、18表示第三氮化硅介质层、19表示SiO2层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,如图1所示,包括带通滤波器、AC/DC模块、充电电池、混频结构和中频滤波器,其中混频结构为三端口网络,三端口分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端;接收信号接混频结构的第一输入端,同时混频结构的第一输入端连接带通滤波器的输入端,带通滤波器的输出端连接AC/DC模块,AC/DC模块连接充电电池,混频结构的第二输入端接振荡信号,混频结构的第一输出端接中频滤波器,中频滤波器输出中频信号,实现了振荡信号泄漏能量的收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
带通滤波器是基于MEMS技术的LC可调带通滤波器,如图2、3所示:所述带通滤波器包括两个平面电感和两个电容式固支梁,这两个平面电感分别为第一平面电感L1和第二平面电感L2,两个电容式固支梁分别为第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁K2,其中:第一电容式固支梁K1的一端作为微波信号输入端口,另一端连接第一平面电感L1,第一电容式固支梁K1的金属pad(下极板)连接地,第一平面电感L1的另一端与第二平面电感L2、第二电容式固支梁K2相连,第二平面电感L2的另一端接地,第二电容式固支梁K2的另一端悬空,第二电容式固支梁K2的金属pad引线作为滤波器的输出端,通过控制第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁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。
带通滤波器是利用MEMS技术在高阻硅衬底上设计的,即平面电感和电容式固支梁是在高祖硅衬底上形成的,高阻硅衬底是在硅衬底1上氧化形成一层SiO2层19。
平面电感在高阻硅衬底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。如图4、5所示:硅衬底1上表面设置一层SiO2层19,在SiO2层19上表面两边分别设置第一段传输线2、第二段传输线3,而所述第一连接支撑柱5、氮化硅介质层7设置于第一段传输线2的上表面,且所述氮化硅介质层7位于第一连接支撑柱5远离第二连接支撑柱6的一侧,所述第二连接支撑柱6设置于第二段传输线3上,所述电感线圈4安装在第一连接支撑柱5、第二连接支撑柱6上,且所述电感线圈4悬空在氮化硅介质层7、第二段传输线3上,同时还悬空在第一连接支撑柱5、第二连接支撑柱6之间的SiO2层19上。
所述电容式固支梁在SiO2层19的两端有第三段传输线8和第四段传输线9,在第三段传输线8设上有第一锚区10,第四段传输线9上设有第二锚区11,固支梁12架在第一锚区10和第二锚区11之间,固支梁12的下方设有一个金属pad13,金属pad13上设有第一氮化硅绝缘介质层14,金属pad13的两端是固支梁的第一下拉电极15和第二下拉电极17,第一下拉电极15上设有第二氮化硅绝缘介质层16,第二下拉电极17上设有第三氮化硅绝缘介质层18。如图6、7所示:在SiO2层19上表面两端分别设置第三段传输线8和第四段传输线9,在第三段传输线8设上有第一锚区10,第四段传输线9上设有第二锚区11,固支梁12一端与第一锚区10固接,另一端与第二锚区11固接,使得固支梁12架在第一锚区10和第二锚区11之间。所述SiO2层19上还设置有金属pad13,金属pad13上设有第一氮化硅绝缘介质层14,所述金属pad13位于固支梁12的下方,金属pad13的两端设有固支梁的第一下拉电极15和第二下拉电极17,第一下拉电极15上设有第二氮化硅绝缘介质层16,第二下拉电极17上设有第三氮化硅绝缘介质层18。
AC/DC转换模块为两个双端口的单元集成模块,其主要作用是将通过带通滤波器的由混频结构泄漏的振荡信号交流转换成直流。
第一电容式固支梁K1的第三段传输线8作为微波信号输入端口,第四段传输线9连接第一平面电感L1的第一段传输线2,第一电容式固支梁K1的金属pad13连接地,第一平面电感L1的第二段传输线3与第二平面电感L2的第一段传输线2、第二电容式固支梁K2的第三段传输线8相连,第二平面电感L2的第二段传输线3接地,第一电容式固支梁K1的第四段传输线9悬空,第二电容式固支梁K2的金属pad13引线作为滤波器的输出端,通过控制第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁K2的第一下拉驱动电极15和第二下拉驱动电极17上的下拉驱动电压能够调节接入的第一电容C1、第二电容C2的大小从而调节带通滤波器的通带频域以振荡信号频率为中心。
对于带通滤波器,施加特定下拉驱动电压使电容式固支梁K1和电容式固支梁K2导通,此时这两个电容式固支梁等效为第一电容C1和第二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可调带通滤波器的下通带频率为f1:
根据公式(2),上通带频率为f2:
其中f1<f2。当且仅当微波信号的频率f满足f1≤f≤f2时,可以通过带通滤波器。通过调节施加下拉驱动电压可以调节电容式固支梁K1、K2的等效电容C1、C2从而可以调节LC可调带通滤波器的通带频域,使振荡信号fLO能通过。
输入信号连接混频结构输入端,其频率为fs>f2,不会通过带通滤波器,其与加在混频结构另一端口的本地振荡信号fLO混频后输出中频信号fIF。因为本地振荡信号能量较大,会向混频结构输入端泄漏,流至输入端的振荡信号的频率fLO满足带通滤波器的通频带,即f1≤fLO≤f2,因此,泄漏的本地振荡信号经过带通滤波器后,被AC/DC模块转化为直流信号由充电电池收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
本发明的面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器中的带通滤波器的制备方法为:
1)准备衬底:选硅作为衬底;
2)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、金属pad及下拉电极的形状;
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、金属pad和下拉电极;
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500/1500/形成用于电镀固支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:电镀固支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,然后用显影液溶解固支梁下的聚酰亚胺牺牲层,并用无水乙醇脱水,形成悬空的固支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振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器在传统的混频结构前并联了带通滤波器和AC/DC模块用以收集由混频结构泄漏的本地振荡信号。带通滤波器是由基于MEMS技术的平面电感和电容式固支梁构成,通过简单的控制电容式固支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频域,使得输入信号不能通过该滤波器,而由混频结构泄漏过来的振荡信号可通过滤波器,进而被AC/DC模块转换为直流信号由充电电池收集。通过这些结构简单高效地实现了振荡信号泄漏能量的收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
满足以上条件的结构即视为本发明的面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:包括带通滤波器、AC/DC模块、充电电池、混频结构和中频滤波器,其中混频结构为三端口网络,三端口分别为第一输入端、第二输入端、第一输出端;接收信号接混频结构的第一输入端,同时混频结构的第一输入端连接带通滤波器的输入端,带通滤波器的输出端连接AC/DC模块,AC/DC模块连接充电电池,混频结构的第二输入端接振荡信号,混频结构的第一输出端接中频滤波器,中频滤波器输出中频信号,实现了振荡信号泄漏能量的收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
2.根据权利要求1所述面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:所述带通滤波器包括两个平面电感和两个电容式固支梁,这两个平面电感分别为第一平面电感L1和第二平面电感L2,两个电容式固支梁分别为第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁K2,其中:第一电容式固支梁K1的一端作为微波信号输入端口,另一端连接第一平面电感L1,第一电容式固支梁K1的金属pad连接地,第一平面电感L1的另一端与第二平面电感L2、第二电容式固支梁K2相连,第二平面电感L2的另一端接地,第二电容式固支梁K2的另一端悬空,第二电容式固支梁K2的金属pad引线作为滤波器的输出端。
3.根据权利要求2所述面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:所述平面电感以硅为衬底,在硅衬底(1)上氧化一层SiO2层(19),其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)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。
4.根据权利要求3所述面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:所述电容式固支梁在SiO2层(19)的两端有第三段传输线(8)和第四段传输线(9),在第三段传输线(8)设上有第一锚区(10),第四段传输线(9)上设有第二锚区(11),固支梁(12)架在第一锚区(10)和第二锚区(11)之间,固支梁(12)的下方设有一个金属pad(13),金属pad(13)上设有第一氮化硅绝缘介质层(14),金属pad(13)的两端是固支梁的第一下拉电极(15)和第二下拉电极(17),第一下拉电极(15)上设有第二氮化硅绝缘介质层(16),第二下拉电极(17)上设有第三氮化硅绝缘介质层(18)。
5.根据权利要求4所述面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:所述第一电容式固支梁K1的第三段传输线(8)作为微波信号输入端口,第四段传输线(9)连接第一平面电感L1的第一段传输线(2),第一电容式固支梁K1的金属pad(13)连接地,第一平面电感L1的第二段传输线(3)与第二平面电感L2的第一段传输线(2)、第二电容式固支梁K2的第三段传输线(8)相连,第二平面电感L2的第二段传输线(3)接地,第一电容式固支梁K1的第四段传输线(9)悬空,第二电容式固支梁K2的金属pad(13)引线作为滤波器的输出端,通过控制第一电容式固支梁K1和第二电容式固支梁K2的第一下拉驱动电极(15)和第二下拉驱动电极(17)上的下拉驱动电压能够调节接入的第一电容C1、第二电容C2的大小从而调节带通滤波器的通带频域以振荡信号频率为中心。
6.根据权利要求5所述面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:所述通带频域下截止频率上截止频率因为本地振荡信号能量较大,会向混频结构输入端泄漏,流至输入端的振荡信号的频率fLO满足带通滤波器的通频带,即f1≤fLO≤f2,因此,泄漏的本地振荡信号经过带通滤波器后,被AC/DC模块转化为直流信号由充电电池收集,防止了振荡信号的自混频,降低了直流功耗。
7.根据权利要求1所述面向物联网的振荡信号泄漏能量收集的固支梁混频器,其特征在于:所述带通滤波器是基于MEMS技术的LC可调带通滤波器。
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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: 20180130 |