基于机械驱动固装谐振器的纳米机电系统磁电天线

这种SMR-ME天线相比FBAR天线表现出更强大的功能。凭借其体积小、工作频率高、灵敏度高、结构稳定、半导体加工集成以及良好的功率处理能力，成为小型微波天线和远程无线传感应用的理想器件，

过去几十年来，由于物联网（IoT）设备、第五代（5G）无线系统、毫米波（mm-wave）和太赫兹（THz）等创新应用的激增，推动小型化、薄型、高性价比的天线出现爆炸式增长。并且，市场对小尺寸、高效率天线的需求似乎永无止尽。目前，业界已经开发出许多小型化技术来缩减天线的尺寸，例如负载材料、集总元件、几何设计、超构材料（metamaterials）等。然而，传统紧凑型天线的尺寸通常大于1/10电磁波长，这对于当前及未来的许多应用（例如植入式医疗器械等）来说仍然太大。

自从磁电（ME）复合材料在过去二十年的复兴以来，基于直接（电极化的磁场控制）或反向（磁化的电场控制）ME耦合已经开发了各种多铁性器件。还在理论上提出了用于天线小型化的新型ME天线概念，并在最近进行了实验证明。机械驱动的ME天线被证明能够获得小得多的尺寸，因为其在机械谐振下工作，机械谐振的波长比相同频率下电磁谐振的波长要短大约五个数量级。

薄膜体声波谐振器（FBAR）和固态装配谐振器（SMR）是体声波（BAW）器件将声能限制在压电材料中的两种主要几何结构。要构建高品质因数的强机械共振，需要在相邻介质中具有最小能量耗散的隔离结构。FBAR的声学隔离是通过谐振板和衬底之间的空气腔实现的，而SMR使用布拉格声反射层将机械能限制在谐振板中。

布拉格声反射层由具有受控厚度的高、低声阻抗材料交替组成。由于声阻抗失配，声波在多层堆叠的每个界面处的反射阻止了机械能的泄漏。通过释放牺牲层形成空气腔的FBAR的缺点包括：（1）散热能力有限，功率处理能力低；（2）锚结构脆弱，导致断裂和低良率；（3）对制造过程中产生的膜应力需要严格控制；（4）包括释放工艺在内的复杂制造工艺步骤。

另一方面，SMR位于布拉格声晶格上，没有任何悬挂结构，并且具有更高的功率处理能力、更简单的制造工艺以及更高的良率。SMR还具有大大提高的机械鲁棒性，使其能够更容易地封装并与集成电路（IC）集成。

据麦姆斯咨询介绍，美国东北大学（Northeastern University）电气与计算机工程系Nian X. Sun教授领导的一支联合研究团队展示了一种基于SMR的新型ME天线，通过将布拉格反射层的垂直传播能量返回到声学谐振器来最大限度地减少能量损失。这些ME天线具有200 𝜇𝑚直径圆盘，在UHF（1.75 GHz）工作频率下具有机械振动模式。由于布拉格声反射层，这种基于SMR的ME天线的天线增益为-18.8 dBi，与相同尺寸的FBAR ME天线相当。测得基于SMR的ME天线的1 dB压缩点（P1dB）为30.4 dBm，比相同尺寸的FBAR ME天线高23.3 dBm。高功率处理能力、高天线增益和简单的制造工艺，使这种基于SMR的ME天线成为各类无线系统的理想选择。该研究成果已经以“Mechanically driven SMR-based NEMS magnetoelectric antennas”为题发表于 *Advanced Engineering Materials *期刊。

本研究所制造的SMR-ME天线的结构特性

FeGaB/SiO 2 多层膜的磁特性

本研究所提出的SMR-ME天线的1D Mason模型和2D有限元模型（FEM）COMSOL仿真结果

总结来说，从独立膜FBAR设计开始，最新的机械驱动天线将天线的小型化推向了微米级。本研究所提出的用于ME天线的SMR结构，不仅提高了天线性能指标，而且简化了制造工艺，具有更好的器件结构完整性和鲁棒性。这种微型ME天线，利用SMR将能量限制在磁致伸缩/压电异质结构中，改善了天线辐射。这种新型SMR-ME天线的外形尺寸为700 𝜇𝑚 x 700 𝜇𝑚（L x W），利用1D Mason模型和2D COMSOL FEM仿真进行设计和优化，可在1.75 GHz谐振频率下工作，通过实验证明增益为-18.8 dBi。此外，通过提高SMR品质因数并优化谐振器信号馈线的阻抗匹配可以进一步改进器件性能。

这种SMR-ME天线相比FBAR天线表现出更强大的功能。凭借其体积小、工作频率高、灵敏度高、结构稳定、半导体加工集成以及良好的功率处理能力，成为小型微波天线和远程无线传感应用的理想器件，可用于小型无人机、生物植入式天线、可穿戴天线、物联网、NFC近场通信、RFID射频识别、卫星以及更多现有和未来的应用。

与传统天线相比，理论上也证明了在相同尺寸和工作频率下，这种ME天线具有更高的效率。凭借更好的功率处理能力，具有更高输入功率的SMR-ME天线能够在植入式生物医学应用中产生更强的电磁波。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adem.202300425