CN114825665A - 一种近零功耗rf mems传感唤醒系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，包括触发唤醒子系统、反馈切断子系统和误触发监测子系统。当空间中没有感兴趣的RF信号存在时，此系统处于休眠状态，此时待机功耗为零；当一些感兴趣的特定标识RF信号出现且大于系统的RF阈值功率，触发唤醒子系统中的整流电路将此RF信号并将其转化为直流电压，然后利用此直流电压和预偏置直流电压触发唤醒第一MEMS开关，使得后续模块导通，此系统处于唤醒状态。反馈切断子系统使得此系统在完成特定工作或被误触发后能够自动切断电源。误触发监测子系统能够完成对非特定RF信号误触发的判断和对特定RF信号强度的测量。本发明具有低误报率、高灵敏度和在休眠状态近零功耗特点。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域，尤其涉及一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统。
背景技术
随着通信技术的不断发展，物联网技术在全世界受到高度关注。并且随着芯片处理能力的快速提升，物联网终端设备在小型化方面取得巨大突破，使得其能够遍布各个角落。无人值守无线传感系统作为物联网终端系统的关键技术之一，其在基础设施和国家安全等领域有着广阔的发展和应用前景，它可以监控某个区域，并提供相关信息，如雷达信号、电磁波干扰信号或者入侵者的无线电信号存在。这类传感系统通常采用有源电子设备实时监控外部环境中RF信号，因此其需要使用电池供电。对于这种采用有源电子器件和设备的无线传感系统，它具有很多不足之处。例如，对于偶尔发生的事件，传感器和通讯电子设备需要保持持续的监控外部环境，所以其需要不断消耗功率，这造成了大量的功率浪费，从而缩短了系统的工作寿命；再例如，在许多情况下部署在宽区域范围且具有成百上千的这样系统，回收或更换电池过于麻烦，变得不切实际。因此，迫切需要降低无线传感系统的功耗、延长其运行寿命。近年来，随着MEMS技术的快速发展，使得近零功耗RF MEMS传感唤醒系统成为可能。
发明内容
本发明目的在于提供一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统,以解决现有无线传感系统的功耗高、运行寿命低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，包括触发唤醒子系统、反馈切断子系统和误触发监测子系统；
触发唤醒子系统包括第一天线、整流电路、预偏置电池、限流电阻、第一MEMS开关、商用电池和商用模块，其中第一天线的馈线与整流电路的输入端相连，整流电路输出的负极与地线、商用电池的负极和第一MEMS开关的源极相连接，整流电路输出的正极与预偏置电池的负极相连接；预偏置电池的正极通过限流电阻串联至第一MEMS开关的栅极，第一MEMS开关的漏极通过商用模块串联至商用电池的正极；
反馈切断子系统包括预偏置电池、限流电阻、第一MEMS开关、第二MEMS开关、反馈切断模块和商用电池，其中第二MEMS开关的源极与第一MEMS开关的栅极相连，第二MEMS开关的漏极接地，商用电池的正极经过反馈切断模块与第一MEMS开关的漏极相连，商用电池的负极与第一MEMS开关的源极相连，反馈切断模块的控制端与第二MEMS开关的栅极相连接；
误触发监测子系统包括第二天线、RF MEMS功率传感器、第一MEMS开关、误触发监测模块和商用电池，其中第二天线的馈线与RF MEMS功率传感器的输入端相连，商用电池的正极经过误触发监测模块与第一MEMS开关的漏极相连，商用电池的负极与第一MEMS开关的源极相连，误触发监测模块的接收端与RF MEMS功率传感器的输出端相连。
进一步的，第一MEMS开关和第二MEMS开关采用全无源结构构成，包括源极、栅极和漏极，其中源极由锚区和第一MEMS悬臂梁构成，栅极为直流驱动电极，漏极为接触电极。所述的第一MEMS悬臂梁位于直流驱动电极上方且不与直流驱动电极接触，接触电极位于第一MEMS悬臂梁自由端下方且不与第一MEMS悬臂梁接触。
进一步的，RF MEMS功率传感器采用全无源结构构成，由电容式RF MEMS功率传感器和热电式RF MEMS功率传感器结合而成；
电容式RF MEMS功率传感器由共面波导传输线、第二MEMS悬臂梁、测试电极、空气桥以及压焊块构成；第二MEMS悬臂梁横跨在共面波导传输线的信号线以及靠近测试电极一侧的共面波导传输线的地线的上方，第二MEMS悬臂梁的一端通过锚区固定在靠近测试电极一侧的共面波导传输线的地线的外侧且不与地线相连接，而第二MEMS悬臂梁另一端处于自由状态；测试电极位于第二MEMS悬臂梁的下方，且测试电极位于在共面波导传输线的信号线与其附近的共面波导传输线的地线之间，且测试电极通过一根金属连接线与共面波导传输线的地线外侧的压焊块相连接；
热电式RF MEMS功率传感器由共面波导传输线、负载电阻、热电堆和MEMS衬底膜结构组成；两个相同的负载电阻并联于共面波导传输线的输出端，热电堆位于热电式RF MEMS功率传感器的输出端，热电堆在负载电阻附近但不与共面波导传输线和负载电阻相接触。
进一步的，在第二MEMS悬臂梁下方的共面波导传输线的信号线、共面波导传输线的地线和测试电极上均覆盖一层绝缘介质层。
进一步的，热电堆是由多对热电偶串联而成的。
进一步的，热电偶由金属和掺杂的半导体构成。
进一步的，为了改善热量从负载电阻至热电堆的热端的传热效率，通过体刻蚀衬底技术，在热电堆的热端和负载电阻下方形成MEMS衬底膜结构。
进一步的，电容式RF MEMS功率传感器适用于测量300-1000mW的输入RF功率，热电式RF MEMS功率传感器适用于测量0.01-300mW的输入RF功率。
本发明的一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，具有以下优点：
1.本发明通过采用第一天线、整流电路、预偏置电池、限流电阻、第一MEMS开关、商用电池和商用电池构成了触发唤醒子系统，实现了在接近零功率的模式下(通常可与通用电池泄漏功率相比)特定RF信号驱动的持续感知工作，这极大程度上延长了部署于无人值守地区传感器系统的寿命。
2.本发明通过采用预偏置电池、限流电阻、第一MEMS开关、第二MEMS开关、反馈切断模块和商用电池构成了反馈切断子系统，使得此系统在被误触发唤醒或被唤醒且完成相应工作后自动切断并进入休眠状态。
3.本发明通过采用第二天线、RF MEMS功率传感器、第一MEMS开关、误触发监测模块和商用电池构成误触发监测子系统，使得此系统可以通过测量RF MEMS功率传感器输出的电容变化量和电压值的方式，判断系统是否被误触发唤醒，以及第二天线接收到的RF信号功率的大小。
4.本发明的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统基于MEMS技术实现，具有低功耗、高灵敏度、低误报率，同时微型化和易集成等特点。
附图说明
图1为本发明的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统的工作框图；
图2为本发明的传感唤醒子系统的工作框图；
图3为本发明的反馈切断子系统的工作框图；
图4为本发明的误触发监测子系统的工作框图；
图5为本发明的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统的被唤醒后的工作逻辑图。
图6为本发明的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统中MEMS开关的示意图。
图7为本发明的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统中RF MEMS功率传感器的示意图；
图中标记说明：1、第一天线；2、第二天线；3、整流电路；4、预偏置电池；5、第一MEMS开关；6、商用电池；7、反馈切断模块；8、误触发监测模块；9、限流电阻；10、商用模块；11、第二MEMS开关；12、RF MEMS功率传感器；5-1、栅极；5-2、漏极；5-3、源极；5-4、锚区；5-5、第一MEMS悬臂梁；12-1、共面波导传输线；12-2、第二MEMS悬臂梁；12-3、测试电极；12-4、压焊块；12-5、空气桥；12-6、电容式RF MEMS功率传感器；12-7、热电式RF MEMS功率传感器；12-8、热电堆；12-9、负载电阻。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统做进一步详细的描述。
本发明包括触发唤醒子系统、反馈切断子系统和误触发监测子系统，其工作框图如图1所示。
触发唤醒子系统包括第一天线1、整流电路3、预偏置电池4、限流电阻9、第一MEMS开关5、商用电池6和商用模块10，其工作框图如图2所示；其中第一天线1的馈线与整流电路3的输入端相连，整流电路3输出的负极与地线、商用电池6的负极和第一MEMS开关5的源极相连接，整流电路3输出的正极与预偏置电池4的负极相连接；预偏置电池4的正极通过限流电阻9串联至第一MEMS开关5的栅极，第一MEMS开关5的漏极通过商用模块10串联至商用电池(6)的正极；
反馈切断子系统主要包括预偏置电池4、限流电阻9、第一MEMS开关5、第二MEMS开关11、反馈切断模块7和商用电池6，其工作框图别如图3所示；其中第二MEMS开关11的源极与第一MEMS开关5的栅极相连，第二MEMS开关11的漏极与地线相连，商用电池6的正极经过反馈切断模块7与第一MEMS开关5的漏极相连，商用电池6的负极与第一MEMS开关5的源极相连，反馈切断模块7的控制端与第二MEMS开关11的栅极相连接；
误触发监测子系统主要包括第二天线2、RF MEMS功率传感器12、第一MEMS开关5、误触发监测模块8和商用电池6，其工作框图如图4所示；其中第二天线2的馈线与RF MEMS功率传感器12的输入端相连，商用电池6的正极经过误触发监测模块8与第一MEMS开关5的漏极相连，商用电池6的负极与第一MEMS开关5的源极相连，误触发监测模块8的接收端与RFMEMS功率传感器12的输出端相连。
第一MEMS开关5和第二MEMS开关11采用全无源结构构成，如图7所示，包括源极5-3、栅极5-1和漏极5-2，其中源极5-3由锚区5-4和第一MEMS悬臂梁5-5构成，栅极5-1为直流驱动电极，漏极5-2为接触电极。所述的第一MEMS悬臂梁5-5位于直流驱动电极上方且不与直流驱动电极接触，接触电极位于第一MEMS悬臂梁5-5自由端下方且不与第一MEMS悬臂梁5-5接触；通过在栅极5-1上施加适当的预偏置直流电压，使得第一MEMS悬臂梁5-5处于临界吸合状态，当具有特定频率的RF信号被整流天线接收并转化为直流电压后，该直流电压会和由预偏置电池产生的预偏置直流电压相叠加，使得施加在栅极上的直流电压大于第一MEMS开关5或第二MEMS开关11的驱动电压，基于静电感应原理，引起第一MEMS悬臂梁5-5发生吸合，进而使得源极5-3和漏极5-2相连接，从而该第一MEMS开关5或第二MEMS开关11处于导通状态，此时该系统处于唤醒状态。
RF MEMS功率传感器12采用全无源结构构成，如图6所示，由电容式RF MEMS功率传感器12-6和热电式RF MEMS功率传感器12-7结合而成；
电容式RF MEMS功率传感器12-6由共面波导传输线12-1、第二MEMS悬臂梁12-2、测试电极、空气桥12-5以及压焊块12-4构成；第二MEMS悬臂梁12-2横跨在共面波导传输线12-1的信号线以及靠近测试电极12-3一侧的共面波导传输线12-1的地线的上方，第二MEMS悬臂梁12-2的一端通过锚区5-4固定在靠近测试电极12-3一侧的共面波导传输线12-1的地线的外侧且不与地线相连接，而第二MEMS悬臂梁12-2另一端处于自由状态；测试电极12-3位于第二MEMS悬臂梁12-2的下方，且测试电极12-3位于在共面波导传输线12-1的信号线与其附近的共面波导传输线12-1的地线之间，且测试电极12-3通过一根金属连接线与共面波导传输线12-1的地线外侧的压焊块相连接。在第二MEMS悬臂梁12-2下方的共面波导传输线12-1的信号线、共面波导传输线12-1的地线和测试电极12-3上均覆盖一层绝缘介质层。
热电式RF MEMS功率传感器12-7由共面波导传输线12-1、负载电阻12-9、热电堆12-8和MEMS衬底膜结构组成；两个相同的负载电阻12-9并联于共面波导传输线12-1的输出端，热电堆12-8位于热电式RF MEMS功率传感器12-7的输出端，热电堆12-8在负载电阻12-9附近但不与共面波导传输线12-1和负载电阻12-9相接触。热电堆12-8是由多对热电偶串联而成的。热电偶由金属和掺杂的半导体构成。
为了改善热量从负载电阻12-9至热电堆12-8的热端的传热效率，通过体刻蚀衬底技术，在热电堆12-8的热端和负载电阻12-9下方形成MEMS衬底膜结构。
当RF信号传输至电容式RF MEMS功率传感器12-6时，由于静电感应效应，在第二MEMS悬臂梁12-2与共面波导传输线12-1的信号线之间产生静电力，使得第二MEMS悬臂梁12-2的高度减小，进而改变第二MEMS悬臂梁12-2和测试电极12-3之间的电容值，从而通过测量该电容的变化量，可间接测量出待测RF功率的大小；当RF信号传输至热电式RF MEMS功率传感器12-7时，负载电阻12-9消耗功率并将其转化为热量，引起负载电阻12-9周围温度的升高，放置在负载电阻12-9附近的热电堆12-8探测出这种温度变化，基于Seebeck效应，转化为输出热电压；电容式RF MEMS功率传感器12-6是基于RF功率-力-电转换原理，通过设计第二MEMS悬臂梁12-2使得其更适用于测量较大的输入RF功率，而热电式RF MEMS功率传感器12-7是基于微波功率-热-电转换原理，通过设计热电堆和MEMS衬底膜结构使得其更适用于测量较小的输入RF功率。
本发明提出的一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，当外界空间中没有感兴趣的特定的RF信号存在时，此系统处于休眠状态，此时待机功耗为零；当一些感兴趣的特定RF信号出现且大于系统的RF阈值功率，所述的触发唤醒子系统中第一天线1接收此RF信号并通过整流电路将其转化为直流电压，然后利用此直流电压和预偏置直流电压相串联后触发第一MEMS开关5，使其处于导通态，进而使得后续商用电池6、反馈切断模块7和误触发监测模块8导通，从而实现近零功耗RF MEMS传感唤醒系统由休眠状态切换至唤醒状态。当商用电池6完成相应功能或系统被误触发唤醒后，所述的反馈切断子系统中反馈切断模块7的控制端输出直流电压，以驱动第二MEMS开关11使其处于导通态，进而使得第一MEMS开关5的栅极接地后源极和漏极断开，从而实现整个系统由唤醒状态切换至休眠状态。此外，当系统被唤醒后，误触发监测模块8可以通过测量RF MEMS功率传感器12输出的电容变化量和电压值的方式，判断系统是否被误触发唤醒，如果测得RF MEMS功率传感器12输出的电容变化量和电压值为零，则系统被误触发；如果测得RF MEMS功率传感器12输出的电容变化量和电压值不为零，则系统没有被误触发。误触发监测子系统还可以通过RF MEMS功率传感器12测得第二天线2接收到的RF信号功率的大小，进而可获得此时外界特定的RF信号功率的大小。
本发明的一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其被唤醒后的工作逻辑如图5所示。首先由所述的误触发监测子系统判断系统否被误触发，若系统被误触发，反馈切断子系统立刻产生反馈切断信号，使得系统进入休眠状态；若系统没有被误触发，在触发唤醒模块子系统中商用模块完成特定的工作后，反馈切断子系统产生反馈切断信号，使得系统进入休眠状态。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，包括触发唤醒子系统、反馈切断子系统和误触发监测子系统；
触发唤醒子系统包括第一天线(1)、整流电路(3)、预偏置电池(4)、限流电阻(9)、第一MEMS开关(5)、商用电池(6)和商用模块(10)，其中第一天线(1)的馈线与整流电路(3)的输入端相连，整流电路(3)输出的负极与地线、商用电池(6)的负极和第一MEMS开关(5)的源极相连接，整流电路(3)输出的正极与预偏置电池(4)的负极相连接；预偏置电池(4)的正极通过限流电阻(9)串联至第一MEMS开关(5)的栅极，第一MEMS开关(5)的漏极通过商用模块(10)串联至商用电池(6)的正极；
反馈切断子系统包括预偏置电池(4)、限流电阻(9)、第一MEMS开关(5)、第二MEMS开关(11)、反馈切断模块(7)和商用电池(6)，其中第二MEMS开关(11)的源极与第一MEMS开关(5)的栅极相连，第二MEMS开关(11)的漏极接地，商用电池(6)的正极经过反馈切断模块(7)与第一MEMS开关(5)的漏极相连，商用电池(6)的负极与第一MEMS开关(5)的源极相连，反馈切断模块(7)的控制端与第二MEMS开关(11)的栅极相连接；
误触发监测子系统包括第二天线(2)、RF MEMS功率传感器(12)、第一MEMS开关(5)、误触发监测模块(8)和商用电池(6)，其中第二天线(2)的馈线与RF MEMS功率传感器(12)的输入端相连，商用电池(6)的正极经过误触发监测模块(8)与第一MEMS开关(5)的漏极相连，商用电池(6)的负极与第一MEMS开关(5)的源极相连，误触发监测模块(8)的接收端与RF MEMS功率传感器(12)的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，所述第一MEMS开关(5)和第二MEMS开关(11)采用全无源结构构成，包括源极(5-3)、栅极(5-1)和漏极(5-2)；
其中源极(5-3)由锚区(5-4)和第一MEMS悬臂梁(5-5)构成，栅极(5-1)为直流驱动电极，漏极(5-2)为接触电极；所述的第一MEMS悬臂梁(5-5)位于直流驱动电极上方且不与直流驱动电极接触，接触电极位于第一MEMS悬臂梁(5-5)自由端下方且不与第一MEMS悬臂梁(5-5)接触。
3.根据权利要求1所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，所述RF MEMS功率传感器(12)采用全无源结构构成，由电容式RF MEMS功率传感器(12-6)和热电式RF MEMS功率传感器(12-7)结合而成；
所述电容式RF MEMS功率传感器(12-6)由共面波导传输线(12-1)、第二MEMS悬臂梁(12-2)、测试电极(12-3)、空气桥(12-5)以及压焊块(12-4)构成；第二MEMS悬臂梁(12-2)横跨在共面波导传输线(12-1)的信号线以及靠近测试电极(12-3)一侧的共面波导传输线(12-1)的地线的上方，第二MEMS悬臂梁(12-2)的一端通过锚区(5-4)固定在靠近测试电极(12-3)一侧的共面波导传输线(12-1)的地线的外侧且不与地线相连接，而第二MEMS悬臂梁(12-2)另一端处于自由状态；测试电极(12-3)位于第二MEMS悬臂梁(12-2)的下方，且测试电极(12-3)位于在共面波导传输线(12-1)的信号线与其附近的共面波导传输线(12-1)的地线之间，且测试电极(12-3)通过一根金属连接线与共面波导传输线(12-1)的地线外侧的压焊块相连接；
热电式RF MEMS功率传感器(12-7)由共面波导传输线(12-1)、负载电阻(12-9)、热电堆(12-8)和MEMS衬底膜结构组成；两个相同的负载电阻(12-9)并联于共面波导传输线(12-1)的输出端，热电堆(12-8)位于热电式RF MEMS功率传感器(12-7)的输出端，热电堆(12-8)在负载电阻(12-9)附近但不与共面波导传输线(12-1)和负载电阻(12-9)相接触。
4.根据权利要求3所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，在第二MEMS悬臂梁(12-2)下方的共面波导传输线(12-1)的信号线、共面波导传输线(12-1)的地线和测试电极(12-3)上均覆盖一层绝缘介质层。
5.根据权利要求3所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，所述热电堆(12-8)是由多对热电偶串联而成的。
6.根据权利要求5所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，所述热电偶由金属和掺杂的半导体构成。
7.根据权利要求3所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，通过体刻蚀衬底技术，在热电堆(12-8)的热端和负载电阻(12-9)下方形成MEMS衬底膜结构。
8.根据权利要求3所述的近零功耗RF MEMS传感唤醒系统，其特征在于，电容式RF MEMS功率传感器(12-6)适用于300-1000mw的输入RF功率，热电式RF MEMS功率传感器(12-7)适用于测量0.01-300mW的输入RF功率。
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