CN102361113A

CN102361113A - 硅基多层腔体滤波器

Info

Publication number: CN102361113A
Application number: CN2011101669194A
Authority: CN
Inventors: 杨志; 杨拥军; 胡小东; 李倩
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: CN102361113B

Abstract

本发明公开了一种硅基多层腔体滤波器，由两层以上介质层上下叠加组成，在每层介质层上均设有通孔，在通孔的内壁上设有经硅微机械加工技术形成的内壁金属层；相邻两介质层之间设有经硅微机械加工技术形成的中间金属层，在所述中间金属层上设有级间耦合窗；顶部介质层的上表面和底部介质层的下表面分别设有经硅微机械加工技术形成的表面金属层；与每层介质层的上、下表面相接触的金属层和该介质层的内壁金属层构成谐振腔体；在其中一个谐振腔体上设有输入抽头引线，在另一个谐振腔体上设有输出抽头引线。本发明体积小，且具有屏蔽作用，无需封装，可满足微波/毫米波频段的精度要求，器件一致性好，与集成电路工艺兼容，易于实现系统集成，便于装配和调试使用。

Description

硅基多层腔体滤波器

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域中应用的微波滤波器，特别涉及一种基于硅微机械加工技术、具有通孔结构的硅基多层腔体滤波器。

背景技术

滤波器广泛应用于卫星、通信以及航空、航天等电子系统中，作为电子系统重要组件，其小型化是实现电子系统小型化的最大瓶颈。传统腔体滤波器性能虽好但体积太大，无法满足系统小型化需求。为实现系统小型化，出现了基于电介质基板及低温共烧陶瓷（LTCC）的腔体结构滤波器，但是其加工精度在微波/毫米波频段无法满足器件的精度要求，而且难以与集成电路相集成，给系统的集成化带来困难。

硅微机械加工技术是基于集成电路制造技术而发展起来的，因此硅微机械加工技术最大限度的继承了集成电路制造技术的优点，例如高精度、批量化、低成本、高集成度等，并借助其特有的三维立体加工手段，如DRIE（深反应离子刻蚀）和各种键合工艺等，适于制作具有较大纵向尺寸以及精细微结构的器件，以替代传统大体积器件所具有的功能，从而大幅缩小整机系统体积。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于硅微机械加工技术、体积小、损耗低、精度高、制造成本低的硅基多层腔体滤波器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种硅基多层腔体滤波器，所述滤波器由两层以上采用高阻硅的介质层上下叠加组成，在每层介质层上均设有满足谐振条件的通孔，在所述通孔的内壁上设有经硅微机械加工技术形成的内壁金属层；相邻两介质层之间设有经硅微机械加工技术形成的中间金属层，在所述中间金属层上设有级间耦合窗；在顶部介质层的上表面和底部介质层的下表面分别设有经硅微机械加工技术形成的表面金属层；与每层介质层的上、下表面相接触的金属层和该介质层的内壁金属层构成谐振腔体；在其中一个谐振腔体上设有输入抽头引线，在另一个谐振腔体上设有输出抽头引线。

所述中间金属层为下述三种形式：（1）所述中间金属层位于相邻的上层介质层的下表面；（2）所述中间金属层位于相邻的下层介质层的上表面；（3）所述中间金属层由上层和下层组成，所述中间金属层的上层位于相邻的上层介质层的下表面，所述中间金属层的下层位于相邻的下层介质层的上表面。

本发明与现有技术如LTCC等相比取得的有益效果为：

1）Q值更高。

鉴于硅材料的优异机械性能以及硅微机械加工技术的灵活性，本发明易于实现矩形等通孔和较小的通孔间距，因此采用本发明实现的腔体滤波器具有极小的辐射损耗。硅的损耗角正切小于常用的微波介质基板及LTCC材料，因此本发明的腔体滤波器具有较小的介质损耗，相对于现有结构具有更高的Q值。

2）加工精度高，器件一致性好。

高阻硅材料的纯度高于微波介质基板及LTCC材料，硅微机械加工技术的加工精度优于1μm，远高于传统的加工手段，由于硅基材料的优异特性以及硅微机械加工技术加工工艺的独特特点，本发明相对于现有基于微波介质基板和LTCC材料表现出很大的优势，使用硅微机械加工技术制作的硅基多层腔体滤波器的仿真结果与测试结果具有极高的一致性，如图1所示。

3）结构形式灵活，易于实现复杂结构以提升器件性能。

鉴于硅微机械加工技术灵活的三维立体加工能力，本发明易于实现任意形状的通孔和不同类型的谐振结构，并可以通过硅微机械加工技术的多层键合技术进一步实现折叠谐振结构、交叉耦合结构等复杂结构，从而获得单层结构无法实现的器件性能。

4）腔体滤波器的体积更小。

介电常数越大，导波波长越短，硅的介电常数高于常用的微波介质基板（如:Rogers R/T 5880）及LTCC材料（如：Ferro体系），因此，相同结构下，硅基器件的体积与现有器件相比缩小了1.5~3倍。而且，使用硅微机械加工技术中的多层加工技术还可以成倍缩小芯片面积，便于集成。

附图说明

图1 为硅基多层腔体滤波器仿真曲线与测试曲线的对比图；

图2为本发明实施例1的分解图（其中中间金属层不是独立存在的）；

图3为图2的装配图；

图4为本发明实施例2的分解图（其中中间金属层不是独立存在的）；

图5为图4的装配图。

具体实施方式

实施例1

由图2和图3所示的实施例1可知：硅基多层腔体滤波器，所述滤波器由采用高阻硅的上层介质层d1和下层介质层d2上下叠加组成，上层介质层d1上设有满足谐振条件的经硅微机械加工技术形成的第一至第四通孔v11、v12、v13、v14，下层介质层d2上设有满足谐振条件的经硅微机械加工技术形成的第五至第十三通孔v21、v22、v23、……、v29，所述通孔的形状为矩形（或方形、圆形、长条形）；在所述通孔的内壁上设有经硅微机械加工技术形成内壁金属层；在所述上层介质层d1和下层介质层d2之间设有中间金属层m2，所述中间金属层m2通过硅微机械加工技术位于相邻的下层介质层d2的上表面（或上层介质层d1的下表面）上，在所述中间金属层m2上设有经硅微机械加工技术形成的第一级间耦合窗c2和第二级间耦合窗c3；上层介质层d1的上表面和下层介质层d2的下表面分别设有经硅微机械加工技术形成的表面金属层m1和m3；在所述表面金属层m1 和m3上分别设有经硅微机械加工技术形成的、与上层介质层d1和下层介质层d2的通孔相适配的孔，在所述中间金属层m2上设有经硅微机械加工技术形成的、与下层介质层d2的通孔相适配的孔，在所述中间金属层m2的相对两端分别设有经硅微机械加工技术形成的、由第一耦合缺口c1和第二耦合缺口c4形成的输入抽头引线t1和输出抽头引线t2，；所述输入抽头引线t1和输出抽头引线t2还可以设置于上层介质层d1上表面的表面金属层m1或者于下层介质层d2下表面的表面金属层m3上。

本实施例中的两介质层都采用电阻率大于3000Ω·cm的4吋400μm厚的高阻硅片，所述第一至第四通孔v11、v12、v13、v14的内壁金属层与表面金属层m1和中间金属层m2形成第二节谐振腔体r2，第五至第九通孔v21、v22、v23、v24、v25的内壁金属层与中间金属层m2和表面金属层m3形成第一节谐振腔体r1，第九至第十三通孔v25、v26、v27、v28、v29的内壁金属层与中间金属层m2和表面金属层m3形成第三节谐振腔体r3。所述谐振腔体的形状为矩形（或圆形、方形）。第二节谐振腔体r2通过第一级间耦合窗c2和第二级间耦合窗c3分别与第一节谐振腔体r1和第三节谐振腔体r3耦合。输入抽头引线t1和输出抽头引线t2分别位于第一节谐振腔体r1和第三节谐振腔体r3上，并分别作为信号的输入端和输出端。第一耦合缺口c1和第二耦合缺口c4的尺寸以及输入抽头引线t1和输出抽头引线t2的长短和大小都是根据实际需求确定的。

实施例2

由图4和图5所示的实施例2可知：硅基多层腔体滤波器，所述滤波器由采用高阻硅的顶部介质层D1、第二介质层D2和底部介质层D3组成，第一层介质层D1上设有第一至第九通孔V11、V12、……、V19，第二层介质层D2上设有第十至第十六通孔V21、V22、……、V27，第三层介质层D3上设有第十七至第第二十三通孔V31、V32、……、V37，所述通孔的形状为矩形（或方形、圆形、长条形），所述通孔的内壁通过硅微机械加工技术设有内壁金属层，顶部介质层D1与第二层介质层D2之间设有第一中间金属层M2，所述第一中间金属层M2经硅微机械加工技术设于顶部介质层D1的下表面（或者第二层介质层D2的上表面）上，第二层介质层D2和底部介质层D3之间设有第二中间金属层M3，所述第二中间金属层M3经硅微机械加工技术设于底部介质层D3的上表面（或者第二层介质层D2的下表面）上；在第一中间金属层M2上采用光刻、腐蚀工艺设有第一级间耦合窗C2和第四级间耦合窗C5，在第二中间金属层M3上采用光刻、腐蚀工艺设有第二级间耦合窗C3和第三级间耦合窗C4，所述耦合窗的形状为矩形（或圆形、十字形）；顶部介质层D1的上表面和底部介质层D2的下表面分别通过硅微机械加工技术设有第一表面金属层M1和第二表面金属层M4，在顶部介质层D1上表面的表面金属层M1的相对两端分别设有由第一耦合缺口C1和第二耦合缺口C6形成的输入抽头引线T1和输出抽头引线T2；所述的表面金属层和中间金属层上均设有与相接触的介质层的通孔相适配的孔；所述介质层均采用高阻硅材料，所述的通孔、内壁金属层、表面金属层、耦合窗口以及输入、输出抽头结构都是采用硅微机械加工技术加工而成的。

所述第一至第五通孔V11、V12、V13、V14、V15的内壁金属层与顶部介质层D1上表面的第一表面金属层M1和第一中间金属层M2形成第一节谐振腔体R1，第五至第九通孔V15、V16、V17、V18、V19的内壁金属层与顶部介质层D1上表面的第一表面金属层M1和第一中间金属层M2形成第六节谐振腔体R6，第十至第十三通孔V21、V22、V23、V24的内壁金属层与第一中间金属层M2和第二中间金属层M3形成第二节谐振腔体R2，第十三至第十六通孔V24、V25、V26、V27的内壁金属层与第一中间金属层M2和第二中间金属层M3形成第五节谐振腔体R5，第十七至第二十通孔V31、V32、V33、V34的内壁金属层与第二中间金属层M3和底层介质层D3下表面的第二表面金属层M4形成第三节谐振腔体R3，第二十至第二十三通孔V34、V35、V36、V37的内壁金属层与第二中间金属层M3和底层介质层D3下表面的第二表面金属层M4形成第四节谐振腔体R4。所述谐振腔体的形状为矩形（或圆形、方形），谐振腔体之间通过相应中间金属层上的级间耦合窗耦合，所述输入抽头引线T1和输出抽头引线T2分别与第一节谐振腔体R1和第六节谐振腔体R6相连接，并作为腔体滤波器的输入、输出端口使用。

所述输入抽头引线T1和输出抽头引线T2还可以分别设于任意谐振腔体的上表面或者下表面。

实施例3

与实施例2不同的是，所述第一中间金属层由上、下两部分组成，所述上部分经过硅微机械加工技术设于与第一中间金属层相邻的上层介质层的下表面上，所述下部分经过硅微机械加工技术设于与第一中间金属层相邻的下层介质层的上表面上；所述上部分和下部分在相同的位置设有形状相同（或者形状不同）的级间耦合窗。所述第一中间金属层的上部分和下部分分别通过硅微机械加工技术中的键合工艺连接成第一中间金属层。

在本发明中，介质层上的通孔的形状可以为矩形、方形、圆形或者长条形；与每层介质层上、下表面相接触的金属层和该介质层的内壁金属层构成谐振腔体，谐振腔体可以为矩形、方形或圆形，工作模式为单模、双模或多模；输入抽头引线和输出抽头引线可以分别设置于任意谐振腔体的上表面或者下表面，抽头引线结构为微带线、共面波导或带状线，抽头引线与耦合缺口之间的耦合方式为短路槽耦合或锥形耦合；谐振腔体通过中间金属层上的级间耦合窗耦合，级间耦合窗的形状可以为矩形、圆形或十字形，耦合形式为感性耦合或容性耦合。

根据实际滤波器的性能需求，可增加或减少介质层的层数以及内部通孔的数目以增加或减少谐振腔体的数目，还可调整耦合结构方式及耦合结构尺寸。

本发明的介质层采用高阻硅材料，硅基多层腔体滤波器的各种结构均采用硅微机械加工技术完成。介质层中的通孔采用光刻、深反应离子刻蚀（DRIE）实现；内壁金属层、中间金属层及表面金属层采用溅射、电镀工艺实现；中间金属层或表面金属层中的级间耦合窗及输入输出抽头引线采用光刻、金属腐蚀工艺实现；各介质层的装配采用对准、圆片键合工艺实现。

Claims

1.一种硅基多层腔体滤波器，其特征在于所述滤波器由两层以上采用高阻硅的介质层上下叠加组成，在每层介质层上均设有满足谐振条件的通孔，在所述通孔的内壁上设有经硅微机械加工技术形成的内壁金属层；相邻两介质层之间设有经硅微机械加工技术形成的中间金属层，在所述中间金属层上设有级间耦合窗；在顶部介质层的上表面和底部介质层的下表面分别设有经硅微机械加工技术形成的表面金属层；与每层介质层的上、下表面相接触的金属层和该介质层的内壁金属层构成谐振腔体；在其中一个谐振腔体上设有输入抽头引线，在另一个谐振腔体上设有输出抽头引线。

2.根据权利要求1所述的硅基多层腔体滤波器，其特征在于所述中间金属层为下述三种形式：（1）所述中间金属层位于相邻的上层介质层的下表面；（2）所述中间金属层位于相邻的下层介质层的上表面；（3）所述中间金属层由上层和下层组成，所述中间金属层的上层位于相邻的上层介质层的下表面，所述中间金属层的下层位于相邻的下层介质层的上表面。