用于生成甚低频信号的信号发射元及制作方法与流程

本发明涉及射频微电子机械系统领域和天线领域，尤其涉及用于生成甚低频信号的信号发射元及制作方法。背景技术：：：甚低频(vlf，verylowfrequency)是指频带由3khz到30khz的无线电波。由于甚低频信号对于地下、水下等具有较大的穿透深度和较高的传输可靠性，并且具有难阻塞的特点，因此，vlf通信技术能够满足特定场景通信需求，已成为当今军事等通信技术研究的重点。然而，vlf通信技术面临一个巨大的挑战是由于vlf波段信号的波长为10-100km，即使采用电小天线作为发射元也有巨大的尺寸，导致难以在实际中应用，因此，实现高效率、便携式vlf发射元成为了各国军事通信领域追逐的方向。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于生成甚低频信号的信号发射元及制作方法，以及包含该信号发射元的甚低频发射器。本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于生成甚低频信号的信号发射元，包括：mems谐振器和辐射层，所述辐射层包括：磁致伸缩薄膜或驻极体薄膜，所述辐射层设置在所述mems谐振器的谐振区的一侧，所述辐射层与所述谐振区紧密耦合，所述mems谐振器的谐振区的另一侧通过锚点固定在衬底上，所述mems谐振器的谐振区的谐振频率工作在甚低频波段，用于使所述磁致伸缩薄膜发生磁化振荡，或使所述驻极体薄膜发生电荷振荡，生成甚低频信号。本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种甚低频发射器，包括如上述技术方案所述的用于生成甚低频信号的信号发射元，或使用如上述技术方案所述的用于生成甚低频信号的信号发射元生成甚低频信号。本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种用于生成甚低频信号的信号发射元的制作方法，包括：在衬底上沉积金属层，在所述金属层上按照驱动电极的图形和位置覆盖光刻胶，并蚀刻未被覆盖的金属层，完成蚀刻后，去除所述光刻胶，形成驱动电极；在形成所述驱动电极后的衬底上继续沉积支撑层，在所述支撑层上按照锚点的图形和位置覆盖光刻胶，并蚀刻未被覆盖的支撑层，完成蚀刻后，去除所述光刻胶，形成锚点；在形成所述锚点后的衬底上继续沉积牺牲层，将所述牺牲层磨平至所述锚点的高度，在磨平后的牺牲层上沉积固支梁，并在所述固支梁上溅射辐射层；释放所述牺牲层，得到用于生成甚低频信号的信号发射元。本发明的有益效果是：本发明通过在mems谐振器的谐振区上耦合辐射层，通过对mems谐振器的结构和尺寸进行设计可以使谐振区的谐振频率工作在甚低频波段，进而诱导磁致伸缩薄膜发生磁化振荡，或诱导驻极体薄膜发生电荷振荡，达到辐射电磁波的目的，由于可以通过mems工艺直接实现谐振器与辐射层的集成，无需另外的安装工艺，大大简化了工艺流程，解决了现有专利方案中vlf发射元结构单一、稳定性差和工艺实现难的问题，具有可批量制造、一致性好、尺寸小、后期易实现阵列化等优点。本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。附图说明图1为本发明信号发射元的实施例提供的结构示意图；图2为本发明信号发射元的其他实施例提供的双端固支梁结构示意图；图3为本发明信号发射元的其他实施例提供的双端固支梁结构俯视示意图；图4为本发明信号发射元的其他实施例提供的单端固支梁结构示意图；图5为本发明信号发射元的其他实施例提供的单端固支梁结构俯视示意图；图6为本发明信号发射元的其他实施例提供的多点固支膜片结构示意图；图7为本发明信号发射元的其他实施例提供的全固支膜片和多点固支膜片结构俯视示意图；图8为本发明信号发射元的制作方法的实施例提供的制作流程结构示意图；图9为现有技术中使用mems谐振器产生甚低频信号的系统的结构示意图；图10为现有技术中使用磁致伸缩层产生甚低频信号的系统的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。为便于更好的理解本发明，首先对目前现有的甚低频信号生成方案进行说明。美国霍尼韦尔国际公司的田友军发明了一种用于生成和传输ulf/vlf信号的系统和方法，其核心思想是利用mems谐振器使安装在悬臂梁上的驻极体产生共振，从而辐射电磁波。悬臂梁通过锚点与接地平面连接，采用静电驱动悬臂梁根部的电驱动器使其振动，进而构成了mems谐振器，并且通过mems阵列的方式提高辐射功率。其结构如图9所示，电驱动器耦合到梁的上表面，且被配置为通过电偏压在梁上生成应力，当通过电致动生成梁上的应力信号时，梁和驻极体在相对于第一接地平面和第二接地平面基本上垂直的方向上震动，驻极体的振动以产生ulf或vlf的辐射的频率完成。然而，在实际生产过程中，在悬臂梁下方安装驻极体的工艺非常复杂，加之为了实现ulf/vlf的谐振频率，需要较长的悬臂梁长度，因此，该方案仅仅为理论上可以实现的方案，工艺上几乎不可实现。此外，该方案中所谈及的mems阵列，因为电气布线、阻抗匹配、缺陷的问题，必然造成电磁波在传输过程中损耗过大、相位延迟等问题，将严重影响天线的辐射效率和方向图。此外，美国弗吉尼亚理工大学的junranxu，chungmingleung，xinzhuang等在论文《alowfrequencymechanicaltransmitterbasedonmagnetoelectricheterostructuresoperatedattheirresonancefrequency》和美国东北大学的cunzhengdong，yifanhe，menghuili等在论文《aportableverylowfrequency(vlf)communicationsystembasedonacousticallyactuatedmagnetoelectricantennas》中相继提出了一种基于磁电叠层结构来实现甚低频发射元的方案，磁电叠层由metglas/pzt/metglas三层结构组成，其中，pzt层粘贴在两个叉指电极之间，利用叉指电极来控制发射元频率。该方法利用压电层与磁致伸缩层之间的耦合形成复合磁电材料，并在压电层施加交变电压激励，诱发机电共振，进而耦合至磁致伸缩层产生磁化振荡向外辐射电磁波，其结构如图10所示。上述方案虽然能在很大程度上缩小甚低频发射机尺寸，但也存在制作工艺相对复杂、难以批量化等问题。其主要原因在于：(一)上述发射机的压电层和磁致伸缩层通过胶水粘贴在一起，两表面的结合度不高，造成了磁电耦合系数不高；(二)块体压电材料需要在安装前用强电场进行极化，使偶极子取向相同，给制作工艺增加了难度；(三)每个发射机需要单独制作，难以形成批量工艺，造成了组阵困难。基于此，本发明提供了一种基于mems谐振器的甚低频发射元实现方案，以推导的磁化振荡天线平均辐射功率计算表达式为依据，提出了在mems谐振器上淀积或键合辐射层来实现vlf信号的发射。并且通过对辐射层的厚度或面积进行优化设计，可以在甚低频波段内实现辐射功率的调控，具体实现方式如下。如图1所示，为本发明信号发射元的实施例提供的结构示意图，该信号发射元适用于生成甚低频信号，包括：mems谐振器和辐射层2，辐射层2包括：磁致伸缩薄膜或驻极体薄膜，辐射层2设置在mems谐振器的谐振区1的一侧，辐射层2与谐振区1紧密耦合，mems谐振器的谐振区1的另一侧通过锚点3固定在衬底4上，mems谐振器的谐振区1的谐振频率工作在甚低频波段，用于使磁致伸缩薄膜发生磁化振荡，或使驻极体薄膜发生电荷振荡，生成甚低频信号。其中，磁致伸缩薄膜可以采用软磁特性好的磁性材料，可以选择低矫顽力、高磁导率、高饱和磁化强度、高磁致伸缩系数的磁性材料，可以是fegab等，可以通过溅射或键合工艺使磁致伸缩薄膜与谐振器紧密耦合，在能满足mems工艺条件且保证mems谐振器正常起振情况下，使磁致伸缩薄膜厚度最大化，不大于100μm。驻极体薄膜可以使用无机驻极体材料制作，如二氧化硅，也可以使用有机驻极体材料制作，如聚合物。应理解，为了实现在甚低频波段内对辐射功率的调控，需要对辐射层2的厚度或面积进行优化设计，并对mems谐振器的结构和尺寸进行设计，使得谐振区1的谐振频率工作在甚低频波段，进而诱导磁致伸缩薄膜发生磁化振荡，或诱导驻极体薄膜发生电荷振荡，达到辐射电磁波的目的。而mems谐振器的结构和尺寸设计是依据推导出的磁化振荡天线平均辐射功率计算表达式，该表达式描述了平均辐射功率与器件结构的关系，下面以磁致伸缩薄膜为例给出示例性的推导过程。根据磁致伸缩薄膜应变本构方程：以及弱磁场条件，h≈0，可以得到磁通密度与应力的关系式：b＝dht其中，h为磁场强度，t为应力，b为磁通密度，μt为无应力条件下磁致伸缩薄膜的磁导率，dh为压磁系数。再结合法拉第电磁感应定律的时谐形式：|e0|＝ωh|b|其中，e0为孔径电场，ω为角频率，h为磁致伸缩薄膜厚度。以及平均辐射功率的定义式：其中，prad为平均辐射功率，η0为自由空间波阻抗，s为磁致伸缩薄膜表面积，ds为面积微元。假设应力为一恒定值，可以得到平均辐射功率与器件结构的关系：基于以上推导过程，下面给出mems谐振器的一些优选数值范围。优选地，谐振区1厚度为1-100μm，表面积为0.01-2mm2。优选地，辐射层2的厚度为1-100μm，表面积为0.01-2mm2。优选地，锚点3高度为0.5-10μm，锚点3个数可以为1-16个。本实施例通过在mems谐振器的谐振区1上耦合辐射层2，通过对mems谐振器的结构和尺寸进行设计可以使谐振区1的谐振频率工作在甚低频波段，进而诱导磁致伸缩薄膜发生磁化振荡，或诱导驻极体薄膜发生电荷振荡，达到辐射电磁波的目的，由于可以通过mems工艺直接实现谐振器与辐射层2的集成，无需另外的安装工艺，大大简化了工艺流程，解决了现有专利方案中vlf发射元结构单一、稳定性差和工艺实现难的问题，具有可批量制造、一致性好、尺寸小、后期易实现阵列化等优点。本实施例相比于利用mems谐振器使安装在悬臂梁上的驻极体产生共振的方案，实现了对悬臂梁式mems谐振器的解耦，可以采用多元化的mems谐振器，如双端固支梁6、单端固支梁7、多点支撑梁、膜片式等。这样不仅有利于实现对频率的调控，双端固支梁6、全固支膜片、多点固支膜片8和多点支撑梁等结构还有利于结构的稳定。最为重要的是本方案可以通过mems工艺直接实现谐振器与辐射层2的集成，详见后续的制作方法实施例，无需另外的安装工艺，不需要考虑如何将驻极体固定到梁上，大大简化了工艺流程。本实施例相比于基于磁电叠层结构来实现甚低频发射元的方案，完成了从介观尺度到微观尺度的升级，进一步实现发射元的尺寸微缩。此外，利用磁控溅射或键合工艺可以实现mems谐振器的谐振区1与辐射层2的紧密耦合，相比于胶粘方法更加有利于应力传递，耦合效率可以大幅提高。mems谐振器是利用静电驱动，其相对于压电驱动而言不需要对材料进行预先极化诱导，同时整个发射机是利用mems工艺制备，具有可批量制造，一致性好，后期易实现阵列化等优，与该方案相比，本方案可以有效减小尺寸约9个数量级。可选地，在一些可能的实施方式中，在衬底4上设置有驱动电极5，驱动电极5位于衬底4与谐振区1之间，用于驱动mems谐振器。优选地，mems谐振器可以通过静电驱动，驱动电压施加在驱动电极5上，驱动电极5通过溅射工艺淀积在衬底4上方、谐振区1下方，驱动电极5的厚度可以为0.5-5μm。可选地，在一些可能的实施方式中，如图2和图3所示，给出了双端固支梁6的结构示意图和俯视图，谐振区1包括：双端固支梁6，双端固支梁6的一侧设置有辐射层2，双端固支梁6的另一侧的两端分别通过锚点3固定在衬底4上。如图2所示，驱动电极5设置在衬底4的中间部分，锚点3设置在双端固支梁6的两端，如图3所示，左右两边的阴影部分表示锚点3，中间的阴影部分表示驱动电极5，驱动电极5可以为矩形。通过采用双端固支梁6，有利于结构的稳定。可选地，在一些可能的实施方式中，如图4和图5所示，给出了单端固支梁7的结构示意图和俯视图，谐振区1包括：单端固支梁7，单端固支梁7的一侧设置有辐射层2，单端固支梁7的另一侧的一端通过锚点3固定在衬底4上。如图4所示，为了提高驱动电极5的驱动效果，在使用单端固支梁7时，可以将驱动电极5设置在锚点3相对的另一端，单端固支梁7的一端通过锚点3与衬底4连接，如图5所示，左边的阴影表示驱动电极5，右边的阴影表示锚点3，驱动电极5可以为矩形。可选地，在一些可能的实施方式中，如图6和图7b所示，给出了多点固支膜片8的结构示意图和俯视图，谐振区1包括：多点固支膜片8，多点固支膜片8的一侧设置有辐射层2，多点固支膜片8的另一侧的多个端点分别通过锚点3固定在衬底4上。对于多点固支膜片8而言，如图6所示，锚点3的数量和形状可以根据实际需求设置，如图7b所示，其展示的膜片采用了多点支撑，应理解，为了实现稳定的支撑，锚点3的数量至少为3个，并且为轴对称分布或中心对称分布，图7b中的外圈阴影小圆圈就是锚点3，共有8个，中间圆圈部分的阴影就是驱动电极5。可选地，在一些可能的实施方式中，谐振区1可以包括：全固支膜片，由于全固支膜片由周围一圈封闭的锚点构成，因此，如图2所示，其沿中线的剖面图与双端固支梁的主视图相同，图7a给出了全固支膜片的结构俯视图，全固支膜片的一侧设置有辐射层2，全固支膜片的另一侧通过锚点3固定在衬底4上。图7a展示的全固支膜片整个膜片都被锚住，形成封闭的结构，外圈的阴影部分就是锚点3，此时，驱动电极5可以为圆形，中间圆圈部分的阴影就是驱动电极5。通过采用多点固支膜片8和全固支膜片，有利于结构的稳定。可选地，在一些可能的实施方式中，多点固支膜片8的形状为圆形、矩形或菱形。可选地，在一些可能的实施方式中，全固支膜片的形状为圆形、矩形或菱形。可选地，在一些可能的实施方式中，磁致伸缩薄膜内包含由诱导磁场诱导出的难轴和易轴，难轴和易轴在磁致伸缩薄膜的平面内互相正交。可选地，在沉积磁致伸缩薄膜的过程中，可以采用磁控溅射工艺，并在溅射过程中施加100-1500oe诱导磁场，使磁致伸缩薄膜形成难轴和易轴。可选地，在一些可能的实施方式中，磁致伸缩薄膜内设置有均匀插入的绝缘介质层。应理解，磁致伸缩薄膜可以通过均匀插入绝缘介质层的方式对其软磁特性进行调控，其中绝缘介质层的电导率可以为0-100s/m，厚度可以为5-20nm，插入层数可以为3-40层，材料可以为al2o3、si3n4、aln等。通过在磁致伸缩薄膜内插入绝缘介质层，能够更好的对磁致伸缩薄膜的软磁特性进行调控，从而使磁致伸缩薄膜辐射的电磁波高精度可控。可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。如图8所示，为本发明信号发射元的制作方法的实施例提供的制作流程结构示意图，该制作方法用于制作信号发射元，该信号发射元用于生成甚低频信号，以双端固支梁60为例，制作方法包括：如图8a所示，在衬底10上沉积金属层20，如图8b所示，在金属层20上按照驱动电极的图形和位置覆盖光刻胶30，如图8c所示，蚀刻未被覆盖的金属层20，完成蚀刻后，去除光刻胶30，形成驱动电极。其中，衬底10可以采用硅衬底，金属层20的材料可以选择铝、金等，光刻胶30为正胶。具体地，可以通过光刻工艺在金属层20表面图形化，利用干法刻蚀工艺，刻蚀未被光刻胶30覆盖的金属层20，完成刻蚀后采用等离子体轰击的方法去除光刻胶30，形成驱动电极。如图8d所示，在形成驱动电极后的衬底10上继续沉积支撑层40，如图8e所示，在支撑层40上按照锚点的图形和位置覆盖光刻胶30，由于制作双端固支梁60结构，因此，可以在支撑层40的两端覆盖光刻胶30，以便生成两个锚点。如图8f所示，蚀刻未被覆盖的支撑层40，完成蚀刻后，去除光刻胶30，形成锚点。此时，在衬底10上中间部分沉积了驱动电极，在衬底10的两端沉积了锚点。其中，支撑层40的材料可为多晶硅，厚度可以为0.5-5μm，光刻胶30为正胶。具体地，同样可以通过光刻工艺在支撑层40表面图形化，利用干法刻蚀工艺，刻蚀未被光刻胶30覆盖的支撑层40，完成刻蚀后采用等离子体轰击的方法去除光刻胶30，形成锚点。如图8g所示，在形成锚点后的衬底10上继续沉积牺牲层50，如图8h所示，将牺牲层50磨平至锚点的高度，如图8i所示，在磨平后的牺牲层50上沉积固支梁，并在固支梁上溅射辐射层70。具体地，可以采用化学气相淀积工艺淀积牺牲层50，采用化学机械研磨工艺将牺牲层50磨平，直至锚点的高度。可选地，双端固支梁60可以与支撑层40的材料相同，双端固支梁60的厚度为1-100μm。可以采用磁控溅射工艺在双端固支梁60表面溅射辐射层70。如图8j所示，释放牺牲层50，得到双端固支梁60结构。应理解，在制作之前，需要根据发射元工作的频率范围，利用有限元仿真得到与之对应的谐振器初始尺寸。例如，对于双端固支梁60结构mems谐振器，设计频率可以为25khz，以满足甚低频波段，梁长可以为960μm，梁厚可以为5μm。为了最大范围增加发射元的平均辐射功率，需要使谐振器的谐振区面积最大化，可以进一步增大梁长至1mm以上。然而梁长调整会影响谐振器工作频率以及器件稳定性，另外为了在谐振区上淀积足够厚的辐射层70可以通过增加梁厚至10μm以上来调控。根据上述表达式调控各个参数的值，再次利用有限元仿真，明确基于mems谐振器的甚低频发射元的结构尺寸，就可以根据得到结构尺寸制作双端固支梁60结构。通过上述制作方法，能够通过mems工艺直接实现谐振器与辐射层的集成，无需另外的安装工艺，大大简化了工艺流程，具有可批量制造，一致性好，后期易实现阵列化等优点。本发明还提供一种甚低频发射器，包括如上述任意实施例提供的用于生成甚低频信号的信号发射元，或使用如上述任意实施例提供的用于生成甚低频信号的信号发射元生成甚低频信号。可选地，为了更好的生成甚低频信号，还可以将多个信号发射元封装成阵列，将该阵列应用于甚低频发射器中。读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域：：的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。当前第1页12当前第1页12