面向物联网的LNA的驻波能量收集的固支梁接收机前端的制作方法

本发明涉及微电子机械系统(mems)的技术领域，尤其是面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端。

背景技术：

随着物联网技术的拓展和创新，作为一种新兴的网络技术，它已经受到了越来越广泛的关注。通过射频前端的收发组件，物联网技术实现了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。与此同时，射频前端的收发组件具有很强的电磁干扰，干扰频率通常会达到数百mhz，甚至ghz以上。由于电压或电流的频率越高，越容易产生辐射，正是这些频率很高的干扰信号导致了辐射干扰的问题日益严重。作为射频收发组件的重要组成部分，射频信号会在lna两端口形成驻波，这部分驻波信号对射频电路具有电磁兼容环境的干扰作用。近年来，随着科学界和工业界对mems技术的研究以及实验验证，使得面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁微波接收机前端具有实现的可能。。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端，接收机使用微波天线接收到的微波信号，微波信号接入具有驻波能量收集的lna进行放大，同时进行驻波能量收集，并利用ac/dc转换模块转换成直流信号，存储在充电电池中，用于接收机的自供电，在实现能量收集的同时，减少驻波电磁干扰，放大后的信号依次进入混频器、中频滤波器，最终实现中频输出。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端，包括：微波天线、直流电源、具有驻波能量收集的固支梁lna、充电电池、混频器、本地振荡器和中频滤波器；具有驻波能量收集的固支梁lna包括：输入调谐网络、放大部分、输出调谐网络、一号lc带阻滤波器、一号ac/dc模块、二号lc带阻滤波器和二号ac/dc模块；

输入调谐网络、放大部分、输出调谐网络依次相连形成lna结构；输入调谐网络的输入端与微波天线相连，用于接收微波信号；输出调谐网络的输出端通过混频器与中频滤波器相连，混频器同时与本地振荡器相连；一号lc带阻滤波器的输入端与输入调谐网络的输入端相连，输出端通过一号ac/dc模块与充电电池输入端相连；二号lc带阻滤波器的输入端与输出调谐网络的输出端相连，输出端通过二号ac/dc模块与充电电池输入端相连；充电电池的输出端与直流电源输入端相连；直流电源用于给接收机前端中有源器件供电。

一号lc带阻滤波器、二号lc带阻滤波器、输入调谐网络、放大部分、输出调谐网络、一号ac/dc模块、二号ac/dc模块都为二端口网络。

所述lc带通滤波器包括：平面电感l1、平面电感l2和电容式固支梁k1、电容式固支梁k2；其中，电容式固支梁k1的一端作为lc带通滤波器的输入端口，另一端连接平面电感l1，电容式固支梁k1的金属pad连接地，平面电感l1的另一端分别与平面电感l2、电容式固支梁k2相连，平面电感l2的另一端接地，电容式固支梁k2的另一端悬空，电容式固支梁k2的金属pad引线作为lc带通滤波器的输出端。

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电容c1和c2，输入调谐网络和输出调谐网络的上通带频率为f1：

下通带频率为f2：

其中f1＜f2。当且仅当射频信号的频率f满足f1≤f≤f2时，可以通过输入调谐网络和输出调谐网络。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，可以调节输入调谐网络和输出调谐网络的通带频域。

一号lc带阻滤波器和二号lc带阻滤波器，它们是完全相同的，均是由基于mems技术的电容式固支梁k4、电容式固支梁k3和平面电感l4、平面电感l3构成；其中，电容式固支梁k4的一端作为lc带阻滤波器的输入端口，另一端连接平面电感l4，电容式固支梁k4的金属pad连接地，平面电感l4的另一端分别与平面电感l3、电容式固支梁k3相连，平面电感l3的另一端接地，电容式固支梁k3的另一端悬空，电容式固支梁k3的金属pad引线作为lc带阻滤波器的输出端。

施加特定下拉驱动电压使电容式固支梁k4和电容式固支梁k3导通，此时这两个电电容式固支梁等效为电容c4和c3，lc带阻滤波器的上截止频率为f3：

下截止频率为f4：

其中f3＜f4。当且仅当射频信号的频率f满足f≤f3或f≥f4时，可以通过一号lc带阻滤波器和二号lc带阻滤波器。通过调节施加下拉驱动电压可以调节电容式固支梁k3、k4的等效电容c3、c4，从而可以调节一号lc带阻滤波器和二号lc带阻滤波器的阻带频域。

平面电感是利用mems技术在高阻硅衬底上设计的，在衬底的上表面两边分别有第一段传输线和第二段传输线，电感线圈通过第一连接支撑柱、第二连接支撑柱分别与第一段传输线、第二段传输线连接并悬空在位于第一段传输线上氮化硅介质层和第二段传输线之上。

电容式固支梁在衬底的两端有第三段传输线和第四段传输线，在第三段传输线、第四段传输线上有锚区，固支梁架在两端锚区之间，固支梁的下方设有一个金属pad，金属pad与固支梁设有氮化硅绝缘介质层，金属pad的两端是固支梁的两个下拉电极，下拉电极上设有一层氮化硅绝缘介质层。

微波信号由微波天线接收，信号通过输入调谐网络由放大部分放大，其中未通过调谐网络的微波信号在输入调谐网络的输入端形成驻波，该驻波会通过与输入调谐网络通带频域互补的一号lc带阻滤波器，进而被一号ac/dc模块转换为直流信号，对充电电池进行充电储能；经过放大后的信号由输出调谐网络输出端输出，类似地，输出调谐网络输出端的驻波会通过二号lc带阻滤波器，被二号ac/dc模块转换，由充电电池储能；充电电池将储能转移到直流电源用于接收机中有源器件的供电，输出调谐网络输出端输出的信号通过混频器与本地振荡器产生的参考信号混频，通过中频滤波器实现中频输出。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明的面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机，在传统的lna结构两端加入了驻波能量收集结构，只需要简单的控制电容式固支梁的下拉驱动电压的大小，就调节lc带阻滤波器对驻波的滤波，不仅操作简单，而且效果明显。输入调谐网络和输出调谐网络通频段外的微波信号会在输入端和输出端形成驻波信号，本发明中的两个lc可调带阻滤波器的通带频域可调成与驻波信号的频域相同，可以收集lna两端的驻波能量，并利用ac/dc转换模块转换成直流信号，存储在充电电池中，用于接收机的自供电，在实现能量收集的同时，也改善了接收机电路的电磁兼容环境。

附图说明

图1为本发明的面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端的结构框图；

图2为本发明中具有驻波能量收集的固支梁lna的结构框图；

图3为本发明中构成输入调谐网络和输出调谐网络的lc带通滤波器的原理图；

图4为本发明中构成输入调谐网络和输出调谐网络的lc带通滤波器的等效电路图；

图5为本发明中lc带阻滤波器的原理图；

图6为本发明中lc带阻滤波器的等效电路图；

图7为平面电感的俯视图；

图8为平面电感的aa’面剖面图；

图9为电容式固支梁的俯视图；

图10为电容式固支梁的bb’面剖面图。

图中：1、微波天线，2、直流电源，3、具有驻波能量收集的固支梁lna，4、一号lc带阻滤波器，5、一号ac/dc模块，6、充电电池，7、输入调谐网络，8、放大部分，9、输出调谐网络，10、二号lc带阻滤波器，11、二号ac/dc模块，12、混频器，13、本地振荡器，14、中频滤波器，15、中频输出，16、硅层，17、sio2层，18、第一段传输线，19、第二段传输线，20、电感线圈，21、第一连接支撑柱，22、第二连接支撑柱，23、氮化硅介质层，24、第三段传输线，25、第四段传输线，26、第一锚区，27、第二锚区，28，固支梁，29、金属pad，30、第一氮化硅介质层，31、第一下拉电极，32、第二氮化硅介质层，33、第二下拉电极，34、第三氮化硅介质层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1、2所示为本发明的面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端的结构框图，图中，包括：微波天线1、直流电源2、具有驻波能量收集的lna3、充电电池6、混频器12、本地振荡器13、中频滤波器14和中频输出15。其中，具有驻波能量收集的lna3由一号lc带阻滤波器4、一号ac/dc模块5、输入调谐网络7、放大部分8、输出调谐网络9、二号lc带阻滤波器10和二号ac/dc模块11构成。具体连接关系如下：微波信号由微波天线1接收，微波信号从输入调谐网络7输入端输入，输入调谐网络7的输入端连接一号lc可调带阻滤波器4的输入端，输入调谐网络7的输出端连接放大部分8的输入端，放大部分8的输出端接输出调谐网络9的输入端，输出调谐网络9的输出端连接二号lc可调带阻滤波器10的输入端，微波信号从输出调谐网络9的输出端输出后到达混频器12，与本地振荡器13产生的振荡信号在混频器13处混频后，经过中频滤波器14实现中频出15；一号lc可调带阻滤波器4的输出端连接一号ac/dc转换模块5的输入端，一号ac/dc转换模块5的输出端连接充电电池6；二号lc可调带阻滤波器10的输出端连接二号ac/dc转换模块11的输入端，二号ac/dc转换模块11的输出端也连接充电电池6；充电电池6连接直流电源2，直流电源2给具有驻波能量收集的lna3、混频器12、本地振荡器13供电。

图3、图4分别为本发明中构成输入调谐网络和输出调谐网络的lc带通滤波器的原理图和等效电路图。

构成输入调谐网络和输出调谐网络的lc带通滤波器由平面电感l1、平面电感l2和电容式固支梁k1、电容式固支梁k2构成。其中电容式固支梁k1的一端作为射频信号输入端口，另一端连接平面电感l1，电容式固支梁k1的金属pad连接地，平面电感l1的另一端分别与平面电感l2、电容式固支梁k2相连，平面电感l2的另一端接地，电容式固支梁k2的另一端悬空，电容式固支梁k2的金属pad引线作为滤波器的输出端。

图5、图6分别为本发明中lc带阻滤波器的原理图和等效电路图。

lc带阻滤波器是由平面电感l3、平面电感l4和电容式固支梁k3、电容式固支梁k4构成。其中电容式固支梁k4的一端作为微波信号输入端口，另一端连接平面电感l4，电容式固支梁k4的金属pad连接地，平面电感l4的另一端分别与平面电感l3、电容式固支梁k3相连，平面电感l3的另一端接地，电容式固支梁k3的另一端悬空，电容式固支梁k3的金属pad引线作为滤波器的输出端。

平面电感的结构图如图7、8所示，电容式固支梁的结构图如图9、10所示。

平面电感和电容式固支梁是在高祖硅衬底上形成的，高阻硅衬底是在硅层16上氧化形成一层sio2层17。平面电感在高阻硅衬底上表面两边分别有第一段传输线18、第二段传输线19，电感线圈20通过第一连接支撑柱21、第二连接支撑柱22分别与第一段传输线18第二段传输线19连接并悬空在位于第一段传输线18上的氮化硅介质层23和第二段传输线19之上。

电容式固支梁在高阻硅衬底的两端设有第三段传输线24和第四段传输线25，在第三段传输线24设上有第一锚区26，第四段传输线25上设有第二锚区27，固支梁28架在两端第一锚区26和第二锚区27之间，固支梁28的下方设有一个金属pad29，金属pad29上设有第一氮化硅绝缘介质层30，金属pad29的两端分别设有第一下拉电极31和第二下拉电极33，第一下拉电极31上设有第二氮化硅绝缘介质层32，第二下拉电极33上设有第三氮化硅绝缘介质层34。

本发明的面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端在传统的lna结构两端加入了驻波能量收集结构。输入调谐网络和输出调谐网络通频段外的微波信号会在输入端和输出端形成驻波信号，本发明中的两个lc带阻滤波器的通带频域可调成与驻波信号的频域相同，可以收集lna两端的驻波能量，并利用ac/dc转换模块转换成直流信号，存储在充电电池中，用于对有源器件的供电，实现了对驻波能量的收集。两个lc可调带阻滤波器均由两个平面电感l和两个电容式固支梁构成，通过控制电容式固支梁的下拉驱动电压可以调节接入滤波网络的电容值从而调节滤波器的阻带频域以接收信号频率为中心。

满足以上条件的结构即可视为本发明的面向物联网的lna的驻波能量收集的固支梁接收机前端。

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。