CN100435408C - 基于mems技术的层叠式滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前基于传统工艺制造的滤波器存在的体积大、衰减性能无法满足使用要求的问题，公开了一种基于MEMS技术的层叠式滤波器，其基本结构采用多层分布式耦合线结构。两个接地面分别位于第1介质层(d1)的上面(f1)和第3介质层(d3)的下面(f6)，级间耦合线谐振器(r1，r2，……，r7)和输入输出端(t1，t2)位于各介质层(d1，d2，d3)中间，信号通过同层平面耦合谐振以及上下层面间耦合谐振实现滤波性能，输入、输出端采用抽头线结构，中间耦合线(r8)引入交叉耦合，从而增强阻带衰减特性。各个介质层的厚度控制、介质层上图形以及多层间的对准、装配均通过MEMS(微电子机械系统)微加工工艺形成，从而实现高精度，易集成、可批量生产等特点。

Description

基于MEMS技术的层叠式滤波器

技术领域

本发明涉及一种层叠式波波器，尤其是一种由高阻硅或玻璃材料制造的滤波器，具体地说是一种阻带衰减性好，制造方便的基于MEMS技术的层叠式滤波器。

背景技术

微波滤波器设计要求体积小、插损小、带外抑制要高、阻抗匹配特性要好。同时也要求能低成本、批量生产。微波滤波器的种类主要有集总元件(电感、电容)形式、分布传输线式、陶瓷、腔体式等。在卫星、通信以及航空、航天等系统中要求电子系统体积小、可靠性高和成本低，在采用了大规模集成电路的今天，微波滤波器等无源元件的集成就成了系统的瓶颈。传统的滤波器普遍存在的问题是体积较大，因此为追求系统的小型化，目前出现了低温共烧陶瓷(LTCC)层叠式微波滤波器，但是LTCC技术在高频段尤其是在微波频段高端，制作工艺精度已难以胜任要求，而且工艺上难以和传统的集成电路工艺相兼容，给系统的集成化带来困难。

与此同时，MEMS技术继承并拓展了传统IC(集成电路)的工艺，它不仅包括了常规的半导体工艺而且还包括可以制作高深宽比和复杂三维器件的工艺，如DRIE(深反应离子刻蚀)和各种键合工艺等。所以，MEMS工艺精度远高于LTCC工艺，且易于和传统IC(集成电路)工艺集成。充分发挥了半导体工艺集成化、批量化、工艺精确、误差小的优点。但目前将MEMS技术应用于层叠式滤波器的设计、开发尚未见相关报告。

发明内容

本发明的目的是针对目前基于传统工艺制造的滤波器存在的体积大、衰减性能无法满足使用要求的问题，设计一种能工作于微波频段高端的、整体结构较小、带外抑制性能好、插损小、工艺精度高、易于集成，且可批量生产的基于MEMS技术的层叠式滤波器。

本发明的技术方案是：

一种基于MEMS技术的层叠式滤波器，它至少包括三层叠装形成一体的介质层，其特征是最上一层介质层的上表面和最下一层介质层的下表面形成滤波器的屏蔽层，在各介质层之间相对的两面上对应位置处设有若干节利用MEMS技术加工形成的耦合传输线谐振器和用于键合的凹槽，也即一个面上设有耦合传输线谐振器，另一个面上相对位置处即设有相配使耦合传输线谐振器位于其中的凹槽，以保证相对面的完全键合；滤波器的抽头线输入端与第一节耦合传输线谐振器相连，抽头线输出端与最后一节耦合传输线谐振器相连。

滤波器的抽头线输入、输出端所在的介质层面的两侧边上设有利用MEMS技术中的DRIE(深反应离子刻蚀)技术加工的台阶，并从所述的台阶面上通过引出线引出滤波器外。

耦合传输线谐振器为阶梯阻抗式耦合传输线或均匀阻抗式耦合传输线。

在最后一对介质层之间的任一介质面上设有级间耦合线，它的两端分别与任意两不相邻的耦合传输线谐振器耦合。

级间耦合线为阶梯阻抗式耦合传输线或均匀阻抗式耦合传输线。

耦合传输线谐振器为两端开路或单端开路。

抽头线输入、输出端结构为微带线、共面波导线或带状线，耦合方式为窄线电感耦合或锥形耦合。

所述的介质层或全部为高阻硅介质层结构，或全部为玻璃介质层结构，或部分介质层为高阻介质层、其余为玻璃介质层的结构。

本发明的层叠式滤波器，基本结构采用多层分布式耦合传输线结构，当所述的介质层为三层时，它最外层两介质层外表面(f1，f6)作为接地屏蔽层。传输线在多层介质内以带状线的模式进行传输、谐振和耦合。输入输出端采用中间抽头线式，抽头线输入端(t1)与第一节传输线谐振器(r1)相连，位于同一层介质层面(f3)上。第一节传输线谐振器通过平面耦合或垂直耦合与第二节谐振器(r2)耦合，第二节谐振器(r2)再以同样的方式同第三节谐振器耦合(r3)，直至最后一节微波传输线谐振器(r7)，抽头线输出端(t2)与最后一节微波传输线谐振器(r7)相连，级间耦合线谐振器(r8)横跨于不相邻的两谐振器之间进行交叉耦合。

介质层材料采用高阻硅和高阻硅组合叠层或高阻硅和玻璃组合叠层，介质层厚度的精确控制通过减薄抛光技术实现。介质层上的精确结构图形采用光刻、刻蚀和金属化工艺实现。各传输线图形可在相邻介质层所夹两个面的任意一面形成。各介电层之间的精确对准、装配采用对准、键合工艺实现。

层叠式滤波器输入、输出端可以通过先在其覆盖面(f2)上采用DRIE(深反应离子刻蚀)技术刻出台阶，然后进行两次划片引出。

中间耦合传输线谐振器(r1，r2，……，r7)和级间耦合线(r8)可以是阶梯阻抗式传输线，也可以是均匀阻抗式传输线。

本发明具有以下优点：

1、本发明将微波电路和MEMS(微电子机械系统)技术进行了有机的结合，可以在微波电路中把所需频段的信号以尽可能小的衰减通过，同时把不需频段的信号衰减掉。该滤波器具有改进阻带衰减的特性，并具有工艺精度高，易集成、可批量生产等特点。在保持LTCC滤波器体积小的前提下，提高了工艺精度。采用MEMS微加工工艺实现层叠结构，使芯片小型化；为改善阻带特性，使用交叉耦合引入阻带衰减极点；由于结构简单、工艺兼容性好，可直接实现体积小、重量轻的射频多芯片电路模块或单片子系统。

2、利用高精度的MEMS微加工工艺，拓展了层叠式滤波器的工作频段。同时，由于加工工艺可以精确控制，使得滤波器模拟设计结果与实际测试结果符合的更好，可以缩短设计周期，节约成本。

3、采用MEMS微加工工艺，与集成电路工艺相兼容，易于实现系统集成，同时易于实现批量生产，提高效率，降低成本。

4、由于采用层叠式结构，与传统的微波滤波器相比，体积大为减小。且无须封装，可靠性高，节约了封装成本。

5、由于采用层叠式结构，使得各谐振器不仅能在同一平面进行耦合，而且能在不同面之间进行耦合，提高了耦合效率，与传统的平面耦合线型滤波器相比一定程度上减小了插入损耗。

6、在层叠结构滤波器中采用了交叉耦合的方式实现了阻带衰减极点，改善了滤波器的阻带特性。传统的耦合传输线滤波器要实现较高的带外抑制必须增加滤波器的节数，然而节数的增加不仅使滤波器的体积增大，而且会使滤波器的插入损耗随之变大。而采用本设计提供的方法则可以克服这一缺点。

附图说明

图1是本发明的3层层叠式滤波器的分层立体示意图。

图2是本发明的4层层叠式滤波器的分层立体示意图。

图3是为本发明为输入、输出抽头线所刻蚀的台阶示意图。

图4是本发明年层叠式滤波器外形示意图。

图5是本发明的3层层叠式滤波器性能说明图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

图1中，d1为第1层介质层，d2为第2层介质层，d3为第3层介质层，f1、f2为第1层介质层的两表面，f3、f4为第2层介质层的两表面，f5、f6为第3层介质层的两表面，t1为抽头线输入端，t2为抽头线输出端，r1、r2、……、r7为传输线谐振器，r8为级间耦合级。多层介质层材料采用高阻硅和高阻硅组合叠层或高阻硅和玻璃组合叠层，各层厚度根据需要进行制定，两边最外面的两层介质层外表面f1、f6作为接地平面并形成屏蔽面。抽头线输入端t1与第一节传输线谐振器r1相连，位于多层介质层的除接地平面外的中间某同一层面f3上。传输线谐振器为两端开路的阶梯阻抗线，由于在两层介质层之间，所以以带状线的形式进行谐振和耦合。第二节传输线谐振器r2位于另一层面f5上，与第一节传输线谐振器r1进行上下平面间的垂直耦合。第三节传输线谐振器r3与第二节传输线谐振器r2在同一层面f5上，两者进行同一平面耦合。第四节传输线谐振器r4位于另一层面f3上，同第三节传输线谐振器r3进行上下平面间的垂直耦合。第五节传输线谐振器r5与第三节传输线谐振器r3关于第四节传输线谐振器r4在空间上形成对称，并与第四节传输线谐振器r4进行上下平面间的垂直耦合。第六节传输线谐振器r6与第二节传输线谐振器r2关于第四节传输线谐振器r4在空间上形成对称，并与第五节传输线谐振器r5进行同一平面耦合。第七节传输线谐振器r7与第一节传输线谐振器r1关于第四节传输线谐振器r4在空间上形成对称，并与第六节传输线谐振器r6进行上下平面间的垂直耦合。输出抽头线t2与输入抽头线t1关于第四节传输线谐振器r4在空间上形成对称，并与第七节传输线谐振器r7相连，将信号引出。级间耦合线r8位于层面f5上，分别与第三节传输线谐振器r3和第五节传输线谐振器r5相耦合引入交叉耦合。综上所述，t1、r1、r4、r7、t2位于同一平面f3上，r2、r3、r8、r5、r6位于同一平面f5上。根据实际工艺情况，也可将t1、r1、r4、r7、t2制作于同一平面f2上，将r2、r3、r8、r5、r6制作于同一平面f4上。在平面f2上用DRIE(深反应离子刻蚀)刻台阶P1、P2，最后进行两次划片引出输入输出端。各介质层厚度通过减薄抛光工艺进行精确控制。各层面的传输线谐振器图形通过光刻、刻蚀和金属化工艺精确形成。各层之间的组合与装配通过精确对准和键合工艺实现。

图2中，d1为第1层介质层，d2为第2层介质层，d3为第3层介质层，d4为第4层介质层，f1、f2为第1层介质层的两表面，f3、f4为第2层介质层的两表面，f5、f6为第3层介质层的两表面，f7、f8为第4层介质层的两表面，t1为抽头线输入端，t2为抽头线输出端，r1、r2、……、r9为传输线谐振器，r10为级间耦合级。多层介质层材料采用高阻硅和高阻硅组合叠层或高阻硅和玻璃组合叠层，各层厚度根据需要制定，两边最外面的两层介质层外表面f1、f8作为接地平面并形成屏蔽面。抽头线输入端t1与第一节传输线谐振器r1相连，位于多层介质层的除接地平面外的中间某同一层面f3上。传输线谐振器为两端开路的阶梯阻抗线，由于在两层介质层之间，所以以带状线的形式进行谐振和耦合。第二节传输线谐振器r2位于另一层面f5上，与第一节传输线谐振器r1进行上下平面间的垂直耦合。第三节传输线谐振器r3位于另一层面f7上，与第二节传输线谐振器r2进行上下平面间的垂直耦合。第四节传输线谐振器r4与第三节传输线谐振器r3在同一层面f7上，两者进行同一平面耦合。第五节传输线谐振器r5位于另一层面f5上，同第四节传输线谐振器r4进行上下平面间的垂直耦合。第六节传输线谐振器r6与第四节传输线谐振器r4关于第五节传输线谐振器r5在空间上形成对称，并与第五节传输线谐振器r5进行上下平面间的垂直耦合。第七节传输线谐振器r7与第三节传输线谐振器r3关于第五节传输线谐振器r5在空间上形成对称，并与第六节传输线谐振器r6进行同一平面耦合。第八节传输线谐振器r8与第二节传输线谐振器r2关于第五节传输线谐振器r5在空间上形成对称，并与第七节传输线谐振器r7进行上下平面间的垂直耦合。第九节传输线谐振器r9与第一节传输线谐振器r1关于第五节传输线谐振器r5在空间上形成对称，并与第八节传输线谐振器r8进行上下平面间的垂直耦合。输出抽头线t2与输入抽头线t1关于第五节传输线谐振器r5在空间上形成对称，并与第九节传输线谐振器r9相连，将信号引出。级间耦合线r10位于层面f7上，分别与第四节传输线谐振器r4和第六节传输线谐振器r6相耦合引入交叉耦合。综上所述，t1、r1、r9、t2位于同一平面f3上，r2、r5、r8位于同一平面f5上。r3、r4、r6、r7、r10位于同一平面f7上。根据实际工艺情况，也可将t1、r1、r9、t2制作于同一平面f2上，也可将r2、r5、r8制作于同一平面f4上，也可将r3、r4、r6、r7、r10制作于同一平面f6上。在平面f2上用DRIE(深反应离子刻蚀)刻台阶P1、P2，最后进行两次划片引出输入输出端。各介质层厚度通过减薄抛光工艺进行精确控制。各层面的传输线谐振器图形通过光刻、刻蚀和金属化工艺精确形成。各层之间的组合与装配通过精确对准和键合工艺实现。

图3中，d1为第一介质层，p1和p2为刻蚀的台阶，台阶位于输入、输出端的覆盖面，目的是为了在键合后通过划片来引出输入、输出端，经过划片，p1和p2台阶处介质层将被去除。

图4是各介质层面经过键合后做成的3层层叠式滤波器外形示意图。三层介质层分别是d1、d2、d3。

根据材料选择不同的键合工艺，若硅和硅组合层叠，则可以采用硅硅键合工艺。若硅和玻璃组合层叠，则可以采用阳极键合工艺，或采用阳极键合和硅硅键合工艺。

根据实际滤波器特性的要求，可以按类似方法制作三层以上的层叠滤波器。

根据实际滤波器特性的要求，可以增加或减少谐振器的数目，有选择地设计各谐振器间的耦合方式(包括同一层平面耦合和不同层垂直耦合)。

根据实际滤波器特性的要求，可以设计传输线谐振器为阶梯阻抗式两端开路型、均匀阻抗线两端开路型，或均匀阻抗性单端开路型。

级间耦合线可以在不相邻的两谐振器间引入交叉耦合，实现阻带内的衰减极点，从而改善滤波器阻带特性。滤波器特性如图5所示。不相邻的两谐振器不局限于第三节和第五节。衰减极点的位置可按如下公式计算：

${4R}^2{\×\left|\mathrm{Det}{\left[\begin{array}{ccccccc}{\mathrm{jM}}_{12}& {\mathrm{jw}}^{\′}& {\mathrm{jM}}_{23}& 0& \·& \·& 0\\ 0& {\mathrm{jM}}_{23}& {\mathrm{jw}}^{\′}& {\mathrm{jM}}_{34}& 0& {\mathrm{jM}}_{\mathrm{ij}}& \·\\ 0& 0& {\mathrm{jM}}_{34}& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& 0& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& {\mathrm{jM}}_{\mathrm{ij}}& \·& \·& \·& {\mathrm{jw}}_{n-2,n-1}\\ \·& \·& \·& \·& 0& {\mathrm{jM}}_{n-2,n-1}& {\mathrm{jw}}^{\′}\\ 0& 0& \·& \·& \·& 0& {\mathrm{jM}}_{n-1,n}\end{array}\right]}_{(n-1)(n-1)}\right|}^2=0$

w′＝(w-1/w)

R为带状线特性阻抗，M_ij为第i级谐振器与第j级谐振器间的耦合系数，n为滤波器级数，w为工作频率。

当改变不相邻的两级之间的耦合系数时，阻带内衰减极点位置随之改变。设计合适的尺寸结构得到适当的耦合系数从而得到所需的衰减极点，可以改善滤波器阻带特性，但不影响滤波器带内特性。

输入、输出端抽头线结构可采用微带线、共面波导线或带状线，耦合方式可采用窄线电感耦合或锥形耦合。

实施例

(1)介质层均为高阻硅片，采用硅硅键合工艺的3层层叠式滤波器：

将一电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的硅片通过磨片减薄至400μm厚并抛光，保证一定的平整度与光洁度。用光刻和刻蚀工艺在其一表面形成t1、r1、r4、r7、t2图形的浅槽以及台阶p1、p2。其中t1、r1、r4、r7、t2图形的浅槽约5μm深；台阶p1、p2都约100μm深，并利用光刻和刻蚀工艺在其另一面形成划片和对准标记图形。在电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的第二块硅片一表面利用光刻和金属化工艺形成r1、t1、r4、r7、t2的金属传输线图形，并利用光刻和刻蚀工艺在其另一面形成对准标记图形。将上述两片硅片的无对准标记的表面贴接，并利用对准标记进行对准，然后将此两片硅片的无对准标记图形的两表面进行硅硅键合。再在第二片硅片裸露的那一表面进行减薄抛光，使两片键合完成后总厚度为600μm，并保证表面一定的平整度与光洁度。在第二片硅片抛光的那一面利用光刻和刻蚀工艺形成r2、r3、r8、r5、r6图形的浅槽。同时，将一电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的第三块硅片减薄至400μm厚并抛光，保证一定的平整度与光洁度。利用光刻和金属化工艺在其中一表面形成r2、r3、r8、r5、r6的金属传输线图形，并利用光刻和刻蚀工艺在另一面形成对准标记图形。将上述已经硅硅键合在一起的两片硅片中第二块硅片的裸露表面(有浅槽)与第三块硅片上无对准标记图形(有金属传输线图形)的表面贴接，并利用对准标记进行对准，然后再进行硅硅键合。用金属化工艺在三片叠层硅片裸露的两外表面上形成钛/金接地屏蔽层。在p1、p2的两边缘处进行第一次划片，划片深度为300μm，从而引出滤波器输入、输出端，再进行第二次划片得到滤波器芯片。

(2)介质层为高阻硅片和玻璃片，组合叠层，采用阳极键合工艺和硅硅键合工艺的4层层叠式滤波器：

将一电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的硅片通过磨片减薄至400μm厚并抛光，保证一定的平整度与光洁度。用光刻和刻蚀工艺在其一表面形成t1、r1、r9、t2图形的浅槽以及台阶p1、p2。其中t1、r1、r9、t2图形的浅槽约5μm深；台阶p1、p2都约100μm深，并利用光刻和刻蚀工艺在其另一面形成划片和对准标记图形。将一500μm厚的玻璃片利用光刻和金属化工艺在其中一表面形成r1、t1、r9、t2的金属传输线图形。将硅片无对准标记的那一面(有浅槽)与玻璃片带有金属传输线图形的那一面贴接，并利用对准标记进行对准，然后进行阳极键合。再将玻璃片裸露的另一表面进行减薄抛光，使两片键合完成后总厚度为700μm，并保证表面一定的平整度与光洁度。在玻璃片裸露并被抛光的那一面利用光刻和金属化工艺形成r2、r5、r8金属传输线图形。同时，将第二块电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的硅片减薄至400μm厚并抛光，并保证一定的平整度与光洁度。利用光刻和刻蚀工艺在其中一表面形成r2、r5、r8图形的浅槽约5μm深，在其另一表面上形成对准标记图形。将上述玻璃片经抛光并形成金属传输线图形的裸露表面与该硅片无对准标记图形(有浅槽)的那一面贴接，并利用对准标记进行对准，然后进行阳极键合。再将第二块硅片带有对准标记图形的裸露表面进行减薄抛光，使三片键合完成后总厚度为900μm，并保证表面一定的平整度与光洁度。在第二片硅片的裸露抛光面上利用光刻和刻蚀工艺形成r3、r4、r10、r6、r7图形的浅槽约5μm深。再将一电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的第三块硅片用半导体工艺减薄至400μm厚并抛光，保证一定的平整度与光洁度。利用光刻和金属化工艺在其中一表面形成r3、r4、r10、r6、r7的金属传输线图形；利用光刻和刻蚀工艺在其另一表面形成对准标记图形。将键合在一起的三个片子中第二块硅片裸露的有浅槽图形的表面与第三块硅片上无对准标记图形(有金属传输线图形)的表面贴接，并利用对准标记进行对准，然后进行硅硅键合。用半导体工艺在键合后四片叠层(三片硅片，一片玻璃)裸露的两外表面上形成钛/金接地屏蔽层。在p1、p2的两边缘所在的位置进行第一次划片，划片深度为300μm，从而引出滤波器输入、输出端，进行第二次划片得到滤波器芯片。

Claims (8)

1、一种基于MEMS技术的层叠式滤波器，它至少包括三层叠装形成一体的介质层，其特征是最上一层介质层的上表面和最下一层介质层的下表面形成滤波器的屏蔽层，在各介质层之间相对的两面上对应位置处设有若干节利用MEMS技术加工形成的耦合传输线谐振器和用于键合的凹槽，也即一个面上设有耦合传输线谐振器，另一个面上相对位置处即设有相配使耦合传输线谐振器位于其中的凹槽，以保证相对面的完全键合；滤波器的抽头线输入端与第一节耦合传输线谐振器相连，抽头线输出端与最后一节耦合传输线谐振器相连。

2、根据权利要求1所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是滤波器的抽头线输入、输出端所在的介质层面的两侧边上设有利用MEMS技术中的深反应离子刻蚀(DRIE)技术加工的台阶，并从所述的台阶面上通过引出线引出滤波器外。

3、根据权利要求1所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是耦合传输线谐振器为阶梯阻抗式耦合传输线或均匀阻抗式耦合传输线。

4、根据权利要求1所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是在最后一对介质层之间的任一介质面上设有级间耦合线，它的两端分别与任意两不相邻的耦合传输线谐振器耦合。

5、根据权利要求4所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是级间耦合线为阶梯阻抗式耦合传输线或均匀阻抗式耦合传输线。

6、根据权利要求1所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是耦合传输线谐振器为两端开路或单端开路。

7、根据权利要求1所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是抽头线输入、输出端结构为微带线、共面波导线或带状线，耦合方式为窄线电感耦合或锥形耦合。

8、根据权利要求1所述的基于MEMS技术的层叠式滤波器，其特征是所述的介质层或全部为高阻硅介质层结构，或全部为玻璃介质层结构，或部分介质层为高阻介质层、其余为玻璃介质层的结构。

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