CN114824775B

CN114824775B - 一种多周期声激励磁电天线

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Publication number: CN114824775B
Application number: CN202210514814.1A
Authority: CN
Inventors: 白飞明; 胡文彬
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2042-05-11
Also published as: CN114824775A

Abstract

一种多周期声激励磁电天线，涉及射频频段微型天线领域。所述多周期声激励磁电天线包括压电单晶衬底，位于压电单晶衬底之上的叉指电极和反射栅，位于叉指电极和反射栅之上的绝缘层，以及位于绝缘层之上的磁性层；其中，所述磁性层由正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜交替形成，所述正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜为长条形、与叉指电极平行且周期相等。本发明多周期声激励磁电天线，采用机械波共振将应变传递到各层之中，利用磁‑声‑电耦合，实现电磁特性和声学特性的相互转化；该磁电天线的工作频率不同于传统天线取决于电磁波波长，而是由声波长决定。

Description

一种多周期声激励磁电天线

技术领域

本发明涉及射频频段微型天线领域，具体涉及射频机械天线，可以解决多周期谐振型磁电天线磁-声-电耦合系数低，辐射效率减弱的问题。

背景技术

天线在通信、雷达、导航、电子对抗等方面有巨大的军事用途。传统天线一般采用金属线结构。金属天线通过保持一定的长度(大于谐振频率的1/10个波长)实现在谐振频率下射频电信号和辐射电磁场之间的耦合，从而有效地发射或接收电磁波。天线的增益由振子叠加而产生，增益越高，往往天线长度越长。

近年来，随着通信电子设备小型化的快速发展，大多数电子元件都已实现微小型化，而传统天线受制于现有技术工作原理，虽然尺寸可以做的更小，但却会牺牲带宽、增益和效率，常用于天线小型化的技术都难以取得突破性的进展。特别是在P、S波段，电磁波波长很大，这很大程度上约束了无线通信系统和雷达在移动平台中的使用。此外，手机要较好接收11～15厘米波长的无线电信号，其天线尺寸至少要达到数厘米。

最近，美国加州大学洛杉矶分校和美国东北大学提出并制备了一种基于复合薄膜体声波谐振器(FBAR)的新型天线，其中复合薄膜包含磁致伸缩层和压电层两个部分，利用磁-声-电耦合来发射和接收电磁波并通过高品质因数的声谐振使该过程增强。接收过程中，磁致伸缩层感应空间中的电磁波，产生应变传递到压电层，通过压电效应感应出电压；发射过程中，在压电层施加电压，通过逆压电效应产生应变传递到磁致伸缩层中，通过压磁效应激发磁化振荡并辐射电磁波。由于声波在固体介质中的传播速度比电磁波的速度约小4-5个数量级，因此磁电天线的尺寸可以降低到传统电小天线的十分之一甚至百分之一。同时声谐振磁电天线可以与CMOS工艺兼容，方便实现集成化。

然而，FBAR谐振器的压电层的主要振动模态是沿面外的纵波，作用在磁致伸缩层中的应力等效场主要沿面外方向，而磁致伸缩层由于退磁场影响，磁矩处于面内，因此FBAR谐振器激发的磁化振荡很弱，限制了天线辐射效率。另外，FBAR结构中磁性层和压电层难做得很厚，限制了其工作频率拓展到1GHz以下频段(P波段)。

横向体声波谐振器(contour-mode)也可以用来实现磁电天线功能。这种谐振器工作在面内轮廓振动模式下，压电层将面内应变传递到磁致伸缩层，产生的面内等效应力场能激发强磁化振荡。然而，单周期电极结构无法在P波段兼顾谐振频率、阻抗和品质因数；而多周期下相邻半周期磁化振荡相位不同，造成磁通量相互抵消。因此，简单增加电极对数和周期会一方面造成磁电耦合效应与逆磁电耦合效应互易性的破缺，影响天线的收发互易性，另一方面使得磁电天线的整体辐射效率降低。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术提到的面外模态和面内单周期模态器件出现的问题，提出了一种基于声表面波谐振器的多周期声激励磁电天线。相对于传统天线，本发明将电磁谐振转化为声谐振，使结构尺寸缩小了数个量级；相对于FBAR磁电天线，本发明多周期声激励磁电天线具有强磁电系数，有效提高了辐射效率；相对于单周期横向体波磁电天线，本发明多周期声激励磁电天线在兼顾工作频率、谐振强度的同时，能有效调节器件的阻抗，方便实现外部电路的阻抗匹配。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多周期声激励磁电天线，如图1所示，包括压电单晶衬底100，位于压电单晶衬底之上的叉指电极110和反射栅111，位于叉指电极和反射栅之上的绝缘层120，以及位于绝缘层120之上的磁性层；其中，所述磁性层由正磁致伸缩薄膜131和负磁致伸缩薄膜132交替形成，所述正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜为长条形、与叉指电极平行且周期相等。

进一步的，所述正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜的长为叉指电极长度的1～1.1倍，宽为单个叉指电极的宽度加上相邻叉指电极之间的间隙；正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜的尺寸完全相同。

进一步的，所述压电单晶衬底100为石英、钽酸锂或铌酸锂等，厚度为100-500μm。

进一步的，所述叉指电极位于压电单晶衬底之上、呈周期性排列，单个叉指的尺寸根据所应用的频率和阻抗确定；叉指电极的电极长度沿压电单晶衬底的X方向，沿Y方向周期排列，排列的周期为半个声波长；叉指电极的材料为银、铝、铜、金、钼、铂等，厚度为50-300nm。

进一步的，所述反射栅位于叉指电极两端，材料为银、铝、铜、金、钼、铂等，厚度为50-300nm。

进一步的，所述绝缘层120为二氧化硅、氧化铝、氧化锌等，厚度为0.4-4μm。

进一步的，所述正磁致伸缩薄膜为铁硅硼(FeSiB)、铁钴硅硼(FeCoSiB)、铁硅硼碳(FeSiBC)、铁镓硼(FeGaB)等，负磁致伸缩薄膜为镍(Ni)、铁酸镍(Ni_0.8Fe_2.2O₄)等；所述磁性层的厚度为20-500nm。

进一步的，所述叉指电极中的一个梳状电极作为输入输出电极，另一个梳状电极作为接地电极；所述正磁致伸缩薄膜位于输入输出电极正上方，负磁致伸缩薄膜位于接地电极正上方。

本发明提供的一种多周期声激励磁电天线，其工作原理为：

发射过程中，从叉指电极的一端(输入输出电极端)输入正弦信号，与另一端接地的电极(接地电极)共同在压电衬底表面产生周期变化电势，特定频率下通过逆压电效应在压电衬底表面产生共振弹性驻波，称为声表面波。声表面波带动绝缘层和磁性层共同振动，引发磁性层中磁化振荡，产生动态变化磁通量。这种动态变化磁通量作为辐射源向空间辐射电磁波。接收过程中，外界电磁波激发磁性层内磁化振荡，产生应变传递到压电单晶衬底中，由于压电效应产生电压输出。

本发明提供的一种多周期声激励磁电天线中，磁性层中的正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜以半波长周期排列，使正磁致伸缩薄膜匹配到驻波波峰(或波谷)区域，负磁致伸缩薄膜匹配到波谷(或波峰)区域。正、负磁致伸缩薄膜在拉伸、压缩(或压缩、拉伸)应变作用下，在不同半周期内产生同相磁化振荡。同理，正、负磁致伸缩薄膜在外磁场激励下产生拉伸、压缩剪切应变，通过绝缘层传到压电衬底，匹配到叉指电极上，输出同相电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种多周期声激励磁电天线，采用机械波共振将应变传递到各层之中，利用磁-声-电耦合，实现电磁特性和声学特性的相互转化；该磁电天线的工作频率不同于传统天线取决于电磁波波长，而是由声波长决定。

2、本发明提供的一种多周期声激励磁电天线，选择的声学模态为“水平剪切模态(勒夫波模态)”，属于面内声模态。压电单晶衬底与磁性层在面内相互耦合，该耦合模式相对面外耦合模态具有更大的耦合系数，因此具有更高的天线增益和收发效率。

3、本发明提供的一种多周期声激励磁电天线，是由正、负磁致伸缩层交替排列形成的多周期谐振器，有效解决了磁化在相邻波长相位抵消的问题，提高了磁电天线的辐射效率，同时可以兼顾工作频率、阻抗和品质因数。本发明磁电天线可以工作在几十MHz到几GHz，尺寸可以缩小到毫米甚至亚毫米量级，且与CMOS工艺兼容，在缩小单个天线尺寸的同时，有望实现集成化阵列天线。

附图说明

图1为本发明提供的一种多周期声激励磁电天线的结构示意图；

图2为电激励下单周期内磁电天线的微区形变仿真结果；

图3为电激励下单周期内磁电天线的磁膜磁通量随工作频率变化；

图4为磁场激励下磁电天线的内部形变仿真结果；

图5为磁场激励下采用不同磁致伸缩材料的磁电天线感应电压随工作频率的变化。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施方式和有益效果做进一步地详细阐述。

实施例

如图1所示，为本发明实施例提供的一种多周期声激励磁电天线的结构示意图。包括压电单晶衬底100；衬底之上的叉指电极110和反射栅111，叉指电极和反射栅材料相同；覆盖叉指电极和反射栅的绝缘层120；位于绝缘层之上的磁性层，磁性层由正磁致伸缩薄膜131和负磁致伸缩薄膜132交替形成。其中，所述叉指电极呈周期性排列，单个叉指的长度沿压电单晶衬底的X方向，整个叉指电极沿Y方向周期排列；所述交替形成的正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜的周期与叉指电极的周期相同。所述叉指电极中的一个梳状电极作为输入输出电极，另一个梳状电极作为接地电极；所述正磁致伸缩薄膜位于输入输出电极正上方且完全覆盖输入输出电极，负磁致伸缩薄膜位于接地电极正上方且完全覆盖接地电极。所述压电单晶衬底选用ST切向石英，厚度500微米。叉指电极中，单个叉指长1毫米、宽2.5微米，材料为铝，排列周期为半个声波长5微米。绝缘层为二氧化硅，厚度为0.8微米。正磁致伸缩薄膜为FeCoSiB，负磁致伸缩薄膜为Ni，二者共同形成的磁性层厚度为100纳米。

图1所示的实施例中被激发的谐振模式属于水平剪切模式，由电压激发的面剪切波在叉指电极和反射栅共同作用下形成驻波，由绝缘层传递到表面磁性层中，诱发磁性层磁化振荡。磁性层正、负磁致伸缩以半波长周期排列，使正磁致伸缩薄膜匹配到驻波波峰(或波谷)区域，负磁致伸缩薄膜匹配到波谷(或波峰)区域。正、负磁致伸缩薄膜在拉伸、压缩(或压缩、拉伸)应变作用下，在不同半周期内产生同相磁化振荡。同理，正、负磁致伸缩薄膜在外磁场激励下产生拉伸、压缩剪切应变，通过绝缘层传到压电衬底，匹配到叉指电极上，输出同相电压。叉指电极、绝缘层和磁性层均可采用光刻和磁控溅射工艺实现。磁致伸缩薄膜在溅射过程中可以在面内施加DC磁场诱导单轴各向异性，获得高压磁系数。

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真将压电单晶衬底以压电本构方程建模，将磁性层以压磁本构方程建模，可用于模拟电、声、磁之间的动态双向耦合，结果如图2所示。图2为电激励下单周期内实施例磁电天线的微区形变仿真结果；电场激发声水平剪切波共振，而正、负磁致伸缩材料的特定空间排布使其分别处于声波的相邻半周期。电磁波辐射来源于磁性层内磁通量变化，图3给出了电激励下单周期内磁电天线的磁膜磁通量随工作频率变化；正、负磁致伸缩材料在相反应变和相反磁弹性系数作用下，感应磁通量整体叠加增强。作为对比，使用单种磁致伸缩材料(如FeCoSiB)，相邻声半周期磁性材料内部磁矩相位相反，相互抵消，产生的感应磁通量变弱。同时可以观察到声谐振频率时，磁性层内磁通量变化最大，这是声谐振对磁电耦合强化的结果。图4为磁场激励下磁电天线的内部形变仿真结果；磁场作用下，天线表面磁膜发生剪切应变S₁₂，正负磁致伸缩层产生的应变符号相反，构成一个声波周期，传递到压电层中，感应出电势。图5为磁场激励下采用不同磁致伸缩材料的磁电天线感应电压随工作频率的变化；RF磁场作用下采用同种磁性材料配置的器件无法产生谐振，因此感应电势要远小于使用正负磁致伸缩材料配置的器件。同样，RF磁场处于谐振频率时器件中感应出的电势最大。

需要说明的是，实施例磁电天线工作频率为387MHz，该频率下电磁波长为0.77m。实施例天线的尺寸为3×2×1mm，远小于传统电谐振天线尺寸。

应该注意的是，实际器件不仅限于实例中的宽度、厚度和长宽比。因为这些参数可以针对特定的应用、期望的工作频率进行调整。

应该注意的是，实际器件不仅限于实例中描述的单端口谐振器，还可通过各种结构的双端口谐振器实现。

多周期结构的一个特点是谐振频率与周期数无关。在使用正、负磁致伸缩材料周期排列的结构后，谐振器可以拓展到更多周期，这一方面便于调整器件阻抗达到合理值，另一方面更大的磁性层面积意味着更强的天线收发功率。

Claims

1.一种多周期声激励磁电天线，其特征在于，包括压电单晶衬底(100)，位于压电单晶衬底之上的叉指电极(110)和反射栅(111)，位于叉指电极和反射栅之上的绝缘层(120)，以及位于绝缘层(120)之上的磁性层；其中，所述磁性层由正磁致伸缩薄膜(131)和负磁致伸缩薄膜(132)交替形成，所述正磁致伸缩薄膜和负磁致伸缩薄膜为长条形、与叉指电极平行且周期相等，排列的周期为半个声波长。

2.根据权利要求1所述的多周期声激励磁电天线，其特征在于，所述压电单晶衬底为石英、钽酸锂或铌酸锂，厚度为100-500μm。

3.根据权利要求1所述的多周期声激励磁电天线，其特征在于，所述叉指电极位于压电单晶衬底之上、呈周期性排列，单个叉指的尺寸根据应用的频率和阻抗确定；叉指电极的电极长度沿压电单晶衬底的X方向，沿Y方向周期排列，排列的周期为半个声波长。

4.根据权利要求1所述的多周期声激励磁电天线，其特征在于，所述反射栅位于叉指电极两端。

5.根据权利要求1所述的多周期声激励磁电天线，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅、氧化铝或氧化锌，厚度为0.4-4μm。

6.根据权利要求1所述的多周期声激励磁电天线，其特征在于，所述正磁致伸缩薄膜为铁硅硼、铁钴硅硼、铁硅硼碳或铁镓硼，负磁致伸缩薄膜为镍或铁酸镍。

7.根据权利要求1所述的多周期声激励磁电天线，其特征在于，所述叉指电极中的一个梳状电极作为输入输出电极，另一个梳状电极作为接地电极；所述正磁致伸缩薄膜位于输入输出电极正上方，负磁致伸缩薄膜位于接地电极正上方。