一种基于存储记忆材料的电磁信息调控装置及其制造流程与控制方法与流程

1.本发明具体涉及一种基于存储记忆材料的电磁信息调控装置及其制造流程与控制方法，属于材料科学与电子通信的技术领域。


背景技术：

2.随着5g商用普及所带来的物联网、云计算、人工智能等领域的高速发展，互联网数据流量呈现爆炸式增长，对信息传输容量和速率提出了越来越高的要求。根据面向 2035年的远期移动通信业务需求，通信网络需支持空、天、地、海一体接入，业务接入客户端数量和数据量巨幅增长，未来网络可提供的用户体验速率能达到100gbps，峰值速度超过1tbps。
3.无线通信频段向毫米波太赫兹扩展，可以有效提升数据传输带宽，降低数据传输延迟。然而，向高频段扩展所带来的一个很严重的问题就是基站耗电量的增加，据“2 020通信产业大会暨第十五届通信技术年会”专家介绍，按照现有趋势，到2026年全部基站升级为5g后，耗电量将会达到全社会用电量的2.1％，甚至高于数据中心(约 2％)的耗电量水平。
4.当前5g移动通信基站广泛采用mimo(multiple input multiple output)波束赋形天线技术，定向对用户发射电磁波，以提高通信速度，降低无效电磁发射带来的能量损耗。即便如此，仍有大量的信号能量被墙体和树木等障碍物吸收。参考图1所示，贴装在建筑物外墙的智能超表面ris(reconfigurable intelligent surfac e)，可以对相应频段电磁波进行反射或透射，还可以通过算法控制反射或者透射波束的方向，有效提升基站信号阴影区的信号质量。
5.ris是指一种由尺寸小于工作波长、人工制作的二维层状材料按规则排列组合而成，它可实现对电磁波传播方向、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活调控。参考图2所示，ris单元模块由印制到介质基板上的金属结构和调控电磁波相位的二极管构成，根据所工作的频段和反射透射功能的要求，金属结构的形状可以千变万化，但总体上ris可以分成反射式和透射式两类。
6.如图2和图3所示，现有ris结构采用有源射频开关或者二极管器件结合fpga (field programmable gate array)进行控制，这种方案不仅导致ris结构体积庞大在建筑表面安装部署不便，而且制造成本和功耗较高，与节能减排的设计初衷相悖。上述现有缺点导致ris还无法进行实际的大规模部署。
7.存储记忆材料(例如相变材料、铁电材料等)的一个很重要的特征，是在其某种物理或者化学状态改变后，不继续供电的条件下，其后续状态仍能保持很长时间(如相变材料可以保持其相态达10年不变)。因此，使用存储记忆材料制成的射频开关，具有在不供电条件下可长期保持其通断状态的优点。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提出一种基于存储记忆材料的电磁信息调控装置。
9.本发明还提供一种上述电磁信息调控装置的制造流程。
10.本发明还提供一种利用上述电磁信息调控装置对电磁波束进行调整控制的方法。
11.本发明的技术方案为：
12.一种基于存储记忆材料的电磁信息调控装置，包括介质基板、射频开关组件、ris 单元和射频控制芯片；
13.所述射频开关组件包括生长在晶圆基底上的存储记忆材料、金属走线和电极；所述电极包括射频电极和控制电极；所述射频电极的输出端通过金属走线与所述存储记忆材料直接连接，所述射频电极的输入端通过金属键合线连接ris单元引线位置和电抗元件；所述控制电极的输出端通过金属走线互联，控制电极的输入端与射频控制芯片的输出端口和地连接；所述控制电极接收射频控制芯片输出的控制脉冲信号，在控制电极之间的金属走线上产生热量，以实现对存储记忆材料的状态转换的控制。此处所述“地”不一定是指大地，还可以是射频控制芯片的参考地电位引脚。
14.优选的，所述射频芯控制片为无源射频芯片，使用能量耦合的方式从无线信号中获取能量，产生控制脉冲信号。
15.优选的，所述射频电极使用芯片封装技术直接键合到ris单元的对应引线位置处，即射频电极不再连接电抗元件。此方案不使用电抗元件，也可以达到相同的电磁信息调控效果：在射频控制芯片的控制下，射频开关产生的导通和截止状态能够使得 ris单元反射或者透射电磁波的相位产生显著变化，例如180度、150度等，从而调整反射或透射电磁波的方向，使终端设备所在位置接收到的信号质量得到增强，提升终端用户的使用体验。
16.优选的，所述射频控制芯片的天线收发端口直接键合到ris单元的对应引线位置，ris单元可以当做射频控制芯片的天线，收发和上位机通信的无线信号；此结构的电磁信息调控装置可以实现对电磁波束的反射或透射方向、振幅等的调控功能。
17.优选的，所述存储记忆材料为相变材料gete。
18.一种上述电磁信息调控装置的制造流程：
19.1)将晶圆依次用丙酮、异丙醇、去离子水清洗，并用氮气进行干燥处理。
20.2)在晶圆上通过光刻技术生长用于控制存储记忆材料的金属走线，以及生长用于隔离金属走线与存储记忆材料的绝缘层。
21.3)在晶圆上通过光刻技术生长存储记忆材料。
22.4)在晶圆上通过光刻技术制作射频电极和控制电极，控制电极经过通孔连接步骤 2)中的金属走线；射频电极直接连接存储记忆材料；
23.5)使用晶圆切割技术切割晶圆得到射频开关组件。
24.6)将射频开关组件使用绑定胶粘贴至介质基板上ris单元的引线位置附近。
25.7)使用芯片封装的键合技术，将射频电极输入端分别与ris单元、电抗元件键合；将控制电极的输入端与射频控制芯片的输出端口和地键合。
26.8)将射频控制芯片、射频开关组件封装在介质基板表面。
27.优选的，所述步骤2)光刻技术的具体步骤为：
28.在晶圆上旋涂光刻胶，将涂有光刻胶的晶圆进行电子束曝光，将要制作的图形显示在光刻胶上；除掉被曝光的光刻胶，将金属材料生长到光刻图案中；除掉所有光刻胶，在晶圆上生长绝缘层；
29.所述步骤3)光刻技术的具体步骤为：
30.在晶圆的绝缘材料上旋涂光刻胶，将涂有光刻胶的晶圆进行电子束曝光，将要制作的图形显示在光刻胶上；除掉被曝光的光刻胶，使用磁控溅射或化学气相淀积生长存储记忆材料；除掉所有光刻胶。
31.所述步骤4)制作电极的具体步骤为：
32.重复与2)和3)中步骤相同的涂胶、曝光和除胶流程，在晶圆上使用蒸镀或磁控溅射技术生长金属走线和电极；除掉所有光刻胶；
33.优选的，所述步骤8)中封装的具体步骤为：
34.8.1)环氧树脂邦定胶在50℃下预热15分钟；
35.8.2)将环氧树脂邦定胶涂敷在射频控制芯片、射频开关组件和金属键合线表面；
36.8.3)将涂好环氧树脂邦定胶的介质基板在120℃的恒温箱中固化1小时。
37.优选的，射频开关组件、射频控制芯片用微电子的3d封装技术集成到一个芯片上，封装成常规芯片后贴装焊接于介质基板表面和ris单元连接。
38.一种利用上述电磁信息调控装置对电磁波束进行调整控制的方法：
39.a)上位机通过射频读写器与射频控制芯片建立无线通信连接，当基站信号功率不足以建立通信时，采用无人机中继；
40.b)无线通信基站发射的信号被ris反射或透射，在终端设备处接收并记录信号功率值a1；此时终端处的信号包括基站直接发射的信号、ris反射的信号以及其他建筑树木反射或绕射的混合信号；
41.c)上位机使用智能优化算法，计算ris单元所连接射频开关组件所需的通断状态，将计算结果发送至射频控制芯片，调整射频开关组件的通断状态，记录终端设备处的信号功率a2；本过程可使用的智能优化算法包括：蚁群算法、粒子群优化算法、菌群优化算法、蛙跳算法、烟花算法等，本发明优选地使用烟花算法。本过程中，射频控制单元可以使用发射脉冲信号的形式对控制电极连接的金属走线进行加热，通过控制脉冲信号的持续时间，改变存储记忆材料的状态，达到控制射频开关通断的目的。
42.d)上位机将信号功率a2和a1进行比较，若a2已经符合通信的指标，则结束优化过程；否则，根据a2和a1的值，使用智能优化算法优化射频开关组件的通断状态，并通过射频控制芯片发送控制信号，实现对射频开关组件通断状态的更新；
43.e)重复b)～d)步骤，直到终端设备接收到的信号功率a2达到所需指标。
44.本发明的有益效果为：
45.本发明所述基于存储记忆材料的电磁信息调控装置，将具有存储记忆功能的材料，利用微电子表面加工工艺制作在ris表面，取代传统的二极管或者移相器中的开关，实现记忆性射频开关功能，并结合射频身份识别或者标签定位技术，通过无线能量耦合的方式控制开关开启或者闭合，调控ris的电磁表面反射或者透射波束的方向。在不进行后续供电的情况下，ris可以保持其反射或透射的波束方向长期不变，可用于对基站信号盲区进行信号增强以提升终端用户体验。具有更轻薄、易于安装、节能环保、维护费用低、便于大规模普及使用的优点。
附图说明
46.图1为利用电磁信息调控装置对电磁波束进行调整控制的场景示意图；
47.图2为现有技术中采用有源器件结合fpga控制ris的结构示意图；
48.图3为现有技术中ris单元结构放大图和等效电路图；
49.图4为实施例1所述基于存储记忆材料的电磁信息调控装置单元结构示意图；
50.图5为实施例2所述基于存储记忆材料的电磁信息调控装置单元结构示意图；
51.图6为本发明所述射频开关组件切割前的示意图；
52.图7为相变材料相态转化微观示意图
53.图8为相变材料相态转化控制示意图
54.图9为本发明所述射频开关组件的制造流程示意图；
55.图10为本发明所提供的ris电磁信息调控装置的控制方法流程图；
56.附图标记说明：
57.标号名称标号名称10电磁信息调控装置单元500射频控制芯片200介质基板601第一金属键合线300射频开关组件602第二金属键合线302晶圆基底603第三金属键合线303存储记忆材料604第三金属键合线3041射频电极701金属材料3042控制电极702绝缘层400ris单元703存储记忆材料
具体实施方式
58.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。
59.实施例1
60.如图4所示，一种基于存储记忆材料的电磁信息调控装置，包括介质基板200、射频开关组件300、ris单元400和射频控制芯片500；本实施例的射频控制芯片采用的是半无源rfid芯片em4325；介质基板可采用刚性材料pcb(print circuitboard)基板(由fr4，rogers等防火材料和导电金属铜或铝层压而成，防火材料主要成分为玻璃-环氧树脂)，或柔性材料基板(包括低温共烧陶瓷(ltcc)、胶片、普通纸张等)；本实施例使用的是fr4pcb板。
61.所述射频开关组件如图6所示，包括生长在晶圆基底301上的存储记忆材料 302、金属走线303和电极；所述电极包括射频电极3041和控制电极3042；所述射频电极通过金属走线303与所述存储记忆材料直接连接，射频电极的输入端通过图4所示第一金属键合线601连接ris单元引线位置、第二金属键合线602连接至电抗元件；所述控制电极的输出端通过金属走线303互联；所述控制电极的输入端与射频控制芯片的输出端口通过第四金属键合线604连接，控制电极的输出端通过第三金属键合线603接地；射频控制芯片500的天线收发端口连接有天线。
62.本实施例所述存储记忆材料为相变材料gete。如图7所示，常温下，gete微观结构
存在结晶态和无定形态两种。当对该材料进行加热后，如图8所示，在不同的退火条件下，相变材料的相态可以在结晶态和无定形态之间转化。当gete在结晶态时，体电阻较小，可实现开关的导通功能；当gete在无定形态时，体电阻较大，可实现开关的断开功能。本发明将相变材料或铁电材料制作成具有无源记忆功能的射频开关组件300，代替传统的有源二极管或者移相器，用于ris进行电磁信息调控。且该方案制作的ris单元具有调控速度快、功耗低，便于小型化安装的特点，有利于大规模普及。
63.所述射频芯控制片为无源射频芯片，使用能量耦合的方式从无线信号中获取能量，产生控制脉冲信号。能量耦合可采用nfc(near field communication)的iso14443a,b或者uhf rfid(ultra high frequency radio frequencyidentification)iso 180006c协议。
64.实施例2
65.如图5所示。
66.如实施例1所述的基于存储记忆材料的电磁信息调控装置，所不同的是，所述射频电极使用芯片封装技术直接键合到ris单元的对应引线位置；所述射频控制芯片的天线收发端口直接键合到ris单元的对应引线位置。
67.实施例3
68.一种如实施例1-2任意一项所述电磁信息调控装置的制造流程：参考图9所示：
69.1)将晶圆依次用丙酮、异丙醇、去离子水清洗，并用氮气进行干燥处理；
70.2)在晶圆上通过光刻技术生长用于控制存储记忆材料的金属走线303和以及生长用于隔离金属走线与存储记忆材料的绝缘层702；
71.3)在晶圆上通过光刻技术生长存储记忆材料703；
72.4)在晶圆上通过光刻技术制作射频电极3041和控制电极3042，控制电极3042 经过通孔连接步骤2)中的金属走线303；射频电极3041直接连接存储记忆材料703；
73.5)使用晶圆切割技术切割晶圆得到射频开关组件300。
74.6)将射频开关组件使用cf-820绑定胶贴至介质基板上ris单元的引线位置处。
75.7)如图4，使用芯片封装的键合技术，将射频电极输入端分别通过第一金属键合线601与ris单元400、第二金属键合线602与电抗元件键合；将控制电极的输入端通过第四金属键合线604与射频控制芯片的输出端口、第三金属键合线603和地键合。
76.8)将射频控制芯片、射频开关组件封装在介质基板表面。
77.实施例4
78.如实施例3所述电磁信息调控装置的制造流程，进一步的，射频开关组件300、射频控制芯片500用微电子的3d封装技术集成到一个芯片上，封装成常规芯片后贴装于介质基板表面与ris单元400连接。
79.实施例5
80.参考图6，如实施例3所述电磁信息调控装置的制造流程，进一步的，所述步骤2)光刻技术的具体步骤为：
81.在晶圆上旋涂光刻胶az5214，将涂有光刻胶的晶圆进行电子束曝光，将要制作的图形显示在光刻胶上；除掉被曝光的光刻胶，将金属材料701生长到光刻图案中；除掉所有光刻胶，在晶圆上生长绝缘层702；生长技术可以是磁控溅射、蒸镀、激光脉冲沉积、化学气
相沉积等；本实施例生长金属使用的是蒸镀，生长存储记忆材料使用的是磁控溅射，生长绝缘层使用的是化学气相沉积；所述金属走线为金属钨，绝缘层为氮化硅。
82.所述步骤3)光刻技术的具体步骤为：
83.在晶圆的绝缘材料上旋涂光刻胶az5214，将涂有光刻胶的晶圆进行电子束曝光，将要制作的图形显示在光刻胶上；除掉被曝光的光刻胶，使用磁控溅射或化学气相淀积生长存储记忆材料703；除掉所有光刻胶；所述晶圆为si或sio2晶圆，本实施例使用的是sio2晶圆。
84.所述步骤4)制作电极的具体步骤为：
85.重复与2)和3)中步骤相同的涂胶、曝光和除胶流程，在晶圆上使用蒸镀或磁控溅射技术生长金属走线303和电极3041、3042；除掉所有光刻胶；金属键合线和电极可使用金属铝或铜制作，本实施例使用的是铜。
86.优选的，所述步骤8)中封装的具体步骤为：
87.8.1)环氧树脂邦定胶在50℃下预热15分钟；
88.8.2)将环氧树脂邦定胶涂敷在射频控制芯片、射频开关组件和金属键合线表面；
89.8.3)将涂好环氧树脂邦定胶的介质基板在120℃的恒温箱中固化1小时。
90.所述环氧树脂邦定胶型号为6311。
91.实施例6
92.如图1和图10所示。
93.一种利用实施例1-2任意一项所述电磁信息调控装置对电磁波束进行调整控制的方法：
94.a)步骤s100，上位机通过射频读写器与射频控制芯片建立无线通信连接，当基站信号功率不足以建立通信时，采用无人机中继；无人机和上位机之间可采用蓝牙、 wifi、zigbee等无线通信协议，将需要传输的信息发送至无人机，无人机通过无线通信协议和射频控制芯片建立连接；无人机和射频控制芯片之间可采用nfc、uhfrfid 等使用无线能量耦合或背向散射技术的通信方式，射频控制芯片不使用电池供电，其工作所需电量通从无线通信信号中接收而来。本实施例无人机和上位机之间采用wifi 私有协议进行数据通信，无人机和射频控制芯片之间采用适用于uhfrfid的iso 180006c协议通讯，射频控制芯片选用em4325。
95.b)步骤s101，无线通信基站发射的信号会被ris反射或透射，在终端设备处接收并记录信号功率值a1；此时终端处的信号包括基站直接发射的信号、ris反射的信号以及其他建筑树木反射或绕射的混合信号；
96.c)步骤s103，上位机使用烟花算法，计算ris单元所连接射频开关组件所需的通断状态，将计算结果发送至射频控制芯片，调整射频开关组件的通断状态，记录终端设备处的信号功率a2；
97.d)步骤s104，上位机将信号功率a2和a1进行比较，若a2已经符合通信的指标，则进入步骤s110结束优化过程；否则，根据a2和a1的值，使用智能优化算法优化射频开关组件的通断状态，并通过射频控制芯片发送控制信号，实现对射频开关组件通断状态的更新；重复b)～d)步骤，直到终端设备接收到的信号功率a2达到所需指标。
98.所述上位机是运行有人工智能优化算法的电脑。