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物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器制造技术

技术编号:16285456 阅读:237 留言:0更新日期:2017-09-24 11:12
本发明专利技术是一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器,由一组尺寸相同的固支梁并排排列构成,固支梁的锚区分别固定在砷化镓衬底上,固支梁的底层是氮化硅层,氮化硅层上面是下极板,下极板上面是压电材料,压电材料上面是上极板,在固支梁下表面制作有天线结构,在固支梁周围环绕有竖立的MEMS热电堆,在固支梁上的中间设有ZnO/p-Si纳米级异质结,在ZnO/p-Si纳米级异质结的两侧的固支梁部分设有圆孔。本发明专利技术能够同时收集光能,热能,电磁能和振动能,有效降低射频收发组件的功耗,同时通过对热能、电磁能和振动能的收集,改善了射频收发组件的散热问题和电磁兼容问题,抑制了射频收发组件工作中的抖动,能有效的保证射频收发组件工作的稳定性。

Light and power electromagnetic vibration self powered micro nano sensor in radio frequency transceiver component of Internet of things

The present invention relates to a IOT thermal electromagnetic vibration RF transceiver module in self powered micro nano sensor, consisting of a group of the same size as the clamped beam are arranged side by side, fixed beam anchorage zone are respectively fixed on the GaAs substrate, the solid beam bottom layer is a silicon nitride layer on the silicon nitride layer is the bottom plate, the bottom plate is above the piezoelectric material, piezoelectric material is above the upper plate, the clamped beam is made on the surface of the antenna structure in vertical MEMS thermopile surrounding clamped beam, ZnO/p-Si nano heterojunction is arranged in the middle of a clamped clamped beam, the clamped beam part on both sides of ZnO/p-Si nano heterojunction the node is provided with a circular hole. The invention can simultaneously collect light, heat, electromagnetic energy and vibration can effectively reduce power consumption, RF transceiver module, at the same time through the thermal, electromagnetic energy and vibration energy collection, the compatible problem of improving heat dissipation and the electromagnetic RF transceiver module, RF transceiver module in suppressing jitter, stability of RF transceiver module ensure the work.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器,属于微电子机械系统的

技术介绍
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,随着物联网技术的研发和产业的发展,应用于物联网的射频收发组件被要求能够长时间低功耗的工作。因而,自供电技术对新一代射频收发组件实现这种目标将具有重大的意义。自供电传感器的能量来源有很多种,最为普遍的就是光能。同时,一般来说,射频收发组件消耗的功率不仅仅是用来供其工作,还有一部分不可避免的以发热、杂散波还有振动的形式被损失掉。这一部分能量若能被利用,将能大大改善射频收发组件的功耗问题,同时还能避免这些不必要的发热、杂散波和振动对射频收发组件的工作产生影响。因此,自供电传感器也可以利用收集这些能量来为电路提供辅助电源。光能一般是采用光电材料制作成PN结或者异质结来收集,在光能收集方面,有大量的研究应用,发展比较成熟。随着MEMS技术发展,利用MEMS热电堆的seeback效应来收集热能并加以利用已成为可能。杂散波的收集一般可以设计特定的天线来收集。而振动能的收集一般有电磁式、压电式和静电式三种方式,其中压电式具有结构简单、不发热、无电磁干扰、清洁环保,机电转换效率高、输出电压高等诸多优点,因而获得了广泛的关注。而在目前众多的压电振动能收集结构中,固支梁结构的发展较为成熟。本专利技术即是基于固支梁结构设计的,通过同时收集光/热/电磁/振动能来电路提供辅助电源的自供电微纳传感器。射频收发组件被要求能够长时间低功耗的工作,传统的射频收发组件的功率一部分用于其工作,但还有一部分以发热、杂散波和振动的形式损失掉,造成了不必要的能量损耗。对于一般的利用单个固支梁来收集振动能的装置,其谐振带宽较窄,无法在频率变化较大的振动环境中工作,常用的提高频带宽度的方法是设计多个尺寸不同的梁,但是这样可能会阻碍自供电传感器的微型化。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的就是要克服以上问题,提供一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器。技术方案:本专利技术的物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器由一组尺寸相同的固支梁并排排列构成,以砷化镓衬底为基底,砷化镓衬底以下是导热块,固支梁的锚区的两端分别固定在砷化镓衬底上,固支梁的基层是氮化硅层,氮化硅层上面是下极板,下极板上面是压电材料,压电材料上面是上极板,在固支梁下表面制作有天线结构,在固支梁周围环绕有竖立的MEMS热电堆,在固支梁上的中间设有ZnO/p-Si纳米级异质结,在ZnO/p-Si纳米级异质结2的两侧设有圆孔,所述固支梁上设有圆孔,圆孔以矩形阵列的方式排列,在同一个固支梁上,圆孔都具有相同半径且每一行或者每一列相邻的圆孔之间的距离相等,各个固支梁彼此之间的圆孔半径、相邻的圆孔之间的距离及圆孔数量不相等。本专利技术的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器是由多个具有开孔的固支梁构成,以砷化镓衬底为基底,砷化镓衬底以下是导热块。在外围辅以大电容及稳压电路。固支梁由多种材料制作,主要部分是一层氮化硅层。所有固支梁的锚区制作在砷化镓衬底上,固支梁周围环绕着一圈直立的MEMS热电堆。在每个固支梁上,附有压电材料,压电材料选用纳米级PbTiZrO3。压电材料的上表面和下表面都有金层作为输出的上极板和下极板。上极板和下极板都有引线引出,所有固支梁上的压电材料通过串联的方式连接。同时,每个固支梁的中部都有一块利用ZnO和p型Si制作ZnO/p-Si纳米级异质结,由两根引线引出。所有ZnO/p-Si纳米级异质结也都是以串联的方式连接。在每个固支梁的最底层是利用金制作的天线结构,天线结构由引线引出。压电材料、ZnO/p-Si纳米级异质结、热电堆和天线结构的输出都连接到外围的大电容和稳压电路,以供后级电路使用。为了使尺寸相同的一组固支梁具有不同的固有谐振频率,本专利技术所有的固支梁上都设计了不同的开孔方案。同一个固支梁上的圆孔都具有相同半径且每一行或每一列相邻的圆孔之间的距离相等。在固支梁的中部由于设计有ZnO/p-Si纳米级异质结,所以每个梁的中间一部分没有设计圆孔。通过设计每个固支梁上的圆孔的半径或者相邻圆孔圆心间距或者数量的不同,就可以使得每个固支梁的杨氏模量、泊松比和密度不同,这样就使得相同尺寸和相同材料的固支梁具有不同的固有谐振频率。本专利技术的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器,同时实现了对光能、热能、电磁能还有振动能的收集和利用。为了收集射频收发组件工作中辐射出的杂散波,在每个固支梁的底层都设计了天线结构。而在每个固支梁中部利用ZnO和p型Si制作异质结,可以有效地吸收光能,产生直流电流。每个固支梁上的异质结都以串联的方式连接,输出到外围的大电容和稳压电路,供给后级电路使用,实现了光能到电能的转换。在固支梁四周,制作了MEMS热电堆,热电堆的热端朝下,靠近射频收发组件的散热板,而冷端朝上,远离散热板。基于seeback效应,MEMS热电堆由于热端和冷端的温差产生直流电压。将该直流电压加到大电容上,可实现能量的储存。将产生的电压通过稳压电路,获得稳定的直流电压,实现了热能到电能的转换。本专利技术中,每个固支梁被设计出具有不同的固有谐振频率。在射频收发组件的振动的激励下,固支梁会发生谐振,产生较大的弯曲形变,同时也使得梁上的压电材料发生形变。从而压电材料的上下表面将产生电势差。由于所有压电材料都是相互串联的,因此每个梁上的压电材料的输出电压叠加后输出到外围的电容和稳压电路。这样就实现了振动能的收集。有益效果:本专利技术的物联网射频收发组件中光/热/电磁/振动自供电微纳传感器能够同时收集光能、热能、电磁能和振动能四种不同的能量实现自供电,相比传统的收集单一能量的自供电传感器,本专利技术体积更小,供电能力大大提高,能够有效的降低射频收发组件的功耗。同时,射频收发组件工作中散发的热量和辐射的杂散波得到了有效吸收,增强了其散热性能,改善了其电磁兼容问题。而且,振动能的收集,抑制了射频收发组件工作中不必要的抖动,增强了其工作的稳定性。此外,本专利技术中,设计了一组具有不同固有谐振频率的打孔固支梁,收集的振动频带宽,能量的收集效率高。固支梁的振动还使得天线结构和ZnO/p-Si纳米级异质结发生转向,从而扩大了天线收集杂散电磁波能量和ZnO/p-Si纳米级异质结吸收光能的方向性范围。附图说明图1为本专利技术物联网射频收发组本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器,其特征是该微纳传感器由一组尺寸相同的固支梁(1)并排排列构成,以砷化镓衬底(4)为基底,砷化镓衬底(4)以下是导热块(14),固支梁的锚区(3)的两端分别固定在砷化镓衬底(4)上,固支梁(1)的基层是氮化硅层(5),氮化硅层(5)上面是下极板(9),下极板(9)上面是压电材料(7),压电材料(7)上面是上极板(8),在固支梁(1)下表面制作有天线结构(12),在固支梁(1)周围环绕有竖立的MEMS热电堆(13),在固支梁(1)上的中间设有ZnO/p‑Si纳米级异质结(2),固支梁(1)上靠近锚区的两侧设有圆孔(6)。

【技术特征摘要】
1.一种物联网射频收发组件中光热电磁振动自供电微纳传感器,其特征是
该微纳传感器由一组尺寸相同的固支梁(1)并排排列构成,以砷化镓衬底(4)
为基底,砷化镓衬底(4)以下是导热块(14),固支梁的锚区(3)的两端分别
固定在砷化镓衬底(4)上,固支梁(1)的基层是氮化硅层(5),氮化硅层(5)
上面是下极板(9),下极板(9)上面是压电材料(7),压电材料(7)上面是上
极板(8),在固支梁(1)下表面制作有天线结构(12),在固支梁(1)周围环
绕有竖立的ME...

【专利技术属性】
技术研发人员:廖小平王凯悦张志强张家雨万能易真翔廖晨
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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