本发明提出了一种微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端，属于微电子机械系统(mems)的技术领域。
背景技术：
微波接收机广泛应用于通信和雷达系统，是无线收发系统至关重要的组成部分。传统的微波接收机前端中，在大干扰信号下，滤波器频段外的干扰信号会形成驻波，造成信号的阻塞，污染了系统的电磁环境；同时滤波器的通带中心频率不可调，限制了接收机前端的使用范围。这些传统微波接收机前端的弊端降低了系统的稳定性。近年来，随着科学界和工业界对mems/nems技术的研究以及实验验证，使得微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端具有实现的可能。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是提供微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端。使用微波天线接收到的微波信号，接入固支梁lc带通滤波器进行滤波，同时利用固支梁lc带阻滤波器和电磁-热-电能量转换器完成大干扰信号的能量收集，减少驻波电磁干扰的目的。滤波后的信号进入低噪声放大器放大后，依次进入混频器、中频滤波器，最终实现中频输出。电磁-热-电能量转换器由纳米热电堆构成，其多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率,大大地增大输出电压。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端。该微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端包括：微波天线、固支梁lc带阻滤波器、电磁-热-电能量转换器、充电电池、直流电源、固支梁lc带通滤波器、低噪声放大器、混频器、本地振荡器和中频滤波器。
微波天线，用来接收微波信号。
固支梁lc带通滤波器，使得带有调制信号的载波得以通过，反射通频带外的干扰信号。其由电容式固支梁k1、电容式固支梁k2和平面电感l1、平面电感l2构成，其中电容式固支梁k1和平面电感l1一端相连构成为滤波器的输入端，电容式固支梁k1的另一端连接地，平面电感l1的另一端连接电容式固支梁k2和平面电感l2，平面电感l2的另一端接地，电容式固支梁k2另一端作为滤波器的输出端。
固支梁lc带阻滤波器，由电容式固支梁k2、电容式固支梁k1和平面电感l2、平面电感l1构成，其中电容式固支梁k2和平面电感l2一端相连构成为滤波器的输入端，电容式固支梁k2的另一端连接地，平面电感l2的另一端连接电容式固支梁k1和平面电感l1，平面电感l1的另一端接地，电容式固支梁k1另一端作为滤波器的输出端。通过控制电容式固支梁k2和电容式固支梁k1的下拉驱动电压能够调节接入的电容大小从而调节滤波器的通带频域，其阻带的频域与固支梁lc带通滤波器通带的频域相同，形成互补，可以收集无法通过固支梁lc带通滤波器的干扰信号的能量。
电磁-热-电能量转换器，由共面波导、终端电阻和纳米热电堆构成，共面波导作为电磁-热-电能量转换器的输入端，由终端电阻将微波能量转化为热能，而由于seebeck效应，纳米热电堆将热能转化为直流电压输出。纳米热电堆是由多对热电偶串联而成，垂直衬底表面的n型多晶硅纳米线簇和p型多晶硅纳米线簇构成了热电偶的半导体臂。因为热量皆由热电堆的热端传递到冷端，所以热电偶在传热学上并联。为了增加纳米热电堆结构的稳定性，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯。
充电电池，将纳米热电堆得到的直流电压能量储存在电池之中，同时与直流电源并联，给有源电路实现自供电。
低噪声放大器，放大输入的微波信号，并接入混频器。
混频器，通过与本地振荡器混频，将微波信号变换为中频微波信号。
本地振荡器，产生本地振荡信号。
中频滤波器，滤波后输出中频信号。
有益效果：
1.本发明的微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端实现了对接收信号的滤波、放大、混频和中频输出以及对干扰信号的能量收集。本发明中的固支梁lc带阻滤波器阻带的频域与固支梁lc带通滤波器通带的频域相同，形成互补，无法通过固支梁lc带通滤波器的干扰信号会通过固支梁lc阻带滤波器，进而被电磁-热-电能量转换器转换成直流电压，在滤波的同时，实现了对干扰信号的能量收集，也改善了电路的电磁兼容环境。
2.电磁-热-电能量转换器中纳米热电堆的多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，大大地增大输出电压，收集的能量存储在充电电池中，充电电池与直流电源并联，给有源电路部分实现自供电。
附图说明
图1为本发明的微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端的原理框图；
图2是固支梁lc带通滤波器的原理图；
图3是固支梁lc带阻滤波器的原理图；
图4是平面电感的俯视图；
图5是平面电感的aa’面剖面图；
图6是电容式固支梁的俯视图；
图7是电容式固支梁的bb’面剖面图；
图8是电磁-热-电能量转换器的俯视图；
图9是电磁-热-电能量转换器的aa’面剖面图
图10是电磁-热-电能量转换器的bb’面剖面图。
图中包括：微波天线1，固支梁lc带阻滤波器2，电磁-热-电能量转换器3，充电电池4，直流电源5，固支梁lc带通滤波器6，低噪声放大器7，混频器8，本地振荡器9，中频滤波器10。固支梁lc带通滤波器6和固支梁lc带阻滤波器2均由平面电感和电容式固支梁构成，平面电感由第一段传输线13、第二段传输线14、电感线圈15、第一连接支撑柱16、第二连接支撑柱17、氮化硅介质层18构成；电容式固支梁由第三段传输线19、第四段传输线20、第一锚区21、第二锚区22、固支梁23、金属pad24、第一氮化硅介质层25、第一下拉电极26、第二氮化硅介质层27、第二下拉电极28和第三氮化硅介质层29构成。电磁-热-电能量转换器3由共面波导30、终端电阻31、p型多晶硅纳米线簇32、n型多晶硅纳米线簇33、输出电极34、热端35、冷端36、衬底薄膜结构37、聚甲基丙烯酸甲酯38、金属臂39构成。
具体实施方式
本发明的微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端的具体实施方案如下：
本发明提出微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端包括：微波天线1，固支梁lc带阻滤波器2，电磁-热-电能量转换器3，充电电池4，直流电源5，固支梁lc带通滤波器6，低噪声放大器7，混频器8，本地振荡器9，中频滤波器10。固支梁lc带通滤波器6和固支梁lc带阻滤波器2均由平面电感l1、l2和电容式固支梁k1、k2构成。
如图1所示，微波天线1接收到微波信号，该信号经过固支梁lc带通滤波器6后，在实现滤波的同时，固支梁lc带通滤波器6反射形成的驻波能量会被输入端并联的固支梁lc带阻滤波器2吸收。而后信号到达下一级的低噪声放大器7，被放大的微波信号经过混频器8与本地振荡器9，使该微波信号下变频到中频，在经中频滤波器10滤波后，便可得到可以处理的中频信号。固支梁lc带阻滤波器2依次连接电磁-热-电能量转换器3、充电电池4，充电电池4与直流电源5并联后，为低噪声放大器7，混频器8和本地振荡器9提供能量。
如图2所示，固支梁lc带通滤波器6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的一端作为微波信号输入端口，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。
如图3所示，固支梁lc带阻滤波器2由平面电感l2、平面电感l1和电容式固支梁k2、电容式固支梁k1构成。其中电容式固支梁k2的一端作为微波信号输入端口，另一端连接平面电感l2，电容式固支梁k2的金属pad连接地，平面电感l2的另一端与平面电感l1、电容式固支梁k1相连，平面电感l1的另一端接地，电容式固支梁k1的另一端悬空，电容式固支梁k1的金属pad引线作为滤波器的输出端。
如图4是平面电感的俯视图，图5是平面电感的aa’面剖面图。在硅衬底11上氧化一层sio2层12，平面电感在其上表面两边分别有第一段传输线13、第二段传输线14，电感线圈15通过第一连接支撑柱16、第二连接支撑柱17分别与第一段传输线13第二段传输线14连接并悬空在位于第一段传输线13上的氮化硅介质层18和第二段传输线14之上。
如图6是电容式固支梁的俯视图，图7是电容式固支梁的bb’面剖面图。电容式固支梁在高阻硅衬底的两端有第三段传输线19和第四段传输线20，在第三段传输线19设上有锚区21，第四段传输线20上设有锚区22，固支梁23架在两端锚区21和锚区22之间，固支梁23的下方设有一个金属pad24，金属pad24上设有第一氮化硅绝缘介质层25，金属pad24的两端是固支梁的两个下拉电极26和下拉电极28，第一下拉电极26上设有第二氮化硅绝缘介质层27，第二下拉电极28上设有第三氮化硅绝缘介质层29。
如图8是电磁-热-电能量转换器3的俯视图，图9是电磁-热-电能量转换器3的aa’面剖面图，图10是电磁-热-电能量转换器3的bb’面剖面图。电磁-热-电能量转换器3由共面波导30、终端电阻31和纳米热电堆构成，共面波导30作为电磁-热-电能量转换器3的输入端，由终端电阻31将微波能量转化为热能，而由于seebeck效应，纳米热电堆将热能转化为直流电压输出。纳米热电堆是由多对热电偶串联的热电堆构成，垂直衬底表面的p型多晶硅纳米线簇32和n型多晶硅纳米线簇33构成了热电偶的半导体臂，多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50-200，多晶硅纳米线直径为1-100nm，高度为2-10um，热电堆中p型多晶硅纳米线簇32和n型多晶硅纳米线簇33之间由金属臂39连接。因为热量皆由热电堆的热端传递到冷端，所以热电偶在传热学上并联。为了增加热电堆的稳定性，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯38。
面向微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备4英寸高阻si衬底，电阻率为4000ω·cm，厚度为400μm；
2)热生长一层厚度为1.2μm的sio2层；
3)采用低压化学气相淀积(lpcdv)工艺生长一层厚度为2μm的多晶硅；
4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域以外，其他区域被光刻胶保护，并注入磷(p)离子，掺杂浓度为1015cm-2，形成终端电阻；
5)采用lpcvd工艺生长一层二氧化硅作为掩膜层，对多晶硅进行深紫外光刻，形成多晶硅纳米线结构；
6)分别对多晶硅纳米线的相应区域进行n型磷离子掺杂和p型硼离子掺杂，分别形成p型多晶硅纳米线簇和n型多晶硅纳米线簇；
7)涂覆一层光刻胶，涂光刻胶并胶并光刻刻蚀出共面波导、输出电极、第一段传输线、第二段传输线、第三段传输线、第四段传输线、金属pad及下拉电极的形状；
8)电子束蒸发(ebe)形成第一层金(au)，厚度为0.3μm，去除光刻胶以及光刻胶上的au，剥离形成第一段传输线、第二段传输线、第三段传输线、第四段传输线、金属pad、下拉电极、共面波导、输出电极、金属臂以及热电堆金属互连线；
9)光刻、淀积sin介质层：在第一段、第四段传输线上午部分区域和下拉电极上用等离子增强化学气相淀积工艺生长
10)旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯填充热电偶之间的间隙，提高热电堆结构的稳定性；
11)均匀涂覆一层空气层并光刻图形，厚度为2μm，保留空气桥下方的聚酰亚胺作为牺牲层；
12)涂覆光刻胶，光刻去除固支梁、电感线圈、共面波导及输出电极位置的光刻胶；
13)蒸发
14)去除光刻胶以及光刻胶上的au，形成固支梁、电感线圈、共面波导及输出电极；
15)深反应离子刻蚀(drie)衬底材料背面，制作薄膜结构；
16)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除空气桥下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
本发明的不同之处在于：
本发明的微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端，使用固支梁lc带通滤波器对微波信号进行滤波，固支梁lc带通滤波器滤波频段外的干扰信号会形成驻波从而阻塞电路，固支梁lc带阻滤波器的通带频段与驻波信号频段相同，可以收集无法通过固支梁lc带通滤波器干扰信号，并利用电磁-热-电能量转换器转换成直流电压，最终存储在充电电池中，固支梁lc带阻滤波器阻带的频域与固支梁lc带通滤波器通带的频域相同，形成互补，此设计在滤波的同时，实现了干扰信号能量的收集，也改善了电路的电磁兼容环境。
本发明中的电磁-热-电能量转换器包含纳米热电堆，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率,大大地增大输出电压。纳米热电堆输出直流电压给充电电池充电储能，充电电池与直流电源并联后，为低噪声放大器、混频器和本地振荡器供电，实现有源电路的自供电。
满足以上条件的结构即可视为本发明的微纳电磁能量收集自供电的固支梁微波接收机前端。