CN103050748B - 微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器 - Google Patents

微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明是微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器，其结构包括上层衬底和下层衬底，其中上层衬底和下层衬底通过微机械对准键合工艺形成一体。微波信号由上层衬底滤波器输入端传送至下层衬底输入信号接口传输线，下层衬底信号输出通过输出通孔连接至上层衬底的滤波器输出端，滤波器的下层衬底的下表面为下层接地面，上层衬底的上表面除滤波器输入端、输出端图形外，为上层接地面，上层接地面和下层接地面通过金属通孔阵列实现电连接。优点：该滤波器利用三维通孔互连实现了上下硅片间的信号互连，上、下层衬底尺寸相同，减小输入输出接口的物理尺寸；采用全密封腔结构，减小微波泄漏；避免在芯片分离等后道工艺中水流、碎屑等对芯片内部结构的污染。

Description

微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器
技术领域
本发明是一种涉及微波工作频段中的滤波器，特别是微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器，属于微波电路、微电子和微机械（MEMS）系统交叉技术领域。
背景技术
微波滤波器广泛运用于卫星、通信以及航空、航天等系统中电子系统中选择并传输通带信号，滤除阻带信号。随着现代科技的发展，要求此类电子系统体积小、可靠性高和成本低。然而，一般的滤波器由于自身的局限性难于适应现代通讯系统小型化、集成化和轻量化的要求：传统的腔体滤波器体积较大，同时它们不能与信号处理电路单片集成，限制了系统的微型化，LC滤波器品质因子较小，也不适合在微波、毫米波频段应用。表面波滤波器在1GHz以下已相当成熟，所占面积也不大，但表面波技术在更高频段遇到了较大困难。微波频段的交指线、梳状线、发夹线以及平行耦合线型微带或带状线滤波器虽然结构紧凑，但由于传统的微波接地技术的限制，相对尺寸仍然较大。且到了更高频段尤其是毫米波段，衬底损耗将会大大增加。微波滤波器等无源组件的集成成为系统小型化、高性能的瓶颈。
RF MEMS滤波器的出现为解决这些问题提供了可能的方法。MEMS带来了精细的加工手段，尤其是三维加工技术。使原本难以实现的结构成为可能。深刻蚀通孔技术、三维金属互连技术、DRIE（深反应离子刻蚀）和各种键合工艺，大大减小了传统的传输线型微波滤波器的尺寸，且易于和传统IC（集成电路）工艺集成。MEMS滤波器具有体积小、选择性好、高频损耗小，工作频段高等优点，可以满足新一代电子系统对小型化射频前端的需求，有极广的应用前景。
发明内容
本发明提出的是微屏蔽结构全密封式的层叠微机械（MEMS）滤波器，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，MEMS带来了精细的加工手段，尤其是三维加工技术。使原本难以实现的结构成为可能。深刻蚀通孔技术、三维金属互连技术、DRIE（深反应离子刻蚀）和各种键合工艺，大大减小了传统的传输线型微波滤波器的尺寸，且易于和传统IC（集成电路）工艺集成。MEMS滤波器具有体积小、选择性好、高频损耗小，工作频段高等优点，可以满足新一代电子系统对小型化射频前端的需求，有极广的应用前景。
本发明的技术解决方案：微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器，其特征是包括上层衬底和下层衬底，其中上层衬底和下层衬底通过微机械MEMS对准键合工艺形成一体。
所述滤波器上层衬底和下层衬底的介质材料为高阻硅或者砷化镓，下层衬底上的微波耦合线谐振器的节数可以是任意多节。
所述滤波器利用MEMS的DRIE（深反应离子刻蚀）技术或湿法腐蚀对所述滤波器下层衬底的微波耦合传输线之间的衬底表面进行刻蚀，形成刻蚀腔，刻蚀深度为衬底厚度的20%-40%。
所述滤波器在下层刻蚀腔上方的上层衬底处包含刻蚀腔，利用MEMS的DRIE（深反应离子刻蚀）技术或湿法腐蚀对所述滤波器上层衬底进行刻蚀，形成刻蚀腔，刻蚀深度为衬底厚度的20%-40%。
所述滤波器上层衬底包含输入通孔、输出通孔、滤波器输入端和滤波器的输出端，输入通孔和输出通孔孔壁附着金属，下层衬底输入端通过输入通孔连接至上层衬底的滤波器输入端，上层衬底输出端通过输出通孔连接至上层衬底的滤波器输出端。
所述滤波器的上层衬底和下层衬底在微带耦合线谐振器的外围位置处包含金属通孔阵列，利用激光打孔工艺刻蚀形成通孔，通孔直径为200um。利用电镀等工艺对通孔阵列进行金属化。
所述滤波器的下层衬底的下表面为下层接地面，上层衬底的上表面除了滤波器输入端和滤波器的输出端图形外，为上层接地面。
本发明的优点：利用DRIE（深反应离子刻蚀）腔体刻蚀工艺、深刻蚀通孔、三维金属互连、衬底键合等MEMS工艺手段实现了微屏蔽结构全密封式的层叠微机械（MEMS）滤波器， MEMS工艺的高精度满足了微波滤波器的设计和制造工艺误差要求。该滤波器采用微屏蔽结构设计，克服了传统平面微波滤波器存在频率漂移的腔体效应，并增强了滤波器的通带远端的杂波抑制能力。该滤波器通过通孔引线把滤波器的下层硅片的输入输出信号引至上层硅片输入输出，有效地减小了MEMS滤波器输入输出接口的物理尺寸；该滤波器全密封腔体结构设计，减小了腔体的微波泄漏，使上下衬底间金属引线以及微腔体结构得到有效保护，避免在芯片分离等后道工艺中水流、碎屑等对芯片表面的污染。
附图说明
图1是本发明实施例的分层立体示意图；
图2是图1中的AA方向剖面图；
图3 是图1中的BB方向剖面图；
图4是实施例的仿真插入损耗及反射损耗图。
图中的101是上层衬底、102是下层衬底、103是微波耦合线谐振器、103-1是下层衬底输入信号接口传输线、103-2是下层衬底输出信号接口传输线、104-1是下层接地面、104-2是上层接地面、105是下层衬底刻蚀腔、106是上层衬底刻蚀腔、107是输入通孔、108是输出通孔、109是通孔阵列、110是滤波器的输入端、111是滤波器的输出端。
具体实施方式
对照附图，微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器，其结构包括上层衬底和下层衬底，其中上层衬底和下层衬底通过微机械MEMS对准键合工艺形成一体。
所述的下层衬底上包含微波耦合线谐振器和下层衬底输入信号接口传输线、下层衬底输出信号接口传输线，对耦合线之间的下层衬底进行微机械刻蚀形成下层衬底刻蚀腔；
所述的下层刻蚀腔对应位置的上层衬底处包含上层衬底刻蚀腔，上层衬底刻蚀腔和下层衬底刻蚀腔形成了滤波器的密封腔，所述的刻蚀腔的刻蚀深度为衬底厚度的20%-40%。
所述的滤波器上层衬底包含输入通孔、输出通孔、滤波器输入端和滤波器的输出端，微波信号由滤波器输入端通过输入通孔传送至下层衬底输入信号接口传输线，经过微波耦合线谐振器，由下层衬底信号输出接口传输线通过输出通孔连接至上层衬底的滤波器输出端，实现微波滤波性能。
所述的上层衬底和下层衬底在微波耦合线谐振器的外围包含金属通孔阵列，利用电镀等工艺对通孔阵列进行金属化。
所述的下层衬底的下表面为下层接地面，上层衬底的上表面除了滤波器输入端和滤波器的输出端图形外，为上层接地面，上层接地面和下层接地面通过金属通孔阵列实现电连接，从而实现微机械MEMS滤波器的微屏蔽功能。
所述的上层衬底和下层衬底的介质材料为高阻硅或者砷化镓，下层衬底上的微波耦合线谐振器的节数是任意多节。
实施例，结合图1、2、3，
本发明实施例提供的微屏蔽、全密封、层叠结构的微机械（MEMS）滤波器，其结构包括上层衬底101和下层衬底102，在上层衬底101上刻蚀形成输入通孔107和输出通孔108，通过微机械MEMS对准键合工艺将所述滤波器的上层衬底101和下层衬底102形成一体； 
上层衬底101材料为400um高阻硅，下层衬底102材料为400um高阻硅；下层衬底102的上表面沉积金属形成微波耦合线谐振器103、下层衬底输入信号接口传输线103_1和下层衬底输出信号接口传输线103_2，下层衬底102的下表面沉积金属形成下层接地面104_1，在下层衬底102的上表面刻蚀形成下层衬底刻蚀腔105；在上层衬底101上刻蚀形成上层衬底刻蚀腔106，利用刻蚀技术在键合形成后的衬底上形成通孔阵列109，对上层衬底101的上表面沉积金属形成滤波器的输入端110和滤波器的输出端111及上层接地面104_2，对输入通孔107、输出通孔108及通孔阵列109的侧壁沉积金属；最终实现所述滤波器的制作。该滤波器通过三维通孔引线把滤波器的下层硅片的输入输出信号引至上层硅片输入输出，有效地减小了MEMS滤波器输入输出接口的物理尺寸。全密封腔体结构设计，减小了腔体的微波泄漏，同时MEMS工艺的高精度保证了微波滤波器的性能。
图4所示，其中该滤波器的通带为7.4-8.6GHz，通带损耗小于3dB，反射损耗小于-18dB，在6.4GHz、9.6GHz的带外抑制小于-50dB。

Claims (1)

1.微屏蔽结构全密封式的层叠微机械滤波器，其特征是包括上层衬底和下层衬底，其中上层衬底和下层衬底通过微机械对准键合工艺形成一体；所述的下层衬底上包含微波耦合线谐振器和下层衬底输入信号接口传输线、下层衬底输出信号接口传输线，对耦合线之间的下层衬底进行微机械刻蚀形成下层衬底刻蚀腔；所述的下层刻蚀腔对应位置的上层衬底处包含上层衬底刻蚀腔，上层衬底刻蚀腔和下层衬底刻蚀腔形成了滤波器的密封腔，所述的刻蚀腔的刻蚀深度为衬底厚度的20%-40%；所述的滤波器上层衬底包含输入通孔、输出通孔、滤波器输入端和滤波器的输出端，微波信号由滤波器输入端通过输入通孔传送至下层衬底输入信号接口传输线，经过微波耦合线谐振器，由下层衬底信号输出接口传输线通过输出通孔连接至上层衬底的滤波器输出端，实现微波滤波性能；所述的上层衬底和下层衬底在微波耦合线谐振器的外围包含金属通孔阵列，利用电镀等工艺对通孔阵列进行金属化；所述的下层衬底的下表面为下层接地面，上层衬底的上表面除了滤波器输入端和滤波器的输出端图形外，为上层接地面，上层接地面和下层接地面通过金属通孔阵列实现电连接，从而实现微机械MEMS滤波器的微屏蔽功能；所述的上层衬底和下层衬底的介质材料为高阻硅或者砷化镓，下层衬底上的微波耦合线谐振器的节数是任意多节。
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