微机电无线信号唤醒接收器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，初始压电层和结构压电层固定于硅衬底上，无线信号通过天线进行接收，接收到的信号激励变压器使其发生谐振，变压器会放大天线接收的调制信号，被放大的调制信号连接微机电谐振开关的栅极端，当信号幅值大于谐振开关的阈值时便可激励开关发生谐振，使电源与负载电容间形成通路，负载电容进行充电。微机电谐振开关用于判断是否将信号传到下一级。当信号强度大于阈值时，开关闭合，电容器充电并唤醒下一级电路，反之则不将信号传到下一级电路，完成零功耗的无线信号唤醒接收过程。并提供了两种唤醒接收器的具体制备工艺。

MEMS wireless signal wake-up receiver and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
微机电无线信号唤醒接收器及其制备方法
本专利技术涉及一种基于射频压电变压器的微机电无线信号唤醒接收器，可用于零功耗的无线信号唤醒接收，更具体地涉及一种高机电耦合系数的无线信号唤醒接收器及两种制备工艺，该唤醒器包含两种器件：射频压电变压器和低驱动电压的微机电谐振开关。
技术介绍
随着科技的进步，物联网和无线网络得到了极大地发展，因此大量的无线收发器需要应用于各种网络节点当中。虽然目前的无线接收器的通信速率很高，技术也越来越先进，但大多数无线接收器处于无人值守的环境并且更换电池困难。因此，基于无源器件的唤醒接收器能够有效的降低系统总功耗。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：如何降低由传统基于CMOS器件的唤醒接收器的功耗，进一步提高无线接收器的电池寿命。为了解决上述技术问题，本专利技术旨在利用基于压电薄膜的无源器件替换CMOS器件降低唤醒接收器的功耗，通过采用掺杂氮化铝薄膜进一步提高压电变压器的增益，优化工艺和设计降低谐振开关的闭合电压，实现超低静态功耗的无线信号唤醒接收器。具体而言，本专利技术的技术方案是提供了一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，包括：固定于硅衬底上的压电层，基于压电层形成射频压电变压器和低驱动电压的微机电谐振开关，由刻蚀在压电层上的刻蚀开孔一和刻蚀开孔二定义射频压电变压器和微机电谐振开关的边界，射频压电变压器通过外部的天线进行接收无线调制信号，射频压电变压器被接收到的无线信号激励发生谐振从而将无线调制信号放大，被放大的无线调制信号连接微机电谐振开关，当微机电谐振开关接收到的无线调制信号的信号幅值大于开关阈值时便可激励微机电谐振开关发生谐振，使连接在微机电谐振开关两端的外部的电源与负载电容间形成通路，电源对负载电容充电，当负载电容充电至一定电压后唤醒下一级电路；射频压电变压器包括：压电层，作为射频压电变压器的谐振主体；位于谐振主体下方的空腔，由刻蚀开孔一和刻蚀开孔二为形成该空腔提供刻蚀槽；分别固定在压电层上、下表面的变压器上电极及变压器下电极，变压器下电极均为接地电极，同一极性的变压器上电极或变压器下电极根部相通，变压器上电极及变压器下电极被用作变压器输入电极及变压器输出电极，用于激发谐振模态并输出调制频率，电极与部分变压器下电极相连，将输入端引出；压电层上刻蚀形成的通孔一，用于将作为变压器输入电极使用的变压器下电极引出；微机电谐振开关包括：形成有开关悬臂结构的压电层，开关悬臂结构通过刻蚀牺牲层形成；位于压电层上的通孔，为刻蚀牺牲层提供刻蚀槽；带有金属触点的金属开关悬臂，金属开关悬臂固定在开关悬臂结构上，金属触点为微机电谐振开关的栅极，位于金属开关悬臂自由端的顶部；位于压电层的金属走线，金属走线位于金属触点的下方，分别与电源及负载电容相连；固定在压电层上的金属电极一及金属电极二，金属电极一接地，射频压电变压器的作为变压器输出电极使用的变压器下电极与金属电极二相连；压电层上刻蚀形成的通孔，金属电极二通过通孔与微机电谐振开关的栅极相连；压电层上刻蚀形成的通孔二，用于将金属走线引出。优选地，所述压电层包括固定于所述硅衬底上的较薄的初始压电层和沉积在初始压电层上的较厚的结构压电层。优选地，所述压电层与所述硅衬底之间有隔离层。优选地，所述压电层的材质为掺杂氮化铝、氮化铝、铌酸锂、钽酸锂或锆钛酸铅。优选地，所述变压器上电极、所述变压器下电极、所述金属电极一及所述金属电极二的材质均为金属材料。本专利技术的另一个技术方案是提供了使用二维兰姆波谐振模态或横向谐振模态的上述的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：在硅衬底沉积所述变压器下电极、所述电极及所述金属电极二并图形化电极；在所述变压器下电极及所述金属电极二上方沉积第一层较薄的压电薄膜作为射频压电变压器和微机电谐振开关的初始压电层；步骤2)：刻蚀初始压电层，形成所述通孔；在初始压电层上沉积金属并图形化金属形成所述金属电极一和所述金属走线；步骤3)：在初始压电层、金属电极一和金属走线上方沉积牺牲层，并刻蚀出浅槽来确定微机电谐振开关的接触点及接触间隔；步骤4)：图形化牺牲层，定义所述开关悬臂结构的尺寸；步骤5)：在图形化后的牺牲层上沉积金属并图形化金属，形成所述金属开关悬臂；步骤6)：沉积第二层较厚的压电薄膜作为射频压电变压器和微机电谐振开关的结构压电层；步骤7)：刻蚀初始压电层及结构压电层，形成所述通孔一及所述通孔二；步骤8)：在压电层上方沉积金属并图形化金属，形成所述变压器上电极；步骤9)：刻蚀压电层形成定义器件的边界的刻蚀开孔一和刻蚀开孔二，并形成通孔，刻蚀开孔一、刻蚀开孔二及通孔为刻蚀牺牲层的槽；步骤10)：使用各向同性刻蚀对硅衬底进行刻蚀，形成位于射频压电变压器下方的空腔；再使用各向同性刻蚀对牺牲层进行刻蚀，形成微机电谐振开关结构，即获得上述的微机电无线信号唤醒接收器；步骤11)：对步骤10获得的器件进行封装。本专利技术的另一个技术方案是提供了一种使用二维兰姆波谐振模态或横向谐振模态的上述的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：在硅衬底沉积隔离层，在隔离层上沉积并图形化所述通孔的金属连接线、所述金属电极一和所述金属走线；步骤2)：沉积牺牲层，刻蚀牺牲层形成所述通孔和形成所述金属触点的浅槽；步骤3)：沉积并图形化下所述变压器下电极、所述电极及所述金属开关悬臂；步骤4)：沉积压电薄膜作为射频压电变压器和微机电谐振开关的压电层；步骤5)：刻蚀压电层，形成所述通孔一及所述通孔二；步骤6)：沉积金属并图形化所述变压器上电极和所述通孔一及所述通孔二的金属连接线；步骤7)：刻蚀压电层，形成所述刻蚀开孔一、所述刻蚀开孔二及所述通孔；步骤8)：使用各向同性刻蚀对牺牲层进行刻蚀，形成位于射频压电变压器下方的空腔和所述开关悬臂结构，即上所述的微机电无线信号唤醒接收器；步骤9)：对步骤8获得的器件进行封装。本专利技术使用微机电系统(MEMS)的零功耗无线信号唤醒接收器来降低无线接收系统的功耗。无线信号通过天线进行接收，接收到的信号激励变压器使其发生谐振，变压器会放大天线接收的调制信号，被放大的调制信号连接微机电谐振开关的栅极端，激励谐振开关悬臂发生谐振，当信号幅值大于谐振开关的阈值时便可开关闭合，使电源与负载电容间形成通路，负载电容进行充电。负载电容的电压大于阈值时，使下一级电路连通。进一步地，这样的接收系统中，核心的组成部分之一就是射频压电变压器。为了实现更高的变压器开路增益，本专利技术创新地使用了新型的掺杂氮化铝薄膜，其制作成的变压器的机电耦合系数比基于氮化铝的变压器高一倍以上，这样的性能提升和零功耗的特性，对于新一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，包括：/n固定于硅衬底(4)上的压电层(6)，基于压电层(6)形成射频压电变压器和低驱动电压的微机电谐振开关，由刻蚀在压电层(6)上的刻蚀开孔一(5a)和刻蚀开孔二(5b)定义射频压电变压器和微机电谐振开关的边界，射频压电变压器通过外部的天线进行接收无线调制信号，射频压电变压器被接收到的无线信号激励发生谐振从而将无线调制信号放大，被放大的无线调制信号连接微机电谐振开关，当微机电谐振开关接收到的无线调制信号的信号幅值大于开关阈值时便可激励微机电谐振开关发生谐振，使连接在微机电谐振开关两端的外部的电源与负载电容间形成通路，电源对负载电容充电，当负载电容充电至一定电压后唤醒下一级电路；/n射频压电变压器包括：/n压电层(6)，作为射频压电变压器的谐振主体；/n位于谐振主体下方的空腔，由刻蚀开孔一(5a)和刻蚀开孔二(5b)为形成该空腔提供刻蚀槽；/n分别固定在压电层(6)上、下表面的变压器上电极及变压器下电极，变压器下电极均为接地电极，同一极性的变压器上电极或变压器下电极根部相通，变压器上电极及变压器下电极被用作变压器输入电极及变压器输出电极，用于激发谐振模态并输出调制频率，电极(15)与部分变压器下电极相连，将输入端引出；/n压电层(6)上刻蚀形成的通孔一(3)，用于将作为变压器输入电极使用的变压器下电极引出；/n微机电谐振开关包括：/n形成有开关悬臂结构(7)的压电层(6)，开关悬臂结构(7)通过刻蚀牺牲层(19)形成；/n位于压电层(6)上的通孔(14)，为刻蚀牺牲层(19)提供刻蚀槽；/n带有金属触点(9)的金属开关悬臂(8)，金属开关悬臂(8)固定在开关悬臂结构(7)上，金属触点(9)为微机电谐振开关的栅极，位于金属开关悬臂(8)自由端的顶部；/n位于压电层(6)的金属走线(12a、12b)，金属走线(12a、12b)位于金属触点(9)的下方，分别与电源及负载电容相连；/n固定在压电层(6)上的金属电极一(11)及金属电极二(16)，金属电极一(11)接地，射频压电变压器的作为变压器输出电极使用的变压器下电极与金属电极二(16)相连；/n压电层(6)上刻蚀形成的通孔(10)，金属电极二(16)通过通孔(10)与微机电谐振开关的栅极相连；/n压电层(6)上刻蚀形成的通孔二(13)，用于将金属走线(12a、12b)引出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，包括：
固定于硅衬底(4)上的压电层(6)，基于压电层(6)形成射频压电变压器和低驱动电压的微机电谐振开关，由刻蚀在压电层(6)上的刻蚀开孔一(5a)和刻蚀开孔二(5b)定义射频压电变压器和微机电谐振开关的边界，射频压电变压器通过外部的天线进行接收无线调制信号，射频压电变压器被接收到的无线信号激励发生谐振从而将无线调制信号放大，被放大的无线调制信号连接微机电谐振开关，当微机电谐振开关接收到的无线调制信号的信号幅值大于开关阈值时便可激励微机电谐振开关发生谐振，使连接在微机电谐振开关两端的外部的电源与负载电容间形成通路，电源对负载电容充电，当负载电容充电至一定电压后唤醒下一级电路；
射频压电变压器包括：
压电层(6)，作为射频压电变压器的谐振主体；
位于谐振主体下方的空腔，由刻蚀开孔一(5a)和刻蚀开孔二(5b)为形成该空腔提供刻蚀槽；
分别固定在压电层(6)上、下表面的变压器上电极及变压器下电极，变压器下电极均为接地电极，同一极性的变压器上电极或变压器下电极根部相通，变压器上电极及变压器下电极被用作变压器输入电极及变压器输出电极，用于激发谐振模态并输出调制频率，电极(15)与部分变压器下电极相连，将输入端引出；
压电层(6)上刻蚀形成的通孔一(3)，用于将作为变压器输入电极使用的变压器下电极引出；
微机电谐振开关包括：
形成有开关悬臂结构(7)的压电层(6)，开关悬臂结构(7)通过刻蚀牺牲层(19)形成；
位于压电层(6)上的通孔(14)，为刻蚀牺牲层(19)提供刻蚀槽；
带有金属触点(9)的金属开关悬臂(8)，金属开关悬臂(8)固定在开关悬臂结构(7)上，金属触点(9)为微机电谐振开关的栅极，位于金属开关悬臂(8)自由端的顶部；
位于压电层(6)的金属走线(12a、12b)，金属走线(12a、12b)位于金属触点(9)的下方，分别与电源及负载电容相连；
固定在压电层(6)上的金属电极一(11)及金属电极二(16)，金属电极一(11)接地，射频压电变压器的作为变压器输出电极使用的变压器下电极与金属电极二(16)相连；
压电层(6)上刻蚀形成的通孔(10)，金属电极二(16)通过通孔(10)与微机电谐振开关的栅极相连；
压电层(6)上刻蚀形成的通孔二(13)，用于将金属走线(12a、12b)引出。


2.如权利要求1所述的一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，所述压电层(6)包括固定于所述硅衬底(4)上的较薄的初始压电层和沉积在初始压电层上的较厚的结构压电层。


3.如权利要求1所述的一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，所述压电层(6)与所述硅衬底(4)之间有隔离层(18)。


4.如权利要求1所述的一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线信号唤醒接收器，其特征在于，所述压电层(6)的材质为掺杂氮化铝、氮化铝、铌酸锂、钽酸锂或锆钛酸铅。


5.如权利要求1所述的一种用于零功耗的无线信号唤醒接收的基于压电材料的微机电系统的无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵率，罗智方，吴涛，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：上海;31