基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，包括横向作用力结构和纵向作用力结构，包括压电薄膜构成的压电层、激励线圈和接收电极、衬底、刻蚀孔；该压电层经由锚点悬挂在衬底上，压电层下方为衬底凹槽构成的空腔；空腔上压电层四周为刻蚀孔；刻蚀孔和空腔用于限定的作用力区域。压电层的材质为的氮化铝、铌酸锂、钽酸锂压电材料中一种或数种，激励线圈和感应电极均为金属，激励线圈在磁电作用下产生的作用力在压电层进行转化，接收电极对机械力转换的电能进行收集。本发明专利技术无源电子回转器尺寸与声学滤波器相当，为数十微米至数千微米，实现了微型化；不需要外部供电，非线性效应极低，实现了无源、高度非线性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器


[0001]本专利技术涉及一种电子电路技术，特别涉及一种基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器。

技术介绍

[0002]回转器是全双工电路的关键器件，用于实现隔离器、环形器网络[1]，是一种双口电阻元件。与传统的四类基本元件(电阻、电感、电容和变压器)不同，回转器拥有非互易性，无法通过四类基本线性元件实现。现有的回转器、环形器主要基于两种方式实现，铁氧体和晶体管电路。基于铁氧体的环形器体积与电磁波长相当，难以微型化；基于晶体管电路的回转器、环形器需要额外外部供电，并引入了额外的非线性效应[2]。
[0003][1]K.M.Adams,E.F.A.Deprettere,J.O.Voorman,“The Gyrator in Electronic Systems,”in Advances in Electronics and Electron Physics,vol.37,L.Marton,Ed.Academic Press,1975,pp.79
–
179.
[0004][2]G.Dinias,T.Deliyannis,“Jump phenomenon in a gyrator circuit,”Electronics Letters,vol.11,no.23,pp.560
–
561,Nov.1975.

技术实现思路

[0005]针对现有的基于铁氧体的环形器尺寸与电磁波波长相当，难以微型化；现有的基于晶体管电路的回转器、环形器需要外部供电并引入了额外的非线性效应问题，提出了一种基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器。
[0006]本专利技术的技术方案为：一种基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，横向作用力结构，包含由压电薄膜构成的压电层、置于压电层上的U形激励线圈和接收电极、衬底、刻蚀孔；该压电层经由锚点悬挂在衬底上，压电层下方为衬底凹槽构成的空腔；空腔上压电层四周为刻蚀孔；通电的激励线圈在磁场作用下运动，在压电层激励出对称型兰姆波，兰姆波向左右两侧传播，遇到由刻蚀孔构成的空气边界被反射，在空气边界限定的区域内形成驻波，接收电极置于产生交变的电压信号的驻波节点上接收电信号。
[0007]优选的，所述通电的激励线圈在磁场作用下运动，所产生的固体声波为对称型兰姆波，当激励线圈通入的电流频率乘以电极间距的两倍接近对称型兰姆波的波速时，产生机械谐振，此时电流
‑
电压转换效率最高。
[0008]优选的，所述压电层的材质为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂压电材料中一种或数种，激励线圈和感应电极均为金属。
[0009]优选的，所述压电层的材质不同，被激励后压电材料的极化方式不同，对应接收电极对对称型兰姆波产生的电压收集结构不同。
[0010]优选的，所述压电层的为基于压电常数e
31
的氮化铝的压电材料，接收电极分布在压电层两侧进行电荷收集。
[0011]优选的，所述压电层的为基于高压电常数e
11
的铌酸锂或钽酸锂的压电材料，接收
电极分布在压电层单侧进行电荷收集，对应修改接收电极出口和刻蚀孔的分布。
[0012]一种基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，纵向作用力结构，从上至下依次包含激励线圈、磁致伸缩层、压电叠层、压电叠层间的接收电极层以及衬底；压电叠层经由较小的锚点悬挂在衬底上，压电叠层下方为衬底凹槽构成的空腔，压电叠层四周为刻蚀孔；所述激励线圈在磁场作用下上产生洛伦兹力对下方的压电叠层产生周期性作用力；施加交变的电流的激励线圈所产生的交变磁场作用于磁致伸缩层，磁致伸缩层上产生交变的应力；被洛伦兹力和交变的应力同时作用的压电叠层的一个层面的两个侧面产生极性相反的电荷，在对应的接收电极层上产生电压被接收。
[0013]优选的，所述激励线圈的电流频率接近或达到由压电叠层、接收电极层、磁致伸缩层组成的薄膜叠层的谐振频率时，电能到机械能的转化效率最高。
[0014]优选的，所述压电层的材质为的氮化铝、铌酸锂、钽酸锂压电材料中一种或数种，激励线圈和感应电极均为金属。
[0015]优选的，所述激励线圈无外部磁场作用时，无源电子回转器在磁致伸缩层上产生交变的应力作用下进行转化工作。
[0016]本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，尺寸与声学滤波器相当，为数十微米至数千微米，实现了微型化；不需要外部供电，非线性效应极低，实现了无源、高度非线性。
附图说明
[0017]图1为本专利技术无源电子回转器的第一种技术方案的实施例一的俯视图；
[0018]图2为图1所示实施例一的截面图；
[0019]图3a为图1所示实施例一谐振时本征模式的位移分布图；
[0020]图3b为图1所示实施例一谐振时本征模式的电压分布图；
[0021]图4为本专利技术无源电子回转器的第一种技术方案的实施例二的俯视图；
[0022]图5为图4实施例二的示意性截面图；
[0023]图6a为图4实施例二谐振时本征模式的位移分布图；
[0024]图6b为图4实施例二谐振时本征模式的电压分布图；
[0025]图7为本专利技术无源电子回转器单输入多输出的实施例的电路模型图；
[0026]图8为图4实施例二的增益随频率变化的曲线图；
[0027]图9为图4实施例二在谐振频率处输出电压随输入电流的变化曲线图；
[0028]图10为本专利技术无源电子回转器的第二种技术方案的实施例三的俯视图；
[0029]图11为图10所示实施例三的截面图；
[0030]图12为本专利技术无源电子回转器的第二种技术方案的实施例四的俯视图；
[0031]图13为本专利技术无源电子回转器的第二种技术方案的实施例五的俯视图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0033]压电滤波器将射频电信号转化为固体声波,由于固体声波波速比空气中电磁波波速降低了4
‑
5个数量级，因此声学滤波器尺寸比电磁滤波器降低了4
‑
5个数量级。借鉴该思路,如果能在压电薄膜上实现电子回转器，其尺寸也应当与压电声学滤波器相当。
[0034]第一种技术方案：
[0035]图1展示了本专利技术提供的基于高压电常数e
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压电薄膜(例如氮化铝)的无源回转器的一种实施例的俯视图。图2展示了图1所示实施例的截面图。该无源回转器包含置于压电层2上的U形激励线圈1和接收电极3、以及由压电薄膜构成的压电层2、衬底4、刻蚀孔5。该压电层2经由较小的锚点悬挂在衬底4上，压电层2下方为衬底4凹槽构成的空腔6。空腔6上压电层2四周为刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，其特征在于，横向作用力结构，包含由压电薄膜构成的压电层、置于压电层上的U形激励线圈和接收电极、衬底、刻蚀孔；该压电层经由锚点悬挂在衬底上，压电层下方为衬底凹槽构成的空腔；空腔上压电层四周为刻蚀孔；通电的激励线圈在磁场作用下运动，在压电层激励出对称型兰姆波，兰姆波向左右两侧传播，遇到由刻蚀孔构成的空气边界被反射，在空气边界限定的区域内形成驻波，接收电极置于产生交变的电压信号的驻波节点上接收电信号。2.根据权利要求1所述基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，其特征在于，所述通电的激励线圈在磁场作用下运动，所产生的固体声波为对称型兰姆波，当激励线圈通入的电流频率乘以电极间距的两倍接近对称型兰姆波的波速时，产生机械谐振，此时电流
‑
电压转换效率最高。3.根据权利要求1或2所述基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，其特征在于，所述压电层的材质为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂压电材料中一种或数种，激励线圈和感应电极均为金属。4.根据权利要求3所述基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，其特征在于，所述压电层的材质不同，被激励后压电材料的极化方式不同，对应接收电极对对称型兰姆波产生的电压收集结构不同。5.根据权利要求4所述基于压电薄膜的单端输入多端输出的无源电子回转器，其特征在于，所述压电层的为基于压电常数e
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的氮化铝的压电材料，接收电极分布在压电层两侧进行电荷收集。6.根据权利要求4...

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