所属技术领域
本发明涉及固体物理晶格动力学、电磁波与光子晶体学，尤其是固体物理学中的黄昆方程，本发明具体实施方案涉及MEMS加工技术、功能薄膜制备技术。
背景技术：
天线，作为移动通信产品的必不可少的关键元器件，其辐射接收或效率、方向性、带宽、阻抗匹配特性、尺寸大小和成本对移动通信产品将产生极大影响。同时随着移动通信产品更加小型化，轻巧和美观，天线设计正变为一种艺术，同时兼顾小型化、阻抗匹配、辐射或接收效率、低成本的要求。
在各国专利文献中有许多关于小天线的文献，如美国专利号：5,712,647。这些专利实施方法不同，但都属于用某种介质作为基底的直接电驱动型天线装置。由于入射波的影响，造成基底介质发热，从而使能量在介质中损耗，导致能耗增高和天线的电磁波转换效率下降。并且天线与处理电路的隔离度差，导致信噪比降低，继而导致后端电路的复杂。目前，小天线技术主要有介质共振天线和微带天线。介质共振天线的优点在于宽带和小型化。但是介质共振天线进一步小型化需用高介电常数的介质材料，这将引起天线辐射效率的降低。解决这一矛盾的方法是利用光子晶体材料。如中国公专利开号：CN1564374。但是光子晶体的理论目前尚不成熟。而微带天线的优点在于便于集成，而其缺点是只能用于窄带系统。
技术实现要素：
为了解决现有小天线，体积、带宽、辐射效率、阻抗匹配、电磁隔离度的不足，本发明提供一种电磁波一超声波压电晶体换能器天线，该换能器利用压电晶体材料和MEMS制造技术，并且依据固体物理学电磁波与极性晶格相互作用原理、超声波压电换能技术，来实现该天线技术方案的构建。该天线是由在凹腔上制作覆盖凹腔的薄膜，以及在覆盖凹腔的薄膜上按照自下而上的顺序制作第一电极层、第一压电薄膜层、第二电极层、第二压电薄膜层，从而构成具有天线功能的天线子单元，至少两层压电薄膜层，至少有两层电极层。
该天线实现了电磁波-超声波-电信号的接收或电信号-超声波-电磁波的发射。通过使用两种不同的物理层，根本解决了阻抗匹配、电磁隔离度不足的问题。
本发明利用该天线子单元上两个压电薄膜层在电信号激励下产生超声波，每个天线子单元上的任何一层压电薄膜层，具有沿压电薄膜层平面法线和平行于压电薄膜平面的两个方向的振动，且第一压电薄膜层和第二压电薄膜层法线方向上的两个振动是同一方向的。平行于第一和第二压电薄膜平面方向的两个振动是相互垂直的。它们的合成振动使在压电晶体中偶极子做旋运动，从而产生电磁场圆极化波，即电磁波的辐射，或产生电磁波接收。声波在压电材料中传播速度比电磁波慢了4-5个数量级，即相同频率下其超声波传播波长也比电磁波的波长短4-5个数量级，从而使得天线尺寸大幅度减小。当通过选择合适大小尺寸的天线子单元，使得电磁波、超声波与天线子单元发生共振从而大幅度提高天线子单元的电磁波辐射和接收信号强度。
通过使用多个相同大小的天线子单元排列可增加电磁波辐射功率或接收效率。
通过使用不同大小的多个天线子单元的排列和组合可使得频率谐振范围增宽从而提高了电磁波辐射和接收频带宽度。同时也增加电磁波辐射功率或接收效率。
本发明所采用理论依据是：
根据固体物理学理论，极性晶体中的正负粒子的相互振动可与电磁波相互耦合起来形成新的振动模式，即既有正负粒子的相互振动，也有电磁波的振动模式，这种现象被物理学家黄昆称为电磁耦合子。压电晶体，是属于极性晶体，正负离子相当于压电晶体里的电偶极矩，在电磁波激励时会产生极化场，由此导致宏观电场使得压电晶体里的晶格振动产生声波振动；同理晶格的声波振动，在一定条件下也能产生电磁波。
根据晶体动力学和经典电动力学，压电晶体里的晶格包含电耦极矩，晶格旋振动使之电耦极矩一起作旋振动，电耦极矩旋振动能产生变化的电场，变化着的电场能产生变化着的磁场；变化着的磁场能产生变化着的电场(示意图见图8)。另外，由于电磁场能够以力的方式作用于电耦极矩，带动晶格一起作旋振动。即电耦极矩和晶格围绕平衡点的空间位置上作旋振动，在满足一定的条件下，电耦极矩的旋振动与电磁场之间构成相互谐振，晶格振动产生声波，进而产生了与空间电磁波相对应的宏观电场，从而产生了对电磁波的接收效应。
根据波动动力学简谐振动理论中波传播时的独立性和叠加原理：若干列简谐振动波在传播过程中相遇，每列简谐振动波仍将保持其原有的振动特性(频率，波长，振幅，振动方向)，不受其它简谐振动波的影响。在相遇区域内，任一质点振动的位移是各列简谐振动波单独存在时在该点引起的位移的矢量和。
利用上述理论本发明把晶格和电耦极矩作为质点来分析。质点的振动是若干列简谐振动波在传播过程中相遇，这时质点的合位移是若干列分简谐振动振动的位移矢量和。在任何时刻t质点的位置坐标是(x，y，z)t改变时，x，y，z值也随着改变，及质点位置也改变。
质点在坐标(x，y，z)的运动轨迹是个立体圆，那么质点的振动是旋振动。下面阐明用若干列分简谐振动振动来合成旋振动。
为了简单阐明质点旋振动在坐标系(x，y，z)运动轨迹，本发明先从两个方向相互垂直的简谐振动在二维坐标系(X，Y)的合成来分析可得到：
x＝A1cos(ωt+1)
y＝A2cos(ωt+2)
相互垂直的简谐运动的合成，这时质点的合位移是两个分振动的位移矢量和。
在任何时刻t质点的位置坐标是(x，y)t改变时，x，y值也随着改变，及质点位置也改变。消去时间t，得：
为了简明设定相位差为：Δ＝2-1＝-π/2和A1＝A2其轨迹为：
x2A12+y2A22=1]]>
这时质点的合位移轨迹在坐标系(x，y)里是一个圆。
三个方向相互的垂直简谐振动，可构成三对相互正交的简谐振动的力作用在同一个质点上。而每对相互垂直的简谐振动作用在质点上的矢量和力，使质点产生位移，所合成的合位移矢量和，使质点运动轨迹在二维坐标系(X，Y)、(Y，Z)和(X，Z)里分别是一个圆，那么在三维坐标系(X，Y，Z)三对方向相互垂直分振动的位移矢量和，使质点的合位移运动轨迹在三维坐标系是一个立体圆，则这三对方向相互的垂直简谐振动称旋振动。
本发明技术方案所要解决问题是：通过压电晶体里电磁波和超声波在一定条件下的转换，实现电磁波-超声波-电的换能。
为了实现本发明，根据以上理论分析，本发明提出的电磁波与超声波压电晶体里的电偶极矩及晶格产生相互耦合条件是：满足上述压电晶体里质点产生旋振动，即电偶极矩及晶格产生旋振动。
压电晶体里的电偶极矩及晶格产生旋振动条件是：
a.晶体是离子晶体，即具有电偶极矩的压电晶体。
b.至少两层压电薄膜极化方向应满足：任何一层压电薄膜，受信号激励时，产生沿着压电薄膜平面法线和平行于薄膜平面的两个方向的振动，且第一压电薄膜层和第二压电薄膜层沿法线方向上的两个振动是同一方向的；并且，平行于第一压电薄膜平面的振动和平行于第二压电薄膜平面振动，其方向是相互垂直的和两个振动相位不是同相位或反相位的。
根据上述结构，本发明用波动动力学简谐振动理论进行分析，一个质点受到简谐振动力运动所产生的位移。因为第一压电薄膜层和第二压电薄膜层是紧密相连的，因此本发明从分析垂直于两层压电薄膜的厚度中心点的物理质点，来等效于压电薄膜上的质点运动。
当信号激励天线子单元上，第一压电薄膜层或第二压电薄膜层在信号激励下作受迫振动，受迫振动进入稳态时，沿法线方向上简谐振动的是同一方向的，可视为：
Z＝ACOS(ωt+)
式中：A、为简谐振动沿法线方向的振幅和相位。Z为法线方向上，质点相对同一平衡位置的位移。任一压电薄膜层在激励信号作用下作简谐振动，使另外一压电薄膜层受迫振动产生正压电效应即建立与激励信号相对应的感应电场。在共振状态下受迫振动与驱动力之间的相位差为：-π/2。
当激励信号与感应电场分别作用在两个压电薄膜层时：产生平行于第一压电薄膜平面的简谐振动和平行于第二压电薄膜平面的简谐振动，其方向是相互垂直的。可得到：
x＝A1cos(ωt+1)
y＝A2cos(ωt+2)
相互垂直的简谐运动的合成，这时质点的合位移是两个分振动的位移矢量和。
在任何时刻t质点的位置坐标是(x，y)t改变时，x，y值也随着改变，及质点位置也改变。消去时间t，得：
当天线子单元处于非共振状态，相位差Δ＝2-1不等于零或π也就是两个分振动相位不是同相位或反相位，其质点的轨迹是椭圆。
当天线子单元处于共振状态，相位差为Δ＝2-1＝-π/2又因二层压电薄膜制作在一起A1＝A2其轨迹为：
x2A12+y2A22=1]]>
这时质点的合位移轨迹在坐标系(x，y)里是一个圆。
两层压电薄膜平面其法线方向的简谐振动与相邻压电薄膜水平方向的简谐振动又构成相互垂直的简谐振动，同一质点受到相互垂直简谐振动力的作用，所产生合位移轨迹在分别在二维坐标(X、Z)、(Y、Z)里也是一个圆或椭圆(见图9)。
以上分别分析了同一个质点在受到两个相互垂直简谐振动力的作用在二维坐标中的运动轨迹，实际上如图10所示同一个质点可分解三个方向的简谐振动的作用力F31、F32、F33，在三维坐标体系(X、Y、Z)中，又可构成三对相互正交的简谐振动，并且其相位不是同相位或反相位的力作用在同一个质点上。当天线子单元处于共振状态时，每对受迫振动与驱动力之间的相位差为：-π/2，在二维坐标所产生合位移是圆或椭圆轨迹，其圆或椭圆所形成的平面，在三维坐标系里又是相互垂直的。该质点在动力系统里运动是稳定的，而且质点围绕平衡点在三维空间所作的旋转轨迹是立体圆，即旋振动。
电磁波信号激励在天线子单元上，其电偶极矩会产生极化场，导致宏观电场产生，其宏观电场又作用在天线子单元两层压电薄膜上产生逆压电效应作用力，由于两层压电薄膜特定的极化方向，产生特定方向作用力，使得晶格在平衡位置周围作旋振动，产生超声波；同时晶格的旋振动带动电耦极矩作旋振动又进而与电磁波激励信号产生谐振。
交变电信号激励在天线子单元上，其两层压电薄膜上产生逆压电效应作用力，由于两层压电薄膜特定的极化方向，产生特定方向作用力，使得晶格在平衡位置周围作旋振动，晶格的旋振动带动电耦极矩作旋振动，产生电磁波；同时电磁波又交互激励在天线子单元上，使晶格作旋振动又进而与超声波产生谐振。
本发明通过电磁波-超声波-电交互激励和交互谐振的转换，实现了电磁波能量、声波能量和电能量的相互转换。同时也完成了激励信号的合成与分解，即通过两个电极接收电磁波的电信号，或施加交变电信号实现电磁波的转播。
由于光波也是一种电磁波，同样适合于光波-超声波换能，实现光电转换。
附图说明
图1是天线子单元的剖面图：1.基片、2.覆盖凹腔的薄膜、3.第一电极、4.第二电极、5.第二压电膜、6.第一压电膜、7.凹腔。
图2是本发明电磁波一超声波压电晶体换能器天线示意图：8.电磁波-超声波压电晶体换能器天线、10.两个电极层的引出线、9.电信号的输入或输出源。
图3是图2的剖视图：11.是第二电极层连接线。
图4是在基片上制作N个凹腔。
图5是图2局部三维剖视放大图。
图6是图3中第二电极层与第二电极层连接线的局部放大图。
图7是基片上制作不同大小凹腔的顶视图。
图8是电磁波传播原理的示意图。
图9是一个质点在受到分别两个相互垂直简谐振动力的作用，质点围绕平衡点O的空间位置，分别在三个二维坐标中的运动轨迹。
图10是天线子单元中两层压电薄膜，由于两层压电薄膜特定的极化方向，在激励信号下，所产生垂直和水平特定方向的分力。
具体实施方式
本发明为了满足电磁波与超声波压电晶体里的晶格及电偶极矩产生相互耦合的条件，本例采用MEMS加工工艺实现。由于可以实现本发明的MEMS加工工艺路线较多，且取决于具体的装备和技术条件，本案例只是参照附图说明简述了部分主要制备过程：
1.参照图4在硅晶基片(1)上按照所需天线子单元(图1)数量和排列图案及凹腔(7)开口几何尺寸制作掩膜。
2.通过等离子干法刻蚀或化学湿法腐蚀，形成凹腔(7)。
3.在另外一片硅晶片上，用掺杂法或电化学法制作自停止腐蚀层。并根据需要制作自停止腐蚀层的厚度。
4.将3.的硅晶片的自停止腐蚀层面与2.形成凹腔(7)面的硅晶片进行键合。
5.再通过等离子干法刻蚀或化学湿法腐蚀，使3.的硅晶片被腐蚀到自停止腐蚀层，即制作了覆盖凹腔的薄膜(2)。
6.参照图1天线子单元的剖面图，用等离子磁控溅射在覆盖凹腔薄膜(2)上依次溅射第一电极(3)，第一压电膜(6)，(并参照图4)第二电极(4)N个及连接线(11)，第二压电膜(5)。
7.离子磁控溅射压电薄膜(6)(5)过程时控制压电薄膜(6)(5)的结晶取向，使得每个天线子单元(图1)上的任何一层压电薄膜(6)(5)，受信号激励〔图2(9)〕时，产生沿着压电薄膜平面法线和平行于薄膜平面的两个方向的振动，且第一压电薄膜(6)层和第二压电薄膜(5)层沿着法线方向上两个振动的是同一方向的；并且，平行于第一压电薄膜(6)平面的振动和平行于第二压电薄膜(5)平面振动，其方向是相互垂直的。即这两层压电薄膜(6)(5)的极化取向分别是33，32方向，和33，31方向。见图10。极化取向使得两层压电薄膜压电系数：d33d31和d32获得最大化，当信号源(9)e信号强度一定时，三个相互垂直的简谐振动的力F1、F2、F3正比于d33、d31和d32。
8.通过上述工艺和结构，可制作出多个天线子单元(图1)排列(见图2和图3)，再将第一电极层(3)和第二电极层〔图6(4)(11)〕两个电极层的引出线(10)与电信号的输入或输出源(9)连接在一起。从而构成了本发明的电磁波-超声波压电晶体换能器天线(8)。
压电薄膜(6)(5)至少有两层，当多层时它们合成振动至少满足以上7所述的极化取向。
电磁波-超声波压电晶体换能器天线工作过程如下：
a.当电信号e施加到第一电极薄膜(3)和第二电极层(4)上时，如以下公式所示：在纵向压电系数d33、纵向弹性系数S33E、d31横向压电系数、S31E为横向弹性系数情况下，在第一压电薄膜(6)所产生的33方向应力(图10)：
F33=(d33/S33E)·e]]>
产生31方向的力为：
F31=(d31/S31E)·e]]>
F1传递到第二压电薄膜(5)，第二压电薄膜(5)压电系数d33弹性系数S33E等于第一电极薄膜(3)系数时，和d32为横向压电系数、sE32为横向弹性系数情况下，由于第二压电薄膜(5)极化取向为32方向，则F31对第二压电薄膜(5)所产生电场无贡献，那么F1作用在第二压电薄膜(5)所产生的电场：
e,=F1/(d33/S33E)]]>
由e’产生32方向的力为：
F32＝(d32/sE32)·e’
压电薄膜(6)(5)共产生了F31、F32、F33三个方向相互正交的振动的力。可构成三对相互正交的振动的力作用在同一个质点上。当天线子单元(图1)处于共振状态时，每一对受迫振动与驱动力之间的相位差为-π/2，即产生旋振动。
b.电磁场以力作用于压电薄膜(6)(5)中的电耦极矩，使之运动。运动着的电耦极矩既受到电场的力，也受到磁场的力，电耦极矩谐振时会产生极化场，由此导致宏观电场使得压电薄膜产生机械谐振，原理同a.所述也产生了F31、F32、F33三个方向相互正交的振动力，压电薄膜产生机械谐振又使得晶格和电耦极矩围绕平衡点的空间位置上作旋振动，进而又与电磁场和超声波之间构成相互谐振。
则以上电磁波-超声波压电晶体换能器天线的结构制作满足了a.和b.的条件，同时也满足了电磁波与超声波压电晶体里的晶格和电偶极矩产生相互耦合的条件，而且本发明也实现了旋振动波到单一简谐振动波的合成于分解。即在该天线的电信号输入输出端(10)实现了电磁波的接收与发射。
现代无线移动设备的普及化和多样化，对频带宽度、体积、辐射效率、阻抗匹配、成本的要求也越来越高。
为解决了上述问题和现有天线不足的问题，用本发明的技术特征，来阐述解决这些问题产生的必然的技术效果是：
1.相同频率下其超声波传播波长也比电磁波的波长短4-5个数量级，在无线电高频波和微波应用时，天线子单元(图1)上的压电薄膜(6)(5)的面积只有十微米到几百微米，从而使得天线尺寸大幅度减小。
2.当通过选择合适大小尺寸的天线子单元(图1)，在信号激励下使得电磁波、超声波与天线子单元发生共振，并且当电磁波作用于电耦极矩产生谐振，压电材料属于高介电常数的介质材料，电耦极矩密度高，使得单位面积上的电磁波辐射和接收效率大幅度提高。通过使用多个相同大小尺寸的天线子单元(图1)排列(见图3)，可增加电磁波辐射功率或接收效率。
3.本发明因天线子单元(图1)上的压电薄膜尺寸(6)(5)为微米级，通过使用不同大小的多个天线子单元(图1)的排列组合(见图7)可使得频率谐振范围增宽，从而提高了电磁波辐射和接收频带宽度。
4.因本发明采用的是MEMS加工工艺实现的，和半导体工艺一样具有品质一致性好，便于批量生产和高集成的特点。又因为，通过两个物理量的转换实现电磁波的发射与接收，解决了阻抗匹配问题，天线与处理电路的隔离度提高了，简化了终端的处理电路，从而降低了成本。
5.当天线子单元(图1)固有机械振动频率与所选择的接收或发射的电磁波频率一致时：激励信号使得天线子单元(图1)产生互相垂直的三个振动力，导致互相垂直振动的三个超声波的产生，三个超声波又合成旋振动波，压电薄膜(6)(5)里的电耦极矩随着旋振动波产生电磁波，电磁波又与电耦极矩发生作用又产生晶格旋振动波，进而导致超声波与天线子单元(图1)产生共振。这种相互耦合的共振，使得电磁波-超声波-电信号的转换效率提高，避免了能量的在介质中的损耗。
压电薄膜(6)(5)材料，可以是晶体的也可以是高分子材料的，如PVDF。
由于光波也是一种电磁波，随着MEMS加工工艺进入纳米化，用本发明实现光电能量相互转换成为可能。