CN110474159A - 一种基于mems工艺的微型球形反射面天线以及阵列天线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的提供一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线以及阵列天线及其制备方法，所述球形反射面天线包括：衬底，所述衬底设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述衬底上表面设有凹槽；玻璃泡球形反射面，位于所述衬底上表面，且与所述凹槽开口连接形成球形微腔；馈源，置于所述玻璃泡球形反射面的焦点；其中，所述玻璃泡球形反射面包括玻璃泡和覆盖于所述玻璃泡表面的金属反射层。通过MEMS工艺，同时实现了球形反射面和馈源的微型化，可显著地减少无线系统整体的尺寸和重量，为其应用开辟新的空间；而且，本发明的球形反射面阵列天线，利用MEMS技术实现了球形反射面与馈源的集成化设计和制备，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于MEMS(微机电系统)技术领域，尤其涉及一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线以及阵列天线及其制备方法。
背景技术
天线可实现导行波和空间自由波的相互转换，是现在雷达和无线通信系统的必要组成部分。传统的天线通常由机械加工得到，传统机械技工的天线尺寸过大，限制了传统天线的发展，与现代集成电路的工艺集成性差，对于小尺寸天线的表面形貌难以保证，在毫米波段中，对信号的传输有很大的影响。
目前微型化是天线发展的重要趋势，随着微波频率越来越高，天线的尺寸将越来越小，同时更加轻巧的天线也会显著地减小无线系统整体的尺寸和重量，为其应用开辟新的空间。微机电系统(MEMS)加工工艺生产的微结构精度可以达到微米级并且可以加工具有高深宽比的复杂三维结构。
因此，提供一种能够实现球形反射面天线的微型化以及集成化并降低制备成本的天线制备方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线以及阵列天线及其制备方法，以实现球形反射面天线的微型化以及集成化，降低成本。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线以及阵列天线及其制备方法，所述球形反射面天线包括：
衬底，所述衬底设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述衬底上表面设有凹槽；
玻璃泡球形反射面，位于所述衬底上表面，且与所述凹槽连接形成球形微腔；
馈源，置于所述玻璃泡球形反射面的焦点位置；
其中，所述玻璃泡球形反射面包括玻璃泡和覆盖于所述玻璃泡表面的金属反射层。
可选地，所述衬底的材料包括硅，所述金属反射层的材料包括金或铜。
可选地，所述馈源的结构包括偶极子线性结构、环形结构、微带线结构或共面波导结构中的任意一种。
可选地，所述馈源的结构为微带线结构，所述馈源包括设置于所述凹槽底面的辐射贴片、设置于所述衬底下表面且与所述辐射贴片位置对应的金属地线中间部以及所述辐射贴片与所述金属地线中间部之间的衬底，所述馈源由传输线引出。
可选地，所述馈源的结构为共面波导结构，所述馈源包括设置于所述衬底下表面的辐射贴片和环绕所述辐射贴片的金属地线环绕部，所述馈源由传输线引出。
可选地，所述辐射贴片的材料包括金或铜。
本发明还提供一种基于MEMS工艺的微型球形反射面阵列天线，所述球形反射面阵列天线由若干个如上述任一项所述的微型球形反射面天线按照特定阵列排列组合而成，所述特定阵列包括矩形网格阵列、圆形阵列、矩形三角形网格阵列、六边形阵列、同心圆阵列中的任意一种。
本发明还提供一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法，至少包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底设有上表面和与所述上表面对应的下表面；
采用刻蚀工艺于所述衬底上表面形成凹槽；
将玻璃板与所述衬底上表面进行键合，形成密封结构，加热所述密封结构形成玻璃泡；
于所述玻璃泡表面沉积金属，形成金属反射层，所述玻璃泡与所述金属反射层构成球形反射面；
于所述球形反射面的焦点位置，形成馈源。
可选地，所述馈源的结构包括偶极子线性结构、环形结构、微带线结构或共面波导结构中的任意一种。
可选地，所述馈源为微带线结构，所述形成馈源的步骤包括：
在采用刻蚀工艺于所述衬底上表面形成凹槽步骤之后与且将玻璃板与所述衬底上表面键合步骤之前，于所述凹槽底面形成辐射贴片；
于所述衬底下表面沉积金属并图形化，形成金属地线层，金属地线层设有与所述辐射贴片对应设置的金属地线中间部和连接电线金属中间部的金属地线连接部；
以金属地线层为掩膜，采用刻蚀工艺去除未被所述金属地线覆盖的衬底，形成馈源以及连接所述馈源的传输线。
可选地，所述馈源的结构为共面波导结构，所述形成馈源的步骤包括：
于所述衬底下表面沉积金属并图形化，形成辐射贴片和环绕所述辐射贴片的金属地线环绕部，所述辐射贴片和所述金属地线环绕部构成馈源；同时，形成连接所述馈源传输线。
本发明还提供一种基于MEMS工艺的球形反射面阵列天线的制备方法，其特征在于，采用如上述任一项所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法制备阵列中的微型球形反射面天线。
本发明通过MEMS工艺，制备出微型球形反射面以及微型化的馈源，能够显著减少无线系统整体的尺寸和重量，为无线系统的应用开辟新的空间；同时，本发明实现了球形反射面与馈源的集成化，这对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
附图说明
图1显示为实施例一提供的衬底的结构示意图。
图2显示为实施例一提供的刻蚀衬底形成凹槽的结构示意图。
图3显示为实施例一提供的形成辐射贴片的结构示意图。
图4显示为实施例一提供的键合玻璃板的结构示意图。
图5显示为实施例一提供的形成玻璃泡的结构示意图。
图6显示为实施例一提供的形成金属反射层的结构示意图。
图7显示为实施例一提供的形成图形化的金属地线层的俯视示意图。
图8显示为实施例一提供的从图7的A-A＇向的剖面示意图。
图9显示为实施例一提供的完全刻蚀未被金属地线层覆盖的衬底的俯视示意图。
图10显示为实施例一提供的从图9的B-B＇向的剖面示意图。
图11显示为实施例一提供的球形反射面阵列天线的结构示意图。
图12显示为实施例二提供的衬底的结构示意图。
图13显示为实施例二提供的刻蚀形成凹槽的结构示意图。
图14显示为实施例二提供的与玻璃板键合的结构示意图。
图15显示为实施例二提供的形成玻璃泡的结构示意图。
图16显示为实施例二提供的形成金属反射层的结构示意图。
图17显示为实施例二提供的形成图形化金属地线层的结构示意图。
图18显示为实施例二提供的从图17的C-C＇向的剖面示意图。
元件标号说明
1 微型球形反射面天线
10 衬底
101 上表面
102 下表面
11 凹槽
12 辐射贴片
13 球形反射面
131 玻璃板或玻璃泡
132 金属反射层
14 金属地线层
141 金属地线中间部
142 金属地线连接部
15 传输线
20 衬底
201 上表面
202 下表面
21 凹槽
22 辐射贴片
23 球形反射面
231 玻璃板或玻璃泡
232 金属反射层
241 金属地线环绕部
242 传输线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种微型球形反射面天线，其主要包括：衬底，衬底设有上表面和与上表面对应的下表面，衬底上表面设有凹槽，玻璃泡球形反射面与凹槽开口连接形成球形微腔，玻璃泡球形反射面包括玻璃泡和覆盖于玻璃泡表面的金属反射层以及位于球形反射面的焦点位置的馈源。
作为示例，衬底的材料可选用硅。金属反射层的材料可选用金或铜，金属反射层的厚度为0.5～3μm。
作为示例，馈源可采用偶极子线性结构、环形结构、微带线结构或共面波导结构等各种微型天线形式。
在本实施例中，馈源采用微带线结构，微带线结构的馈源包括设置于凹槽底面的辐射贴片、位于衬底下表面且与辐射贴片对应设置的金属地线中间部以及辐射贴片与金属地线中间部之间的衬底，馈源由传输线引出。
如图7以及图8所示，本实施例中，馈源为微带线结构的微型球形反射面天线包括：衬底10，衬底设有上表面101和与上表面对应的下表面102，衬底上表面设有凹槽11以及与凹槽11开口连接的玻璃泡球形反射面13，玻璃泡球形反射面13包括玻璃泡131和覆盖于玻璃泡上的金属反射层132；馈源位于球形反射面的焦点位置，馈源包括位于凹槽底面的辐射贴片12、位于衬底下表面102且与辐射贴片12位置对应的金属地线中间部141以及辐射贴片12与金属地线中间部141之间的衬底，传输线15连接馈源。图8为图7中A-A’向的剖面图。
本发明还提供了基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法，其至少包括以下步骤：提供一衬底，所述衬底设有上表面和与之对应的下表面；
采用刻蚀工艺于所述衬底上表面形成凹槽；
将玻璃板与所述衬底上表面进行键合，形成密封结构，加热所述密封结构形成玻璃泡；
于所述玻璃泡表面沉积金属，形成金属反射层，所述玻璃泡与所述金属反射层构成球形反射面；
于所述球形反射面的焦点位置，形成馈源。
作为示例，馈源结构可采用偶极子线性结构、环形结构、微带线结构或共面波导结构等各种微型天线形式。
在本实施例中，形成微带线结构的馈源的步骤包括：
在采用刻蚀工艺于所述衬底上表面形成凹槽步骤之后且将玻璃板与所述衬底上表面键合之前，于所述凹槽底面形成辐射贴片；
于所述衬底下表面沉积金属并图形化，形成金属地线层，金属地线层设有与所述辐射贴片对应设置的金属地线中间部和连接金属地线中间部的金属地线连接部；
以金属地线层为掩膜，采用刻蚀工艺去除未被所述金属地线覆盖的衬底，形成馈源以及连接馈源的传输线。
下面通过附图进一步详细说明以微带线结构为馈源的微型球形反射面天线的制备方法。
如图1所示，进行步骤1)，提供一衬底10，衬底10设有上表面101和与上表面对应的下表面102。
在本实施例中，选用硅作为衬底10。
如图2所示，进行步骤2)，采用刻蚀工艺于衬底10上表面形成凹槽11。
作为示例，凹槽11的尺寸决定了玻璃泡的尺寸与形状，可限定凹槽半径在100μm～10mm。
如图3所示，进行步骤3)，于凹槽11底面形成辐射贴片12。
作为示例，辐射贴片12的材料是金或铜，在本实施例中，选用金为辐射贴片的材料。辐射贴片的形状可根据需要选择方形或圆形或其他形状。辐射贴片设于球形反射面的焦点位置，球形反射面的焦点由玻璃泡的尺寸和形状进行调整。
如图4及图5所示，进行步骤4)，将玻璃板131与衬底10上表面进行键合，形成密封结构，并加热密封结构形成玻璃泡131。
具体的，步骤4)的过程为：将玻璃板131与衬底10上表面进行阳极键合，形成密封结构，然后将密封结构置于加热炉内加热，至玻璃软化温度以上并保温。在高温作用下，凹槽11内的气体被加热使得腔内的压力大于外部压力，腔内外的压力差使软化后的玻璃板131远离凹槽11形成球面的玻璃泡。玻璃泡的尺寸和形状可由凹槽11的尺寸和加热的工艺条件进行控制。
如图6所示，进行步骤5)，于玻璃泡131表面沉积一层金属，形成金属反射层132，玻璃泡131与金属反射层132构成球形反射面13。
作为示例，金属反射层132的材料包括金或者铜。金属反射层的制备方法可采用溅射法或气相沉积法，在本实施例中，采用溅射法制备金属反射层132。
如图7及图8所示，进行步骤6)，于衬底10的下表面沉积一层金属并图形化，形成金属地线层14，金属地线14设有与辐射贴片12对应设置的金属地线中间部141和连接中间部141的金属地线连接部142。
如图9所示，以下表面的金属地线层14为掩膜，采用刻蚀工艺去除未被金属地线层覆盖的衬底，形成馈源以及连接馈源的传输线15。图10为图9中B-B’向的剖面图。
在本实施例中，采用微带线结构作为馈源，其天线的辐射方向是在辐射贴片的一侧，通过去除凹槽底部其余部分的衬底，可减小衬底对入射或出射微波信号的吸收和干扰。
如图11所示，本发明还提供了一种基于MEMS的球形反射面阵列天线，球形反射面阵列天线是由若干个紧密排列的如上所述的球形反射面天线1按照特定阵列排列组合而成的，其特定的结构可以为矩形网格阵列、圆形阵列、矩形三角形网格阵列、六边形阵列、同心圆阵列中的任意一种。
本发明还提供了一种基于MEMS的球形反射面阵列天线的制备方法，是采用如上所述的基于MEMS的微型球形反射面天线的制备方式制备而成的，但与上述方法不同的是，在采用刻蚀工艺于衬底上表面形成凹槽的步骤中，采用刻蚀工艺于衬底上表面形成设定的凹槽阵列。其他步骤与上述的微型球形反射面天线的制备方法相同，在此不再赘述。
天线根据馈电电流、间距、电长度等不同参数构成采阵列形式，可以增加有效面积，调整波束方向性。
本实施例通过MEMS工艺，同时实现了球形反射面和馈源的微型化，可显著地减少无线系统整体的尺寸和重量，为其应用开辟新的空间；而且，本实施例的球形反射面阵列天线，利用MEMS技术实现了球形反射面与馈源的集成化设计和制备，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
实施例二
本实施例提供一种微型球形反射面天线，其技术方案与实施例一相似，与实施例一不同的是，馈源的结构为共面波导结构。
在本实施例中，共面波导结构的馈源包括位于衬底下表面的辐射贴片和环绕所述辐射贴片的金属地线环绕部，馈源由传输线引出。
如图12以及图13所示，馈源为共面波导结构的微型球形反射面天线包括：衬底20，衬底20设有上表面201和与上表面对应的下表面202，衬底上表面设有凹槽21以及与凹槽21开口连接的玻璃泡球形反射面23，玻璃泡球形反射面23包括玻璃泡231和覆盖于玻璃泡上的金属反射层232；馈源位于球形反射面23的焦点中心，馈源包括位于衬底20下表面的辐射贴片22、环绕辐射贴片22的金属地线环绕部241，馈源由传输线242引出。
在本实施例中，通过于衬底下表面沉积金属并图形化，形成辐射贴片和环绕辐射贴片的金属地线环绕部，所述辐射贴片和所述金属地线环绕部构成馈源；同时，形成将馈源引出的传输线。
下面通过附图进一步详细说明以共面波导结构为馈源的微型球形反射面天线的制备方法。
如图12所示，进行步骤1)，提供一衬底20，衬底20设有上表面201和下表面202。
作为示例，衬底20的材料可选用硅衬底、氮化镓衬底等半导体衬底，在本实施例中，选用硅作为衬底20。
如图13所示，进行步骤2)，采用刻蚀工艺于衬底20上表面形成凹槽21。
作为示例，凹槽21的尺寸决定了玻璃泡的尺寸与形状，可限定凹槽半径在100μm～10mm。
如图14及15所示，进行步骤3)，将玻璃板231与衬底20上表面进行键合，形成密封结构，并加热密封结构形成玻璃泡231。
具体的，步骤3)的过程为：将玻璃板231与衬底20上表面进行阳极键合，形成密封结构，然后将密封结构置于加热炉内加热，至玻璃软化温度以上并保温。在高温作用下，凹槽21内的气体被加热使得腔内的压力大于外部压力，腔内外的压力差使软化后的玻璃板231远离凹槽11形成球面的玻璃泡231。玻璃泡的尺寸和形状可由凹槽21的尺寸和加热的工艺条件进行控制。
如图16所示，进行步骤4)，于玻璃泡231表面沉积一层金属，形成金属反射层232，玻璃泡231与金属反射层232构成球形反射面23。
作为示例，金属反射层232的材料包括金或者铜。金属反射层的制备方法可采用溅射法或气相沉积法，在本实施例中，采用溅射法制备金属反射层232。
如图17及18所示，进行步骤5)，于衬底20的下表面沉积一层金属并图形化，形成辐射贴片22、环绕辐射贴片22的金属地线环绕部241以及引出辐射贴片22和金属地线环绕部241的传输线242。图18为图17中C-C＇方向的剖面图。辐射贴片设于球形反射面的焦点位置，球形反射面的焦点由玻璃泡的尺寸和形状进行调整。
与实施例一相同的是，在本实施例中，也可采用如上所述的以共面波导结构为馈源的微型球形反射面天线的制备方法制备阵列天线。
本实施例通过MEMS工艺，同时实现了球形反射面和馈源的微型化，可显著地减少无线系统整体的尺寸和重量，为其应用开辟新的空间；而且，本实施例的球形反射面阵列天线，利用MEMS技术实现了球形反射面与馈源的集成化设计和制备，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
综上所述，本发明提供一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，所述球形反射面天线包括：衬底，所述衬底设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述衬底上表面设有凹槽；玻璃泡球形反射面，位于所述衬底上表面，且与所述凹槽开口连接形成球形微腔；馈源，置于所述玻璃泡球形反射面的焦点中心；其中，所述玻璃泡球形反射面包括玻璃泡和覆盖于所述玻璃泡上的金属反射层。基于上述技术方案，本发明通过MEMS工艺，制备出微型球形反射面以及微型化的馈源，能够显著减少无线系统整体的尺寸和重量，为无线系统的应用开辟新的空间；同时，本发明实现了球形反射面与馈源的集成化，这对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，其特征在于，所述球形反射面天线包括：衬底，所述衬底设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述衬底上表面设有凹槽；
玻璃泡球形反射面，位于所述衬底上表面，且与所述凹槽连接形成球形微腔；
馈源，置于所述玻璃泡球形反射面的焦点位置；
其中，所述玻璃泡球形反射面包括玻璃泡和覆盖于所述玻璃泡表面的金属反射层。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，其特征在于，所述衬底的材料包括硅，所述金属反射层的材料包括金或铜。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，其特征在于，所述馈源的结构包括偶极子线性结构、环形结构、微带线结构或共面波导结构中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，其特征在于，所述馈源的结构为微带线结构，所述馈源包括设置于所述凹槽底面的辐射贴片、设置于所述衬底下表面且与所述辐射贴片位置对应的金属地线中间部以及所述辐射贴片与所述金属地线中间部之间的衬底，所述馈源由传输线引出。
5.根据权利要求3所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，其特征在于，所述馈源的结构为共面波导结构，所述馈源包括设置于所述衬底下表面的辐射贴片和环绕所述辐射贴片的金属地线环绕部，所述馈源由传输线引出。
6.根据权利要求4或5所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线，其特征在于，所述辐射贴片的材料包括金或铜。
7.一种基于MEMS工艺的球形反射面阵列天线，其特征在于，所述球形反射面阵列天线由若干个如权利要求1～6任一项所述的微型球形反射面天线按照特定阵列排列组合而成，所述特定阵列包括矩形网格阵列、圆形阵列、矩形三角形网格阵列、六边形阵列、同心圆阵列中的任意一种。
8.一种基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底设有上表面和与所述上表面对应的下表面；
采用刻蚀工艺于所述衬底上表面形成凹槽；
将玻璃板与所述衬底上表面进行键合，形成密封结构，加热所述密封结构形成玻璃泡；
于所述玻璃泡表面沉积金属，形成金属反射层，所述玻璃泡与所述金属反射层构成球形反射面；
于所述球形反射面的焦点位置，形成馈源。
9.一种如权利要求8所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法，其特征在于，所述馈源的结构包括偶极子线性结构、环形结构、微带线结构或共面波导结构中的任意一种。
10.根据权利要求9所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法，所述馈源为微带线结构，其特征在于，所述形成馈源的步骤包括：
在采用刻蚀工艺于所述衬底上表面形成凹槽步骤之后与将玻璃板与所述衬底上表面进行键合步骤之前，于所述凹槽底面形成辐射贴片；
于所述衬底下表面沉积金属并图形化，形成金属地线层，金属地线层设有与所述辐射贴片对应设置的金属地线中间部和连接金属地线中间部的金属地线连接部；
以金属地线层为掩膜，采用刻蚀工艺去除未被金属地线层覆盖的衬底，形成馈源以及连接所述馈源的传输线。
11.根据权利要求9所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法，所述馈源的结构为共面波导结构，其特征在于，所述形成馈源的步骤包括：
于所述衬底下表面沉积金属并图形化，形成辐射贴片和环绕所述辐射贴片的金属地线环绕部，所述辐射贴片和所述金属地线环绕部构成馈源；同时，形成连接所述馈源的传输线。
12.一种基于MEMS工艺的球形反射面阵列天线的制备方法，其特征在于，采用权利要求8～11任一项所述的基于MEMS工艺的微型球形反射面天线的制备方法制备阵列中的微型球形反射面天线。
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