一种磁电天线阵列及其应用的制作方法

1.本发明涉及通讯设备领域，特别是一种磁电天线阵列及其应用。


背景技术：

2.本发明要求2020年11月18日提交的美国临时专利申请，申请号为63/115148的优先权，专利名称为"一种磁电天线阵列"，其全部内容在此纳入参考；并且本发明也是2017年5月31日提交的专利名称为"一种纳米级射频磁电天线"的美国专利申请，申请号为16/304,802的部分延续申请，其全部内容在此纳入参考。
3.本发明涉及一种用于无线通信系统、生物医疗应用、卫星和雷达系统的超紧凑高效天线。特别是,本发明描述了一种包括谐振器阵列串联和/或并联连接的天线，能够接收任何频率从khz到ghz来自交流源的电磁信号，提高了辐射效率和带宽，并有效地向空中辐射相同频率的电磁信号。这种高效而紧凑的天线包括多个谐振器阵列，谐振器阵列具有由压电材料和磁性材料叠加而成的分层辐射孔。
4.天线是所有辐射通信的关键部件。随着手机和平板电脑成为生活方式不可缺少的一部分，对超紧凑和更高效天线的需求是无止境的。天线通过电磁(em)波共振接收和发送信号；因此，传统天线的尺寸与电磁(em)波长λ0相当。通常，这些天线的尺寸必须大于λ0/10，即λ0波长的1/10。在传输波长固定的情况下，天线小型化成为电子工程师面临的一大挑战，特别是甚高频(vhf；30～300mhz)或超高频(uhf；0.3～3ghz)传输。
5.对于天线来说，另一个挑战是地平面效应。地平面在决定天线的辐射特性，包括增益方面起着重要作用。然而，平面天线反方向的成像电流可以抵消天线的辐射。这种效果要求将大轮廓天线放置在纵向位置并垂直于地平面，例如垂直的四分之一波偶极子，其中成像电流作为天线的一部分用于同相辐射。
6.该应用程序的发明者以前已经确定，由于在磁电异质结构中实现的电阶和磁阶之间的强磁电耦合效应现象，可以开发微型电子元件。详见tianxiang nan 2017年8月的《nature communications》第296页第8卷，标题为“acoustically actuated ultra-compact nems magnetoelectric antennas”。在磁电异质结构中，强烈的磁电耦合在射频(rf)下动态实现，使电压诱导的射频磁场电流能够辐射电磁波，实现一种新的接收和传输机制。这种新的接收和传输机制可以将天线尺寸减少1至2个数量级，同时减少天线增益至少-18dbi以及地平面抗扰性。
7.因此，这种me耦合效应使得开发在室温下工作的新型磁电器件组件成为可能，如基于自旋电子学的组件、低频磁传感器和可重构射频组件。
8.相应地，对于利用磁电耦合机制设计，提高效率和带宽容量的新的天线，有很大需求。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种利用磁电(me)谐振器阵列构建集成天线以提高性能的
新设计概念。
10.在一个实施例中，薄膜体声波谐振器阵列(fbar)以并联或串联的方式电连接，形成单个天线。实施例的另一方面，纳米板谐振器阵列(npr)以并联或串联的方式电连接，形成单个天线。实施例的另一方面，fbar和npr阵列的混合以并联或串联方式电连接，形成单个天线。
11.在另一个实施例中，一个固体安装谐振器(smr)或一组固体安装谐振器以并联或串联方式电连接，形成单个天线。本实施例的一方面，fbar、npr和smr谐振器具有铁磁/铁电薄膜的异质结构，铁电薄膜带有一层压电材料，在声波共振频率下共振。本实施例的一个方面是，smr包括一层低声阻抗材料，该材料作为声镜的一部分；低声阻抗材料层包括一种低声阻抗低于50g/cm
2-sec
×
105的材料，该材料选自铝(al)、铍(be)、铋(bi)、镉(cd)、铯(cs)、铌(nb)、铜(cu)、镓(ga)、锗(ge)、铟(in)、铅、镁(mg)、锰(mn)、钚(pu)、钾(k)、镭(ra)、铷(rb)、银(ag)、钠(na)、铊(tl)、钍(th)、锡(sn)、钛(ti)、二氧化铀(uo2)、钒(v)、锌(zn)、锆(zr)、pmma、石英、二氧化硅(sio2)、纳米多孔甲基倍半硅氧烷(msq)、纳米多孔氢化倍半硅氧烷(hsq)、msq和hsq的纳米多孔混合物、气凝胶等。低声阻抗材料层还包括一些压电材料如钛酸钡(batio3)、砷化镓(gaas)、铌酸锂(linbo3)、氧化锌(zno)。
12.在一个实施例的一方面，smr包括一层高声阻抗材料，该材料作为声镜的一部分；高声阻抗材料层包括一种高声阻抗至少高于50g/cm
2-sec
×
105的材料，该材料选自金(au)、钼(mo)、镍(ni)、铂(pt)、钽(ta)、钨(w)、铀(u)、类金刚石碳(dlc)、硅掺杂类金刚石碳(si-dlc)等。高声阻抗材料层还包括一些压电材料，如氮化铝(aln)、氮化硼(bn)、氮化镓(gan)、碳化硅(sic)。实施例的一方面，高声阻抗材料层的各个层的厚度配置为压电谐振器谐振频率的四分之一或二分之一机械波长。该实施例的另一方面，低声阻抗材料层的各个层的厚度配置为压电谐振器谐振频率的四分之一或二分之一机械波长。
13.在一个实施例中，谐振器电极材料至少沉积有一种材料选自钼(mo)、钛(ti)、钨(w)、金(au)、铂(pt)、铝(al)和钌(ruthenium)或其组合。
14.在一个实施例中，谐振器包括压电层，压电层由材料制成，该材料包括至少一种材料选自氮化铝-氮化钪(alscn))，氮化铝(aln)，x＝锆、硅等的(hf,x)o2，钛酸钡(batio3)，磷酸镓(gapo4)，硅酸镓镧(lgs)，钽酸铅钪(pst)，氧化锌(zno)，石英，锆钛酸镧铅(pzt)，钽酸锂(litao3)，锆钛酸铅镧(plzt)，铁酸铋(bfo)，铌酸铅镁-钛酸铅(pmn-pt)，铌酸铅锌-钛酸铅(pzn-pt)，聚偏二氟乙烯(pvdf，pvdf(-trfe))，钛酸铋钠(nbt)。
15.在一个实施例中，谐振器包括磁性层，磁性层由材料制成，该材料包括至少一种材料选自铁(fe)，镍(ni)，钴(co)，铁镓(fega)，化学式为fegax的铁镓合金，其中x＝硼、碳等，铁钴(feco)，化学式为fecox的铁钴合金，其中x＝硼、碳、钒,金属玻璃，铁钴硅硼(fecosib)，镍铁(nife)，化学式为nifex的镍铁合金，其中x＝铜、锌、钴、锰、钒、铝、钽、钌等,镍钼合金，铁硅合金，钴铂合金，特芬诺和特芬诺-d(tbxdy
1-xfe2,，y1和x是一个数字)，以及尖晶石铁氧体，如镍铁氧体，镍锌铁氧体、钴铁氧体、钡铁氧体、镍锌铝铁氧体、锰锌铁氧体、锶铁氧体、锂铁氧体、六铁氧体或其他铁氧体。
16.在一个实施例中，压电层穿过一个孔径结构，具有面外激励，允许面内和面外振动，而磁层也允许面内和面外振动。电压感应声波通过磁电耦合在薄膜异质结构中诱发磁化动力学，导致声波共振频率的电磁波辐射。磁电天线感知电磁波的磁性成分，从而产生压
电电压输出。这些由新材料制成的多阵列磁电谐振器串联和并联连接，提供高天线增益、大带宽、强大的地面植物抗扰度以及对磁电天线阵列中准静态或低频磁场的高灵敏度。
附图说明
17.图1是本发明天线传输机制和地平面效应的示意图；
18.图2是本发明利用直接磁电耦合现象，磁电天线的接收机制近场模拟物理流程示意图；
19.图3是本发明带有单个谐振器的磁电天线的俯视图；
20.图4是本发明带有谐振器阵列的磁电天线的俯视图；
21.图5是本发明带有薄膜体声波谐振器(fbar)和纳米板谐振器(npr)阵列的磁电天线剖视图；
22.图6是本发明固体安装谐振器(smr)阵列的磁电天线的剖视图；
23.图7a是本发明带有npr谐振器的示例磁电天线的3d结构示意图；
24.图7b是本发明带有fbar谐振器的示例磁电天线的3d结构示意图；
25.图8是本发明带有fbar谐振器的示例磁电天线的组装过程分解图；
26.图9a是本发明共振时磁电(me)谐振器在硅上的位移曲线模拟示意图；
27.图9b是本发明共振时磁电(me)谐振器在声镜层上的位移曲线模拟示意图；
28.图10是本发明由1至3个谐振器阵列串联的示例磁电(me)天线阵列的感应电压模拟示意图；
29.图11是本发明单盘谐振器磁电(me)天线和接收喇叭天线的测量反射系数(s
11
)和传输系数示意图(s
21
)；
30.图12是本发明3
×
3单盘谐振器磁电(me)天线阵列和接收喇叭天线的测量反射系数(s
11
)和传输系数(s
21
)示意图；
31.图13是本发明位于一个大型金属接地面上的3
×
3单盘谐振器磁电天线阵列和接收喇叭天线的测量反射系数(s
11
)和传输系数(s
21
)示意图；
32.图14是本发明由一个和三个谐振器阵列并联组成的磁电(me)天线阵列的回波损耗示意图；
33.图15是本发明具有两种不同共振的磁电(me)天线阵列的测量反射系数(s
11
)和模拟反射系数(s
11
)示意图；
34.图16是本发明具有五种不同共振的磁电(me)天线阵列的模拟反射系数(s
11
)示意图；
35.图17是本发明将氮化铝(aln)替换为氮化铝-氮化钪(alscn))，具有三种不同共振的磁电(me)天线阵列的模拟反射系数(s
11
)示意图。
具体实施方式
36.以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。尽可能在图纸和描述中使用相同或类似的参考数字，以指代相同或类似的部件或步骤。这些图纸是简化的，比例不完全精确。“耦合”一词和类似的名词不一定表示直接的和接近的连接，但也包括通过中间元件或装置的连接。仅为方便和清晰的目的，方向性(向上/向下)术语可用于图纸。这些和类似
的方向性术语不应被解释为以任何方式限制范围。还应理解为在不偏离本发明范围的情况下，可以使用其他实施例，而且详细描述不应视为限制性的，元素可以有不同的位置，或在所附的权利要求中以其他方式指出，而不需要对其进行书面描述。
37.在描述和权利要求中,如有"第一"、"第二"、“第三”、"第四"等术语,可用于区分相似的元素,而不一定用于描述特定的顺序或时间顺序。应当理解为这样使用的术语是可互换的。此外，术语“组成”、“包括”、“有”和任何其变体，旨在涵盖非排他性的内含物，例如包括一组元素的工艺、方法、物品、设备或成分不一定仅限于这些元素，但可能包括未明确在该工艺、方法、物品、设备或成分列出的或固有的其他元素。
38.本发明可在此根据功能块组件和各种处理步骤进行描述。应该注意的是，这些功能块可以由配置成执行指定功能的任何数量的硬件和/或软件组件实现。例如，本发明可以采用各种集成电路元件、存储元件、处理元件、逻辑元件、查表等，在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下，在计算、模拟和测量中实现各种功能。
39.应该注意的是，本发明中所显示和描述的特定实施方式是对本发明及其最佳方式的说明，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。此外，本发明所包含的各种图中所示的连接线旨在表示各种元素之间的示范功能关系和/或物理耦合。本发明实施的实际激励系统中可能存在许多替代的或附加的功能关系或物理连接。
[0040]“压电”是一种由压力和潜热产生的电，这些压力和潜热是由电荷在某些固体材料(如晶体、某些陶瓷和生物物质)中积累而成的，是对施加的机械应力作出反应的。一般而言，压电效应是由晶体材料在不存在反转对称的情况下，力学和电学状态之间的线性机电相互作用来观察的。
[0041]“磁电耦合(me或m-e)”是指利用电压诱发机械形成而产生磁变化，利用磁变化诱发机械形成而产生电压的现象。
[0042]
磁电耦合现象的应用可导致磁的电压控制或极化的磁场操纵，从而实现低功耗、快速动态响应、低损耗和器件紧凑。为实现强磁电耦合做出了巨大的努力。研究发现，磁/介电或磁/铁电薄膜异质结构通过自旋极化电荷介导的电压可控磁表面各向异性产生了强磁电耦合。对于超薄磁膜/铁电板，由于结合了应变介质和电荷介质的磁电耦合，观察到更强的磁电耦合效应。例如,一种带有磁性半导体的多铁质异质结构，由于电荷介导的磁电耦合，100k时4nm la
0.8
sr
0.2
mno3在pzt上产生了类似滞后的m-e曲线。此外，通过电压控制磁光克尔信号，ni/bto多铁异质结构中存在厚度相关的m-e反应，当ni薄膜厚度减小到5nm时，电荷介导的磁表面各向异性逐渐超过磁致弹性的各向异性。
[0043]
铁电层和铁磁层复合的人工多铁异质结构由于其在室温下的强磁电耦合而最近受到越来越多的关注。传统的天线基本上是一种导体，用来接收和传输通过振荡电流产生振荡电场和磁场的无线电波。产生强磁电耦合的结构和材料使得提供具有更高效率和更宽带宽的微型化天线成为可能。
[0044]
传统天线也面临着所谓地平面效应的限制，如图1所示。接地面是一个平坦或接近平坦的水平导电面115，也可以是人体。109中的平面天线显示的相反方向的成像电流可以抵消来自天线的辐射。传统上，只有当天线是纵向的且垂直于表面时，辐射才会增强，如107中所示的垂直四分之一波偶极子，其中成像电流作为同相辐射天线的一部分。如磁电流111所示，磁电天线使用磁电流而不是电流进行辐射。如传输电压感应声波101、磁电流应变介
导的动态磁电耦合103、接收磁场电磁波105所示，磁电天线以磁/铁电薄膜异质结构为谐振器，可以辐射由电压感应声波产生的电磁波，并感知电磁波产生的磁场来感应电压。磁电天线同相成像电流将在接地时提供增益增强。这种接地面的抗扰性可以为金属表面和人体(也被认为是地平面)提供多种器件设计。
[0045]
comsol multiphysics直接磁电耦合模拟：利用comsol multiphysics软件，采用有限元方法模拟了磁致伸缩和压电材料的磁、弹性和电场耦合效应。如图2所示，模拟计算了入射频率200时的磁场201和磁化强度205，固体力学响应磁化强度205，磁化强度205包括磁致伸缩203，产生的应变207，压电材料209，产生的应变211。然后模拟计算了在静电模块213中感应电压215响应压电材料产生的应变211。图2所示为磁电纳米板谐振器(npr)在射频线圈产生的射频场(h
rf
)下的感应电压模拟设置。
[0046]
在空气相中，假定施加了一个空间均匀的正弦波磁场。空气模型空间被无限元域截断。当使用无限元域特征时，建模的外部边界条件不影响解。
[0047]
在磁电复合材料中，磁致伸缩材料中的磁导率和磁致伸缩应变与磁通和机械应力/应变呈非线性关系。磁致伸缩的本构方程为：
[0048]
b＝μ0[h m(h，s
me
) mr]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0049]
其中b、mr分别为磁感应强度和剩余磁化强度；动态磁化强度m与h和s
me
有关，h和s
me
分别代表磁场和机械应力。假设磁性材料是各向同性的，磁致伸缩应变的模型为下面的磁化场m的二次各向同性形式：
[0050][0051]
其中fegab的磁致伸缩系数为λs，饱和磁化强度为ms，实验测量分别为70ppm和1114084a/m。
[0052]
在压电材料中，假定采用线性压电材料模型应用描述的小信号特性，线性压电材料模型应用中以应变电荷形式建立本构关系。压电张量和力学性能从comsol multiphysics内置模块中获得。压电本构方程给出了应力-电荷形式的应力、电场和电位移场之间的关系。
[0053]
σ＝cε-ee
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
d＝cε κe
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0055]
其中σ和ε是应力和应变张量；e和d是电场和电通量密度；c、e、k分别为刚度、应变对电场的耦合常数和介电常数。图2所示的固体力学模型用弹性本构关系来描述：
[0056][0057]
σ＝cε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0058][0059]
其中u是位移，ρ是密度，ω是角频率，c是弹性矩阵。
[0060]
comsol multiphysics磁致伸缩和压电模拟模块在设备的共振模式中被广泛使用且可靠，用来观察磁电耦合，其中的设备在近场区域中使用的是静磁近似的设备。模拟可能无法捕获包含许多边界条件和各向异性材料参数的真实物理特性。例如，磁电天线中的磁
材料fegab层表现出高度各向异性的杨氏模量，沿面内磁硬轴方向有较大的δe效应为160gpa，这是很难纳入comsol等现有模型的。
[0061]
磁电天线外观：图3显示了包括一个磁/铁电薄膜异质结构谐振器的磁电天线300的俯视图，301是一种圆盘形磁/铁电薄膜异质结构谐振器，303和305表示压电薄膜基板层上的金层。谐振器包括fbar,npr或smr类型的谐振器。
[0062]
图4显示了包括多个磁/铁电薄膜异质结构谐振器401、417、407、411、415等的磁电天线400(天线阵列)的俯视图，谐振器401、417、407、411、415串联(通过403,405和413金属连接)和并联(通过409金属连接)电连接。并联谐振器的数量和串联谐振器的数量是由特定设备和频率的阻抗匹配决定的。谐振器包括fbar,npr或smr类型的谐振器。
[0063]
图5显示了包括多个磁/铁电薄膜异质结构谐振器的天线阵列的剖视图500。501和513分别表示串联的两个谐振器的磁层。503和504分别表示串联的两个谐振器的接地金属层(最好是由黄金制成)。505和506分别表示压电层(优选氮化铝-氮化钪)的两个谐振器串联。507和508分别表示串联的两个谐振器的电极(最好是铂)。509和510分别表示构造在谐振器下和基板材料(例如硅)511上方的气腔。电极下方的气腔允许每个谐振器自由共振，因此天线可以通过在平面内和平面外方向共振来响应无线电频率。谐振器包括fbar,npr谐振器。
[0064]
图6显示了包括多个磁/铁电薄膜异质smr谐振器的天线阵列的剖视图600。601和605分别表示串联的两个smr谐振器的磁层。603和604分别表示串联的两个谐振器的接地金属层(最好是由黄金制成)。607和608分别表示两个谐振器串联的压电层(优选氮化铝-氮化钪)。609和610分别表示串联的两个谐振器的电极(最好是铂)。两个谐振器都没有气腔。为了避免能量泄漏，在硅基板621之上，有多个附加层(611-619)，最好是2至3个双层，其中低阻抗声反射层与高阻抗声反射层耦合，并构造在基板器件下面。
[0065]
低声阻抗材料包括以下材料中的至少一种，其声阻抗低于50g/cm
2-sec
×
105，如铝(al)、铍(be)、铋(bi)、镉(cd)、铯(cs)、铌(nb)、铜(cu)、镓(ga)、锗(ge)、铟(in)、铅、镁(mg)、锰(mn)、钚(pu)、钾(k)、镭(ra)、铷(rb)、银(ag)、钠(na)、铊(tl)、钍(th)、锡(sn)、钛(ti)、二氧化铀(uo2)、钒(v)、锌(zn)、锆(zr)、pmma、石英、二氧化硅(sio2)、纳米多孔甲基倍半硅氧烷(msq)、纳米多孔氢化倍半硅氧烷(hsq)、msq和hsq的纳米多孔混合物、气凝胶等。低声阻抗材料还包括一些压电材料如钛酸钡(batio3)、砷化镓(gaas)、铌酸锂(linbo3)、氧化锌(zno)及其组合。低声阻抗材料的每一层的厚度固定为压电谐振器谐振频率的四分之一或二分之一机械波长。
[0066]
高声阻抗镜层包括一种高声阻抗高于50g/cm
2-sec
×
105的材料，如，金(au)、钼(mo)、镍(ni)、铂(pt)、钽(ta)、钨(w)、铀(u)、类金刚石碳(dlc)、硅掺杂类金刚石碳(si-dlc)。高声阻抗镜层还包括一些压电材料如氮化铝(aln)、氮化硼(bn)、氮化镓(gan)、碳化硅(sic)，或其组合。高声阻抗材料的每一层厚度固定为压电谐振器谐振频率的四分之一或二分之一机械波长。
[0067]
在包括多个谐振器的天线中，第一和第二谐振器的电极分别沉积有至少包括下列其中之一的材料：钼(mo)，钛(ti)，钨(w)，金(au)，铂(pt)和铝(al)，钌(ruthenium)或其组合。
[0068]
压电层至少包括下列其中之一的材料：氮化铝-氮化钪(alscn))，氮化铝(aln)，x
＝锆、硅等的(hf,x)o2，钛酸钡(batio3)，磷酸镓(gapo4)，硅酸镓镧(lgs)，钽酸铅钪(pst)，氧化锌(zno)，石英，锆钛酸镧铅(pzt)，钽酸锂(litao3)，锆钛酸铅镧(plzt)，铁酸铋(bfo)，铌酸铅镁-钛酸铅(pmn-pt)，铌酸铅锌-钛酸铅(pzn-pt)，聚偏二氟乙烯(pvdf，pvdf(-trfe))，钛酸铋钠(nbt)或其组合。
[0069]
磁层至少包括下列其中之一的材料：金属，例如铁(fe)，镍(ni)，钴(co)等，合金例如铁镓(fega)，化学式为fegax的铁镓合金，其中x＝硼、碳等，铁钴(feco)，化学式为fecox的铁钴合金，其中x＝硼、碳、钒等,金属玻璃，铁钴硅硼(fecosib)，镍铁(nife)，化学式为nifex的镍铁合金，其中x＝铜、锌、钴、锰、钒、铝、钽、钌等,镍钼合金，铁硅合金，钴铂合金，特芬诺和特芬诺-d(tbxdy1-xfe2)等，尖晶石铁氧体如镍铁氧体，镍锌铁氧体、钴铁氧体、钡铁氧体、镍锌铝铁氧体、锰锌铁氧体、锶铁氧体、锂铁氧体、六铁氧体或其组合。
[0070]
微加工：磁电天线利用纳米机电系统(nems)天线，该天线基于共振磁电异质结构(铁磁/压电)中电磁与体声波之间的强磁电耦合。该天线由一层压电材料和一层磁致伸缩材料组成，并基于体声波(baw)谐振器在不同层之间传递动态应变。
[0071]
为简单起见，单个谐振器的微细制造重复了先前的专利申请。图7a和图7b，显示了基于3d纳米板谐振器(npr)和薄膜体声谐振器(fbar)的天线结构的激励和振动方向。npr和fbar具有相同的激励，但具有不同的共振模式，可提供多种频率覆盖范围。
[0072]
对于图7a和图7b所示的基于npr和fbar的天线，制造过程分别从高电阻硅(si)晶片703和713或727和725开始。一层铂(pt)膜701和711或719和723通过在si基板703和713或727和725顶部的剥离进行溅射沉积和模式化，以建立底部电极。溅射沉积氮化铝(aln)膜层709或721，并通过h3po4蚀刻通孔以访问底部电极701或719。然后，利用电感耦合等离子体(icp)蚀刻技术在基于cl2的化学中刻蚀aln薄膜，确定谐振纳米板的形状。接下来，金(au)膜被蒸发并通过剥离模式化以形成顶部接地705或715。最后，fegab/al2o3多层707或717通过磁控溅射沉积并通过剥离模式化。在垂直于器件锚定方向的磁性沉积期间施加7960a/m(100oe)原位磁场偏置，以预先定向磁畴。然后，通过硅基板的xef2各向同性蚀刻释放结构，以最小化基板夹持效应。在fegab/al2o
3-pt电极层下方构造一个气腔730或731，以允许压电振动。
[0073]
纳米板谐振器(npr)和薄膜体声波谐振器(fbar)器件都为cmos技术提供了集成能力，并使用相同的五掩模微制造工艺。图8显示了多层的分解视图：从下向上，蚀刻硅片809，铂电极807,匹配形状的aln压电层805,au接地层803,fegab磁致伸缩层801。类似地构建了图5中所示的多阵列结构。硅片基板蚀刻在多个气腔中，相邻电极或串联或并联，以连接信号源。对于图6所示的smr谐振器阵列，在没有蚀刻和释放过程的情况下，在器件下方和硅基板上方添加多个交替的低声阻抗材料层和高声阻抗材料层。
[0074]
fegab/al2o3多层膜在矫顽磁场《400a/m(0.5mtesla)下通过振动示例磁强计(vsm)进行测量，表明其具有软磁特性，但测量到的磁致伸缩常数大至70ppm。基于基特尔方程，fegab/al2o3多层膜在9.5ghz时的fmr谱得到了93mt的共振频率和1.15t的磁矩。铁磁共振谱测量得到的共振线宽为4780a/m(6mtesla)，表明微波性能良好，磁损耗低。
[0075]
模拟位移曲线：图9a和9b显示了谐振器激励的模拟位移曲线。无声镜层谐振器，声能(901，903和905，图9a)泄漏到基板层中，而smr谐振器具有多个附加的交替低声阻抗材料层和高声阻抗材料层添加在谐振器下方和上方显示没有能量泄漏到硅基板中——913区域
在基板中没有或很少出现声能泄漏，所有能量仅保留在谐振器911区域中。
[0076]
感应电压：在射频线圈沿谐振器长度方向约60nt(wb/m2)的射频场激励下，计算了模拟的感应磁电电压输出。图10显示了由一个至三个谐振器阵列串联而成的磁电(me)天线的模拟感应电压图。插图显示了磁电谐振器在谐振时被射频场激发的面内位移的模拟。阵列中有多个谐振器的天线在产生感应电压时显示出协同效应；天线中由三个谐振器组成的感应电压曲线1003显示的感应电压比由两个谐振器组成的感应电压曲线1002和由一个谐振器组成的感应电压曲线1001高得多。
[0077]
反射系数(s
11
)和传输系数(s
21
)：在远场结构下，在消声室中的ghz范围测试了磁电天线和谐振器阵列天线的天线传输特性。对于尺寸小于波长一半的小天线,远场区域可考虑在》2倍波长。经过校准的线极化标准喇叭天线和直径550μm(磁盘直径200μm)的基于me的天线分别连接到网络分析仪的端口1和端口2进行天线测量。
[0078]
图11显示了测量的反射系数(s
11
)和单盘谐振器磁电(me)天线与接收喇叭天线之间的传输系数(s
21
)；具有-50db的传输系数(曲线1103)。图12显示了测量到的反射系数(s
11
)和3
×
3多阵列单盘谐振器磁电(me)天线与接收喇叭天线之间的传输系数(s
21
)；测量的传输系数为-44db(曲线1203)。图13显示了测量到的反射系数(s
11
)，以及位于大型金属地平面上的3
×
3单盘谐振器磁电阵列天线与接收喇叭天线之间的传输系数(s
21
)，测量到的传输系数为-38.2db(曲线1303)。再次，多阵列谐振器天线显示了更高的效率增益，与更高的感应电压效应一致。
[0079]
图14显示了带有并联连接的一个(1403)和三个谐振器阵列(1401)的磁电(me)天线阵列的回波损耗。在-6db左右，三个谐振器阵列显示更宽的峰值宽度，表明更宽的带宽能力。
[0080]
图15显示了具有两个不同谐振器的磁电(me)天线阵列的测量反射系数(s
11
)(1503)和模拟反射系数(s
11
)(1501)之间的良好匹配，其中存在两个不同的峰值1505和1507没有重叠，而是在响应上有80mhz的差异，显示了加宽响应带宽的能力。
[0081]
图16显示了带有彼此重叠的五种不同谐振(1605)的磁电(me)天线阵列的模拟反射系数(s11)，因此在-6db处增加了80mhz响应带宽(1601)。
[0082]
图17是带有三种不同谐振的，氮化铝-氮化钪(alscn)作为压电层的磁电(me)天线阵列的模拟反射系数(s
11
)图，三个不同的响应峰值1703重叠，产生80mhz加宽的响应带宽(1701)。
[0083]
已经参照附图描述了本发明的优选实施例中的至少一个，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明不限于那些精确的实施例并且可以对本发明进行各种修改和变化在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以使用当前披露的系统。因此，目前的披露旨在覆盖该披露的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。
[0084]
有助于显示变化和实施的其他常规背景可以在以下公开文件中找到，所有这些公开文件在此纳入参考：
[0085]
本发明中的任何描述均不应理解为暗示任何特定要素、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要要素：即专利主题的范围仅由允许的权利要求定义。此外，这些权利要求均不打算援引《美国法典》第35章第112条第6款，除非“意味着”的确切词语后附加一个分词。提交的权利要求旨在尽可能全面，并且不会有意让渡、捐献或放弃任何主题。