CN109775653A - 用于生成和传输ulf/vlf信号的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于生成和传输ULF/VLF信号的系统和方法。一种用于生成和传输ULF/VLF信号的系统包括以阵列排列的多个MEMS发射器设备。每个发射器设备包括第一接地平面；梁，通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器，耦合到梁以在梁上产生应力；和第二接地平面，在梁上方间隔开。该系统还包括振动驱动级，可操作地耦合到每个发射器设备。振动驱动级同步地驱动每个发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动。每个驻极体也以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF/VLF信号。
Description
背景技术
从300 Hz至3 kHz变动的超低频（ULF）信号可以穿透诸如水、金属、土壤、岩石和建筑材料之类的传导介质穿透达数百米。由于这些材料中的相对大的趋肤深度（skindepth），其随着载波频率减少而增长，穿透是可能的。从3 kHz至30 kHz变动的甚低频（VLF）信号通常用于长距离通信，诸如在基站和位于世界另一边的潜艇之间。
在防务团体（defense community）中存在对于用于水下、地下和其他通信的便携式ULF/VLF发射器的大量兴趣。目前的ULF技术中采用了重达数百磅同时消耗数百千瓦的大电磁线圈，这使得它们不可能用于便携式部署。
由于长波长和独特的应用，在ULF/VLF频带中的设备小型化和集成中几乎没有进步。因此，仍然没有可用的便携式ULF/VLF发射器。对于许多防务应用，在水下、地下或通过洞壁的通信能力是非常感兴趣的。
发明内容
公开了一种用于生成和传输ULF或VLF信号的系统。该系统包括布置在设备阵列中的多个MEMS发射器设备。MEMS发射器设备中的每个包括第一接地平面（ground plane）；具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚（anchor）耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁的远端并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器（bias drive），耦合到梁并且被配置为在梁上产生应力；和第二接地平面，在梁上方间隔开。该系统还包括振动驱动级，可操作地耦合到每个MEMS发射器设备。振动驱动级被配置为同步地驱动每个MEMS发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动。每个驻极体也以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF或VLF信号。
附图说明
参照附图根据以下描述，本发明的特征对于本领域技术人员而言将变得清楚。应当理解，附图仅描绘了典型的实施例并且因此不应认为是对范围的限制，将通过附图的使用以附加的特征和细节来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的单个ULF/VLF发射器设备的横截面图；
图2是根据一个实现的ULF/VLF发射器阵列的平面图；
图3是根据一个实施例的ULF/VLF发射器阵列封装的横截面图，其中，振动驱动机构集成在封装内；
图4是根据另一实施例的ULF/VLF发射器阵列系统的透视图，其中实现了外部振动驱动级用于驱动多个发射器阵列封装；和
图5是根据另外的实施例的单个ULF/VLF发射器设备的横截面图，该单个ULF/VLF发射器设备利用集成的压电频率调谐来执行ULF/VLF信号调制。
具体实施方式
在以下详细描述中，足够详细地描述了实施例，以使本领域技术人员能够实践本发明。应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其他实施例。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
这里公开了用于提供同步驱动的高效率超低频（ULF）或甚低频（VLF）发射器的系统和方法。根据本方法的ULF/VLF发射器包括单独的微机电系统（MEMS）发射器设备或谐振器的阵列，其中的每一个包括安装在振动梁上的驻极体。发射器以独立的外部驱动源同步地控制在阵列中的所有谐振器的低振动频率，独立的外部驱动源可以被并入封装的发射器阵列内或可以在封装的发射器阵列外部生成。
ULF/VLF信号的生成和传输可以通过使阵列中的垂直于接地平面的高电荷密度的驻极体振动来实现。随着驻极体振动，以振动频率辐射磁场。通过解耦来自各个发射器设备的外部驱动源的振动驱动，系统复杂性大大降低，这使能了高效的同步大阵列的操作。发射器设备的振动幅度也不受MEMS结构的驱动能力的限制，因此可以辐射更多的能量。此外，可以优化发射器设备，以在期望的ULF/VLF频率除谐振。
本系统和方法提供了ULF生成和传输技术，它可以使能用于便携式地下和水下通信的微型无源发射器。通过利用高品质因数和低损耗的MEMS结构、高电荷密度驻极体和大幅度外部驱动机构，可以生产此类微型无源发射器。所提出的技术也可以用于VLF域中的、用于长距离通信的信号生成。
下面参考附图描述本系统和方法的进一步细节。
图1示出了根据一个实施例的单个ULF/VLF MEMS 发射器设备100。发射器设备100包括第一接地平面110和具有下表面114和上表面116 的梁112。锚118耦合在接地平面110和梁112的近端处的下表面114之间，使得梁112在接地平面110之上延伸并与接地平面110间隔开。驻极体120在梁112的远端处耦合到下表面114。驻极体120面对接地平面110并与其间隔开。电驱动器122耦合到梁112的上表面116，且被配置为通过电偏压在梁112上生成应力。第二接地平面124间隔在梁112上方。包括接地平面124以平衡驻极体120上的静电力。
当通过电致动生成梁112上的应力信号时，梁112和驻极体120在相对于第一接地平面110和第二接地平面124基本上垂直的方向上振动。驻极体120的振动以产生ULF或VLF辐射的频率来完成。
发射器设备100可使用常规的MEMS制造技术制造。梁112可以由诸如硅、氧化硅、金属以及诸如此类的任何MEMS兼容材料制成。
驻极体120可以由无机驻极体材料（例如二氧化硅）或有机驻极体材料（例如聚合物）构成。驻极体是具有准永久嵌入的静电荷和/或准永久极化偶极子的电介质材料。
在发射器设备100的制造期间，电驱动器122可与梁112集成。电驱动器122可被实现为静电、热电或压电驱动机构，以便生成梁振动。
为了生成足够的用于通信应用的ULF/VLF信号，数百至数千的MEMS发射器设备都需要在阵列中同步地操作。图2描绘了根据一个示例性实现的ULF/VLF发射器阵列200。发射器阵列200包括多个MEMS 发射器设备210， MEMS发射器设备210中的每个可以对应于发射器设备100（图1）。可以多个行和列布置发射器设备210，如图2中所示。
可能难以用图1中所示的集成的电驱动器122同步地驱动诸如发射器阵列200之类的大MEMS阵列，因为存在电气布线、阻抗匹配、缺陷等的挑战。此外，设备集成驱动器的位移通常是有限的，这限制了辐射的ULF/VLF信号强度。因此，与设备水平创新一起，在本文中描述了被实现为激励ULF/VLF发射器阵列的外部振动驱动机构。
图3示出了根据一个实施例的ULF/VLF发射器阵列封装300， 其中振动驱动级 310集成在真空封装320内。多个MEMS发射器设备330位于真空封装320的内部。发射器设备330中的每个耦合到第一接地平面332，第一接地平面332位于振动驱动级310之上。发射器设备330中的每个包括梁334，其通过锚336耦合到接地平面332，使得每个梁334在接地平面332之上延伸并与之间隔开。驻极体338 被耦合到每个梁334的远端并且与接地平面332间隔开。
电偏压340可以耦合到每个梁334，其中每个电偏压340与振动驱动级310电连通。与图1中的电驱动器122不同，电偏压340是可选的并且用于改变每个梁334的谐振频率。电偏压340不用于生成通过振动驱动级310完成的梁振动。第二接地平面342间隔在每个梁334的上方。振动驱动器级310可以被实现为静电或压电驱动机构，例如，以便生成梁振动。
图4示出了根据另一实施例的ULF/VLF发射器阵列系统400，其中实现单个外部振动驱动级410用于驱动多个发射器阵列封装420。如在先前实施例中所描述的多个MEMS发射器设备位于发射器阵列封装420中的每个的内部。振动驱动器级410可被实现为静电或压电驱动机构，例如，以便在发射器阵列封装420中的每个中生成梁振动。
图5描绘了根据另一实施例的MEMS ULF/VLF发射器设备500，其利用集成的压电频率调谐来执行ULF/VLF信号调制。发射器设备500包括第一接地平面510以及具有下表面514和上表面516的梁512。锚518耦合在接地平面510和下表面514之间，使得梁512在接地平面510之上延伸并与之间隔开。驻极体520耦合到梁512的下表面514。驻极体 520面对接地平面510并与之间隔开。
压电驱动器522耦合到梁512的上表面516，并且被配置为在梁512上施加压电DC应力偏压。压电驱动器522可包括在梁512上的底部电极524，在底部电极524之上的压电层26以及在压电层526之上的顶部电极528。第二接地平面530在梁512上方间隔开，并且被配置成平衡对驻极体520上的静电力。当DC应力偏压由压电驱动器522施加到梁512时，驻极体520和梁512的谐振频率随着由DC偏压电压的幅度控制的频移而改变。
对应于发射器设备500的多个发射器设备可以使用常规的MEMS制造技术制造，并且以阵列封装来产生ULF/VLF发射器阵列系统。当以阵列来实现时，发射器设备被优化为在期望的ULF/VLF频率处谐振。对于频移键控（frequency shift key）信号传输，调制信号540可被施加到压电驱动器522来调制辐射信号542，并且因此将数据编码到辐射信号542上。当信号为高时，压电层526生成应力，这改变了梁谐振（随着振动驱动改变），并且因此输出信号频率。调制信号可以在低频处，诸如小于约1 Hz， 并且因此造成几乎没有布线和阻抗匹配的挑战。
在另一实现中，可以通过集成光伏（photovoltaic）到梁上以驱动压电层来实现布线的消除。外部光源可以被用于调制信号。在进一步的实施方案中，可以增加振动驱动幅度。由于弹簧软化效应，发射器的谐振频率随振动幅度改变，从而实现频率调制。
示例实施例
一种用于生成和传输ULF或VLF信号的系统，该系统包括布置在设备阵列中的多个MEMS发射器设备，MEMS发射器设备中的每个包括：第一接地平面；具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；驻极体，耦合到梁的远端并与第一接地平面间隔开；电偏压驱动器，耦合到梁并被配置成在梁上生成应力；和在梁上方间隔开的第二地平面。振动驱动器级被可操作地耦合到每个MEMS发射器设备，其中振动驱动级被配置为同步地驱动每个MEMS发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动，其中每个驻极体以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF或VLF信号。
示例2包括示例1的系统，其中梁包括硅、二氧化硅或金属。
示例3包括示例1-2中任一项的系统，其中驻极体包含无机驻极体。
示例4包括示例1-2中任一项的系统，其中驻极体包括有机驻极体。
示例5包括示例1-4中任一项的系统，其中电偏压驱动器与梁集成在一起。
示例6包括示例1-5中任一项的系统，其中电偏压驱动器包括静电驱动机构、热电驱动机构或压电驱动机构。
示例7包括示例1-6中任一项的系统，其中MEMS发射器设备位于真空封装内。
示例8包括示例7的系统，其中振动驱动级位于真空封装内。
示例9包括示例1-6中任一项的系统，其中MEMS发射器设备位于布置在封装阵列中的多个真空封装内。
示例10包括示例9的系统，其中振动驱动级在封装阵列的真空封装之外。
示例11包括示例1-10中任一项的系统，其中MEMS发射器设备被配置为用于使用集成压电频率调谐的ULF或VLF信号调制。
示例12包括一种制造用于ULF或VLF信号的发射器阵列的方法，该方法包括以阵列形成多个MEMS发射器设备，MEMS发射器设备中的每个通过包括以下内容的过程形成：形成第一接地平面；形成具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；在梁的远端形成驻极体，使得驻极体与第一接地平面间隔开；在梁上形成电偏压驱动器，其被配置为在梁上生成应力；并形成在梁上方间隔开的第二接地平面。振动驱动器级被耦合到所述阵列以同步地驱动每个MEMS发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动，其中形成每个驻极体来以基本上相同的调制频率振动而生成和传输ULF或VLF信号。
示例13包括示例12的方法，其中，利用包括硅、二氧化硅或金属的材料形成梁。
示例14包括示例12-13中任一项的方法，其中利用包括无机驻极体的材料形成驻极体。
示例15包括示例12-13中任一项的方法，其中利用包括有机驻极体的材料形成驻极体。
示例16包括示例12-15中任一项的方法，其中电偏压驱动器与梁集成在一起。
示例17包括示例12-16中任一项的方法，其中MEMS发射器设备形成在真空封装内。
示例18包括示例17的方法，其中振动驱动级位于真空封装内。
示例19包括示例12-16中任一项的方法，其中MEMS发射器设备形成在布置在封装阵列中的多个真空封装内。
示例20包括示例19的方法，其中振动驱动级在封装阵列的真空封装之外。
在不脱离本发明基本特性的情况下，可以以其他特定形式来实现本发明。所描述的实施例在所有方面中都仅被视为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由前面的描述指示。在权利要求书的等价物的范围和含义内的所有改变都包含在它们的保护范围内。
Claims (3)
1.一种用于生成和传输超低频（ULF）或甚低频（VLF）信号的系统，所述系统包括：
布置在设备阵列中的多个微机电系统（ MEMS）发射器设备，MEMS发射器设备中的每个包括：
第一接地平面；
具有近端和远端的梁，其中梁的近端通过锚耦合到第一接地平面，使得梁在第一接地平面之上延伸并与第一接地平面间隔开；
驻极体，耦合到梁的远端并与第一接地平面间隔开；
电偏压驱动器，耦合到梁并被配置成在梁上生成应力；和
在梁上方间隔开的第二接地平面；和
振动驱动级，可操作地耦合到每个MEMS发射器设备，振动驱动级被配置成同步地驱动每个MEMS发射器设备，使得每个驻极体在相对于第一和第二接地平面基本上垂直的方向上振动；
其中每个驻极体以基本上相同的调制频率振动，以生成和传输ULF或VLF信号。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中：
MEMS发射器设备位于真空封装内；和
振动驱动级位于真空封装内。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中：
MEMS发射器设备位于布置在封装阵列中的多个真空封装内；和
振动驱动级在封装阵列的真空封装之外。
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