一种基于X型声子晶体的无线无源MEMS传感器

摘要

本发明公开了一种基于X型声子晶体的无线无源MEMS传感器，包括：谐振器体、链以及锚；谐振器体的中心频率与无线通信的ISM频段吻合，用于接收ISM频段内的射频信号，并将射频信号转换成同频段的声波信号；链使得谐振器体转换得到的声波信号顺着链传播到谐振器体两端的锚；锚上刻蚀有X型声子晶体阵列，用于反射顺着链传播来的声波信号，以使声波信号在谐振器体中产生谐振；谐振器体包括敏感性材料，以使得反射的声波信号在谐振器体中产生谐振后携带待测物理量信息，谐振器体还用于将谐振后的声波信号转换为ISM频段内的射频信号并输出。本发明提供的MEMS传感器Q值较高，可适用于无线无源传输频段。

说明书

技术领域

本发明属于压电器件领域，更具体地，涉及一种基于X型声子晶体的无线无源(Micro-electromechanical Systems，MEMS)传感器。

背景技术

MEMS传感器，即采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，它能将被测物理量转换为电信号输出。MEMS传感器根据其被测物理量的不同，可以分为温度传感器、气体传感器、压力传感器、湿度传感器等。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

谐振式MEMS传感器结构包括：谐振器体、敏感膜结构和外接电路。谐振器体包括衬底、压电层、金属电极和反射栅，敏感膜结构根据其待测物理量的不同会选取不同的材料，当外界待测物理量发生变化时会影响其材料性质发生变化，外接电路部分则会实现电信号输入和输出的功能。谐振式MEMS传感器的工作原理：外接电路与金属电极相连，金属电极接收到电信号后，在压电层就建立起交变电场，此交变电场经过压电效应在压电层内激发起相应的弹性振动，此振动经多周期叠加增强，从而有了波的传播，当波传播至敏感膜部分时，由于材料性质发生变化，会对声波性质产生改变，故声波经反射栅反射回来后，由逆压电效应，压电晶体表面将会产生电荷，这些电荷被金属电极收集后即产生交变电压，从而将待测物理量的变化转换为电信号，由外接电路部分输出。

MEMS传感器的性能指标主要有以下几个：Q值、灵敏度及检测范围。Q值反映了一个周期中贮存能量和损失能量的比值，Q值越高，频率稳定度就越高，衰减时间越长。灵敏度反映了输出量与输入量的比值，反映了传感器的测量性能。检测范围则反映了传感器在保证其他性能优良的情况下所能达到的测量范围。

随着应用场景日趋复杂，MEMS传感器必须与无线无源传输技术相结合保证器件的便携易用性，即不需要外接电路，直接采用天线与电极相连，天线接收射频信号转换为电信号的方式。但该技术需要更高的Q值才能达到实用中的传输距离，同时所需的精度和频率稳定性更高。

声子晶体，即两种或两种以上弹性材料周期性排列形成的复合结构。弹性波在声子晶体中传播时受到其内部周期结构的作用而形成带隙分布，即一定频段内的弹性波的传播被抑制或禁止。最初声子晶体主要用于降噪，随着微电子和微机械加工技术的发展和成熟，声子晶体的应用不仅仅局限于宏观尺寸的低频段，而同样可应用在高频段，用于制作射频器件。传统MEMS传感器上的反射栅可看作一维排列的声子晶体，虽然其可以在高频段工作，但是其对声波的反射作用没有二维的声子晶体阵列好；随着声子晶体研究的发展，发现了更多具有更丰富带隙特性的二维声子晶体结构，目前已有的声子晶体单元结构较为单一，大致分为正方形、三角形、六角形等，但是已有的声子晶体单元结构体积较大，导致整体器件尺寸较大，且禁带范围随几何参数的变化不大，禁带范围大约在200MHz以下，但目前无线通信的ISM频段在433MHz(高频)左右，且在同等工艺条件下，不能通过调节几何参数使其禁带范围达到高频范围，无法与无线通信的ISM频段兼容。因此，MEMS传感器仍然一直无法用于无线无源传输，使MEMS传感器的运用和发展受到极大的限制。

综上，现有MEMS传感器一方面难以减小其传播损耗，难以提高Q值，另一方面其工作频段仅可在低频段工作，难以根据用户所需频段进行调节，无法应用到无线无源技术领域。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有MEMS传感器一方面难以减小其传播损耗，难以提高Q值，另一方面其工作频段仅可在低频段工作，难以根据用户所需频段进行调节，无法应用到无线无源技术领域的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于X型声子晶体的无线无源MEMS传感器，其特征在于，包括：谐振器体、两个链以及两个锚；所述谐振器体的中心频率与无线通信的ISM(Industrial Scientific Medical)频段吻合，用于接收ISM频段内的射频信号，并将所述射频信号转换成同频段的声波信号；所述两个链对称制作在所述谐振器体两端，用于分别连接谐振器体和所述两个锚，以使得所述谐振器体转换得到的声波信号顺着所述链传播到所述谐振器体两端的锚；所述两个锚对称位于所述谐振器体两端，用于支撑所述谐振器体，所述锚上刻蚀有X型声子晶体阵列，所述X型声子晶体阵列起反射栅的作用，其带隙与无线通信的ISM频段吻合，用于反射顺着所述链传播来的声波信号，以使所述声波信号在所述谐振器体中产生谐振，谐振后的声波信号得到增强；所述谐振器体包括敏感性材料，以使得反射的声波信号在所述谐振器体中产生谐振后，得到的谐振后的声波信号携带待测物理量信息，所述敏感性材料为气敏性材料或者温度敏感性材料，当所述敏感性材料为气敏性材料时，所述待测物理量信息为所述谐振器体所在环境的气体信息，当所述敏感性材料为温度敏感性材料时，所述待测物理量信息为所述谐振器体所在环境的温度信息；所述谐振器体还用于将所述谐振后的声波信号转换为ISM频段内的射频信号并输出。

本发明通过将反射栅用声子晶体阵列代替，大幅度提高了器件的Q值。同时由于X型声子晶体优秀的禁带特性，调节几何结构就能使禁带范围改变，也简化了进一步优化的难度。X型声子晶体的禁带范围在高频范围，由于MEMS传感器的Q值的提高，故能与无线无源技术相结合。故本发明中谐振器体实现接收射频信号(天线)、将射频信号转换为电信号(天线)、将电信号转换为声波信号(压电层)、将反射回的声波信号转换为电信号(压电层)、将电信号转换为射频信号、发送射频信号(天线)的功能。由于可通过谐振器体和X型声子晶体参数的控制使得MEMS传感器可以实现在ISM频段的无线无源技术传输。

可选地，所述X型声子晶体阵列包括多个X型声子晶体单元，每个X型声子晶体单元通过在正方形的衬底上刻蚀X型的孔洞得到，其中，所述X型的孔洞包括4个第一边长的正方形孔洞和1个第二边长的正方形孔洞，所述4个第一边长的正方形孔洞分别呈横向和纵向对称分布在所述第二边长的正方形孔洞周围，所述第二边长的正方形孔洞与所述4个第一边长的正方形孔洞分别有重叠区域，且所述第二边长的正方形孔洞与所述4个第一边长的正方形孔洞重叠区域的总面积小于所述第二边长的正方形孔洞的总面积。

本发明通过控制声子晶体阵列的形状，得到X型声子晶体阵列，并通过控制X型声子晶体阵列结构参数，使得X型声子晶体的禁带范围在高频范围，以使MEMS传感器可以应用于无线无源传输领域。

可选地，所述正方形衬底的边长为a，横向分布或者纵向分布的两个第一边长的正方形孔洞的最远距离和最近距离分别为c和d，c≤0.9a，所述第一边长的正方形孔洞的边长为(c-d)/2，所述第二边长的正方形孔洞的边长为b，d<b<c，所述正方形衬底的厚度为h，h≥0.4a。

优选地，a为10um，c＝0.9a，b＝0.4a，d＝0.3a，h＝0.4a。

可选地，当所述敏感性材料为温度敏感性材料时，所述谐振器体由温度敏感性衬底、氧化层、压电层以及电极构成，所述温度敏感性衬底作为温度敏感性材料，所述衬底上生长氧化层，以提供电隔离，氧化层上溅射压电层，以利用所述压电层的压电效应产生及传播声波信号，电极沉积在压电层表面并图案化。

可选地，当所述敏感性材料为气敏性材料时，所述谐振器体包括：衬底、氧化层、压电层、电极以及薄膜层，所述薄膜层为气敏性材料。

可选地，所述金属电极的宽度决定所述谐振器体的中心频率，通过控制所述金属电极的宽度使得所述谐振器体的中心频率与所述无线通信的ISM频段吻合。

可选地，所述压电层为包括AlN、GaN或ZnO在内的居里温度高的压电材料，或者所述压电层为LiNbO₃、LiTaO₃、四硼酸锂单晶薄层。

可选地，所述电极材料为铝、铜或金，采用光刻的方法制作在所述压电层表面。

可选地，所述谐振器体、链以及锚的衬底材料均为Si衬底，所述谐振器体由MEMS工艺制作，首先在Si衬底上生长200nm的SiO₂氧化层，以提供电隔离，然后以500nm的AlN材料作为压电层,利用其压电效应产生及传播体声波信号，接下来用电子束蒸发1000nm的Al电极，使其沉积在压电层表面并图案化，电极宽度为4um，使谐振器体的中心频率与无线通信的ISM频段吻合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明由于X型声子晶体阵列独特的带隙以及整体器件的结构，能够使频率可调，即能通过调整X型声子晶体单元的几何参数来调整禁带范围，使禁带范围处于我们所需的无线无源传输的频段，将该频段的波更好的限制在谐振器体内部，提高Q值，减小损耗。

附图说明

图1为本发明提供的MEMS传感器平面示意图；

图2为本发明提供的单个X型声子晶体单元的立体结构示意图；

图3为本发明提供的单个X型声子晶体单元的平面结构示意图；

图4为本发明提供的MEMS传感器侧面示意图；

图5为本发明提供的X型声子晶体阵列的禁带图；

图6为本发明提供的MEMS温度传感器的频率温度特性示意图；

图7为本发明提供的MEMS温度传感器的Q值仿真示意图；

图8为本发明提供的仿真时MEMS传感器平面示意图；

图9为本发明提供的MEMS传感器的振动模式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

图1为本发明提供的MEMS传感器平面示意图，如图1所示，本发明所提出的整体MEMS传感器结构包括谐振器体、链、锚三部分。其中谐振器体起到响应与其中心频率相近的激励信号的作用，链在谐振器体与锚之间起连接作用，锚本身起支撑作用，其上根据我们的需要设置有声子晶体阵列，将声波限制在谐振器体中，使其能更好的进行谐振，避免能量损耗，提高器件的Q值。

其中，通过合理设置谐振器体的参数使得谐振器体的中心频率与无线通信的ISM频段吻合，用于接收ISM频段内的射频信号，并将所述射频信号转换成同频段的声波信号。

两个链对称制作在所述谐振器体两端，用于分别连接谐振器体和所述两个锚，以使得所述谐振器体转换得到的声波信号顺着所述链传播到所述谐振器体两端的锚。

两个锚对称位于谐振器体两端，用于支撑谐振器体，锚上刻蚀有X型声子晶体阵列，X型声子晶体阵列起反射栅的作用，其带隙与无线通信的ISM频段吻合，用于反射顺着所述链传播来的声波信号，以使所述声波信号在所述谐振器体中产生谐振，谐振后的声波信号得到增强。

谐振器体包括敏感性材料，以使得反射的声波信号在所述谐振器体中产生谐振后，得到的谐振后的声波信号携带待测物理量信息，所述敏感性材料为气敏性材料或者温度敏感性材料，当所述敏感性材料为气敏性材料时，所述待测物理量信息为所述谐振器体所在环境的气体信息，当所述敏感性材料为温度敏感性材料时，所述待测物理量信息为所述谐振器体所在环境的温度信息。

谐振器体还用于将所述谐振后的声波信号转换为ISM频段内的射频信号并输出。

具体地，如图1所示，X型声子晶体阵列包括多个X型声子晶体单元101，每个X型声子阵列单元的结构如图2和图3所示。

图2和图3分别为本发明提供的单个X型声子晶体单元的立体结构示意图和平面结构图；如图2所示，X型声子晶体单元通过在衬底上刻蚀X型的孔洞构成，其中，X型的孔洞包括4个第一边长的正方形孔洞和1个第二边长的正方形孔洞(参见图3所示的平面图)，4个第一边长的正方形孔洞分别呈横向和纵向对称分布在所述第二边长的正方形孔洞周围，第二边长的正方形孔洞与所述4个第一边长的正方形孔洞分别有重叠区域，且所述第二边长的正方形孔洞与所述4个第一边长的正方形孔洞重叠区域的总面积小于所述第二边长的正方形孔洞的总面积。其中，如图2所示，第一边长的正方形空洞为位于图1四个顶角位置的空洞，第二边长的正方形空洞为位于图1中心位置的空洞。

如图2和图3所示，本发明的声子晶体单元为X型孔洞结构，经研究，这种结构的声子晶体带隙较窄且可以通过调控参数使带隙集中在433MHz左右，由于目前无线通信的ISM频段在433MHz左右，所以这种结构能将我们所需频段的波更好的限制在谐振器体内部，提高Q值，减小损耗。

图4为本发明提供的MEMS传感器侧面示意图，这里以温度型MEMS传感器为例，如图4所示，当敏感性材料为温度敏感性材料时，谐振器体包括Si衬底、SiO₂氧化层、压电层以及金属电极，其中，温度敏感性衬底即为根据实际需要选取的Si衬底，基底材料可以是Si材料的常用切型，压电层为包括AlN、GaN或ZnO等在内的居里温度高的压电材料，或者所述压电层为LiNbO₃、LiTaO₃、四硼酸锂等单晶薄层。电极材料为铝、铜或金，采用光刻的方法制作在压电层表面。

为方便制备，谐振器体、链以及锚的衬底材料可采用同一块Si衬底，最后通过刻蚀技术分开。由图4所给出的MEMS传感器侧面示意图，可知侧面看谐振器体、链以及锚三者依次相连接。

以温度传感器为例，其有两个最重要的性能指标：频率温度系数、Q值。当外界温度改变时，压电层的材料特性会随着温度的变化而改变，有正温度系数的材料，其中心频率随温度增大而增加；有负温度系数的材料，有中心频率随温度增大而减少。其中所述金属电极作为输入/输出叉指换能器，与Si衬底和Si氧化层一起构成谐振器体，所述声子晶体阵列作为反射栅，将我们所需频段的波更好的限制在谐振器体内部，这种结构的MEMS温度传感器仅仅响应与谐振器体中心频率相同或接近的激励信号，且这个激励信号携带了待测量的信息，所以可以实现测量温度的目的。

谐振器体的中心频率一般由其金属电极的周期确定，本发明通过合理设计谐振器体金属电极的周期，使得谐振器体的中心频率与无线通信频段(ISM频段)吻合，使得结合禁带在ISM频段的X型声子晶体后的MEMS传感器可以适用于无线无源技术领域。

以下为本发明提供的一个具体实施例：

参考图2，本实施例提供的X型声子晶体单元中：a为20um，c＝0.9a，b＝0.4a，d＝0.3a，h＝0.4a，从工艺的实现角度考虑，c不能大于0.9a，h不能小于0.4a，否则器件容易损坏且不易制作。

图5为仿真得到的本发明提供的X型声子晶体阵列的禁带图，横坐标为布里渊区的范围，纵坐标为特征频率，每一条曲线代表一种可以传播的声波模式，如图5所示，在433MHz左右的频率范围内，没有可以传播的声波模式，故可以达到利用禁带特性来限制声波传输的目的，由于目前无线通信的ISM频段在433MHz左右，所以这种结构能将我们所需频段的波更好的限制在谐振器体内部，提高Q值，减小损耗。

谐振器体由MEMS工艺制作，首先在Si衬底上生长200nm的SiO₂氧化层，以提供电隔离，然后以500nm的氮化铝材料作为压电层，利用其压电效应产生及传播体声波，接下来用电子束蒸发1000nm的Al电极，使其沉积在压电层表面并图案化，电极宽度为4um，使谐振器体的中心频率与无线通信频段相匹配，最后将10um的Si衬底进行刻蚀，以此来区分谐振器体和声子晶体结构。

在本实施例中，声子晶体结构的几何参数可以进行调节，直接影响声子晶体的带隙范围。同时选用氮化铝材料作为压电层，是因为氮化铝材料温度稳定性好，热膨胀系数小，绝缘性好，机械强度大，且在二氧化硅氧化层上较容易生长，具有较好的压电性能。

通过有线元仿真的方法，将该实施例得到的整体MEMS传感器件结构进行仿真，得到如图6所示的温度随频率的变化趋势图。图6为本发明提供的MEMS温度传感器的频率温度特性，表示MEMS温度传感器的特征频率随温度变化的关系，反映了传感器对待测量的灵敏度。

结合图5和图6可知，本发明实施例设计的无线无源MEMS传感器(温度型)可以在无线无源模式下工作，且其温度与频率的变化曲线呈现较好的线性，因此本发明提供的温度型MEMS传感器具有良好的测温性能，且适用于无线无源模式，具有良好的应用前景。

图7为本发明提供的MEMS温度传感器的Q值仿真示意图，Q值表示MEMS温度传感器存储的能量与损耗的能量的比值，所以Q值越高，表示损耗越小，器件的性能越好。由图7可知，本发明提供的温度型MEMS传感器的Q值高达10¹¹，由于MEMS传感器的Q值主要由X型声子晶体阵列的特性决定，因此说明本发明实施例提供的无线无源MEMS传感器的Q值较高，传播损耗较低，适用于无线无源技术领域。

图8为仿真时MEMS传感器的平面结构示意图，由于该器件左右对称，故在仿真时只取了其右半部分进行仿真。其中器件中轴所示的线段与图9所示的整体位移对应。其中线段左边为起点(谐振器体中心位置)，右边为终点，沿线段从起点到所计算点的距离为弧长。

图9为本发明提供的MEMS传感器的振动模式图，其中，横坐标表示所计算线段的弧长，具体线段如图9所示，纵坐标表示整体位移，即声波振动偏离器件平面结构的距离。表1为声波振动数据表，其中表1中左侧栏表示线段的弧长，右侧栏表示位移。

表1声波振动数据表

如图9所示，整体器件横截面上的位移在谐振器体部分为最大值，声波传播至锚上的前面位置的声子晶体单元后，位移已经近似衰减为0，例如，结合表1中的数据，声波传播到92.22738um(约1个声子晶体单元)时，位移就衰减到4522.5781997363965um，并在之后也巨幅衰减。

结合图8、图9及表1所示，说明本发明提供的X型声子晶体阵列起到了非常好的频率选择性的声波反射的作用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。